25Cr2Ni4MoV鋼深孔鉆削分析

李 眾，宋子洋，李文杰

（西安石油大學機械工程學院，西安 710065）

0 引言

隨著全球經濟快速發展，電力是不可或缺的資源，發電機作為能源轉換的重要機械設備，在工業、能源領域有著廣泛地運用，是現代工業的原動機。發電機轉子長期工作在高溫高壓的惡劣環境下，必須采用性能優異的合金鋼[1]。25Cr2Ni4MoV鋼是一種低Si、低C、低Al、低夾雜物、低殘余元素、高合金元素的高品質鋼，具有強度高、塑性好，耐高溫、耐腐蝕等優異性能，是發電機轉子應用較廣泛的原材料之一[2～4]。發電機轉子一般是整體鍛造而成，轉子中心鉆有中心孔，中心孔有去除雜質，便于探傷和減輕轉子重量的作用，但是25Cr2Ni4MoV鋼的高強度、高塑韌性大大增加了其中心孔加工的難度，其在深孔加工時具體有如下難點[5]：加工硬化嚴重，加工表層的硬化程度可達200%～500%；切削力大，是45#鋼的2～3倍；切削溫度高，可達1 000℃；刀具磨損嚴重；塑性強，切屑不易斷屑。并且深孔加工是在半封閉的環境中進行的，加工空間極其有限，加工過程難以直接觀測，只能通過聽聲音、觀察切屑形狀、排屑是否順暢和鉆桿振動等方法判斷實際加工狀態[6]。因此，切屑形狀是對深孔加工狀態是否良好的重要判斷依據之一，切屑形狀直接影響系統的排屑是否順暢。切屑形狀影響因素主要有切削用量[7～9]和刀具幾何參數[10]。切削用量對深孔加工的影響主要體現在主軸轉速和進給量上，選用合適的切削用量是保證深孔加工不可或缺的條件。

本文對25Cr2Ni4MoV鋼進行了深孔鉆削的試驗研究。在鉆削過程中，采用單因素法分別研究了進給量和主軸轉速對深孔鉆削加工過程中鉆桿振動和切屑形狀的影響規律，進一步獲得25Cr2Ni4MoV鋼的最佳切削用量范圍。

1 BTA深孔鉆削試驗

1.1 試驗條件

工件材料為25Cr2Ni4MoV鋼，工件總長度為2 300 mm，直徑為φ230 mm，欲加工得到φ110 mm、表面粗糙度為Ra1.6的內孔，25Cr2Ni4MoV鋼化學成分及力學性能如表1與表2所示。

表1 25Cr2Ni4MoV化學成分（質量分數%）

表2 25Cr2Ni4MoV力學性能

針對被加工零件粗糙度及尺寸要求，25Cr2Ni4MoV鋼深孔加工方案采用深孔鉆削、深孔鏜削、深孔珩磨，具體工藝流程如圖1所示。其中鉆孔是影響該零件加工的關鍵技術，本文僅針對鉆孔部分進行研究。

圖1 深孔加工工藝流程

選用T2120A×4 m數控深孔鉆鏜床，鉆桿長度4 000 mm，最大鉆削深度3 000 mm，主軸轉速范圍61～1 000 r/min，額定供油壓力6.3 MPa，流量125 L/min。該設備采用BTA深孔加工系統，其工作原理是：高壓切削液通過專用授油器進入鉆桿外壁與內孔內壁之間的環形空間，再到達刀具頭部切削刃處進行冷卻潤滑，并將切屑從鉆桿內部沖出，排入收屑箱，切削液經過濾后可循環使用，工作原理如圖2所示。在加工過程中采用工件旋轉，刀具進給的鉆削方式，刀具采用焊接式YD15硬質合金刀片的新型錯齒BTA鉆頭，鉆頭直徑為φ70 mm。刀具結構如圖3所示，刀具幾何參數如表3所示。

圖2 深孔鉆削系統工作原理

圖3 新型錯齒內排屑深孔鉆結構

表3 φ70 mm新型錯齒內排屑深孔鉆幾何參數

1.2 試驗方法

為了獲得進給量和轉速對25Cr2Ni4MoV鋼的深孔鉆削的影響規律，本文采用單因素法分別研究了進給量和轉速對25Cr2Ni4MoV鋼的深孔鉆削過程中切屑形狀和切削狀態的影響規律，具體方案如下。

第一組：參考瑞典山特維克公司推薦的進給量，設定進給量f=0.18 mm/r，轉速范圍為100～280 r/min，每間隔20 r/min設定主軸轉速，共設定10個主軸轉速。

第二組：基于第一組試驗研究的結果，確定轉速為n=200 r/min，進給量范圍為0.1～0.24 mm/r，每間隔0.02 mm/r設定進給量，共設定8個進給量。

