铝合金细小 孔钻削特征 和工艺的研究

铝合金细小 孔钻削加工及其工艺难点

铝合金是以铝为主的合金总称，经由过程 添加铜、硅、镁、锌、锰和 镍、铁、钛、铬、锂等合金元素，在连结 纯铝质轻等长处 的同时，其“比强度”可胜过许多 合金钢，成为幻想 的构造 材料，普遍 用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面。飞机的机身、蒙皮、压气机等经常使用 铝合金制造，以减轻自重。其典型用处 还包罗飞机发念头 和柴油发念头 活塞、飞机发念头 汽缸头、喷气发念头 叶轮、航空器构造 铆钉、螺旋桨叶片、导弹构件、卡车轮毂、储存 容器、薄板加工件、深拉或旋压凹形器皿、焊接零部件、热交流 器、印刷板、铭牌、反光用具 等。

另外一 方面，跟着 科学手艺 的成长 和尖端产物 的日趋 邃密精美化、集成化和微型化，细小 孔加工的数目 愈来愈 多，对加工质量的要求也愈来愈 高。虽然 加工细小 孔的工艺方式 有许多 ，例如激光束、电子束、离子束和电火花加工等，然则 在国表里 利用最普遍 、适用 性最强的依然 是麻花钻机械钻孔[1]。

铝合金强度和硬度相对较低、对刀具磨损小，且热导率较高，使切削温度较低，所以铝合金的切削加工性较好，属于易加工材料，适于较高切削速度切削。高速钻削时主轴的转速每每在10000r/min以上。然则 ，铝合金熔点较低，温度升高后塑性增年夜 ，在高温高压感化 下，切屑界面磨擦 力很年夜 ，切屑易熔结在刀刃上而粘刀。熔结物被后续加工冲击脱落时也会造成刀刃缺损[2]。铝合金的上述切削加工性使得其细小 孔钻削加工存在诸多工艺难点。这是由于 ，钻削加工是切削前提 最卑劣 的加工方式 之一，而钻削小孔，特别 是直径1mm及以下的小孔，不单集中了钻削加工的所有难点，并且 切削前提 较通俗 孔径钻削更加 卑劣 。具体表现 在以下几个方面[3-4]。

（1）细小 钻头的刚度随孔径的减小和钻孔长度比的增添 而急剧下降。为了尽可能 填补 细小 钻头刚度的不足，细小 钻头的钻芯厚度相对较年夜 ：直径年夜 于1mm的钻头的钻芯厚度与钻头直径的比值每每小于0.2，而细小 钻头通常是 0.3~0.4。钻芯厚度年夜 ，则横刃宽、螺旋槽浅，钻削前提 恶化。入钻时，横刃会使钻尖在工作轮廓游动，粉碎入钻定位精度，横刃越宽，游动就越严重。钻削时横刃处于副前角切削状况 ，横刃越宽，切削抗力越年夜 ，钻头的负荷也就越年夜 。

钻头螺旋槽的功能主如果 容屑、排屑和导入切削液。螺旋槽浅，则容屑能力差，排屑坚苦，切屑与已加工轮廓刮擦严重，影响轮廓质量，并易造成切屑梗塞 ，同时切削液难以到达切削区域，冷却润滑结果 极差。出口毛刺与轴向切削力亲切 相干 ，而轴向钻削力首要 来自于横刃，横刃越宽，轴向钻削力就越年夜 ，出口毛刺就越严重。

（2）麻花钻头属于构造 外形 对照 复杂的刀具，为减轻导向部份 与孔壁的磨擦 ，尺度 麻花钻在导向部份 制有较窄的棱边，并且 从外圆向尾部制成倒锥，构成 较窄的副后刃面和年夜 于0°的副偏刃角。

对 利用最普遍 的高速钢细小 麻花钻头，为了提高其刚度、强度和 从便于制造斟酌 ，每每没有棱边和倒锥，构成 副后角为0°的较宽年夜 的副后刃面和0°副偏角，所以钻削进程 中导向部份 与孔壁磨擦 严重。

由于本身 构造 的缺点 和细小 孔钻削的卑劣 工艺前提 ，细小 麻花钻利用于铝合金细小 孔加工时，钻偏、粘刀、切屑梗塞 、环绕纠缠 等问题经常造成钻头折断，并且 折断部份 很难从工件中掏出 ，常以工件报废而了结 。细小 钻头寿命的分离性极年夜 ，是以 在许多环境下，分外是在钻削珍贵 工件时，不能不 在远未到达 钻头寿命平均值时就将钻头提早 换失落 ，造成钻头和辅助工时的极年夜 浪掷。细小 孔钻削加工中避免钻头折断、提高钻头寿命、庇护工件的路子 首要 有2种：一是针对工件材料的切削机能 ，保举 优化的切削参数、削减 切削力、提高钻头耐费用 。二是在线及时 监测钻削进程 ，在到达 监测阈值时预告 换刀，来提高钻头行使 率。

