3Cr13马氏体不锈钢小深孔加工技术研究

刘世彬 陈 华 温 露

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川618000)

轴头圆盘上的小深孔加工是公司重点项目主要零部件的关键制造技术之一。零件材质为3Cr13马氏体型不锈钢，热处理调质硬度≥300HBW，具有较高的强度、硬度和耐磨性，切削加工性较差，属难切削加工材料。

深孔加工是机械加工中的关键工序之一，技术含量高、加工难度大、过程复杂、工作量大，而高硬度、高强度难加工材料的深孔加工，对深孔加工的质量、效率、刀具耐用度都提出了更高的要求。

图1 轴头圆盘小深孔结构简图Figure 1 Structure of spindle head disc small deep hole

1 不锈钢小深孔的加工特点

深孔加工是在封闭或半封闭的空间内进行的，由于孔深，观察不便，钻削条件复杂，钻头散热条件差、强度低、冷却润滑及排屑困难，导致加工过程中钻头磨损严重，粘结堵塞，甚至出现钻头折断、孔轴线偏斜、表面产生螺旋沟槽等问题；同时不锈钢材料具有切削抗力大、塑性大、加工硬化严重、导热系数低等特点，大大增加了不锈钢小深孔加工的难度，直接影响深孔加工的质量和效率。

不锈钢小深孔的主要加工难点如下：

(1)钻削系统刚性差，加工精度难以控制

深孔孔径小、深度深，长径比可达100∶1以上，钻削系统的刀杆细长、挠度大、强度低，加工过程颤动变形大，极易产生孔轴线偏移、孔壁波纹、孔口锥度及椭圆孔，造成所加工孔的直线度、圆柱度误差较大，尺寸误差大，孔表面粗糙度低。

(2)刀具磨损严重，耐用度低

深孔加工钻头工作环境封闭，切削液很难到达切削区，钻头工作条件比较恶劣，刀具冷却、散热、润滑条件差，加剧刀具磨损；不锈钢材料导热系数低，切削区局部温度高，加剧刀具材料氧化；在高温、高速、高压切削区，工件材料中的合金元素与刀具材料中的硬化物(如碳化钨、碳化钛、碳化氮等)、硬质合金粘结剂(如钴、镍、钼等化学元素)发生化学反应，具有较强的亲和力，刀具材料中的硬质物被破坏，发生粘结磨损、化学磨损、扩散磨损；不锈钢中高硬度碳化物(如TiC)微粒与刀头产生强烈摩擦，同时伴随加工硬化现象，加剧刀具磨损；不锈钢材料显著的塑性变形导致孔的表面强度、硬度均有很大提高，加工表面急剧硬化，切削抗力增大，刀具磨损加快。

(3)切削区温度高，刀具切削性能降低

深孔钻削加工过程中产生的切屑塑性变形大，工件与刀具之间的摩擦热、切屑形变热的70%～80%转化为切削热，使导热系数低(约为45钢的12～14)的不锈钢产生的切削热都集中在切削区和刀-屑接触的界面上；深孔钻削产生的铁屑仅能带走切削热的35%～45%，大部分切削热集中在切削区，不易扩散、热量集中易过热，刃口局部温度可达600～630℃，导致刀具的切削性能降低。

(4)材料的线膨胀系数大，孔径收缩量大

不锈钢的线膨胀系数约为碳钢的1.5倍，加工时切削热引起孔径增大，冷却后孔径收缩，尺寸一致性差，导致孔径超差或未进差。

(5)切屑不易排出，易堵塞损伤已加工表面。

由于孔深，铁屑易缠绕堵塞，造成钻头崩刃；不锈钢材料韧性好，塑性大(约为45钢的1.5倍)，切削加工硬化严重，硬化层深度达切削层深度的13以上，切屑难折断形成短螺旋状，缠绕在钻头和钻杆上，刮伤已加工的工件表面。

(6)加工过程不能直接观察

钻削时难以直接观察切削状况，要判断切削加工过程是否正常，主要依靠机床操作者的个人经验，采取听钻削声音、看排出切屑的形态、观察机床负荷及压力表、触摸钻杆振动等方法综合分析评判。

