攻克在不锈钢板上钻薄壁深孔的难题

去年年中，公司承接了一笔出口意大利的订单。外商在本公司订购了9台型号为2BE503的大型液环真空泵。由于该批泵将应用于强腐蚀环境工作，所以外商要求极为严格。从原材料的各种金属成份的含量到所有加工尺寸的公差，各项工作性能指标等等都有严格明确的合同要求，稍有不符即处以罚款退货等处罚。由于这笔生意对于本公司产品打开欧洲市场具有重要意义，所以公司从上到下都高度重视，所有环节都力求完美。
此批泵所用的材料为超低碳不锈钢00Cr17Ni14Mo2(316L),具有一定加工难度，订购坯料有限，交货期限紧，所以根本不允许出现废品。
由于我长期承担本车间大型、重要零件的钻孔加工任务，积累了一定的实际工作经验。而且别人不愿干不敢干的硬骨头活，我都敢勇于尝试去解决问题。所以厂领导将这次加工任务交给我，并希望趁机一并解决此道工序不合格品、废品率过高的问题。
一、在加工过程中遇到的问题
以往加工此道工序时常遇到以下三种问题：
1、孔壁鼓起变形的现象
在已精车好两平面的不锈钢板上钻一长径比为32的薄壁深长孔（见图2所示）。加工过程中金属受热膨胀产生热变形，受切削力挤压产生塑性变形。在双重变形作用下导致孔壁向左边薄的一面鼓起变形，令到平面度超差。
2、钻头引偏现象
由于钻头细长（φ11.5长度 350mm）刚性差，受切削反作用力影响使钻头弯曲钻入钢板。一种情况是钻头中途穿出钢板，另一种情况是钻头到达预定深度后与φ10的撞穿孔位置对不中。前一种情况只能报废，后一种情况还可重新找正后补救。
3、钻削时产生加工硬化的影响
一旦在钻削过程中产生加工硬化后，会令钻头迅速磨损烧毁，待重新刃磨钻头后再钻，则又容易加剧前两种问题。
奥氏体铬镍类不锈钢是一种广泛应用的耐腐蚀材料，我们在机械加工中经常遇到。加 工此类材料所体现出的突出问题主要在两方面：一是金属本身导热性差，受热变形严重；二是加工硬化现象严重。在车、铣、镗等开放状态切削时，对于观察控制材料受力受热变形，调整切削量冷却润滑等方面都较方便，而且产生加工硬化后的表面硬度相对于硬质合金刀具的硬度来说影响不大，所以加工难度不大。但是在钻孔加工时，尤其是深孔，是处于半封闭状态，观察控制切削工作区的冷却润滑、排屑散热都较困难。钻头为为高速钢制造，与硬质合金刀片相比，红硬性差，高温下扩散磨损及因亲和作用冷焊现象严重，所以比起其他工序有较大加工难度。
二、工艺分析
我接到加工任务后，并没有急于动手，而是先去查阅有关技术资料，从本质上认识问题产生的原因，从理论上找出解决问题的途径。
1、 先来研究一下超低碳不锈钢材料的加工切削特性。
为了形象说明问题，下文采用材料对比方式。以我们常用的材料碳素结构钢45号钢为基准，从硬度、塑性与韧性、导热系数、化学成份、金相组织等方面对比分析,各项指数见表1:

据资料显示，此种超低碳不锈钢(00Cr17Ni14Mo2)属于高纯度奥氏体不锈钢，金属成份以铬镍为主。虽然硬度不如45号钢高，但塑性和韧性要高得多。其切削力比45钢高`25%，导热系数约为45钢的1/3—1/4，传递散热慢，加工区切削温度较高。高温还加剧钻头的扩散磨损，金属中的元素容易与钻头中的同类元素发生“亲和”作用而导致冷焊，易生成积屑瘤加剧磨擦孔壁，使加工硬化更严重。
2、加工硬化现象
加工硬化现象是指在切削过程中，因刀刃并非绝对锋利，工件表层材料会受到刀刃和后刀面的挤压和磨擦而产生塑性变形，令其硬度显著提高。硬化层深度为0.02—0.30mm，硬度为工件材料原硬度的1.2—2.0倍。
3、对冷却润滑液的认识
