基于SIED深孔鉆表面粗糙度影響因素的研究*

魏　杰，李耀明，張　煌，馬　騰

(中北大學a.機械與動力工程學院b.山西省深孔加工工程技術研究中心,太原 030051)

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基于SIED深孔鉆表面粗糙度影響因素的研究*

魏杰a,b，李耀明a,b，張煌b，馬騰a

(中北大學a.機械與動力工程學院b.山西省深孔加工工程技術研究中心,太原 030051)

在深孔鉆削過程中，表面粗糙度是衡量孔加工表面質量非常重要的指標之一，對機械產品的使用壽命和性能造成比較顯著的影響。通過SIED深孔鉆對鎳合金(NCr9)鉆削后孔表面粗糙度的實驗研究，主要分析在不同切削條件下主軸轉速n、進給速度Vf、切削深度h對孔表面粗糙度的影響，最后通過MATLAB擬合分析表明：切削條件合理選擇(n、Vf、h)能夠有效降低加工孔的表面粗糙度。

SIED深孔鉆；表面粗糙度；切削條件；MATLAB擬合

0　引言

隨著現代科學技術不斷進步，新型難加工材料的深孔加工、異形零件的深孔加工以及深孔加工精度要求等越來越高，難度也越來越大，同時機械加工產品也向著小型化及精密化的方向轉變，這對表面加工質量的精度提出了更高的要求和標準，而表面粗糙度作為一個重要的標準來評價零件加工表面質量，同時也是作為評估零件間的疲勞、潤滑、配合的穩定性以及其它重要性能的重要參數之一[1-2]。一般而言，減小表面粗糙度值的大小會增加產品的精度，減少磨損，能在一定程度上延長機械設備的使用壽命。

SIED深孔鉆作為深孔鉆削加工方法其中的一種，深孔鉆削過程非常復雜，影響表面粗糙度的切削條件因素很多，如孔軸線偏斜、刀具幾何參數、切削屑對已加工表面的劃傷、主軸轉速n、進給速度Vf、切削深度h等都會在不同程度影響表面粗糙度[4]。國內一些高等院校和科研機構在孔軸線偏斜[5]、刀具的幾何參數[6-7]以及切削屑對深孔表面粗糙度的影響做了許多研究，總結了大量的加工經驗和方法，對提高深孔的加工質量產生顯著的效果。其中n、Vf、h這三者對表面粗糙度產生的作用明顯，而國內研究三者對表面粗糙度影響缺乏針對、系統性、理論性的闡述和總結，在加工深孔時只能憑借實際的工作經驗進行加工條件的選擇，這樣會引起很大的誤差，不能達到機械產品的使用性能要求[8-9]。探索出合理的n、Vf、h對提高孔表面加工質量具有非常重要的指導意義，所以實驗主要從n、Vf、h(其它因素忽略不計)來研究對孔加工表面粗糙度的影響。

1　SIED深孔鉆削工作原理

SIED深孔鉆[3](如圖1)是結合DF鉆的內排屑方式、槍鉆刀體結構采用焊接的方法而形成的新型刀具，它克服了傳統深孔刀具結構不合理、制造困難等不足，實現其工藝結構和性能的更加完善。

圖1　SIED深孔鉆

SIED深孔鉆削系統(如圖2)，其排屑方式類似于DF系統，能夠保證對切削液及切削屑的混合物在鉆削孔過程中具有推、吸的雙重作用，從而使混合物快速排出[10]。可調節流閥把Q0的切削液分為Q1和Q2兩部分。授油器部分和聯接器的切削液主要是利用齒輪泵來實現，利用溢流閥限制切削液流量的值不得高于4500L/h。Q1切削液主要是通過授油器用于對鉆削區和刀具的冷卻和潤滑，并且切削液和切削屑經鉆桿內部排出，同時聯接器的射流噴嘴環形通道通過進入Q2的切削液完成負壓抽屑，達到快速排屑的目的，從而在最大程度上減小切削屑對加工孔表面粗糙度切削條件實驗研究的影響。

