1Cr18Ni9Ti不锈钢深冷处理后的钻削加工试验研究

刘星，黄久超，杨叶，任培强，龚有勇，朱敏杰，吴慧杰

上海航天精密机械研究所结构件加工事业部

1 引言

1Cr18Ni9Ti不锈钢具有良好的机械性能和耐腐蚀性能，广泛应用于航空、航天、化工、石油、建筑、医疗器械及食品工业中[1]。该材料塑性变形大，导热系数小，加工过程中切削温度高，加工硬化现象严重[2]，因此切削性能差，刀具使用寿命短[3]。在实际生产中，为节省企业成本，结合企业现有条件合理选用钻削刀具及延长刀具寿命很有必要。

国内外学者从应用涂层钻头和改进钻头几何参数等方面进行钻削研究。文献[4，5]研究了TiN涂层钻头高速钻削和变进给量钻削。彭海[6]从刀具设计及工艺出发，对深孔钻削进行了研究。景璐璐等[7]通过钻削试验研究了钻削参数对变形系数的影响以及变形系数与轴向力、扭矩和钻削温度之间的关系。

结合实际生产情况，本文采用硬质合金钻头与含钴白钢钻头对1Cr18Ni9Ti不锈钢材料进行钻削试验，在产品零件上钻直径10mm，深15mm的孔，得到合理的切削参数、切屑形状及测试出刀具寿命，供实际加工生产参考使用。

2 钻削试验

本试验在专用试验机1035V加工中心上进行。利用开发的切削监控系统软件监测加工时的主轴负载。

试验所用钻头为直径10mm的ITF涂层硬质合金钻头以及含钴白钢钻头。其中，硬质合金钻头钻尖角135°，白钢钻头钻尖角130°；白钢钻头的横刃长度约1mm，硬质合金钻头的横刃长度约0.2mm。试件厚度为15mm，材料为1Cr18Ni9Ti不锈钢。在三种不同进给量和转速下，对钻头进行钻削加工单因素试验。试验参数见表1。

表1 钻削试验参数

3 试验结果与讨论

3.1 进给量F的影响

图1为采用直径10mm钻头钻削时的主轴负载随进给量的变化规律。可以看出，钻削时，随着进给量F的不断增大，主轴的负载功率变大，即表明切削力变大。同时发现，相同条件下，采用硬质合金钻头切削时的主轴负载约比采用白钢钻头切削时的主轴负载大20%。本试验所用白钢钻头的横刃长度大于硬质合金钻头，而相同条件下，较大的横刃长度会导致钻削轴向力大且切削温度比较高[8]。根据试验结果可知，硬质合金钻头切削时主轴负载更大，其原因可能是白钢(高速钢，又名锋钢)钻头比硬质合金钻头更锋利，而1Cr18Ni9Ti材料的塑性很大，刀具越锋利越有利于切削，主轴负载更小。

图1 主轴负载功率随钻削进给量的变化关系

3.2 主轴转速S的影响

由上述结论可知，相同转速下，进给量越大，主轴负载越大。由此可得，当进给量F相同时，主轴转速越快，每转进给量就越小(即每齿切削量越小)，主轴负载就越小。同时，转速越高，则线速度越快，钻削温度越高。由于材料的导热性差，且塑性大，采用硬质合金钻头切削加工时，切屑与钻头黏结严重，导致排屑困难，钻头磨损严重。因此，为获得良好的刀具寿命，加工时对特定直径刀具取较低转速[9]。图2为转速1000r/min，进给量80mm/min时，钻头黏结磨损对比情况。

图2 加工前后钻头磨损情况对比

3.3 切削参数对切屑形状的影响

根据上述研究结果加工工件，取钻削转速为600r/min，加工方式为啄钻，每次钻深3mm，进给量分别为80mm/min，50mm/min，70mm/min，得到不同形态切屑(见图3)。可见，当进给量为50mm/min时，切屑为螺卷状，形态好；当进给量为70mm/min和80mm/min时，切屑杂乱且相互缠绕。由于材料塑性大，杂乱缠绕的铁屑易黏刀或刮伤工件。

图3 不同进给量条件下的切屑形态

采用含钴白钢钻头，转速为600r/min，进给量为50mm/min，每刀切深3mm时，加工孔的状态见图4。经测试，钻完80个孔后，孔口出现翻边现象，且刀具刃口出现一定的磨损。

图4 钻削加工第80个孔时的孔口情况

3.4 基于最优钻削参数下刀具受力情况模拟

采用Thirdwave物理仿真软件，使用过上述试验所得的最优钻削参数对工件进行物理受力仿真分析(见图5b)。钻削参数为转速600r/min，进给量50mm/min，深孔钻削，每次钻深3mm。从模拟结果可以看出，工件在整个钻削过程中受力均匀，这与在机床上的实际加工时情况相符。由图5a可看出，最大钻削切向力约为765N。

图5最优试验参数下钻削仿真模拟结果

4 结语

(1)在1Cr18Ni9Ti的钻削加工中，含钴白钢钻头的切削性能优于硬质合金钻头。在同样参数下，采用硬质合金钻头加工时主轴负载比采用白钢钻头高约20%。

(2)采用含钴白钢钻头切削时，进给量F为50mm/min，转速S为600r/min，每刀钻深为3mm时，切屑形成螺卷状，排屑性能最好，刀具的使用寿命最长。

(3)对试验所得的最优参数进行了切削力模拟仿真，可知钻削过程中钻削平稳，且最大切向力约为765N。该结果可应用于实际生产，解决了该类材料加工的难题。