本课题经由过程 年夜 量的铝合金细小 孔钻削实验 ，研究高速钻削进程 中动态切削力（轴向力和扭矩）的转变 特征，和 钻削工艺参数对动态切削力的影响纪律 。由此，以切削力最小为优化目的 ，经由过程 优化钻削工艺参数实现铝合金细小 孔钻削工艺机能 的改良 、提高钻头耐费用 。

铝合金细小 孔钻削实验

铝合金细小 孔钻削实验 在一台自行研制的高速数控钻床长进 行，该钻床的首要 手艺 参数为：加工孔径0.2~1mm，加工深度0~8mm，最高主轴转速27000r/min，进给速度0~1mm/s。实验 系统示意图如图1所示，工件安装于工作台上，用四爪卡盘固定。工件上安装有应变片式轴向力-扭矩二份量 测力仪，其量程别离为20kg及500N·mm，精度3‰。传感器的2路输出旌旗灯号 经测力仪内置放年夜 器放年夜 后，毗邻 研华公司16位高速数据收集 卡的A/D采样端，采样后的离散化数据输入较量争论 机留存 以便后续阐明处置。丈量 时的采样频率为2000Hz。

高速切削加工铝合金时，可供选择的刀具材料有硬质合金、陶瓷、金属陶瓷、聚晶金刚石等。实验 采取 直径1mm的硬质合金尺度 麻花钻在铝合金工件上钻孔，不使用切削液。刀具材料YG6A，工件为LY12硬铝合金。实验 的主轴转速为8000~22000r/min，进给速度为12~60mm/min。改变主轴转速或进给速度加工各孔时，收集 各钻孔进程 中的轴向力和扭矩数据，研究铝合金细小 孔钻削的旌旗灯号 特征，并对数据进行阐明处置，进一步研究主轴转速和进给速度对钻削力的影响纪律 。

图2是主轴转速16000r/min、进给速度12mm/min实验 前提 下在铝合金工件上钻一φ1mm盲孔时测得的轴向力和扭矩时域旌旗灯号 。图中横坐标为采样点数。如图2所示，在入钻、钻削和 退刀的3个阶段钻头切削力旌旗灯号 台阶性转变 十分较着。进一步，在钻削进程 中跟着 钻孔深度的加年夜 ，入钻钻头部份 长径比的逐步 增添 ，排屑趋于坚苦，钻削前提 恶化，轴向力和扭矩呈逐步 增添 的趋向 。如许 特点的轴向力和扭矩时域旌旗灯号 在实验 中十分普遍。一旦呈现切屑梗塞 ，轴向力和扭矩跨越 极限，直径细小 的钻头即折断。研究铝合金细小 孔钻削的实验 也注解 ，切屑梗塞 酿成的 钻头折断是钻头破坏 的首要 缘由 。

铝合金细小 孔钻削工艺参数的影响纪律

影响铝合金细小 孔钻削工艺机能 的身分 ，除刀具材料之外 ，主如果 主轴转速和进给速度等钻削工艺参数。本节按照上述铝合金细小 孔钻削实验 后果，对收集 的钻孔进程 钻削力（轴向力和扭矩）数据进行阐明处置，摸索主轴转速和进给速度对钻削力的影响纪律 ，以进一步研究钻削工艺参数对铝合金细小 孔钻削工艺机能 的影响。

钻削力数据阐明处置的方式 是，针对各孔加工中测的轴向力和扭矩数据，别离求其在钻削阶段数据的平均值，作为该孔加工中钻头承受的轴向力和扭矩实验 值。

1 主轴转速对钻削力的影响纪律

进行铝合金细小 孔钻削实验 ，在12mm/min、24mm/min、36mm/min、48mm/min和60mm/min的分歧 进给速度下考查 主轴转速对钻削轴向力和扭矩的影响。主轴转速为8000~22000r/min。

图3和图4别离为分歧 进给速度下改变主轴转速时各孔加工中轴向力和扭矩实验 数据的汇总图。由此可知整体 的趋向 是：跟着 主轴转速增添 ，轴向力和扭矩逐步 减小；主轴转速为16000r/min时，轴向力和扭矩最小；以后 ，跟着 主轴转速增添 ，轴向力和扭矩又最先 逐步 增年夜 。上述纪律 其实不 由于 进给速度的分歧 而改变。