2 加工方案分析

针对3Cr13不锈钢类零件小深孔加工，结合深孔加工的特点和马氏体不锈钢的难切削加工性，从刀具类型、刀具几何角度、切削用量、切削液等方面深入研究，解决不锈钢小深孔加工中存在的难题。

2.1 刀具类型

针对直径<∅30 mm的深孔加工方法较多，通常采用普通加长麻花钻和枪钻加工两种方法。

普通加长麻花钻适用于碳素钢类硬度适中、精度要求不高的孔加工。在生产实践中，为保证切屑顺利排出，采用“啄击”法加工，需多次往复进退加工、排屑，钻头易折断，加工效率较低，孔轴线易偏斜，尺寸精度低，表面粗糙。

枪钻适用于硬度较高、精度要求较高或特殊材料如不锈钢类、高温合金类零件的深孔加工，该方法一次钻削就能获得良好的尺寸精度和低的表面粗糙度，所加工孔的长径比可达100，尺寸精度达IT7～IT9级，表面粗糙度可达到Ra0.4～3.2 μm。

2.2 刀具角度

枪钻采用外排屑法，高压切削液从枪钻内孔注入切削区，冷却钻头将铁屑从V型槽排出，适于钻削直径<∅30 mm的深孔。钻杆与已加工孔壁间的间隙较小，容易卡住细小的铁屑，因而要求铁屑具有较小的长度(<50 mm)并卷曲成短螺旋状或C形状。加工实践表明，刀具几何形状、切削用量和被加工材料都影响切屑形状。

枪钻最重要的几何参数是其内角α和外角β，见图2。内、外刃的主偏角对切削刃的受力状态、刀尖强度、断屑及排屑、切屑形成、孔的精度和表面粗糙度有着密切的关系。

图2 枪钻头部角度示意图Figure 2 Angle of gun drill head

一般标准型枪钻头部的钻尖偏心量e=A=D4，由于内刃切削速度较低，钻尖切削状况复杂，为防止钻孔轴线偏移，要保证外刃径向力等于或略大于内刃径向力，合力作用于导向块上，必须使β>α。加工一般材料时A=D4，β=20°～40°，α=15°～30°，适合于多数常规材料的加工，具有通用性，而对于不锈钢类零件则切削加工较困难。

针对不锈钢的难切削加工性，外角β和内角α宜选取较大的角度值，角度增大，切削刃宽度增加，切屑变薄，易形成一定长度的螺旋卷曲状切屑；随着角度的增加，螺旋卷状切屑的“螺距”增大，易形成小“直径”切屑；角度增大，钻尖越锋利，便于内、外刃分屑，为外切削刃在有限的空间内将切屑卷曲折断形成短螺旋状小切屑创造了有利条件，利于V型槽排屑和提高表面光洁度；随着切削刃加长，单位长度上的切削负荷降低，从而提高刀具的耐用度；选择后角要适中，太小会黏刀，太大会崩刃，加工实践经验表明，后角宜选取12°～15°。枪钻的几何角度见图3。

图3 枪钻头部几何角度Figure 3 Geometric angle of gun drill head

枪钻钻头的几何形状(见图4)决定了钻削深度和钻孔表面光洁度，钻头外形与其磨削角度必须与加工工件材质相匹配。

图4 枪钻外形截面参数示意图Figure 4 Section parameters of gun drill

枪钻头部倒锥的选择既要考虑被加工零件的精度，也要尽量延长刀具使用寿命。枪钻头部磨削出0.04%～0.08%的微小倒锥，减小枪头与孔壁间的摩擦阻力，减少切削热；形成冷却润滑膜，减小钻头导向块和切削刃表面的磨损。

在切削刃外侧，留一条与钻头轴线平行的狭窄圆柱面，俗称刃带(或定径刃)，刃带宽度La太小，易磨损；太大，增加摩擦阻力，通常取La=0.25～0.35 mm，定径刃对孔壁有修光作用；定径刃后角α取12°～30°，可改善定径刃的冷却润滑作用。

