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15- 5PH 不鏽鋼深孔加（jiā）工（gōng）試（shì）驗研究

2018-4-20 來源：轉載作者：吳凡，王忠建，張文露，曾劍輝，董鬆

摘要（yào）: 針（zhēn）對民用大飛機的製造需求（qiú），開展（zhǎn）了 15-5PH 不鏽（xiù）鋼深孔加工的實（shí）驗研究。運用極差分析方法，闡明了主軸轉速、進給速度（dù）及（jí）孔深對出口處孔徑偏差（chà）的影響程度和影響規律。並采用（yòng）多元回歸分（fèn）析，建立了出口處孔徑的指數預測模型。實驗及分析結果（guǒ）顯示，孔深是影響通孔（kǒng）出口處孔徑（jìng）偏差的主要因素。同時，通過對（duì）比預測值和實驗值，驗證了孔徑預測模（mó）型構建的合理性和有效性。

關鍵（jiàn）詞: 15-5PH 不鏽（xiù）鋼; 深孔加工; 孔徑（jìng）偏差（chà）; 極差（chà）分析; 指數預測模型

0、前言

15-5PH 不（bú）鏽鋼具有強度高、橫向韌性好、工藝性能（néng）及耐腐蝕性優越等特點，使（shǐ）其在民用大飛機機身主梁、驅動裝置及（jí）起落架等關鍵（jiàn）耐蝕承力結構件（jiàn）的研製中備（bèi）受青睞，替（tì）代了傳統的 30Cr Mn Si A 等（děng）高強度合金鋼。但該材料加（jiā）工過程中存在加工硬化嚴重（chóng）、切削溫度高、切屑不易（yì）折（shé）斷等問題，特別是在加工深孔時，刀具的排（pái）屑、冷卻潤滑（huá）和導向問（wèn）題難以解決。另外，由於 15-5PH 不鏽鋼應用領域的特殊性，關於該（gāi）材料加工工藝性能的相關文獻較少。王槐德等（děng）對 15-5PH 不鏽鋼薄壁筒形零件車削工藝開展了研究，有效地控製了薄壁筒形零件加工變形。侯朋提出通過工藝改進、選用硬質合金鑽頭等方（fāng）法，提高了深孔加工效率。上述研究主要從加工變形（xíng）和加工效率的角度出（chū）發開展了實驗研究，但如何改善深孔（kǒng）加工質量、降低孔徑偏（piān）差一（yī）直是航空製造領域關注的焦點。因（yīn）此文（wén）中將通過 15-5PH 不鏽鋼深孔加工實驗，深入分析切削參數對（duì）通孔出口（kǒu）處孔徑偏差的影響，並開展出口孔徑預測模型的研究。

1、深孔鑽削實驗條（tiáo）件及方法

15-5PH 不鏽鋼即 0Cr15Ni5Cu3Nb 鋼（gāng）是在 17-4PH鋼基礎（chǔ）上發展的馬氏（shì）體沉澱硬化不（bú）鏽鋼，具有高（gāo）的強度、良好（hǎo）的橫向韌性以及優良的使用性能和工藝性能。該次實驗采用的 15-5PH 不鏽鋼由中航工業洪都集團提供（gòng），主要化學成分如表 1 所示。主要性能指標見表 2。

表1 15-5PH 不鏽鋼主要化學成分及含量( 質量百（bǎi）分數)

表2 15-5PH 不鏽鋼（gāng）主要性能

表3 實驗因（yīn）素及水平

實驗在四川長征立式加工中心（xīn） KVC 1050N 上開展。采用國產直徑為 5 mm 的含鈷高速鋼鑽頭，冷卻方式為外置油冷。文中采用正交實驗（yàn）設計（jì）方法，研究15-5PH 不鏽鋼（gāng）材料（liào）鑽削（xuē）加工過程中，主軸轉速、進給速度、孔深（shēn） 3 個因素對孔徑偏差（chà）的影響規律。通過對各因素設置不同的 4 個水平，並按照 L16( 43) 正交實驗表安排（pái） 16 組實驗。各實驗因素（sù）及其水平如表3 所示

2 、實驗結果與分（fèn）析按照

L16( 43) 正交實驗表進行了 16 組平麵銑削實驗。使用遊（yóu）標（biāo）卡尺測量每組實驗後的（de）出口（kǒu）處孔徑。

2. 1 極差分析

極差分析是權衡各因素影響（xiǎng）程度（dù）的一（yī）種有效（xiào）的方法。通過求出每個因素的各（gè）水平平均值的極（jí）差，來判斷對（duì）指標（biāo）的影響（xiǎng）程度，極差值越大，影響越顯著。對15-5PH 不鏽鋼深（shēn）孔鑽削實驗的測量結果及極差分（fèn）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，達到了（le）0.045，進給速（sù）度次之，而主軸轉速的極差值（zhí）相對較小。由此表明，對於 15-5PH 不鏽鋼鑽削加工後孔徑偏差，最主要的影響因素是孔深，其次為進給速度，主軸轉速的影（yǐng）響相對較小。

