铝合金高速微小孔钻削工艺

    铝合金微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，通过添加铜、硅、镁、锌、锰以及镍、铁、钛、铬、锂等合金元素，在保持纯铝质轻等优点的同时，其“比强度”可胜过很多合金钢，成为理想的结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面。飞机的机身、蒙皮、压气机等常用铝合金制造，以减轻自重。其典型用途还包括飞机发动机和柴油发动机活塞、飞机发动机汽缸头、喷气发动机叶轮、航空器结构铆钉、螺旋桨叶片、导弹构件、卡车轮毂、贮存容器、薄板加工件、深拉或旋压凹形器皿、焊接零部件、热交换器、印刷板、铭牌、反光器具等。
    另一方面，随着科学技术的发展和尖端产品的日益精密化、集成化和微型化，微小孔加工的数量越来越多，对加工质量的要求也越来越高。尽管加工微小孔的工艺方法有很多，例如激光束、电子束、离子束和电火花加工等，但是在国内外应用最广泛、实用性最强的仍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通常在10000r/min以上。但是，铝合金熔点较低，温度升高后塑性增大，在高温高压作用下，切屑界面摩擦力很大，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微小孔钻削加工存在诸多工艺难点。这是因为，钻削加工是切削条件最恶劣的加工方法之一，而钻削小孔，尤其是直径1mm及以下的小孔，不但集中了钻削加工的全部难点，而且切削条件较普通孔径钻削更为恶劣。具体体现在以下几个方面[3-4]。
    （1）微小钻头的刚度随孔径的减小和钻孔长度比的增加而急剧下降。为了尽量弥补微小钻头刚度的不足，微小钻头的钻芯厚度相对较大：直径大于1mm的钻头的钻芯厚度与钻头直径的比值通常小于0.2，而微小钻头一般为0.3~0.4。钻芯厚度大，则横刃宽、螺旋槽浅，钻削条件恶化。入钻时，横刃会使钻尖在工作表面游动，破坏入钻定位精度，横刃越宽，游动就越严重。钻削时横刃处于副前角切削状态，横刃越宽，切削抗力越大，钻头的负荷也就越大。
    钻头螺旋槽的功能主要是容屑、排屑和导入切削液。螺旋槽浅，则容屑能力差，排屑困难，切屑与已加工表面刮擦严重，影响表面质量，并易造成切屑堵塞，同时切削液难以到达切削区域，冷却润滑效果极差。出口毛刺与轴向切削力密切相关，而轴向钻削力主要来自于横刃，横刃越宽，轴向钻削力就越大，出口毛刺就越严重。
    （2）麻花钻头属于结构形状比较复杂的刀具，为减轻导向部分与孔壁的摩擦，标准麻花钻在导向部分制有较窄的棱边，而且从外圆向尾部制成倒锥，形成较窄的副后刃面和大于0°的副偏刃角。
    对于应用最广泛的高速钢微小麻花钻头，为了提高其刚度、强度以及从便于制造考虑，通常没有棱边和倒锥，形成副后角为0°的较宽大的副后刃面和0°副偏角，所以钻削过程中导向部分与孔壁摩擦严重。
    由于自身结构的缺陷和微小孔钻削的恶劣工艺条件，微小麻花钻应用于铝合金微小孔加工时，钻偏、粘刀、切屑堵塞、缠绕等问题经常造成钻头折断，而且折断部分很难从工件中取出，常以工件报废而告终。微小钻头寿命的分散性极大，因此在许多情况下，特别是在钻削贵重工件时，不得不在远未达到钻头寿命平均值时就将钻头提前换掉，造成钻头和辅助工时的极大浪费。微小孔钻削加工中避免钻头折断、提高钻头寿命、保护工件的途径主要有2种：一是针对工件材料的切削性能，推荐优化的切削参数、减少切削力、提高钻头耐用度。二是在线实时监测钻削过程，在达到监测阈值时预报换刀，来提高钻头利用率。
    本课题通过大量的铝合金微小孔钻削试验，研究高速钻削过程中动态切削力（轴向力和扭矩）的变化特征，以及钻削工艺参数对动态切削力的影响规律。由此，以切削力最小为优化目标，通过优化钻削工艺参数实现铝合金微小孔钻削工艺性能的改善、提高钻头耐用度。
    铝合金微小孔钻削试验
    铝合金微小孔钻削试验在一台自行研制的高速数控钻床上进行，该钻床的主要技术参数为：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。试验系统示意图如图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-扭矩二分量测力仪，其量程分别为20kg及500N·mm，精度3‰。传感器的2路输出信号经测力仪内置放大器放大后，连接研华公司16位高速数据采集卡的A/D采样端，采样后的离散化数据输入计算机保存以便后续分析处理。测量时的采样频率为2000Hz。