在外刃与边刃的交界处磨出过渡刃，避免外刃拐角处发生崩刃，提高枪钻使用寿命，同时微小过渡刃也会提高加工表面光洁度。

2.3 切削用量

主要根据刀具材料、被加工材料选择切削用量，另外还与切削加工过程、切屑形态、孔的精度指标和加工设备特性等因素有关。

为提高枪钻耐用度及排屑顺畅，需要选择合理的进给量和切削速度。进给量过大，切削变形抗力和摩擦力大，导致钻头崩刃、钻杆振动、弯曲甚至扭断等非正常破坏，孔表面粗糙度差、尺寸精度差、切屑排出不畅；进给量过小，不锈钢材料粘性较大，不易断屑，未折断的切屑缠绕在刀尖和钻杆上，刮伤已加工孔的表面，加剧刀具破损甚至扭断钻头、钻杆，无法进行正常钻削加工。

切削速度高，切削热量大，刀具易烧伤，强度降低，降低刀具的使用寿命；切削速度低，刀具与工件间的挤压作用明显，加工效率低，表面粗糙。

(1)切削速度

主要根据刀具材料选取与被加工材料相匹配的切削速度，另外还需综合考虑钻头耐用度、机床转速等因素。硬质合金枪钻的推荐切削速度见表1，选取切削速度v=50～70 mmin。

表1 硬质合金枪钻切削用量Table 1 Cutting amount of hard alloy gun drill

(2)进给量

主要根据钻削刀具、工件、加工设备等系统的刚性、强度选取与被加工材料相匹配的进给量，另外还需综合考虑加工表面质量、尺寸精度要求、排屑效果、切削液性能等因素。硬质合金枪钻的推荐进给量见表1，选取进给量f=0.01～0.032 mmr。

2.4 切削液

在深孔加工中，切削液主要起排屑、冷却和润滑作用。由于不锈钢的塑性大、加工硬化现象明显，切削抗力很大，刀具与切屑之间产生很大的挤压力，给导向块支撑油膜的压力很大，加剧了枪钻磨损，因而需要选择润滑性能良好的切削液。

枪钻加工一般选用活性非水溶性切削液，对孔有特定精度要求时，添加适量的活性添加剂。实践表明，切削液中活性硫的质量百分数低于5%时，孔的扩大量可达0.02～0.05 mm，加工尺寸误差可达0.03～0.06 mm，变化较明显；当活性硫质量百分数达10%时，可加工出误差≤0.02 mm的精密孔，且无扩张现象。

综合考虑分析，选用10%～15%的水溶性切削液，压力3～3.5 MPa，流量60～65 Lmin。

3 方案实施

(1)装卡分度：采用∅1000 mm数控分度头装卡、分度。

(2)刀具选用：选用YG类硬质合金涂层枪钻。

(3)切削用量：切削速度v=50～70 mmin，进给量f=0.01～0.032 mmr。

(4)引导孔精度：圆盘外圆单面留有余量5 mm，在孔的对应部位铣一小平面，采用专用定心钻加工引导孔，引导孔公差0～+0.02 mm，深度20 mm，表面粗糙度Ra1.6 μm。

(5)切削过程控制：加工过程中根据排出的铁屑形状、钻削加工的声音、机床振动的剧烈程度、设备负荷及压力表示值变化等因素，综合分析判断切削是否正常，并及时调整切削参数。

采用上述工艺方案，圆满完成了轴头圆盘上的不锈钢小深孔加工，加工后检测数据表明，尺寸精度指标达到图纸要求，见表2。

表2 孔径检验数据Table 2 Verification data of hole diameter

4 结语

针对不锈钢材料小深孔的难加工特性，从刀具选用、几何角度、切削用量和切削液等方面进行分析研究，结合∅200数控落地镗床的特性，制定合理的加工工艺方法，完成了公司重点项目关键组件的关键工序小深孔加工，取得了很好的效果，为产品的批量化、高效、高精度加工奠定了基础。