改善鉆孔加工過(guò)程的方法

    為了改善鉆頭的切割幾何尺寸，優(yōu)化新材料的切削數(shù)據(jù)，我們需要進(jìn)行試驗(yàn)性的檢查。利用在車、鉆組合實(shí)驗(yàn)臺(tái)上測(cè)到的數(shù)據(jù)，研制出了一種計(jì)算鉆孔時(shí)過(guò)程力的方法，這種方法的基礎(chǔ)是在正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)中取得的特征數(shù)據(jù)。

如果成功地利用車削時(shí)測(cè)到的現(xiàn)有數(shù)據(jù)對(duì)鉆孔過(guò)程進(jìn)行模擬，那么鉆孔過(guò)程可以得到更好的理解和檢查

    鉆孔是最重要的切削加工工藝之一。在典型的轉(zhuǎn)動(dòng)部件上，鉆孔加工的時(shí)間約占30%。無(wú)論是在鉆孔時(shí)還是車削時(shí)，鉆刃或刀刃在一般情況下總是處在連續(xù)的切割中，而且使用的也是同樣的刃具材料，因而就這一點(diǎn)而言，鉆與車的過(guò)程是相似的。

車與鉆之間的主要區(qū)別

    車與鉆之間的主要區(qū)別包括，鉆孔時(shí)有一個(gè)以上的刃在切割；鉆頭刃上的切削速度在0與實(shí)際切削速度之間變化，這就是說(shuō)，切削速度越低切削條件就越惡劣，盡管如此麻花鉆頭中心的進(jìn)給仍然很大。鉆頭沿鉆刃邊上的幾何形狀變化很大（切削角、后角、楔形角、傾斜角）。鉆頭橫刃根據(jù)尖銳程度的不同對(duì)鉆頭的軸向力有著重大的影響；由于鉆孔里的空間被封閉，鉆屑從鉆孔中排出受到很大的阻礙，周期性地排屑或控制之下的冷卻潤(rùn)滑劑循環(huán)可以對(duì)這種情況有所改善。

圖1  鉆孔和轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程的相互關(guān)系

    如果成功地利用車削時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)對(duì)鉆孔過(guò)程進(jìn)行模擬，那么所有這些挑戰(zhàn)以及在對(duì)用麻花鉆切屑進(jìn)行試驗(yàn)性調(diào)查時(shí)遇到的困難都可以得到更好的解決。

切削力是鉆孔試驗(yàn)的基礎(chǔ)

    考慮到沿著鉆頭刃邊的切削角和傾斜角變化甚大，切削速度取決于半徑，應(yīng)當(dāng)從采用類似刀刃幾何形狀的車削時(shí)取得的切削數(shù)據(jù)，或者是通過(guò)從正交的切割實(shí)驗(yàn)的換算，對(duì)鉆孔時(shí)的力具情況加以模擬，并通過(guò)現(xiàn)實(shí)的鉆孔實(shí)驗(yàn)加以檢查。同時(shí)應(yīng)當(dāng)估計(jì)到，在鉆頭正中心橫刃部位，切削速度與進(jìn)給速度相比非常小，鉆孔過(guò)程不僅可以按照Kienzle切削力模型進(jìn)行描述，而且還必須另外用變形力份額來(lái)加以擴(kuò)大。圖1顯示的是這種方法，以及由此產(chǎn)生的優(yōu)化鉆孔幾何形狀的可能性。在鉆頭上，切削角γ典型的變化范圍在橫刃上的-50°和外徑上的+30°之間。由于橫刃的原因或鉆頭尖部的直徑，主刃不是位于半徑射線上。這就是說(shuō)，它通過(guò)k/2的偏移得到一個(gè)取決于半徑的傾斜角λ。圖2表示來(lái)自CAD數(shù)據(jù)和使用共焦的測(cè)量顯微鏡通過(guò)光學(xué)測(cè)量取得的鉆頭幾何形狀分析。

圖2  表明鉆刃幾何形狀特征a） CAD模型創(chuàng)建者和b） 光學(xué)測(cè)量的方法，以及在半徑c）函數(shù)中鉆頭的有效切削角

鉆孔分布在同心扇區(qū)

    為了能夠在分析當(dāng)中顧及到沿鉆頭刃邊的鉆刃的幾何形狀變化，鉆孔可以劃分為同心扇區(qū)（見(jiàn)圖3）。若簡(jiǎn)單地假設(shè)為在一個(gè)扇區(qū)內(nèi)的切割性能是恒定的，那么來(lái)自一系列采用相應(yīng)刀刃幾何形狀和切削數(shù)據(jù)的試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)，必須也能換算到鉆孔上。其切削力是全鉆孔在所有扇區(qū)上的總和。