切削液在切削过程中能起到冷却润滑、清洗防锈的作用。在刀具材料耐热性、导热性差，工件材料的热膨胀系数较大、导热性差的情况下，切削液对于降低切削温度和切削力，减少刀具磨损，提高刀具耐用度，减小工件受热变形，改善加工表面质量，保证加工精度，提高生产效率都有着非常重要的作用。
切削液的冷却作用，主要是靠热传导带走大量的切削热量。它的冷却性能主要决定于它的导热系数 、比热等。
切削液的润滑作用，主要是通过渗透在刀具、切屑和工件之间的切削工作接触面上形成吸附膜，从而减少金属与金属直接接触的面积，降低磨擦系数和磨擦力，减少切屑变形，抑制积屑瘤的成长，减少加工表面粗糙度，并提高刀具的耐用度。
切削液主要分为三大类：水溶液、乳化液和切削油。通过查阅资料和我在实际工作中的实验，在钻不锈钢材料时总结使用它们的特点：
1) 水溶液的主要成份是水加入少量添加剂。它的导热系数比油大3-5倍，所以它的冷却性能最好但润滑性最差，沸点最低极易汽化（大约在100℃--150℃,视添加剂不同），产生大量刺激性烟雾，使人操作困难。而且受流量、压力小的限制，还末到达最高温度区便已汽化，实际上使用效果最差。
2) 乳化液是由乳化油（由矿物油、乳化剂及添加剂）用水稀释而成，实际使用浓度在5%--25%之间。它的导热系数比油大2—3倍，冷却性比油好比水溶液稍差。润滑性比水溶液较好比油差。沸点汽化温度比水溶液稍高一点，但也难到达高温区。
3) 切削油主要成份是矿物油，少数是动物油、植物油或复合油。为了提高油膜的坚固性和润滑效果，常加入油性、极压添加剂。例如以全损耗系统用油为基油,添加氯化石蜡、石油磺酸钙、石油磺酸钡、二硫化钼等调制出的极压切削油。它的冷却性较差，润滑性最好。汽化温度能达到300℃--400℃,能够渗透到高温区有效润滑
三、解决问题的措施
1、经过前面几点的分析，我意识到解决问题的关键在于：
1) 减小切削阻力，从而减小材料受切削力挤压的塑性变形，避免加工硬化的发生；另一方面避免钻头受切削反作用力而弯曲。
2) 控制降低切削温度，从而减小材料自身受热变形；另一方面减缓钻头磨损，提高钻头耐用度。
3) 改善冷却润滑、排屑情况，以利于前面两点的实现。
2、 为达到以上三点目的，在选用钻头类型方面的措施：
1） 尽量使用长刃深孔钻头，避免使用接长杆钻头，如果实在要用，则要注意增加排屑的间隔。
2） 众所周知，群钻比麻花钻具有许多更适合切削的优点，所以我决定在深孔钻头上刃磨改良型群钻。
3、 在选定钻头类型之后，就需要对钻头的切削角度进行合理刃磨，以便达到更好切削效果。在书本理论指导下，并经过多次试验，我找到几种切削角度的组合，取得较好效果。以下是我刃磨钻头时采取的几点措施
钻头如图3所示。

在钻心部分，为减小轴向抗力，增加定心作用，内刃锋角取较小值90°±5°。太小则强度不够，容易崩尖。
1） 为了尽量减小切屑的变形和挤压磨擦，在钻头整体强度允许的情况下，适当增大前角，尤其是内刃处前角，须磨到10°以上方好用。其他部分前角不磨也行。加大后角，取20°±5°，这样钻头变得相当锋利。
2） 在钻削用量中，对切削温度影响最大的是钻削速度（转速），影响最小的是背吃刀量ap(即单边主切削刃长)，尽可能延长主切削刃，则需要减小锋角2φ，第二重锋角取100°±5°较合适，太大不能有效延长主切削刃，太小则增加扭矩。在外切削刃和副切削刃交接处磨出过渡刃宽为1/6d,一般取70—75°
3） 因钻头直径小，可以不磨分屑槽。加工不锈钢材料很难断屑，钻头上可以不考虑磨断屑槽。
