CBN 超硬磨具磨鉆鈦合金微小孔加工研究?

厲 鵬，張平寬，孫王路

（太原科技大學 機械工程學院，山西 太原 030024）

0 引言

孔是組成機械零件的基本形面，是實現零件功能的一種基本結構，雖然沒有資料統計有孔零件占零件總數的比例，但有資料統計孔加工的金屬切除量約占整個機械加工金屬切除量的20%，孔加工刀具的消耗量約占整個機械加工刀具消耗量的60%，說明孔的加工難度較大。現代高科技產品中無不存在著大量孔加工任務，因此研究新的孔加工技術對高科技產品研制與升級換代具有極其重要的意義。

在現代航空、航天、軍用、民用的各個領域中，各種產品發展的一個重要方向是小型化，組成這些產品的重要零件及零件上的各種形面則更小，其上的孔加工則多為小孔加工；另外，為了保證這些產品的可靠性、智能化，要求所用的零件質量很高，那么制造零件的材料多為特殊材料，一般情況下其加工性能較差，用傳統的孔加工方法很難達到加工要求，常使得孔加工問題成為某產品制造的關鍵問題和技術。

針對現在出現的各種難加工材料上小孔加工問題，已經有激光加工、電火花加工、束流加工、超聲波加工等許多加工方法，但由于其各自的一些特點，不能滿足某些情況下的小孔加工要求。尤其是對有較高精度要求的孔，目前仍然采用鉆削的方法，以保證其加工質量［1］。本文在綜述目前常用的微小孔加工方法的基礎上對一種新的加工難加工材料微小孔的理論進行了探索。

1 CBN超硬磨具磨鉆鈦合金微小孔加工研究

微小孔加工的方法按加工原理分為兩大類：機械加工和特種加工。機械加工包括鉆削、沖孔、研磨、磨料流精加工等；特種加工包括電火花加工、電子束加工、電化學加工、等離子束加工、化學加工、激光加工、超聲波加工、電成形加工、水噴射加工、輻射腐蝕加工等。此外，復合加工也是目前的一種趨勢，常用的有微細電解－電火花復合加工、微細電解－研磨復合加工、微細超聲－電火花復合加工、微細超聲－研磨復合加工、微細激光－超聲復合加工、微細激光－電火花復合加工、微細鉆削－超聲復合加工等［2］。

1．1 微小孔加工的問題

在微小孔加工過程中容易出現的問題有［3］：①深孔加工排屑困難，一旦切屑阻塞，極易損壞刀具，而且鉆削扭矩將急劇增加，嚴重時會出現斷鉆頭情況，必須合理選擇切削速度和進給速度，以保證斷屑可靠、排屑通暢；②微小直徑深孔加工散熱很困難，冷卻潤滑液極不易進入鉆削區，必須采用有效、可靠的冷卻液和冷卻方式；③加工時容易發生偏斜，必須保證鉆頭主切削刃的對稱性以及其他要素的合理性，加工前必須采取導向措施。

1．2 CBN的性能

CBN的密度約為3．5×103kg／m3，為面心立方晶體結構，與鐵族元素之間有著很大的惰性，到1 300℃也不會發生顯著的化學作用；對酸堿都是穩定的；耐磨性極強。CBN與硬質合金性能比較見表1。

CBN硬度為HV8 000～HV9 000，是一般硬質合金的4倍；導熱系數為1 300W／（m·K），具有良好的導熱性，是硬質合金的25倍；線膨脹系數為（2．1～2．3）×10－6／K，與硬質合金相比較小，是其的1／3；彈性模量為720GPa，比硬質合金高；摩擦系數為0．3，是硬質合金的1／2。

表1 CBN與硬質合金性能比較

1．3 磨鉆理論探究與磨具結構設計

小孔的磨鉆加工技術是建立在刀具高速旋轉基礎上的一種新型小孔加工技術。其基本金屬去除原理是磨削，即刀具由含高硬磨料金剛石顆粒或立方氮化硼（CBN）顆粒的材料制成，整個刀具類似于高硬磨具，加工時由于刀具高速旋轉，實現磨料與工件之間的高速相對運動，完成切削加工工作。

