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微细钻头折断原因探讨 |
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作者：山东工程学院 张明 周锦进 |
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采用高速钢直柄麻花钻钻削微小孔(φ1mm以下)时，折断是钻头破坏的主要形式。由于钻头折断是突然发生的，事先难以预测，而折断了的钻头头部往往卡在未完成的孔中，很难取出，给生产造成了许多麻烦，也使自动化钻削微小孔难以实现。在钻削过程中，钻头受到扭转、弯曲和压缩等三种载荷的组合作用，对钻头折断断口和受力情况进行研究，可以弄清钻头折断原因及各项载荷在钻头折断中所起的作用，从而采取必要措施，防止钻头突然折断。例如，应用钻削测力仪对造成钻头折断的主要载荷进行在线检测，当该项载荷增大到一定数值时，发出报警信号，使钻头退回，以避免钻头折断和钻削质量下降。
1 钻头断口观测与分析
对微细钻头折断断口进行显微放大观察发现，绝大部分断口都发生在钻头螺旋槽中部到根部之间，距切削刃较远。对着螺旋槽方向看，断口截面外法线与钻头轴线的夹角大约在40°～50°之间。图1为φ0.34mm的高速钢直柄麻花钻在钻削18Cr2Ni4WA低碳合金钢时的折断断口SEM照片。
图1 钻削低碳合金钢钻头断口
根据弹性力学及金属材料强度理论，非圆截面杆件自由扭转时，横截面上尖角处剪应力等于零，凹槽处剪应力最大(即危险点)，杆件横截面即为最大剪应力所在截面；剪应力最大点处的最大正应力所在截面为危险截面，该截面与最大剪应力所在截面之间的夹角为45°。因此，钻头受扭矩作用时最大剪应力发生在螺旋槽底部的横截面上，最大正应力所在的截面与钻头横截面之间的夹角为45°。由于实测钻头断口截面与钻头受扭转载荷作用时的危险截面方向基本一致，可以断定，扭转载荷过大是钻头折断的最主要原因。
2.钻头分别受扭、弯、压载荷作用时的断口实测与分析
为了验证以上分析的正确性，对φ0.34mm的高速钢直柄麻花钻分别按照理想的扭转、弯曲、压缩三种方式加载直至钻头破坏，将其破坏断口与钻削破坏断口进行比较。
钻头受纯弯曲载荷作用时，最大正应力发生于横截面上，钻头断口应与钻头横截面方向一致，这与实验结果相吻合(见图2)。
图2 钻头受纯弯曲载荷折断断口
钻头受压缩载荷作用时，将发生剪切破坏，断口应该是最大剪应力所在截面，它与钻头横截面呈约45°夹角。与受扭转载荷作用不同的是断口方位是随机的，与螺旋槽的位置无关，在与横截面呈45°夹角的任意位置均可发生，在这一系列斜截面上剪应力值相等。实测压缩断口截面与横截面成45°夹角(见图3)，与上述分析一致。
图3 钻头受压缩载荷折断断口
图4为钻头受纯扭转载荷作用时的破坏断口，与图1所示的钻头在钻削过程中折断的断口方位基本一致。扭转破坏断口有一个突出的特点，即对着钻头螺旋槽看时，断口截面与横截面成45°夹角，这也正是剪应力最大点处的最大正应力所在截面的方位。
图4 钻头受纯扭转载荷折断断口
3 微细钻头折断原因分析
微细钻头使用寿命的分散性很大，仍以φ0.34mm的高速钢麻花钻钻削18Cr2Ni4WA低碳合金钢为例，当孔深为2mm时，钻头寿命约在10～80mm之间。使用显微放大镜对钻头切削刃进行观察发现，部分寿命较高的钻头折断前其后刀面有较明显的磨钝痕迹，而部分钻头在切削刃尚无明显磨钝痕迹的情况下就折断了，另有小部分钻头由于钻头材料内部有缺陷或是切削刃刃磨角度误差较大，其使用寿命尚不及10mm。可见，钻削过程中的一些随机因素对钻头使用寿命影响很大。
在正常钻削过程中各项载荷都在钻头的承载能力之内，而当钻削扭矩突然波动、超过其承载能力时，钻头便会折断。微细钻头钻芯厚度相对较大，钻芯厚度与钻头直径之比约为0.3～0.4(普通直径的钻头在0.2以下)，使得螺旋槽较浅，容屑、排屑能力较低，加之液体具有表面张力，切削液很难进入微小孔内，极易造成切屑堵塞，使钻削扭矩突然增大而使钻头折断。
可见，切屑堵塞、切削刃磨损导致钻削扭矩过大和钻头制造缺陷是微细麻花钻折断的主要原因。因此，在将微细钻头用于钻削加工前，应先对切削刃刃磨角度进行检测，剔除偏差过大的钻头；应用钻削测力仪进行钻削力在线检测时，应以钻削扭矩作为检测、控制指标。(end)
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(10/25/2005) |
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