2 試驗結果

基于上述的試驗方案，獲得了進給量和轉速對25Cr2Ni4MoV鋼的深孔鉆削過程中對切屑形狀和切削狀態的影響規律。

2.1 主軸轉速的影響規律

表4所示為進給量一定，主軸轉速對25Cr2Ni4MoV鋼的深孔鉆削過程的影響規律。在該過程中產生的切屑形狀主要包括：節狀帶狀屑、短螺旋屑、長螺旋屑和纏繞帶狀屑。

表4 改變主軸轉速所得試驗結果

第一組試驗研究結果表明主軸轉速直接影響切屑形狀和切削過程，隨著主軸轉速增大，切屑變薄，刀齒與切屑接觸時間變短，斷屑難度增加，切屑形狀由短螺旋屑變成纏繞帶狀屑。進給量固定，當主軸轉速小于120 r/min時，切削系統有劇烈振動，切削難以繼續進行，選擇停止切削試驗；當主軸轉速在120～140 r/min時，切削系統有輕微振動，但可以繼續切削，產生節狀帶狀屑，如圖4（a）所示，其容屑系數較小，易于排屑；當切削速度在140～200 r/min時，切削系統無明顯振動，切削平穩，產生短螺旋屑，如圖4（b）所示；當切削速度在200～220 r/min時，切削系統無明顯振動，切削比較平穩，產生容屑系數較大的長螺旋屑，如圖4（b）所示；當切削速度在220～260 r/min時，切削系統無明顯振動，切削平穩，由于主軸轉速的升高，切屑愈發不容易斷裂，產生容屑系數比較大的纏繞帶狀屑，如圖4（c）所示；當切削速度在280 r/min以上時，切削系統剛性不足，無法進行正常切削。

圖4 切屑形狀

根據上述試驗結果，轉速在140～200 r/min產生的短螺旋屑容屑系數小，容易排出加工系統，因此25Cr2Ni4MoV鋼的合理轉速范圍為140～200 r/min。

2.2 進給量的影響規律

基于表4的結果分析，選取主軸轉速為200 r/min，研究了進給量對25Cr2Ni4MoV鋼的深孔鉆削過程的影響規律。在該過程中產生的切屑形狀主要包括：長帶狀屑、長螺旋屑、短螺旋屑。

第二組試驗研究結果表明進給量直接影響切屑形狀，隨著進給量增大，切屑厚度增大，刀齒與切屑接觸長度增大，切屑的應變增大，斷屑難度減小。主軸轉速固定，當進給量在0.1～0.22 mm/r時，切削系統均無明顯振動，切削平穩。進給量在0.1～0.14 mm/r時，產生薄、軟的長帶狀屑如圖4（d）所示，此切屑容屑系數較大，排屑比較困難，易堵塞排屑通道；進給量在0.14～0.18 mm/r時，切屑厚度增大，硬度變大，產生長螺旋屑，容屑系數變小；進給量在0.18～0.22 mm/r時，切屑厚度進一步變大，硬度變大，產生容屑系數較小的短螺旋屑；進給量在0.22～0.24 mm/r時，產生長硬帶狀屑，該切屑容屑系數大，容易發生相互纏繞現象，極易在排屑通道中發生堵塞；進給量大于0.24 mm/r時，機床振動劇烈，剛性不足，切削停止。

根據上述試驗結果，25Cr2Ni4MoV鋼深孔鉆削加工中進給量的最佳選取范圍為0.16～0.22 mm/r，選取此范圍進給量加工過程中產生的短螺旋屑容屑系數小，容易排出加工系統。

表5 改變進給量所得試驗結果

3 結束語

對于BTA內排屑深孔系統，存在斷屑困難、排屑通道空間不足的問題，合理規則的切屑形狀是切屑順利排出的必要條件。25Cr2Ni4MoV鋼強度高、塑韌性好，斷屑難度大大增加，通過試驗發現選取最佳的進給量和主軸轉速都不能產生變容屑系數較小的C形切屑，只能產生容屑系數稍大的短螺旋屑，也可順利排出。

試驗研究發現選擇不同轉速，切屑形狀有所不同。當進給量不變時，隨著主軸轉速增大，切屑長度變長，厚度減小，切屑由短螺旋屑變成長螺旋屑，再變成纏繞帶狀屑。試驗結果表明25Cr2Ni4MoV鋼深孔加工時使排屑順暢的切屑形狀是短螺旋屑，最佳轉速范圍是140～200 r/min。

試驗研究發現進給量對切屑形狀有直接影響，當主軸轉速不變時，隨著進給量增大，切屑長度變小，厚度增大，切屑由長帶狀屑變成長螺旋屑，再變成短螺旋屑。當進給量在0.16～0.22 mm/r范圍內，產生利于排屑的短螺旋屑。