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不锈钢断屑钻的切屑形态与控制 |
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作者：上海哈申工具有限公司 孙家宁 |
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常用马氏体、奥氏体不锈钢中含碳极少，含铬、镍铰多，材料虽硬度不高，但韧性大，切削变形、切削温度、加工硬化程度较高。为改善冷却效果，提高钻头耐用度，必须控制断屑与排屑。本文结合作者在上海理工大学附属工厂对核电站用支撑板钻孔的试验研究成果，分析了钻削不锈钢时各种屑形生成原理，论述了最佳屑形与切削参数之间的微妙关系。从而提出了控制最佳屑形、达到有效断屑的方法。
1 不锈钢断屑钻的切屑形态与产生条件
不锈钢断屑钻的基本刃形如图1所示。其特点是：磨出较大锋角(2F)及很浅的圆弧刃(半径R)，生成了外直刃(宽度L)与内、外刃高度差h。通过修磨钻心部位前刀面生成了内直刃、内刃锋角(2F1)，留下很短的横刃。下面分述这种钻型切出的切屑形态与产生条件。
图1 不锈钢断屑钻的基本刃形
1）螺旋带状屑：如图2所示。这种切屑卷曲所占空间大，易阻塞，不会断屑，影响钻头冷却效果。
图2 螺旋扇面形屑
生成原理：麻花钻刀刃各点切削速度不同。外刃处速度高，切屑流动快，切屑较长。越近中心速度越低，切屑排出越慢，切屑长度越短。这种外刃卷成较大半径的弧状，近中心处卷成较小半径的切屑，如不分断，就形成螺旋扇面形。这是麻花钻直线刀刃最常见的切屑。
2）螺旋带状屑的宽度取决于外刀刃宽度，一般L=0.25～0.3d (d—钻头直径)。当L较小时，刀刃各点切削速度相差不多，刀刃前角大，切削变形较小，切屑排除流畅，可卷曲成一条较窄的螺旋带状屑。带状屑会缠绕在钻头螺旋刃上，不易折断，排出时安全性较差。扇面块状屑：出现在内凹圆弧刃上，如图3所示。这种切屑为短块状，是自然卷断的，切屑较易排出与清理。 
图3 扇面形块状屑
生成原理：圆弧刃上各点切屑流向不同，其规律是各点切屑流向均通过圆弧刃的中心(刀刃法向)。切屑在卷曲过程中沿圆弧刃方向的附加变形，使得切屑展开成扇面形并撕裂形成块状屑。
3）细长螺旋屑：出现在外刃或内直刃上，如图4所示。这种切屑不易折断。
图4 细长窄螺旋屑
生成原理：
钻头左右刃磨得不对称，外刃长的一边多切了对边短刃未切除的一段余量。切屑宽度就是不对称量。
内直刃磨出较大的前角和卷屑槽时，也可能出现细长螺旋屑，但其螺旋导程比外直刃的小。
4）“6”字形屑：出现在圆弧槽很浅的外刃与圆弧复合刃上，如图5所示。“6”字形屑能稳定的自动排出折断。 
“6”字形屑
带花“6”字形屑
图5 6字形屑
生成原理：钻孔开始时外刃与圆弧刃切下连成一体的块状屑，(“6”字形屑的头部)卷到一定长度后，沿圆弧刃方向的附加变形，使切屑分裂，开始分屑，外刃与圆弧刃切屑分别排出。外刃一段为带状屑，(“6”字形屑的尾巴)，圆弧刃切屑为块状屑。“6”字形屑到达一定长度后，切屑在钻槽中碰到上边的槽壁，切屑受到外加的弯矩而折断，其长度与螺旋槽二分之一导程基本一致。若切屑未碰到钻槽，排出到空间一定长度后，也可随着钻头的旋转甩断。其长度约为60~100mm左右。
5）带钢筋的“6”字形屑：出现在外刃与圆弧刃左右不对称的情况，如图6所示。这种切屑厚度加倍，更易折断。但加重刃口负荷，影响钻刃寿命。
图6 带有钢筋的“6”字形屑
生成原理：
在“6”字形屑生成的条件下，若外刃磨得长短不一，长得一边必然要多切除对边短刃未切除的一段余量，生成外刃与圆弧刃交界处的凸筋。
横刃磨得不对中心，使钻孔扩大，切削表面外径处出现台阶。最大外经一边的刀刃，必然将对边未切掉的台阶一并切除，生成外刃处的凸筋。
6）带花螺旋带状屑：出现在圆弧刃磨得略深的情况，如图7所示。切屑硬厚，较难折断，排出时安全性较差。 
图7 带“花”的螺旋带状屑
生成原理：在生成“6”字形屑的条件下，若圆弧槽略深，外刃与圆弧刃交点处虽出现时连时分的排屑状态，但以分屑为主。外刃与圆弧刃切屑连成一体的时间很短，出现一段段的”花”状的连体屑。
