新鉆型提高鉆孔效率的研究

孔加工是金屬切削加工中最重要的工序之一，約占所有金屬切削加工工序的33%。在自動化生產(chǎn)線中，孔加工經(jīng)常決定著生產(chǎn)周期的長短。但普通麻花鉆本身的結(jié)構(gòu)存在許多不合理之處，阻礙了其切削性能的進(jìn)一步提高。同時，各種新型材料的廣泛應(yīng)用給鉆削加工增添了許多困難。解決這些問題的主要途徑，除采用新的刀具材料外，優(yōu)化刀具的幾何參數(shù)、改善切削條件是一種行之有效的方法。 法國“雷諾”和“標(biāo)致”兩大汽車公司發(fā)明的三傾角鉆頭就是修磨后刀面形成新的橫刃和主切削刃來改善切削條件的。Hertel公司提出的SE型整體硬質(zhì)合金鉆頭，通過修磨特殊的橫刃和切削刃形狀來提高切削效率。我國汽車行業(yè)應(yīng)用比較廣泛的X型高效鉆頭，通過磨短橫刃，使橫刃處形成具有一定正前角的內(nèi)刃，改善了切削狀態(tài)，減小了軸向進(jìn)給力。這三種類型的鉆頭在一定程度上提高了鉆削效率，但它們的共同缺點(diǎn)是沒有進(jìn)行有效分屑。雖然軸向力有所減小，但鉆削扭矩減小不明顯，鉆削過程中仍有較多的能量浪費(fèi)在切屑變形上，產(chǎn)生較大的切削熱。 圖1　基本群鉆刃形結(jié)構(gòu) 群鉆綜合了多種鉆頭修磨方法，具有定心好、切入快、鉆孔精度高、軸向力和扭矩小等優(yōu)點(diǎn)。圖1所示為5～15mm基本型群鉆的刃形結(jié)構(gòu)。除修磨橫刃外，該鉆頭在主切削刃上磨出了對稱的月牙形圓弧槽，形成新的橫刃和增加了橫刃前角，改善了切削條件；并在直刃與圓弧刃交界處形成轉(zhuǎn)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)分屑，鉆孔時直刃將切下大螺距帶狀切屑，圓弧刃將切下卷曲的切屑。分屑減小切屑之間的牽拉扭矩，所以群鉆在很大程度上提高了鉆削效率。但群鉆仍存在一定缺點(diǎn)：(1)在刃磨時很難做到左、右切削刃完全對稱，這樣在鉆孔過程中將產(chǎn)生較大徑向力，鉆頭磨損加快而且產(chǎn)生孔擴(kuò)；(2)為了實(shí)現(xiàn)完全分屑，兩外刃應(yīng)磨出一定的高度差h(h≥f/2)，這樣，從理論上講完全分屑的群鉆存在徑向力；(3)群鉆的切屑在寬度上一分為二，但切屑的外端和內(nèi)端的切屑速度差仍較大，故切削時附加變形仍很大 綜合上述鉆頭的優(yōu)點(diǎn)，改進(jìn)它們的不足，我們提出了一種新型鉆頭。新型鉆頭的橫刃修磨方式與群鉆相同，同時我們采用了更好的分屑方式，使得新鉆型的鉆削性能優(yōu)于群鉆，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。鉆頭左側(cè)圓弧刃較短，約為整個切削刃長度的1/3，外刃較長，約為整個切削刃長度的2/3；右側(cè)圓弧刃較長，約為整個切削刃長度的2/3，外刃較短，約為整個切削刃長度的1/3;同時左側(cè)外刃低于右側(cè)外刃(高度差應(yīng)大于鉆孔進(jìn)給量f，圖中虛線為右刃高出部分)。此鉆頭的切削圖形見圖3，在整個鉆孔過程中，切削力是對稱分布的。鉆頭剛開始接觸工件時，修短了的橫刃起到了良好定心作用；之后對稱的圓弧刃開始切入工件，由于圓弧刃變短，切屑寬度減��；當(dāng)兩側(cè)的鉆尖接觸工件時，外刃開始參加切削，鉆頭右側(cè)外刃高于左側(cè)外刃，左側(cè)外刃長于右側(cè)外刃，故鉆孔時右側(cè)外刃只切外圓，左側(cè)外刃只切中間一圈。可見，本鉆頭的特殊結(jié)構(gòu)保證了切削刃上切削力的對稱分布。圖2　新鉆尖刃形 圖3　新鉆型的切削圖形 新型鉆型有以下主要優(yōu)點(diǎn)： 切屑在主切削刃寬度方向上分成三段，每段切削刃外端和內(nèi)端的切削速度差明顯減小，減小了切屑附加變形，降低了切削扭矩并減小了鉆頭磨損。以優(yōu)化后的φ15mm的鉆頭為例，右側(cè)外刃的外端半徑為7.5mm，內(nèi)端半徑為5.5mm；左側(cè)外刃起切削作用的刀刃外端半徑為5mm，內(nèi)端半徑為3mm；圓弧切削刃的外端半徑為3mm，內(nèi)端半徑為0.75mm。 切屑在外刃處為厚而窄的大螺距帶狀，排屑容易，圓弧刃縮短后，呈卷曲的切屑量減少，減少了切屑堵塞的危險(xiǎn)性，因此排屑情況優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)群鉆。 如果刃磨時兩側(cè)切削刃略有高低誤差，不會造成兩側(cè)切削負(fù)荷變化而影響徑向力的變化。只是在鉆入的瞬間有徑向力，而在鉆孔過程中徑向力是平衡的，這是其它鉆頭無法以擬的。 圖4　麻花鉆、群鉆、新鉆型的軸向力、扭矩與進(jìn)給量的關(guān)系曲線 為了證明新型鉆頭的性能，我們進(jìn)行了普通麻花鉆、基本型群鉆和新型鉆頭鉆削力的對比試驗(yàn)。試驗(yàn)在Z525型立式鉆床上進(jìn)行，主軸轉(zhuǎn)速195r/min，進(jìn)給量分別為0.10、0.13、0.17、0.22、0.28、0.36mm/r，工件材料45鋼，測力裝置采用KISTLER測力儀與薄壁筒式測力儀相結(jié)合的方式，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：進(jìn)給量從0.10～0.22mm/r，新型鉆頭相對于麻花鉆的鉆削扭矩分別降低了29.6%，33.3%，22.5%，13.7%；而相對于群鉆，鉆削扭矩分別降低了13.9%，21.7%，14.9%，2.6%；進(jìn)給量從0.10～0.36mm/r時，新型鉆頭相對于麻花鉆的軸向抗力降低了40.9%，39.3%，36.3%，31.4%，36.7%，36.9%；而相對于群鉆，軸向抗力降低了10.2%，16.9%，19.4%，16.7%,14.6%,8.3%。因?yàn)槿恒@是國內(nèi)外公認(rèn)的性能優(yōu)秀的鉆型，它的切削性能優(yōu)于本文前面所介紹的幾種先進(jìn)鉆型，所以，本實(shí)驗(yàn)可以證明新型鉆頭的先進(jìn)性。新型鉆尖的刃磨難度并不大于標(biāo)準(zhǔn)群鉆，而鉆削性能明顯提高，因此可大力推廣使用。