基于BTA深孔鉆鉆削EA4T鋼的切屑形成機制研究

曲乃恒，沈興全，馮斌

(1. 中北大學機械與動力工程學院，山西太原030051;2. 山西省深孔加工工程技術研究中心，山西太原030051;3. 中國科學院寧波材料技術與工程研究所，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，將呈現出蓬勃發展的格局，如果考慮到現有落后老化機車車輛的更新換代，機車車輛的需求量還將大大增加。伴隨鐵路建設規模和投資規模的飛速發展，鐵路裝備的需求也將急劇增長，這必將為機械加工業帶來大的挑戰，尤其是動車的車軸的中心孔的加工問題，國內的動車車軸材料主要是EA4T 鋼，屬于高強的合金鋼，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量、提高生產效率有重大意義。深孔加工的切屑處理不當，將使得有限的空間內切屑不能正常排出，必會導致加工不能正常進行，造成切屑堵塞、深孔鉆崩壞扭斷，直接導致加工中斷［2－3］。因此，探究BTA 深孔鉆鉆削EA4T 鋼的切屑形成機制具有非常大的現實意義。

BTA 深孔鉆鉆削EA4T 鋼試驗是在中北大學山西省深孔加工工程技術研究中心加工某動車車軸的基礎上進行的。在BTA 深孔鉆鉆削EA4T 鋼過程中，通過改變主軸進給量、切削速度，來觀察加工過程中產生的切屑的形態，進行統計分析，得出兩者之間的關系。在次基礎上反推出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，對提高實際生產效率有重要的意義。

1 實驗設備及其參數設置

1.1 實驗設備

T2120 深孔鉆鏜床，專門加工圓柱形深孔工件的設備，鉆削時采用內排屑法排屑，機床床身剛性強，精度保持性好。主軸轉速范圍廣，進給系統由日本安川交流伺服電機驅動，能適應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 試驗相關參數設置

安裝好工件及刀具系統，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，切削液流量設置為q =100 L/min，切削液壓力設置為p=2.50 MPa［5－9］。

2 實驗及結果討論

2.1 實驗數據記錄

A 組實驗根據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。實驗結果如表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據

B 組實驗根據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］，根據實驗一的結論選擇較理想的切削速度作為第二次實驗的基礎，設定了7 個進給量參數，通過改變不同的進給量來觀察切屑的形態。實驗結果如表3 所示。

表3 切削速度v=50 m/min 進給量的改變對切屑形狀的影響實驗數據

2.2 實驗現象

在第一組實驗中，當切削速度低于20 m/min 時，切削吃力，鉆桿振動強烈，停止實驗。當切削速度在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。當切削速度在40 ～60 m/min 時，切削輕快，得到標準C 型屑，如圖2 (b)所示，當切削速度為70 m/min 時，得到節狀C 型帶狀屑，如圖2 (c)所示，當切削速度大于70 m/min 時，機床剛度不足，停止實驗。

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

圖2 實驗過程中產生的切屑形態

2.3 實驗結論分析

A 組實驗結論分析:剛開始切削時，由于鉆尖剛入鉆時，屬于不穩定切削，鉆頭受力不均勻，導致切削吃力，鉆桿振動強烈。當切削速度在30 ～60 m/min 這一階段切削均勻，鉆頭受力穩定，使得鉆削相對平穩，斷屑均勻，得到較為標準的C 形屑。當切削速度控制在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，導致產生節狀C 型帶狀屑。

B 組實驗結論分析:當進給量選為0.12 mm/r時，由于進給量較小，刀片所受到的軸向力較小，只是輕微地在工件表面劃過，導致切屑較薄。當進給量選為0.14 mm/r 時，隨著進給量的增大，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揮，切屑沒有被及時切斷，并且切屑較薄，最后形成無規則亂纏式帶狀切屑帶狀屑。當選取進給量為0.16 ～0.20 mm/r 時，切削平穩，進給量變大使得切屑變厚，斷屑效果良好，產生如圖2 (e)所示的節狀C 型帶狀屑。

3 結束語

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有著直接的影響，當切削速度過小時，切削吃力，出現啃刀現象，當切削速度過大時，機床剛性不足，不能進行正常切削。在實際鉆削EA4T 鋼的中，切削速度在40 ～70 m/min 的范圍內進行選取，進給量可以控制在0.16 ～0.22 mm/r 范圍內，可根據實驗進行適當調整，基于BTA 深孔鉆鉆削EA4T 鋼的切屑形成機制研究實驗為BTA 深孔鉆鉆削EA4T 鋼的切削速度選取和進給量的控制提供了一個數據參考范圍，提高了實際的加工效率。

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