圖3  模擬a）和試驗(yàn)調(diào)查b）時(shí)鉆孔的同心扇區(qū)的劃分

    由于對(duì)劃分扇區(qū)制訂模型的思路還需要利用按照鉆頭調(diào)整過(guò)的刀刃幾何形狀和切削數(shù)據(jù)進(jìn)行大量的車削試驗(yàn)，因而需要研發(fā)一種新的模型，它可以從車削的正交基準(zhǔn)切削中推導(dǎo)出鉆頭上的力和力矩。為此，必須了解刀刃上的各種角和切削速度對(duì)力的影響。為了對(duì)鉆孔過(guò)程建立模型，首先要測(cè)算出這些參數(shù)對(duì)特定的切削力和進(jìn)給力的影響。根據(jù)半徑的容積份額各有不同，用Kienzle公式通過(guò)求和計(jì)算出全鉆孔的相應(yīng)力。為了確定模型的參數(shù)，需要在車和鉆的加工試驗(yàn)中進(jìn)行大量的測(cè)量。為此，在一臺(tái)NC車床的刀具轉(zhuǎn)塔上每一個(gè)加工站點(diǎn)安裝一個(gè)Kistler切削力測(cè)力計(jì)Typ 9121和一個(gè)Kistler鉆孔平臺(tái)Typ 9271A（見(jiàn)圖4）。這些試驗(yàn)可以在不同的冷卻潤(rùn)滑條件下來(lái)進(jìn)行。計(jì)算切削和進(jìn)給力的基礎(chǔ)是Kienzle方程，該方程分別以特定的切削力和進(jìn)給力與切削面積的乘積來(lái)表示這種力。

圖4  車與鉆試驗(yàn)臺(tái)上裝備了力、力矩和聲音發(fā)射（AE）測(cè)量系統(tǒng)

刀刃幾何形狀影響切削力

    眾所周知，特定的切削力和進(jìn)給力在很大程度上取決于刀刃幾何形狀，而刀刃幾何形狀在鉆頭上是沿半徑變化的。因此，必須在第一步中，從0切削角的正交車試驗(yàn)和從使用麻花鉆頭的鉆孔試驗(yàn)中測(cè)出切削角和傾斜角之比的依存關(guān)系。例如，給出了從測(cè)量中求出的車削和鉆孔的主刀刃上切削力的比值。這些值可以通過(guò)切削角γ(r)和傾斜角λ(r)的校正因數(shù)互相換算。與車削的切削能力相比，鉆孔的切削能力也可以用系數(shù)AC或BC加以表示。橫刃的換算與此類似。

按照Kienzle求切削力的公式

    根據(jù)Kienzle的力公式，第二步中可以用前面確定的kc1.1(r)的值測(cè)定主刃和橫刃上的切削力。同時(shí)，還要考慮到使用橫刃時(shí)切削容積的校正。這種校正符合這樣一個(gè)事實(shí)：鉆頭在這個(gè)部位的切削體積構(gòu)成尖銳的圓形扇區(qū)，而不是車削形成的方形。

橫刃區(qū)發(fā)生變形

    完全鉆孔的切削力是在考慮到作用半徑的情況下主刃和橫刃切削力的總和。以車時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)和為鉆孔而計(jì)算出的切削力或進(jìn)給力比和在鉆孔時(shí)測(cè)量的力為基礎(chǔ)，表明了作為進(jìn)給函數(shù)的誤差。因此，尤其是在橫刃區(qū)，也就是在鉆頭的中心，這里的切削速度非常低，還需要對(duì)那里發(fā)生變形過(guò)程的分力做出模型。

圖5  鉆頭上的切削力和進(jìn)給力，根據(jù)車削實(shí)驗(yàn)的切削數(shù)據(jù)計(jì)算

    變形份額的建模對(duì)進(jìn)給力來(lái)說(shuō)比對(duì)切削力更重要。利用其他的因數(shù)（升程校正、變形份額），可以在模型中對(duì)切削速度的影響，以及額外的變形份額加以考慮。同時(shí)，變形份額是從待加工材料的抗拉強(qiáng)度Rm中推導(dǎo)出來(lái)的。根據(jù)這種擴(kuò)展的模型，鉆刃上力的分布顯示在圖5中。這里尤其引人注目的是，進(jìn)給力主要還是取決于橫刃上的分力。眾所周知，鉆頭越尖，這個(gè)分力越小。

計(jì)算模型必須繼續(xù)研發(fā)

    對(duì)螺旋鉆上力的調(diào)查表明，在考慮到切削和傾斜角變化的情況下，利用Kienzle公式可以對(duì)鉆頭主刃的力制出可靠的模型。對(duì)于橫刃來(lái)說(shuō)，除了帶有切削體積校正的切削份額之外，還需要有一個(gè)附加的變形份額，根據(jù)工件材料的抗拉強(qiáng)度，對(duì)此提出了第一個(gè)建議。而對(duì)其他的鉆頭參數(shù)、尖銳度，以及在其他材料中的應(yīng)用所建議的模型，還需要加以審查，必要時(shí)還需要對(duì)模型繼續(xù)加以細(xì)化。