加工42CrMo曲軸的整體合金麻花鉆頭的壽命提高

焦劍張偉

（大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧大連 116034）

國(guó)內(nèi)某發(fā)動(dòng)機(jī)廠的曲軸端面深孔使用麻花鉆進(jìn)行鉆削，鉆頭為整體合金麻花鉆，新刀具壽命為100件左右。本文對(duì)刀具壽命低的原因進(jìn)行分析并提出了改進(jìn)方案，取得較為滿意的效果，改進(jìn)后鉆頭壽命增加到150件左右，比較之前提高了50%，并提高了生產(chǎn)效率以及加工表面質(zhì)量。

被加工工件為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，材料為42CrMo，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后硬度較高，在38～42HRC之間，特別是韌性強(qiáng)，不容易斷屑，較長(zhǎng)的切屑在加工過(guò)程易導(dǎo)致排屑困難［1］。麻花鉆規(guī)格為φ14.5 mm ×160 mm，表1為刀具未改進(jìn)前的主要幾何參數(shù)。

表1 刀具改進(jìn)前主要幾何參數(shù)

刀具合金材料為DK460UF，使用普通 TiAlN涂層。加工用機(jī)床為進(jìn)口加工中心，采用臥式加工，冷卻方式采用外冷，并且兩端同時(shí)進(jìn)行加工。原加工參數(shù)為:進(jìn)給量f=0.2 mm/r，轉(zhuǎn)速1 400 r/min。

1 試驗(yàn)

兩支新刀，分兩組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1．1 改進(jìn)前

第一支用原廠參數(shù)，進(jìn)給量f=0.2 mm/r，轉(zhuǎn)速1 400 r/min。加工96件后，刀具磨損嚴(yán)重，機(jī)床報(bào)警。

（1）觀察

①切屑 呈蝌蚪型（如圖1），屬于短小切屑。

②工件 加工孔內(nèi)表面粗糙度不好，手摸發(fā)現(xiàn)明顯的刮痕和環(huán)狀切痕。

③刀具 如圖2所示，出現(xiàn)磨損主要有3部分:第一部分為切削刃處，越靠近

外緣磨損越嚴(yán)重;第二部分為沿第一后刀面后延伸，出現(xiàn)黑色燒痕;第三部分為沿后刀面方向上，出現(xiàn)較嚴(yán)重黑色燒傷。

（2）分析

被加工材料為42CrMo，該材料在調(diào)質(zhì)處理后硬度較高，在38～42 HRC之間，特別是韌性強(qiáng)，不容易斷屑，較長(zhǎng)切屑在深孔加工中會(huì)導(dǎo)致排屑困難，進(jìn)而使刀具與被加工區(qū)域溫度過(guò)高，影響切削效果。由于本加工機(jī)床采用外冷方式，在深孔加工中切削液不容易直接進(jìn)入加工區(qū)域，排屑主要依靠刀具螺旋槽自導(dǎo)，更增大了鉆削區(qū)冷卻難度［2］。本組實(shí)驗(yàn)中切屑尺寸較小，屬于蝌蚪型切屑，這種切屑尺寸雖小，但對(duì)于采用外冷方式的42CrMo的深孔加工是不利的。主要原因是這種小尺寸切屑，適合內(nèi)冷排屑，通過(guò)冷卻液流排出。但對(duì)于依靠自導(dǎo)作用排屑的麻花鉆來(lái)說(shuō)，由于切屑尺寸小，在受自導(dǎo)力作用時(shí)受力范圍小，容易造成切屑堵塞淤積在螺旋槽內(nèi)，反而不易排出。應(yīng)使切屑保持一定的長(zhǎng)度，呈短帶狀或?qū)毸停绱烁欣谇行寂懦觥Ａ硗猓〉那行歼€會(huì)在加工中劃傷加工表面，造成加工面質(zhì)量不好。

從后刀面上可以看出，加工區(qū)域溫度很高，以至于后刀面產(chǎn)生很?chē)?yán)重的燒傷。同時(shí)后刀面有干涉的痕跡，產(chǎn)生更大的切削力以及切削熱，雖然刀具有TiAlN涂層，但由于采用外冷形式，高溫還是直接導(dǎo)致刀具強(qiáng)度下降，由于切削力沿外圓處不斷增大，可以看到在外刃處出現(xiàn)崩刃。

（3）改進(jìn)

首先從切削參數(shù)入手，考慮到工廠實(shí)際需要，在保證效率不降低的情況下，更改加工參數(shù)。提高轉(zhuǎn)速到1 600 r/min，減小進(jìn)給量到0.015 mm/r。這是因?yàn)闇p小進(jìn)給量可以有效避免干涉問(wèn)題，同時(shí)小進(jìn)給高轉(zhuǎn)速可以送還上加工面粗糙度值，改變切屑形式，使其不易斷屑，使切屑變長(zhǎng)［3］。

1．2 改進(jìn)后

第二支刀具使用修改后的加工參數(shù)（進(jìn)給量f=0.015 mm/r，轉(zhuǎn)速1 600 r/min）進(jìn)行加工。加工103件后，出現(xiàn)纏刀現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)刀具出現(xiàn)崩刃，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