4） 其他参数，尖高h=3毫米、横刃长1—0.5毫米、外刃后角和过渡刃后角取15—20°。
5） 为了减少磨擦，应当在钻头磨好后，用油石抛光前后刀面。
经过以上的改良刃磨后，钻出的切屑为两条窄而厚的略弯长直屑，以及少量的扇形短屑，排屑相当顺利，可以长时间不用退出钻头排屑。
6）有时难以避免遇到钻头烧在孔内的情况，这时材料已发生严重加工硬化，图3所示钻头就不再适用了。应改用图 4所示钻头。为了增强钻头强度，它修磨前刀面前角取0—10°。并磨出双后角，第一后角取10—15°，第二后角取20—30°，以利于切削液流入润滑散热。
7）刃磨时如何控制角度。可在薄铜板上先画好各种角度，然后再用剪刀剪成角度样板，刃磨时用来控制角度。
4、关于切削用量的选用：
1） 为避免切削刃和刀尖在硬化层中切削，进给量要大于硬化层厚度，又要顾及长钻头刚性，避免钻杆弯曲，所以进给量选在0.10—0.20mm之间。
2） 经试验，转速选取在200—300r/min之间，太快的话钻头磨损快，温度升得也快。太慢的话没有工作效率。
5、 关于切削液的选用：
1) 由于钻孔加工区处于半封闭状态，切屑成螺卷形而且不断屑，容易堵塞排屑槽。因切削液不易流动，散热困难，所以要求切削液的沸点高，自身能吸呐较多热量。
2) 前刀面要承受较大的压力，两侧棱边磨擦严重，要求润滑膜有足够的强度，以减小磨擦力和钻削阻力。
因此，我在加工此道工序选择使用冷却润滑液时，决定使用极压切削油。由供应商的产品介绍书中发现一种手刷型攻丝油，它是以动物油、植物油为基油，添加了硫、二硫化钼等等极压添加剂调配而成。呈黑褐色膏状，润滑效果极好，能达到前面两点要求。缺点是流动性差，使用时大多数往往粘在切屑上带出，只有少部份流到切削高温区。于是我便在其中添加了1/5—1/4浓度为50%的乳化液，太多则会影响它的润滑效果。混合后呈稀粥状，使用时用刷子涂抹在钻头上并能顺着钻头流入切削区。
钻削时的注意要点：
1） 刚开始钻削时，不要直接使用长钻头，应该先用刚性较好的普通短钻头钻到尽头，再换深孔专用长钻头。
2） 使用深孔长钻头刚开始进刀时，注意观察钻头是否弯曲而需要调整进给量，待平稳钻削后，再将主轴定位机构锁紧，以防主轴偏移而导致孔轴偏移。
3） 时刻注意钻削状态，用看、听、摸的方法进行监测。用眼看钻杆是否弯曲，出屑是否连续顺畅。切屑的颜色能够指示温度的变化，当切屑与工件同色时说明温度不高，切削正常；当切削颜色发黄、发蓝黑则说明温度过高，须暂停加入冷却润滑液或者刃磨钻头了。通过听声音是否突然异常变化，用手摸着工件感觉振动是否正常。正常切削时声音是轻微连续顺畅的，振动几乎微不可觉；切屑堵塞时声音杂乱爆响，钻头钝化时声音尖锐刺耳，振动明显加大。
四、效果
   加工完首件后检测，所有公差均符合技术要求。该批所有工件加工完毕后，不合格品、废品率均为0。总结这次加工所得到的经验，并在本车间其他钻工中推广应用，现在不锈钢板上钻薄壁深孔这一工序基本上不再出现废品，不合格品也大大减少，并提高了一定的劳动生产率，为企业减少了废品损耗。
五、结束语
综上所述，本人在这次加工过程中，通过对材料的加工性能分析、切削角度的改良、冷却润滑液的选用，达到了降低切削温度，减少工件的变形，减小切削抗力的目的。使加工工件质量符合工艺设计要求。并从中得到一些体会，提示当我们遇到一些难加工材料或者加工难题时，不要蛮干瞎干，要通过现象看到本质，用理论指导实际，走研究—分析—试验—解决的路子。利用现有的工具，配合一些辅助手段，尽可能挖掘生产潜力，以解决实际生产中的难题。