2. 2 切削參數對表麵粗糙度的影響規律

表 4 反（fǎn）映了鑽（zuàn）削加（jiā）工中切削參數及孔深對孔徑偏差的影響規律，以下分段敘述。

2. 2. 1 孔（kǒng）深對 15-5PH 不鏽鋼孔徑偏差的影響規律

從圖1可（kě）以看出15-5PH 不鏽鋼孔徑偏差隨著孔深的增大（dà）而呈現（xiàn）快速遞增趨勢。麻花鑽直徑和長度受所（suǒ）加工孔的限（xiàn）製，呈細長狀，剛性（xìng）較差。為形成切削（xuē）刃和容納切屑，必須做出兩條較（jiào）深的螺旋槽，致使鑽頭的剛性進一步削弱。當孔深增大時（shí），鑽頭夾持後的懸伸量增大，鑽頭的剛性再次被減弱（ruò）。在鑽削力的作用下，鑽頭（tóu）出現彎曲，使得加工後（hòu）的孔出現 “引偏”，出口孔徑增大，如圖 2 所示。

圖 1 孔（kǒng）深對 15-5PH 不鏽鋼孔徑偏差的影響

圖2 鑽頭引偏（piān）示意圖

2.2.2 進給速度對 15-5PH 不鏽鋼孔徑偏差的影響規律

如圖（tú）3所示，隨（suí）著進給速度的增大，孔徑偏差整體上呈現下降趨勢。當進（jìn）給速度從 25 mm/min 增大到 35mm/min 時（shí），孔徑偏差降低幅度大。而當進給速度從 35 mm/min 增大到 40 mm/min，孔徑（jìng）偏差降低幅度較小。因為當進給速度小幅增大時，鑽頭與工（gōng）件（jiàn）每次鑽進的接觸（chù）時間（jiān）減少，鑽削過（guò）程斷屑及散熱條件改善。同時，切削力並未明顯增大，鑽削過程更加平穩，所以孔出口質量改善。但隨著進給（gěi）速度的（de）不斷（duàn）增（zēng）大，切削力顯（xiǎn）著增大並出現鑽頭引偏現象，致使對孔徑偏（piān）差的改善效果減弱。

圖3 進給速度對 15-5PH 不鏽鋼孔徑偏差的影響規律

2.2.3 主軸轉速對 15-5PH 不鏽鋼孔徑偏（piān）差的影響規（guī）律

在15-5PH 不鏽（xiù）鋼的鑽削過程中，主軸轉速（sù）對孔（kǒng）徑偏差的（de）影響規律與上述（shù）兩因素略有不同（tóng），兩者的關係曲線如圖 4 所示。在 500 ～ 700 r/min 之間，孔（kǒng）徑偏差隨主軸轉速的增大略有上（shàng）升（shēng），而在

700 ～ 800 r/min之間，孔徑偏差隨轉速的增大而（ér）減小。該現象的出現主要是由於（yú）當（dāng）轉速達到臨界值 700 r/min 後，切削力隨著轉速增大而減（jiǎn）小，使得鑽頭變形（xíng）減小，從而提高了孔的加（jiā）工質量，孔（kǒng）徑偏差值有所降低。

圖4 主軸轉速對 15-5PH 不鏽鋼孔徑偏差（chà）的影響規律

2.3 基於多元線性回歸的指（zhǐ）數預測（cè）模（mó）型（xíng）

基於正交實驗結果，采用多元線性回歸分析（xī）方法，建立 15-5PH 不鏽鋼鑽削後孔徑的指數預測模型。各切削參數對（duì）表麵粗糙的影（yǐng）響呈（chéng）現複雜（zá）的指數關係，其通用模型為:D = cna1vfa2da3(1)式中（zhōng）:

D 為已加工孔的直徑，c 表（biǎo）示（shì）由於材料性能、刀具幾（jǐ）何形狀以及機床本身等對已加工孔徑的影響係數; a1、a2、a3、a4為待（dài）定（dìng）係數，其大小代表各因素對已加工孔徑的（de）影響程度。

對式 (1) 兩邊取對數得（dé）:

根據表 4 及公式 (3) 可（kě）得（dé）:

通過指數模型計算（suàn）出 16 組正交實驗的表麵粗（cū）糙度預測值，圖 5 為實驗值和預測值的對比分析曲線。從（cóng）中可以看出（chū）實驗值和預測值的擬合效果較好，體現了該模型的準確（què）性和有效性，預測誤差（chà）屬可接受範圍。

圖5 實驗值與（yǔ）預測值對比曲線

4 、結論

對民用大飛機機身常用的 15-5PH 不鏽鋼材（cái）料進行了深孔鑽（zuàn）削實驗研究，對其出（chū）口孔徑偏差的主要影（yǐng）響因素（sù）及規（guī）律進行了分析，並建立了（le）出口孔徑的指數預測模型，主要得出以下三（sān）點結論:(1) 孔深是影響通孔出口孔徑偏差的主要因素，其次為進給（gěi）速度，主軸（zhóu）轉速對孔徑偏差的影響（xiǎng）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（sù）度的增大（dà）呈下降趨勢。而主軸轉速對孔徑偏差的影響規律與上述兩因（yīn）素略（luè）有不同: 在 500 ～ 700r / min之間，孔徑偏差隨主軸轉速的增大略有上升，而在700 ～ 800 r/min 之間，孔徑偏差隨轉速的增大而減（jiǎn）小;( 3) 通過對預測值和（hé）實驗值的對比分析驗證了所構建的出口孔徑指數（shù）預測模（mó）型（xíng）的（de）準確性和有效性。

來源：江西（xī）洪都航空工業集團有限責任公司，南京理工大學機械工程學院

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