2 进给速度对钻削力的影响纪律

进行铝合金细小 孔钻削实验 ，在8000r/min、10000r/min、12000r/min、14000r/min、16000r/min、18000r/min、20000r/min和22000r/min的分歧 主轴转速下考查 进给速度对钻削轴向力和扭矩的影响。进给速度为12~60mm/min。图5和图6别离为分歧 主轴转速下改变进给速度时铝合金细小 孔钻削加工中轴向力和扭矩实验 数据的汇总图。一样 ，整体 的趋向 是：跟着 进给速度增添 ，轴向力和扭矩逐步 减小；进给速度为36mm/min时，轴向力和扭矩最小；以后 ，跟着 进给速度增添 ，轴向力和扭矩又最先 逐步 增年夜 。上述纪律 其实不 由于 主轴转速的分歧 而改变。

3 实验 后果阐明

由以上实验 后果可以得出，铝合金细小 孔钻削中的最好 主轴转速是16000r/min，最好 进给速度是36mm/min。在此切削前提 下进行钻孔加工，轴向力和扭矩最小。按照金属切削机理，切削力小，切削发生 的热量少，切削区温度低，切屑熔结等粘刀现象削减 ，不但 刀刃磨损和缺损削减 ，并且 刀屑磨擦 减小，切屑处置性改良 ，切屑梗塞 的风险下降 。是以 ，有益 于避免刀具折断，耽误 刀具寿命。

切削热是由切削功转变而来的，个中 包罗弹性、塑性变形发生 的热量和所有磨擦 发生 的热量。主轴转速和进给速度增添 ，单元 切除率增添 ，切削功增添 ，转变的切削热增添 。使用切削液时，切削热首要 由切削液带走；不消 切削液时，切削热首要 由切屑、工件和刀具带走或传出。通俗 钻削时各传热序言 切削热传出的比例为切屑28%、工件52.5%、刀具14.5%、四周 介质5%[5]。在高速切削前提 下，切削热被切屑带走的比例年夜 年夜 增添 。且切削速度越高，由切屑带走的热量越多，传入工件和刀具的热量就越少[6-7]。

在8000~16000r/min和 进给速度12~36mm/min局限 ，跟着 主轴转速和进给速度增年夜 ，切削功增添 后虽然发生 的热量增添 ，但小于切屑提速后带走的热量，切削区温度下降 ，切屑界面熔结削减 ，切削机能 改良 使钻削力下降 。而主轴转速跨越 16000r/min和进给速度36mm/min后，即在16000~22000r/min和 进给速度36~60mm/min局限 ，跟着 主轴转速和进给速度增年夜 ，切削功增添 后发生 的热量增添 ，但因回头 容屑槽排屑能力有限，提速后的切屑能带走的热量有限，切削区温度升高，钻削进程 中生成变质层，切屑易熔结在刀刃上，切屑熔结物被后续加工冲击切削，使钻削力增年夜 。

可以认为，16000r/min和36mm/min是临界前提 。在该临界前提 下，铝合金细小 孔钻削进程 中切削热的发生 与带走或传出到达 了最好 的动态均衡 ，切削力最小，耐费用 最高。是以 ，16000r/min和36mm/min是铝合金细小 孔钻削的最好 主轴转速和最好 进给速度。

竣事 语

本课题经由过程 年夜 量的钻削实验 进行了铝合金细小 孔钻削特征 和工艺的研究。铝合金细小 孔钻削实验 在一台自行研制的高速数控钻床长进 行。实验 采取 直径1mm的硬质合金尺度 麻花钻在铝合金工件上钻孔，不使用切削液。

刀具材料为YG6A，工件为LY12硬质合金。首要 结论以下 ：

（1）高速钻削进程 动态切削力（轴向力和扭矩）的转变 特征研究注解 ，跟着 钻孔深切 、入钻钻头部份 长径比的逐步 增添 ，排屑逐步 坚苦，钻削前提 恶化，使得轴向力和扭矩呈逐步 增添 的趋向 ，一旦跨越 极限即致使 细小 钻头折断。切屑梗塞 酿成的 钻头折断是钻头破坏 的首要 缘由 。

（2）铝合金细小 孔钻削工艺参数的影响纪律 研究注解 ，钻削工艺参数（主轴转速和进给速度）对动态切削力的影响存在临界值（即最好 工艺参数）：主轴转速16000r/min和进给速度36mm/min。

在该临界前提 下，铝合金细小 孔钻削进程 中切削热的发生 与带走或传出到达 了最好 的动态均衡 ，进行铝合金细小 孔钻削加工切削力最小，有益 于改良 铝合金细小 孔钻削前提 ，提高刀具耐费用 。