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(dòng)化生產(chǎn)線中，孔加工經(jīng)常決定著生產(chǎn)周期的長(zhǎng)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(shí)，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(wèn)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(guó)“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(lái)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(guò)修磨特殊的橫刃和切削刃形狀來(lái)提高切削效率。我國(guó)汽車行業(yè)應(yīng)用比較廣泛的X型高效鉆頭，通過(guò)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(méi)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(guò)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(duì)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(shí)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(shí)很難做到左、右切削刃完全對(duì)稱，這樣在鉆孔過(guò)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(shí)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(shí)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(gè)切削刃長(zhǎng)度的1/3，外刃較長(zhǎng)，約為整個(gè)切削刃長(zhǎng)度的2/3；右側(cè)圓弧刃較長(zhǎng)，約為整個(gè)切削刃長(zhǎng)度的2/3，外刃較短，約為整個(gè)切削刃長(zhǎng)度的1/3;同時(shí)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(jiàn)圖3，在整個(gè)鉆孔過(guò)程中，切削力是對(duì)稱分布的。鉆頭剛開(kāi)始接觸工件時(shí)，修短了的橫刃起到了良好定心作用；之后對(duì)稱的圓弧刃開(kāi)始切入工件，由于圓弧刃變短，切屑寬度減小；當(dāng)兩側(cè)的鉆尖接觸工件時(shí)，外刃開(kāi)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(zhǎng)于右側(cè)外刃，故鉆孔時(shí)右側(cè)外刃只切外圓，左側(cè)外刃只切中間一圈�？梢�(jiàn)，本鉆頭的特殊結(jié)構(gòu)保證了切削刃上切削力的對(duì)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(shí)兩側(cè)切削刃略有高低誤差，不會(huì)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(guò)程中徑向力是平衡的，這是其它鉆頭無(wú)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(duì)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(cè)力裝置采用KISTLER測(cè)力儀與薄壁筒式測(cè)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(duì)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(duì)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(shí)，新型鉆頭相對(duì)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(duì)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(guó)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。