0 前言

      不锈钢阀体类零件中存在着非常复杂的孔系，其中的小深孔加工问题是困扰实际生产的一大难题。小深孔钻削问题是一个长期困扰机械加工领域的难题，研究人员通过提高主轴转速的手段来降低切屑厚度，以降低切削力、减少钻头折断概率，并取得了较好的加工效果。但由于加工手段和刀具条件的限制，高速钻削不锈钢等难加工材料时，无法解决切削发热量大、加工硬化和刀具磨损严重等问题，研究人员曾得出了高速钻削技术不适用于难加工材料小孔加工的结论。随着加工手段的丰富和刀具制造技术的提高，出现了专门用于不锈钢小孔加工的高速内冷钻头，为不锈钢阀体零件小深孔高速钻削加工提供了条件。但由于高速钻削加工的限制条件较多，国内外关于不锈钢小深孔高速钻削的研究还非常少见。

      本文将在分析高速钻削技术加工不锈钢小深孔难点的基础上，提出适应于不锈钢小深孔高速钻削的解决方法，并通过钻削试验对上述方法进行验证。

      1 不锈钢小深孔高速钻削的关键技术问题与解决措施

      不锈钢小深孔加工既属于难加工结构加工问题，也属于难加工材料加工问题。相对于普通小深孔钻削， 高速钻削加工不锈钢小深孔更加困难，主要体现在切削热问题和排屑问题2 个方面。

      （1）切削热问题

      切削过程中，切削功的表现形式为切削热；其他切削参数相同的情况下，切削速度越高，单位时间消耗的切削功越多，单位时间发热量也越大。单位时间发热量

      由于材料强度高、切削速度快，不锈钢小深孔高速钻削加工时发热量极大。由于钻头在半封闭的环境下工作，切削热很难散失。如果不能采取有效手段将切削热排出孔外，孔内会因切削热积累产生极高的温度；高温下钻头发生退火，强度和耐磨性能迅速下降，切削能力急剧降低；随着温度升高，黏结磨损和扩散磨损成为刀具的主要磨损方式，钻头使用寿命大幅降低。

      工程实践中通常采用切削液来解决切削热问题。对于小直径深孔钻削加工，很难从外部将切削液注入切削区， 只能使用带有内冷结构的钻头解决。

      假设钻削过程中切削热完全、均匀地传递给切削液，切削区温度与切削液温度一致，则切削热总量

      由式（4）可知，要维持切削区温升不变，切削液的流量La需与切削速度vz成正比。若ΔT 为特定数值时，可以计算得到切削液流量。由于钻头截面形状复杂，将钻头与孔作为整体考虑，由流体力学知识，要达到所需流量La，切削液的供液压力

      （2）排屑问题

      排屑问题是小直径深孔钻削加工中的普遍难题。由于小钻头螺旋槽浅、排屑困难，小深孔钻削加工时经常会出现切屑堵塞问题。高速钻削时切削速度高，切屑产生速度也随之增加，排屑问题更加突出；由于不锈钢材料强度和韧性好，产生的切屑不易折断，进一步增加了排屑难度。大量切屑堆积在孔内很容易卡死钻头，造成钻头折断。

      要解决小深孔高速钻削的排屑问题，一种途径是采用步进钻孔的方法，通过钻头反复回退将切屑带出孔外；另一途径是使用大流量的切削液将孔内堆积的切屑强行排出孔外。步进钻孔（又称啄式钻孔）， 是在钻削过程中通过钻头周期性地回退来实现排屑和冷却钻头的一种钻削方式。大量试验证明步进钻削是一种非常有效的小深孔加工手段。但是，由于钻头反复回退需要消耗大量时间，加工效率偏低。使用切削液强行排屑的方法与解决切削热问题的方法一致，可以实现解决方法的统一。切削速度为vz时切屑生成速度（切屑流动速度）

      式中ξ———切屑变形系数。

      要使切削液能够强行带走切屑，切削液的流速需远大于切屑生成速度。假定切削液的流速va需要达到切屑生成速度的n 倍时才能达到强制排屑的作用。若钻头两螺旋槽横截面积和为A，则即强制排屑所需切削液流量也与切削速度成正比。

      综上所述，要使高速钻削顺利进行，切削液的流量、压力必须同时满足散热和排屑两方面的要求。由于与流量相关的多个参数无法通过测量或计算方法得到，下面将通过切削试验，结合机床的实际情况选取。

      2 不锈钢小深孔高速钻削试验

      由于小深孔钻削过程中的切削热无法直接测量， 试验中利用钻头的磨损来间接表示切削热情况。

      切削试验在2 台MAZAK VCN510C 型立式加工中心上进行，其中1 台经过改造，冷却泵最大额定压力提高至15 MPa。

      分别使用普通麻花钻头和高速内冷钻头在易切削不锈钢材料上加工直径2.5 mm 深80 mm 的孔，加工参数如表1 所示。

      使用普通麻花钻头加工时， 在高速钻削条件下，切屑很快便将钻头卡死造成钻头折断。因此使用外冷却切削液无法实现高速切削。改用低速加工参数加工时，由于堵屑严重，加工过程中必须频繁退刀排屑。加工过程每进给1 mm 需要退刀排屑一次， 每孔加工时间约2 min。平均每支钻头可加工150 个孔。

      使用高速内冷钻头在未改造的加工中心上加工时，堵屑问题仍然非常严重，加工过程中仍需频繁退刀排屑。每孔加工时间几乎与使用普通麻花钻时相同。

      使用高速内冷钻头在经过改造的加工中心上加工时，未出现堵屑问题，加工可直接钻通，中途不用退刀。每孔加工时间约30 s（包括辅助时间）。平均每支钻头可加工800 个孔。从压力表示数可以看出，冷却泵的输出压力始终维持在10 MPa 以上，说明高压冷却泵的流量能够满足该孔高速钻削要求。

      从上述试验可以看出， 在使用普通麻花钻、外冷却液的条件下，由于切削过程中产生的大量切屑无法排出，很容易卡死钻头造成钻头折断，无法实现高速钻削。在使用外冷却方式时，由于切削液无法深入孔内，切削热很难散失，钻头磨损比较严重；由于钻头容屑空间小、切屑不易折断等原因，堵屑问题也非常严重。在低压内冷却液条件下，堵屑问题仍然无法解决，仍然无法实现高速钻削。在高压内冷却液条件下，堵屑问题得到解决，切削液带走切屑的同时也将切削热带出孔外，切削热问题也随之解决，加工效率显著提高。

      3 结语