0 前言
不銹鋼閥體類零件中存在著非常復雜的孔系，其中的小深孔加工問題是困擾實際生產的一大難題。小深孔鉆削問題是一個長期困擾機械加工領域的難題，研究人員通過提高主軸轉速的手段來降低切屑厚度，以降低切削力、減少鉆頭折斷概率，并取得了較好的加工效果。但由于加工手段和刀具條件的限制，高速鉆削不銹鋼等難加工材料時，無法解決切削發熱量大、加工硬化和刀具磨損嚴重等問題，研究人員曾得出了高速鉆削技術不適用于難加工材料小孔加工的結論。隨著加工手段的豐富和刀具制造技術的提高，出現了專門用于不銹鋼小孔加工的高速內冷鉆頭，為不銹鋼閥體零件小深孔高速鉆削加工提供了條件。但由于高速鉆削加工的限制條件較多，國內外關于不銹鋼小深孔高速鉆削的研究還非常少見。
本文將在分析高速鉆削技術加工不銹鋼小深孔難點的基礎上，提出適應于不銹鋼小深孔高速鉆削的解決方法，并通過鉆削試驗對上述方法進行驗證。
1 不銹鋼小深孔高速鉆削的關鍵技術問題與解決措施
不銹鋼小深孔加工既屬于難加工結構加工問題，也屬于難加工材料加工問題。相對于普通小深孔鉆削， 高速鉆削加工不銹鋼小深孔更加困難，主要體現在切削熱問題和排屑問題2 個方面。
（1）切削熱問題
切削過程中，切削功的表現形式為切削熱；其他切削參數相同的情況下，切削速度越高，單位時間消耗的切削功越多，單位時間發熱量也越大。單位時間發熱量
由于材料強度高、切削速度快，不銹鋼小深孔高速鉆削加工時發熱量極大。由于鉆頭在半封閉的環境下工作，切削熱很難散失。如果不能采取有效手段將切削熱排出孔外，孔內會因切削熱積累產生極高的溫度；高溫下鉆頭發生退火，強度和耐磨性能迅速下降，切削能力急劇降低；隨著溫度升高，黏結磨損和擴散磨損成為刀具的主要磨損方式，鉆頭使用壽命大幅降低。
工程實踐中通常采用切削液來解決切削熱問題。對于小直徑深孔鉆削加工，很難從外部將切削液注入切削區， 只能使用帶有內冷結構的鉆頭解決。
假設鉆削過程中切削熱完全、均勻地傳遞給切削液，切削區溫度與切削液溫度一致，則切削熱總量
由式（4）可知，要維持切削區溫升不變，切削液的流量La需與切削速度vz成正比。若ΔT 為特定數值時，可以計算得到切削液流量。由于鉆頭截面形狀復雜，將鉆頭與孔作為整體考慮，由流體力學知識，要達到所需流量La，切削液的供液壓力
（2）排屑問題
排屑問題是小直徑深孔鉆削加工中的普遍難題。由于小鉆頭螺旋槽淺、排屑困難，小深孔鉆削加工時經常會出現切屑堵塞問題。高速鉆削時切削速度高，切屑產生速度也隨之增加，排屑問題更加突出；由于不銹鋼材料強度和韌性好，產生的切屑不易折斷，進一步增加了排屑難度。大量切屑堆積在孔內很容易卡死鉆頭，造成鉆頭折斷。
要解決小深孔高速鉆削的排屑問題，一種途徑是采用步進鉆孔的方法，通過鉆頭反復回退將切屑帶出孔外；另一途徑是使用大流量的切削液將孔內堆積的切屑強行排出孔外。步進鉆孔（又稱啄式鉆孔）， 是在鉆削過程中通過鉆頭周期性地回退來實現排屑和冷卻鉆頭的一種鉆削方式。大量試驗證明步進鉆削是一種非常有效的小深孔加工手段。但是，由于鉆頭反復回退需要消耗大量時間，加工效率偏低。使用切削液強行排屑的方法與解決切削熱問題的方法一致，可以實現解決方法的統一。切削速度為vz時切屑生成速度（切屑流動速度）
式中ξ———切屑變形系數。
要使切削液能夠強行帶走切屑，切削液的流速需遠大于切屑生成速度。假定切削液的流速va需要達到切屑生成速度的n 倍時才能達到強制排屑的作用。若鉆頭兩螺旋槽橫截面積和為A，則即強制排屑所需切削液流量也與切削速度成正比。
綜上所述，要使高速鉆削順利進行，切削液的流量、壓力必須同時滿足散熱和排屑兩方面的要求。由于與流量相關的多個參數無法通過測量或計算方法得到，下面將通過切削試驗，結合機床的實際情況選取。
2 不銹鋼小深孔高速鉆削試驗
由于小深孔鉆削過程中的切削熱無法直接測量， 試驗中利用鉆頭的磨損來間接表示切削熱情況。
切削試驗在2 臺MAZAK VCN510C 型立式加工中心上進行，其中1 臺經過改造，冷卻泵最大額定壓力提高至15 MPa。
分別使用普通麻花鉆頭和高速內冷鉆頭在易切削不銹鋼材料上加工直徑2.5 mm 深80 mm 的孔，加工參數如表1 所示。
使用普通麻花鉆頭加工時， 在高速鉆削條件下，切屑很快便將鉆頭卡死造成鉆頭折斷。因此使用外冷卻切削液無法實現高速切削。改用低速加工參數加工時，由于堵屑嚴重，加工過程中必須頻繁退刀排屑。加工過程每進給1 mm 需要退刀排屑一次， 每孔加工時間約2 min。平均每支鉆頭可加工150 個孔。
使用高速內冷鉆頭在未改造的加工中心上加工時，堵屑問題仍然非常嚴重，加工過程中仍需頻繁退刀排屑。每孔加工時間幾乎與使用普通麻花鉆時相同。
使用高速內冷鉆頭在經過改造的加工中心上加工時，未出現堵屑問題，加工可直接鉆通，中途不用退刀。每孔加工時間約30 s（包括輔助時間）。平均每支鉆頭可加工800 個孔。從壓力表示數可以看出，冷卻泵的輸出壓力始終維持在10 MPa 以上，說明高壓冷卻泵的流量能夠滿足該孔高速鉆削要求。
從上述試驗可以看出， 在使用普通麻花鉆、外冷卻液的條件下，由于切削過程中產生的大量切屑無法排出，很容易卡死鉆頭造成鉆頭折斷，無法實現高速鉆削。在使用外冷卻方式時，由于切削液無法深入孔內，切削熱很難散失，鉆頭磨損比較嚴重；由于鉆頭容屑空間小、切屑不易折斷等原因，堵屑問題也非常嚴重。在低壓內冷卻液條件下，堵屑問題仍然無法解決，仍然無法實現高速鉆削。在高壓內冷卻液條件下，堵屑問題得到解決，切削液帶走切屑的同時也將切削熱帶出孔外，切削熱問題也隨之解決，加工效率顯著提高。
3 結語
本文分析在不銹鋼小深孔高速鉆削加工技術難點的基礎上，通過使用高速內冷鉆頭和高壓大流量切削液實現了不銹鋼小深孔的高速鉆削加工。論文的研究結果不僅對提高不銹鋼小深孔的加工效率有非常重要的工程意義，對高速鉆削技術在其他難加工材料加工中應用也有一定的參考價值。
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