（1）觀察

①切屑 寶塔型（如圖3），平均長(zhǎng)度在15 mm左右。

②工件 表面質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)，環(huán)狀切痕消失，用手摸起來(lái)非常光滑。

③刀具 如圖4所示，后刀面磨損減輕，基本無(wú)干涉痕跡;靠近刃口處依然有燒焦痕跡，切屑溫度依然很高;在外刃處出現(xiàn)崩刃，同時(shí)發(fā)現(xiàn)橫刃有磨損。

（2）分析

改進(jìn)加工參數(shù)后的刀具加工質(zhì)量明顯提高，切屑變成寶塔型，說(shuō)明對(duì)于42CrMo減小進(jìn)給量可以降低刀具斷屑效果，并且對(duì)于這種材料的加工，寶塔型的切屑反而有利于排屑。同時(shí)，由于減小進(jìn)給，后刀面干涉現(xiàn)象也有所緩解。但是依然出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。分析原因主要是加工溫度較高，使切削刃脆弱。高溫的產(chǎn)生除了外冷形式的缺陷以外，切削力過(guò)大是造成高溫的主要原因。因此應(yīng)該減小刀具在切削過(guò)程中的切削力。減小切削力可以通過(guò)改變幾何角度的形式，因此從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析改進(jìn)。

①橫刃長(zhǎng)度 鉆頭橫刃在切削時(shí)所占軸向力達(dá)到總軸向力75%以上。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)橫刃處磨損較大，橫刃過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致切削力過(guò)大;而減小其長(zhǎng)度，增大其前角是減小切削力的有效方法。因此將橫刃由原有的0.9 mm減小到0.5 mm，可以有效減小切削力。

②橫刃斜角 橫刃斜角過(guò)大，為64.5°。橫刃斜角會(huì)影響到沿切削刃各點(diǎn)的后角分布，減小橫刃斜角可使內(nèi)刃各點(diǎn)的后角增大。由于刀具后角過(guò)小，導(dǎo)致在加工時(shí)后刀面產(chǎn)生干涉，這對(duì)加工是極為不利的。而對(duì)于加工鋼件，推薦采用的橫刃斜角為55°比較合適［4］。

③后刀面 后刀面滯后量該刀具只有0.93 mm。由于采用錐面磨法，過(guò)小的滯后量導(dǎo)致后角分布過(guò)小，在加工中造成干涉現(xiàn)象。因此增大滯后量至1.6 mm，可有效解決后刀面干涉問(wèn)題，并可以進(jìn)一步增大進(jìn)給量而不出現(xiàn)干涉。

④芯厚 芯厚的大小影響到刀具強(qiáng)度。芯厚大，雖然刀具強(qiáng)度增加，但橫刃過(guò)長(zhǎng)，同時(shí)由于內(nèi)刃斜角過(guò)大，導(dǎo)致內(nèi)刃較長(zhǎng)，外刃較短，使得在加工時(shí)應(yīng)力過(guò)于集中，造成崩刃。這可能也是為什么兩次崩刃都在外刃的原因。因此芯厚減小到4 mm。

改進(jìn)前后刀具幾何形狀如圖5、6所示。幾何參數(shù)改進(jìn)后，刀具使用壽命提高到150件，提高近50%。并且由于后角滯后量的增加，避免了干涉;橫刃減小因而減小了切削力。在進(jìn)給量f=0.2 mm/r，轉(zhuǎn)速提高到1 600 r/min，仍然保持高壽命。但再增加轉(zhuǎn)速或進(jìn)給量，刀具壽命明顯下降。說(shuō)明外冷形式下加工42CrMo，本加工參數(shù)已經(jīng)達(dá)到極限。

2 結(jié)語(yǔ)

（1）麻花鉆橫刃長(zhǎng)度的選擇很重要，不宜過(guò)長(zhǎng)。橫刃過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致切削力過(guò)大，影響刀具壽命。應(yīng)盡量縮短橫刃長(zhǎng)度。

（2）橫刃斜角應(yīng)正確選擇，加工42CrMo推薦選取55°。

（3）進(jìn)給量影響斷屑效果，對(duì)于42CrMo，切屑長(zhǎng)度不宜過(guò)短，以寶塔型為宜。否則影響排屑及加工表面質(zhì)量。進(jìn)給量不宜過(guò)大，過(guò)大的進(jìn)給量會(huì)增大刀具的前刀面磨損和后刀面的干涉。

（4）使用錐面磨后刀面時(shí)，增加滯后量可以有效防止干涉，并且可以防止后角過(guò)大造成刀具刃口強(qiáng)度降低。

［1］于永泗，齊民．機(jī)械工程材料［M］．大連:大連理工大學(xué)出版社，2007．

［2］陳云，杜齊明，董萬(wàn)福，等．現(xiàn)代金屬切削刀具實(shí)用技術(shù)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008:28－30．

［3］陳日曜．金屬切削原理［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002:36－38．

［4］倪志福，陳璧光．群鉆［M］．上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社，1999:63－65．