15- 5PH 不銹鋼深孔加工試驗研究
2018-4-20 來源：轉(zhuǎn)載 作者：吳凡，王忠建，張文露，曾劍輝，董松
摘要: 針對民用大飛機(jī)的制造需求，開展了 15-5PH 不銹鋼深孔加工的實驗研究。運(yùn)用極差分析方法，闡明了主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度及孔深對出口處孔徑偏差的影響程度和影響規(guī)律。并采用多元回歸分析，建立了出口處孔徑的指數(shù)預(yù)測模型。實驗及分析結(jié)果顯示，孔深是影響通孔出口處孔徑偏差的主要因素。同時，通過對比預(yù)測值和實驗值，驗證了孔徑預(yù)測模型構(gòu)建的合理性和有效性。
關(guān)鍵詞: 15-5PH 不銹鋼; 深孔加工; 孔徑偏差; 極差分析; 指數(shù)預(yù)測模型
0、前言
15-5PH 不銹鋼具有強(qiáng)度高、橫向韌性好、工藝性能及耐腐蝕性優(yōu)越等特點，使其在民用大飛機(jī)機(jī)身主梁、驅(qū)動裝置及起落架等關(guān)鍵耐蝕承力結(jié)構(gòu)件的研制中備受青睞，替代了傳統(tǒng)的 30Cr Mn Si A 等高強(qiáng)度合金鋼。但該材料加工過程中存在加工硬化嚴(yán)重、切削溫度高、切屑不易折斷等問題，特別是在加工深孔時，刀具的排屑、冷卻潤滑和導(dǎo)向問題難以解決。另外，由于 15-5PH 不銹鋼應(yīng)用領(lǐng)域的特殊性，關(guān)于該材料加工工藝性能的相關(guān)文獻(xiàn)較少。王槐德等對 15-5PH 不銹鋼薄壁筒形零件車削工藝開展了研究，有效地控制了薄壁筒形零件加工變形。侯朋提出通過工藝改進(jìn)、選用硬質(zhì)合金鉆頭等方法，提高了深孔加工效率。上述研究主要從加工變形和加工效率的角度出發(fā)開展了實驗研究，但如何改善深孔加工質(zhì)量、降低孔徑偏差一直是航空制造領(lǐng)域關(guān)注的焦點。因此文中將通過 15-5PH 不銹鋼深孔加工實驗，深入分析切削參數(shù)對通孔出口處孔徑偏差的影響，并開展出口孔徑預(yù)測模型的研究。
1、深孔鉆削實驗條件及方法
15-5PH 不銹鋼即 0Cr15Ni5Cu3Nb 鋼是在 17-4PH鋼基礎(chǔ)上發(fā)展的馬氏體沉淀硬化不銹鋼，具有高的強(qiáng)度、良好的橫向韌性以及優(yōu)良的使用性能和工藝性能。該次實驗采用的 15-5PH 不銹鋼由中航工業(yè)洪都集團(tuán)提供，主要化學(xué)成分如表 1 所示。主要性能指標(biāo)見表 2。
表1 15-5PH 不銹鋼主要化學(xué)成分及含量( 質(zhì)量百分?jǐn)?shù))
表2 15-5PH 不銹鋼主要性能
表3 實驗因素及水平
實驗在四川長征立式加工中心 KVC 1050N 上開展。采用國產(chǎn)直徑為 5 mm 的含鈷高速鋼鉆頭，冷卻方式為外置油冷。文中采用正交實驗設(shè)計方法，研究15-5PH 不銹鋼材料鉆削加工過程中，主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、孔深 3 個因素對孔徑偏差的影響規(guī)律。通過對各因素設(shè)置不同的 4 個水平，并按照 L16( 43) 正交實驗表安排 16 組實驗。各實驗因素及其水平如表3 所示
2 、實驗結(jié)果與分析按照
L16( 43) 正交實驗表進(jìn)行了 16 組平面銑削實驗。使用游標(biāo)卡尺測量每組實驗后的出口處孔徑。
2. 1 極差分析
極差分析是權(quán)衡各因素影響程度的一種有效的方法。通過求出每個因素的各水平平均值的極差，來判斷對指標(biāo)的影響程度，極差值越大，影響越顯著。對15-5PH 不銹鋼深孔鉆削實驗的測量結(jié)果及極差分析如表 4 所示。
表4 L16( 34) 正交實驗及極差分析表
由表4可知，孔深的極差值最大，達(dá)到了0.045，進(jìn)給速度次之，而主軸轉(zhuǎn)速的極差值相對較小。由此表明，對于 15-5PH 不銹鋼鉆削加工后孔徑偏差，最主要的影響因素是孔深，其次為進(jìn)給速度，主軸轉(zhuǎn)速的影響相對較小。
2. 2 切削參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律
表 4 反映了鉆削加工中切削參數(shù)及孔深對孔徑偏差的影響規(guī)律，以下分段敘述。
2. 2. 1 孔深對 15-5PH 不銹鋼孔徑偏差的影響規(guī)律
