基于BTA深孔鉆鉆削EA4T鋼的切屑形成機(jī)制研究

曲乃恒，沈興全，馮斌

(1. 中北大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，山西太原030051;2. 山西省深孔加工工程技術(shù)研究中心，山西太原030051;3. 中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江寧波315201)

0 前言

近年來，我國的高速鐵路(高鐵、快鐵、輕軌、地鐵)等，將呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的格局，如果考慮到現(xiàn)有落后老化機(jī)車車輛的更新?lián)Q代，機(jī)車車輛的需求量還將大大增加。伴隨鐵路建設(shè)規(guī)模和投資規(guī)模的飛速發(fā)展，鐵路裝備的需求也將急劇增長，這必將為機(jī)械加工業(yè)帶來大的挑戰(zhàn)，尤其是動車的車軸的中心孔的加工問題，國內(nèi)的動車車軸材料主要是EA4T 鋼，屬于高強(qiáng)的合金鋼，屬于難加工材料［1］，并且動車車軸的中心孔加工屬于深孔加工問題，是加工中的一大難題。然而，在深孔加工過程中控制切屑的形狀及其大小對提高工件加工質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率有重大意義。深孔加工的切屑處理不當(dāng)，將使得有限的空間內(nèi)切屑不能正常排出，必會導(dǎo)致加工不能正常進(jìn)行，造成切屑堵塞、深孔鉆崩壞扭斷，直接導(dǎo)致加工中斷［2－3］。因此，探究BTA 深孔鉆鉆削EA4T 鋼的切屑形成機(jī)制具有非常大的現(xiàn)實意義。

BTA 深孔鉆鉆削EA4T 鋼試驗是在中北大學(xué)山西省深孔加工工程技術(shù)研究中心加工某動車車軸的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。在BTA 深孔鉆鉆削EA4T 鋼過程中，通過改變主軸進(jìn)給量、切削速度，來觀察加工過程中產(chǎn)生的切屑的形態(tài)，進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出兩者之間的關(guān)系。在次基礎(chǔ)上反推出BTA 深孔鉆鉆削EA4T 鋼的切削用量控制范圍。該實驗研究豐富了深孔加工理論，豐富了BTA 鉆鉆削EA4T 鋼過程中切屑控制理論，對提高實際生產(chǎn)效率有重要的意義。

1 實驗設(shè)備及其參數(shù)設(shè)置

1.1 實驗設(shè)備

T2120 深孔鉆鏜床，專門加工圓柱形深孔工件的設(shè)備，鉆削時采用內(nèi)排屑法排屑，機(jī)床床身剛性強(qiáng)，精度保持性好。主軸轉(zhuǎn)速范圍廣，進(jìn)給系統(tǒng)由日本安川交流伺服電機(jī)驅(qū)動，能適應(yīng)各種深孔加工工藝的需要。授油器禁固和工件頂緊采用液壓裝置，儀表顯示，安全可靠。該機(jī)床的鉆孔直徑范圍φ20 ～φ80 m，滿足該實驗的鉆削加工要求。

1.2 試驗材料

EA4T 鋼成分如表1 所示，材料經(jīng)鍛造后正火［4］，工件形狀尺寸如圖1 所示。

表1 EA4T 鋼的成分

圖1 車軸尺寸形狀

1.3 試驗相關(guān)參數(shù)設(shè)置

安裝好工件及刀具系統(tǒng)，使得工件的安裝精度的徑向跳動為0.2 mm，端面跳動為0.12 mm;刀桿的安裝精度相對機(jī)床主軸跳動為0.2 mm。實驗中切削液類型為乳化液，切削液流量設(shè)置為q =100 L/min，切削液壓力設(shè)置為p=2.50 MPa［5－9］。

2 實驗及結(jié)果討論

2.1 實驗數(shù)據(jù)記錄

A 組實驗根據(jù)BTA 的鉆切削特性，基于實驗材料EA4T 鋼的材料特性，以及車軸的工藝特性，參考瑞典山特維克公司推薦的切削速度［2－3］，設(shè)定8 個切削速度，同時參考瑞典山特維克公司推薦的切削進(jìn)給量范圍，選擇f=0.16 mm/r，通過改變切削速度來觀察切屑的形態(tài)。實驗結(jié)果如表2 所示。

表2 改變切削速度的變化對切屑形狀的影響實驗數(shù)據(jù)

B 組實驗根據(jù)BTA 的鉆切削特性，基于實驗材料EA4T 鋼的材料特性，以及車軸的工藝特性，參考瑞典山特維克公司推薦的切削用量［2－3］，根據(jù)實驗一的結(jié)論選擇較理想的切削速度作為第二次實驗的基礎(chǔ)，設(shè)定了7 個進(jìn)給量參數(shù)，通過改變不同的進(jìn)給量來觀察切屑的形態(tài)。實驗結(jié)果如表3 所示。