1.工件 2.SIED深孔鉆 3.導向套 4.鉆桿 5.授油器

2　實驗條件

(1)實驗設備：實驗采用Z2102深孔鉆床，主軸范圍：350～1000；功率：1.5kW；外形尺寸：4200×1830×1600；加工最大深度：1000mm；加工直徑范圍：3～20mm。測量設備：SRT-6200手持式粗糙度測量儀。

(2)刀具材料：選用直徑D=15mm的韌部材料為YG8硬質合金刀具。

(3)加工方式：工件旋轉、刀具進給[11]。

(4)實驗材料：選用直徑D=110mm的鎳合金(NCr9)，鉆孔長度800mm。

3　實驗驗證及MATLAB擬合

為了研究表面粗糙度隨主軸轉速、進給速度、切削深度變化的影響規律，選用單因素法進行試驗研究[12]，選擇使用φ=15mm的YG8硬質合金SIED深孔鉆，Q1=2000L/h，Q2=1700L/h來進行實驗研究。

3.1主軸轉速對表面粗糙度的影響

根據實際工作經驗，選擇刀具進給速度Vf=21mm/min和切削深度h=0.4mm保持恒定，改變主軸轉速n得到表面粗糙度Ra的實驗數據如表1。

表1　改變主軸轉速所得表面粗糙度的實驗數據

圖3擬合曲線表明，在主軸轉速取值較小時，表面粗糙度Ra較大，在n=620r/min左側，隨n的遞增，Ra值遞減，但當n大于670r/min時，Ra值又變化的比較顯著，呈現遞增的趨勢。對其原因進行分析：切削屑形成有兩個方面[13]：一是前刀面的擠壓；二是切削刃直接切除。主軸轉速的取值比較小時，會引起切削速度的減小，這時前者發揮主要的作用。切削刃和刀尖由于前刀面承載很大的應變和壓力而發生崩刃，以致加工孔表面質量變差，由公式f=(F×1000)/N[14]，式中，f：mm/r，F：m/min，N：rpm，進刀速F保持恒定，轉速過小引起f的增大，進而又會使鉆削厚度和鉆削層橫截面積的增大，因此扭矩和鉆削力會單調遞增，刀具的切削性能降低，從而使孔加工質量的表面粗糙度增大。由于主軸轉速的提高，加快了刀具在單位時間內參與切削的頻率，同時切削力也在不斷地減小，對加工孔的磨損量減小，所以孔的表面粗糙度Ra遞減。但是主軸轉速選擇太大，使得刀刃與加工材料接觸壓力增大，從而引起表面粗糙度Ra增大。

3.2進給速度對表面粗糙度的影響

圖3擬合曲線表明，表面粗糙度Ra值在n=620r/min時達到比較理想的效果，因此選擇主軸轉速n=620r/min、切削深度h=0.4mm進行研究Ra隨進給速度變化的規律，改變進給速度Vf得到實驗數據如表2所示。

表2　改變進給速度所得表面粗糙度的實驗數據

n=620r/min，h=0.4mm

圖4擬合曲線表明，在一定變化范圍內，表面粗糙度Ra隨進給速度Vf的增加變化情況是先減小后增加。重要的原因有：已加工孔表面上的切削層殘留面積是因為刀具相對工件是做進給運動造成的，如果Vf的選擇過大，切削刃直線部分的殘留高度形成表面粗糙度，會引起加工孔質量的變差。降低Vf，能在一定程度上很好地減少殘留面積和積屑瘤[15]的高度，從而使Ra值減小。但是Vf降低到一定的值，這時塑性變形占主要的作用，加工孔的Ra下降不會太顯著，當Vf再繼續減小到更小時，這時材料的塑性變形程度增大，Ra值反而有所升高。這表明進給速度太小或者太大對表面粗糙度都會有較大的變化，SIED深孔鉆削實驗，應該選擇Vf=21mm/min進行加工。