從圖1可以看出15-5PH 不銹鋼孔徑偏差隨著孔深的增大而呈現(xiàn)快速遞增趨勢。麻花鉆直徑和長度受所加工孔的限制，呈細(xì)長狀，剛性較差。為形成切削刃和容納切屑，必須做出兩條較深的螺旋槽，致使鉆頭的剛性進(jìn)一步削弱。當(dāng)孔深增大時，鉆頭夾持后的懸伸量增大，鉆頭的剛性再次被減弱。在鉆削力的作用下，鉆 頭 出 現(xiàn) 彎 曲，使 得 加 工 后 的 孔 出 現(xiàn) “引偏”，出口孔徑增大，如圖 2 所示。
圖 1 孔深對 15-5PH 不銹鋼孔徑偏差的影響
圖2 鉆頭引偏示意圖
2.2.2 進(jìn)給速度對 15-5PH 不銹鋼孔徑偏差的影響規(guī)律
如圖3所示，隨著進(jìn)給速度的增大，孔徑偏差整體上呈現(xiàn)下降趨勢。當(dāng)進(jìn)給速度從 25 mm/min 增大到 35mm/min 時，孔徑偏差降低幅度大。而當(dāng)進(jìn)給速度從 35 mm/min 增大到 40 mm/min，孔徑偏差降低幅度較小。因為當(dāng)進(jìn)給速度小幅增大時，鉆頭與工件每次鉆進(jìn)的接觸時間減少，鉆削過程斷屑及散熱條件改善。同時，切削力并未明顯增大，鉆削過程更加平穩(wěn)，所以孔出口質(zhì)量改善。但隨著進(jìn)給速度的不斷增大，切削力顯著增大并出現(xiàn)鉆頭引偏現(xiàn)象，致使對孔徑偏差的改善效果減弱。
圖3 進(jìn)給速度對 15-5PH 不銹鋼孔徑偏差的影響規(guī)律
2.2.3 主軸轉(zhuǎn)速對 15-5PH 不銹鋼孔徑偏差的影響規(guī)律
在15-5PH 不銹鋼的鉆削過程中，主軸轉(zhuǎn)速對孔徑偏差的影響規(guī)律與上述兩因素略有不同，兩者的關(guān)系曲線如圖 4 所示。在 500 ～ 700 r/min 之間，孔徑偏差隨主軸轉(zhuǎn)速的增大略有上升，而在
700 ～ 800 r/min之間，孔徑偏差隨轉(zhuǎn)速的增大而減小。該現(xiàn)象的出現(xiàn)主要是由于當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到臨界值 700 r/min 后，切削力隨著轉(zhuǎn)速增大而減小，使得鉆頭變形減小，從而提高了孔的加工質(zhì)量，孔徑偏差值有所降低。
圖4 主軸轉(zhuǎn)速對 15-5PH 不銹鋼孔徑偏差的影響規(guī)律
2.3 基于多元線性回歸的指數(shù)預(yù)測模型
基于正交實驗結(jié)果，采用多元線性回歸分析方法，建立 15-5PH 不銹鋼鉆削后孔徑的指數(shù)預(yù)測模型。各切削參數(shù)對表面粗糙的影響呈現(xiàn)復(fù)雜的指數(shù)關(guān)系，其通用模型為:D = cna1vfa2da3(1)式中:
D 為已加工孔的直徑，c 表示由于材料性能、刀具幾何形狀以及機(jī)床本身等對已加工孔徑的影響系數(shù); a1、a2、a3、a4為待定系數(shù)，其大小代表各因素對已加工孔徑的影響程度。
對式 (1) 兩邊取對數(shù)得:
根據(jù)表 4 及公式 (3) 可得:
通過指數(shù)模型計算出 16 組正交實驗的表面粗糙度預(yù)測值，圖 5 為實驗值和預(yù)測值的對比分析曲線。從中可以看出實驗值和預(yù)測值的擬合效果較好，體現(xiàn)了該模型的準(zhǔn) 確性和有效性，預(yù)測誤差屬可接受范圍。
圖5 實驗值與預(yù)測值對比曲線
4 、結(jié)論
對民用大飛機(jī)機(jī)身常用的 15-5PH 不銹鋼材料進(jìn)行了深孔鉆削實驗研究，對其出口孔徑偏差的主要影響因素及規(guī)律進(jìn)行了分析，并建立了出口孔徑的指數(shù)預(yù)測模型，主要得出以下三點結(jié)論:(1) 孔深是影響通孔出口孔徑偏差的主要因素，其次為進(jìn)給速度，主軸轉(zhuǎn)速對孔徑偏差的影響較小;（2）孔徑偏差隨孔深的增大呈現(xiàn)遞增趨勢，隨進(jìn)給速度的增大呈下降趨勢。而主軸轉(zhuǎn)速對孔徑偏差的影響規(guī)律與上述兩因素略 有 不同: 在 500 ～ 700r / min之間，孔徑偏差隨主軸轉(zhuǎn)速的增大略有上升，而在700 ～ 800 r/min 之間，孔徑偏差隨轉(zhuǎn)速的增大而減小;( 3) 通過對預(yù)測值和實驗值的對比分析驗證了所構(gòu)建的出口孔徑指數(shù)預(yù)測模型的準(zhǔn)確性和有效性。
來源：江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院
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