生成原理：在生成“6”字形屑的条件下，若圆弧槽略深，外刃与圆弧刃交点处虽出现时连时分的排屑状态，但以分屑为主。外刃与圆弧刃切屑连成一体的时间很短，出现一段段的”花”状的连体屑。
7）中长螺旋节状屑：出现在外刃与原弧复合刃上，如图8所示。切屑硬厚，较难折断，排出时安全性较差。
图8 中长螺旋节状屑
生成原理：在材料塑性较好、进刀量较大的条件外刃与圆弧刃交点处基本上是出现连体状切屑。但较厚的切屑沿圆弧刃方向展开成扇面形的附加变形过程中，切屑被拉裂成节状屑，并与外刃带状屑连一体。
2 影响切屑形态的因素与控制
1）钻头刃型参数对屑形的影响，如图1所示。
a. 圆弧刃半径R：
R过小：形成分屑点尖角ξ小，当ξ<150°时切屑易分开，外刃出带状屑，圆弧刃出扇面块状屑。
R过大：形成分屑点尖角ξ大，当ξ>170°时外刃、圆弧刃屑易连成一体，出短的螺旋扇面形屑。
R适中：形成ξ=155～165°时，外刃流屑方向与相临圆弧刃屑流向夹角较小，时连时分，此时正是生成“6”字形屑的条件。最佳ξ角，与材料韧性、切屑厚度等因素有关，不是常数。可通过试切来探询。
b. 内、外刃高度差h
圆弧刃较深时，外刃与圆弧刃形成自然分屑点，外刃出带状屑，圆弧刃出块状屑。圆弧刃较浅时，外刃与圆弧刃形不成自然分屑点，切屑连成一体生成短的螺旋扇面形屑。
圆弧刃深度用内外刃垂直高度差h来控制，h值与进刀量(切削厚度)成一定比例时，一般宜控制h值约为0.8f.较为适合。
c. 外刃锋角：
外刃锋角2φ过小时(2F<125°)难以磨出ξ=150～165°尖角。切屑易卷在容屑槽内，不宜排除。实践经验表明，2φ=135°～140°，切屑流出方向逼近与钻头轴线平行，有利排屑。而且容易形成较大的ξ角，控制出现“6”字屑。
圆弧半径R°、内外刃垂直高度差h、分屑点尖角ξ、外刃锋角2φ四个参数是有关联的。通常R由刃磨砂轮圆角半径决定，选定2φ后h、ξ可通过调整钻头刃磨机的工艺参数控制。
2）材料韧性对屑形的影响
材料韧性大，ξ角必须磨得更小才能使屑分开。否则切屑连块不分。材料韧性低，ξ角宜磨得大些。
3）刀具磨损对屑形的影响
钻刃分屑尖角处磨平或崩刃后，造成实际ξ增大。当实际x过大(>165°)，可引起屑形从分到连的转变。因此，不锈钢断屑钻的磨钝的标准或耐用度应以屑形的改变为根据。屑形从6字形变为短块状，既应换刀。我们曾发生过由于尖角处磨平，宽的短块状屑卡死扭断钻头的事故。
4）钻头横刃对中误差对屑形的影响
横刃不对中反映在钻孔直径的扩大，使副刃单边工作，造成钻头棱边负后角磨损，这种非正常损坏使钻头寿命大大缩减。
横刃不对中使两刃切削图形变化，某一边切双倍厚的切屑，而另一边切较薄的切屑。双倍厚的切屑只是在切屑钢筋上，切屑厚而硬，改为长带状屑，难以形成6字形屑。
5）切削用量对屑形的影响
加大进刀，切屑变厚，易生成块状屑，相反，易生成带状屑。
改变钻头切削速度，对切削变形略有影响。一般高速钢钻头切削速度不可能有较大变化。但有些不锈钢对屑形非常敏感，降低钻头转数有利于生成块状屑。
3 结论
分析钻削试验的结果可知，各类切屑形态中，“6”字形屑最佳。短螺旋带状屑也可接受。其它类型的切屑如长带状屑、带钢筋的切屑、带花的螺旋带状屑都应防止。
1）控制生成“6”字形屑，合理使用钻头应满足的条件是：
控制钻头刃形参数：锋角2F=135～140°，外刃长L=0.25d，分屑点尖角x=155°～165°，外刃与圆弧刃垂直高度差h=0.8f
2）控制钻头刃磨对称精度：横刃对中度，外刃、内刃、圆弧刃跳动量越小越好。一般使用钻头刃磨机，可在线测量内外刃跳动量。横刃不对中误差<0.02～0.03mm是可行的。手工刃磨左右两刃难以对称，必然会产生带钢筋的切屑，加快钻头的磨损。
3）选择合理的钻削用量：钻削不锈钢宜用较低切削速度，适中的进刀量。普通高速钢钻头推荐v=15～18m/min f≈0.015d mm/r，使用充足的乳化液冷却。这样刀具耐用度可维持100分钟左右。(end)
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(11/20/2006) |
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