3.3切削深度對表面粗糙度的影響

圖4擬合曲線表明，表面粗糙度的Ra值在Vf=21mm/min時達到比較理想的效果，所以保持主軸轉速n=620r/min、進給速度Vf=21mm/min恒定，改變切削深度h得表面粗糙度實驗數據如表3。

表3　改變切削深度所得表面粗糙度的實驗數據

Vf=21(mm/min)，n=620(r/min)

圖5描述了表面粗糙度Ra值隨著切削深度變化不太明顯的現象，并在切削深度為0.3～0.5mm的范圍內Ra值基本相同。但是加工孔表面粗糙度值的波動與切削深度選擇的太大或者太小也有比較密切的關系。其原因如下：當切削深度取值過小時，刀尖起主要的切削作用，因為切削刃處存在圓弧半徑，使切削的過程中，材料的切除是靠擠壓的作用下完成的，切下切屑相對比較困難，同時會引起材料加工表面的塑性變形，以致已經加工的表面產生測流的現象，使得Ra值增加。但是切削深度取得較大的值時，產生的切削力會驟然增加，并且會引起加工設備的振動，從而導致表面粗糙度Ra值的上升。因此在深孔鉆削時，對切削深度的選擇要合理，如本次深孔鉆削實驗研究中切削深度在0.3～0.5mm范圍內為最佳。

4　結束語

(1)從MATLAB擬合曲線，我們得出：主軸轉速和進給速度對鉆削孔表面粗糙度影響顯著，切削深度對其影響最小。

(2)適當主軸轉速范圍內，表面粗糙度隨主軸轉速增加而減小，并且在n=570～670r/min得到理想的切削效果；進給速度對表面粗糙度產生的作用比較顯著，超過Vf=23mm/min時，Ra隨進給速度增大而突然增大；Ra受切削深度的影響較小，但是不能選擇太大或者太小的切削深度，宜選擇0.3～0.5mm。在SIED鉆削實驗中，宜選用切削條件為n=620r/min、Vf=21mm/min。因此在實際的生產加工過程中，在滿足零件的精度要求的條件下，應該適當的增加切削深度，同時合理的選擇主軸轉速和進給速度，從而達到提高加工效率的目的。

(3)通過對SIED深孔鉆對鎳合金鉆削表面粗糙度切削條件的研究，探究影響表面粗糙度加工因素的規律，對于選擇合理的切屑條件，以獲得最佳的表面質量，降低廢品率有著重大的意義，為以后的實際加工中也起到指導作用。

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(編輯李秀敏)

Research on the Influence Factors of Surface Roughness of Deep Hole Drilling Based on SIED

WEI Jiea,b，LI Yao-minga,b, ZHANG Huangb，MA Tenga

(a. College of Mechanical and Power Engineering ;b. Shanxi Deep Hole Cutting Research Center of Engineering Technology, North University of China, Taiyuan 030051,China)

In deep hole drilling process, The surface roughness is one very important indicator of hole machining surface quality, The influence of the service life and performance of the mechanical products obvious. An experimental study on the surface roughness of the nickel alloy (NCr9) by SIED deep hole drilling, The effects of feed rate, spindle speed, cutting depth on surface roughness are analyzed in different conditions. Finally, using MATLAB fitting analysis show: A reasonable choice of cutting conditions (feed rate, spindle speed, cutting depth) can effectively reduce the surface roughness of the machined hole.

SIED deep hole drilling；surface roughness；cutting conditions；MATLAB fitting

1001-2265(2016)08-0019-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.08.006

2015-09-14；

2015-10-26

國家自然科學基金資助項目“基于多體系統理論的深孔加工直線控制技術研究(51175482)” ；科技部合作項目“精密高效深孔加工關鍵技術合作研究(2013DFA70770)”

魏杰(1989—)，男，山東棗莊人，中北大學碩士研究生，研究方向為深孔加工技術，(E-mail)1436181505@qq.com。

TH162;TG529

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