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典型难加工材料钻削相关技术的基础研究

吴健  
【摘要】: 钻孔工序约占机械加工的40%~50%。然而难加工材料钻孔比较困难,它主要表现为钻削变形复杂、钻削力(扭矩、轴向力)大、钻削温度高、钻头磨损严重、使用寿命短等。随着航空、航天、兵器、舰船、电站设备等工业的发展,难加工材料的应用日益增多,对机械加工提出了严重挑战。虽硬质合金钻头可实现某些难加工材料的钻孔,但其抗弯强度低、冲击韧性差、脆性大,易崩刃、脆断,且成本高、刃磨困难,从而限制了它的应用。故人们生产中还是青睐于高速钢麻花钻,为此对难加工材料钻孔的钻削变形、钻削力、钻削温度、钻头磨损等的特点、规律及冷却润滑等相关技术进行比较深入系统地研究十分必要,不仅具有重要的理论意义,而且还有着广泛的应用价值。 首先,在对难加工材料钻削技术研究现状综述的基础上,研究了典型难加工材料的钻削机理,即钻屑的形成过程,而钻屑根标本的获取是其关键,为此研制了钻削快速落刀装置,并进行了一系列钻削试验,获得了45钢、奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti、钛合金Ti6Al4V和镍基高温合金GH4169的钻屑根,制取了钻屑根标本,对它们的变形情况、规律及影响因素进行了研究,给出了钻孔时剪切角的经验公式。为难加工材料难钻孔的研究奠定了理论基础。 然后,对难加工材料钻削困难表现之一——钻削力进行了研究。为此,根据钻削的等效模型,给出了钻头切削刃的工作角度,基于此建立了钻削力的理论模型,并提出了各段切削刃的钻削力分配比例钻孔法,对三种典型难加工材料的钻削力进行了理论和试验对比研究,还用有限元方法对钻削力进行了研究。结果表明:试件材料的力学性能对各段切削刃的钻削力分配比例影响较大,钻削用量的影响很小;钻削GH4169的轴向力最大,Ti6Al4V次之,1Cr18Ni9Ti最小,GH4169的扭矩最大,1Cr18Ni9Ti次之,Ti6Al4V最小。 再后,为研究难加工材料钻削困难表现之二——钻削温度,建立了钻削温度的理论模型。根据钻削的等效模型及二维切削温度模型,建立了钻削温度的分布模型和平均温度模型,对三种典型难加工材料的钻削温度进行了研究,并用有限元方法对钻削温度分布进行了初步研究。结果表明:钻削温度的计算值与实测值比较吻合,说明钻削温度的理论模型是有效的;钻削GH4169的钻削温度最高,1Cr18Ni9Ti次之,Ti6Al4V最低。 最后,为找出典型难加工材料钻孔难点及影响规律,对1Cr18Ni9Ti、Ti6Al4V和GH4169三种典型难加工材料进行了干式钻削试验,并建立了1Cr18Ni9Ti和Ti6Al4V钻削力和钻削温度的经验公式。为进行不同冷却润滑条件下的钻削试验,研制了钻削用过热水蒸气供气系统,并进行了干式、乳化液及过热水蒸气三种冷却润滑条件下的钻削试验。结果表明:材料力学性能对经验公式中的指数是有影响的;过热水蒸气可减小钻削力、降低钻削温度、减小钻头磨损;过热水蒸气的效果虽只略优于乳化液,却是替代乳化液的纯绿色冷却润滑剂,符合绿色加工技术的发展趋势。


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