表3 切削速度v=50 m/min 進(jìn)給量的改變對切屑形狀的影響實驗數(shù)據(jù)

2.2 實驗現(xiàn)象

在第一組實驗中，當(dāng)切削速度低于20 m/min 時，切削吃力，鉆桿振動強(qiáng)烈，停止實驗。當(dāng)切削速度在30 ～40 m/min 時，切削輕快，可以看到剪切面的條紋，肉眼看起來大體上平整的卷曲帶狀屑，切屑形狀如圖2 (a)所示。當(dāng)切削速度在40 ～60 m/min 時，切削輕快，得到標(biāo)準(zhǔn)C 型屑，如圖2 (b)所示，當(dāng)切削速度為70 m/min 時，得到節(jié)狀C 型帶狀屑，如圖2 (c)所示，當(dāng)切削速度大于70 m/min 時，機(jī)床剛度不足，停止實驗。

第二組實驗是基于第一組實驗進(jìn)行的，在得到標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)C 型屑的切削速度范圍內(nèi)選擇切削速度v =50 m/min 進(jìn)行鉆削實驗，避免切削速度對實驗結(jié)果造成不必要的影響。當(dāng)在剛剛開始入鉆時，進(jìn)給量控制在0.12 ～0.14 mm/r 時，得到較薄的節(jié)狀C 型帶狀屑，如圖2 (d)所示。隨著進(jìn)給量的增加，當(dāng)進(jìn)給量控制在0.14 mm/r 時，得到無規(guī)則亂纏式帶狀切屑帶狀屑，如圖2 (e)所示，當(dāng)進(jìn)給量控制在0.16 ～0.20 mm/r 時，得到標(biāo)準(zhǔn)的C 型屑，如圖2 (b)所示，當(dāng)進(jìn)給量為0.22 mm/r 時，得到節(jié)狀C 型帶狀屑，如圖2 (c)所示，當(dāng)進(jìn)給量大于0.22 mm/r 時，機(jī)床剛性不足，停止實驗。

圖2 實驗過程中產(chǎn)生的切屑形態(tài)

2.3 實驗結(jié)論分析

A 組實驗結(jié)論分析:剛開始切削時，由于鉆尖剛?cè)脬@時，屬于不穩(wěn)定切削，鉆頭受力不均勻，導(dǎo)致切削吃力，鉆桿振動強(qiáng)烈。當(dāng)切削速度在30 ～60 m/min 這一階段切削均勻，鉆頭受力穩(wěn)定，使得鉆削相對平穩(wěn)，斷屑均勻，得到較為標(biāo)準(zhǔn)的C 形屑。當(dāng)切削速度控制在60 ～70 m/min 時，由于切削速度相對較快，刀片的斷屑槽與切屑的接觸時間縮短，斷屑性能下降，導(dǎo)致產(chǎn)生節(jié)狀C 型帶狀屑。

B 組實驗結(jié)論分析:當(dāng)進(jìn)給量選為0.12 mm/r時，由于進(jìn)給量較小，刀片所受到的軸向力較小，只是輕微地在工件表面劃過，導(dǎo)致切屑較薄。當(dāng)進(jìn)給量選為0.14 mm/r 時，隨著進(jìn)給量的增大，刀片所受到的軸向力也開始增大，但是斷屑槽的作用沒有得到很好的發(fā)揮，切屑沒有被及時切斷，并且切屑較薄，最后形成無規(guī)則亂纏式帶狀切屑帶狀屑。當(dāng)選取進(jìn)給量為0.16 ～0.20 mm/r 時，切削平穩(wěn)，進(jìn)給量變大使得切屑變厚，斷屑效果良好，產(chǎn)生如圖2 (e)所示的節(jié)狀C 型帶狀屑。

3 結(jié)束語

通過BTA 深孔鉆鉆削EA4T 鋼實驗，可以很明顯看出在鉆削過程中，切削的速度對切屑的形成形態(tài)有著直接的影響，當(dāng)切削速度過小時，切削吃力，出現(xiàn)啃刀現(xiàn)象，當(dāng)切削速度過大時，機(jī)床剛性不足，不能進(jìn)行正常切削。在實際鉆削EA4T 鋼的中，切削速度在40 ～70 m/min 的范圍內(nèi)進(jìn)行選取，進(jìn)給量可以控制在0.16 ～0.22 mm/r 范圍內(nèi)，可根據(jù)實驗進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，基于BTA 深孔鉆鉆削EA4T 鋼的切屑形成機(jī)制研究實驗為BTA 深孔鉆鉆削EA4T 鋼的切削速度選取和進(jìn)給量的控制提供了一個數(shù)據(jù)參考范圍，提高了實際的加工效率。

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