磨具采用整體式，磨料為CBN－982，粘結劑為金屬結合劑。磨料磨粒的排列方式如圖1所示，可有效抑制磨削沖擊與振動。當行間距為0．9μm，行中磨粒緊密排布時，單位平方厘米的顆粒數約為630，磨粒直徑為50μm～80μm。磨具結構如圖2所示，鉆頭采用類似槍鉆的單刃結構，可有效避免磨削時中心轉速為零。

圖1 磨粒排列方式

圖2 磨具結構

超高速磨鉆是在高速度、大應變、快速成屑的條件下進行的，是一個極其復雜的過程，影響磨鉆的因素很多，而且難于控制；由于超高速磨鉆的整個過程是準絕熱的，因此沒有足夠的時間把磨粒對材料的高速沖擊能以能量的形式傳導和擴散出磨粒接觸區，使磨粒刃下方的材料在短時間內達到高溫并軟化、產生塑性流動甚至出現準流動相。所以超高速磨削區材料的表層溫度接近材料的熔化溫度，從而使材料在瞬間失穩、剪切極限強度下降，使超高速磨鉆磨屑的生成更加容易，材料磨除率大幅度提高，導致了去除單位體積材料耗能下降［4，5］。

2 利用ANSYS軟件進行仿真

首先在Pro／E 5．0中建立刀具的三維模型，刀具的刀頭長度為0．5mm、直徑為Φ0．5mm，并且在刀具兩側對應開直槽。其次建立一塊長、寬、高分別為100 mm、100mm、10mm的被加工板料。創建2個材料模型：刀具材料為立方氮化硼（CBN），其彈性模量為720GPa，摩擦系數為0．3，泊松比為0．3；被加工板料為厚度10mm的鈦合金薄板，其彈性模量為108 GPa，摩擦系數為0．34，泊松比為0．34。磨具的轉速定為30 000r／min～50 000r／min。

利用ANSYS軟件進行仿真，磨具加工的有限元模型見圖3，仿真得到的應力云圖見圖4。

圖3 磨具加工的有限元模型

圖4 磨具加工的應力云圖

查看分析結果，采用不同刀具尖角時的最大位移和應變值見表2。

經分析，刀尖角度為120°時的最大位移較小，最大應變值小，所以刀具尖角取120°較合理。針對刀具尖角取120°的刀具，當采用不同偏心量時的最大位移和應變值見表3。

表2 采用不同刀具尖角時的最大位移和應變值

表3 采用不同刀具偏心量時的最大位移和應變值

由表3可知，偏心量為0．1μm的最大位移量較小，最大應變值較小，故較合理。根據分析結果，磨鉆取鉆頭錐角為120°，偏心量為0．1μm為最佳。

3 總結

本文對現有的難加工材料微小孔加工的工藝進行了分析，總結了各種方法的優缺點，并對難加工材料微小孔加工的工藝進行了探索，提出了一種新的加工方法——磨鉆。在提出磨鉆機理的基礎上，利用ANSYS軟件對磨具鉆頭的結構進行設計優化，對磨鉆加工進行了初步的探索。

［1］ 馬星輝，高國富，趙波，等．精密微小孔加工技術進展［D］．焦作：河南理工大學，2008：56－60．

［2］ 鄭袖．深小孔加工的幾種方法［J］．機械工程師，2011（8）：139．

［3］ 楊彥濤，李自鵬，黃志偉，等．特種加工技術在微小孔加工中的應用［J］．黃河水利職業技術學院學報，2010（1）：49－51．

［4］ 李國發，王龍山，張衛波．磨削過程優化及其計算機仿真［J］．中國機械工程，2002（6）：501－505．

［5］ 張波，張偉，張占陽，等．加工42CrMo深孔中槍鉆鉆尖的幾何參數改進［J］．大連工業大學學報，2008（3）：274－277．