--对大型样件的研究结果可以用于预测钻孔的质量
十字钻孔工艺可以划分为许多步骤，从而进行详细地研究。事先，孔的质量对轴偏移量、导槽的宽度和数量起着决定性的影响。
一般来说，十字钻孔工艺比单纯的钻孔工艺更加复杂。由于钻头在穿过横向孔时的负荷较大，因此在实际操作中需要减少进给量。进行十字钻孔工艺时需要了解负荷的比例及其对孔质量的影响，然后才能选择适合的刀具，以及避免在较高生产效率和质量要求的情况下降低进给量。孔质量的要求主要取决于应用场合。
十字孔工艺的整个流程可以划分为7个步骤（图1）。各步骤的切削宽度并不统一，而是根据刀具的旋转和孔的深度进行调整。为了研究十字孔工艺中的典型现象选择6/8的直径比例（DV）。6/8的直径比例指的是：直径6毫米的十字孔穿透直径8毫米的横向孔。
图1. 详细研究十字孔工艺流程，能够将其划分为7个步骤。
关键的步骤可能会降低孔的质量
在常规的钻孔工艺中仍然可以找到步骤1、2、7，在此不作深究。而在步骤3、4、5中刀具承受较大的负荷（图2）。当刀具穿过横向孔时（步骤3），首先开始的是横向切削或者孔尖切削。根据孔的不同形式和相应的孔深度，需要在圆锥上简单地切削出对应的弯曲凸台。孔的形式多种多样，从圆形孔、穿孔到椭圆形孔。
以负值的切削角加工孔尖与其说是切削加工，还不如将其认定为成型加工。此后的大多数情况下这个区域都将用于承受进给力Fz。一旦刀具离开这个区域，其进给力将迅速下降。其他的外露区域可以在较大钻削扭矩情况下用于支承待钻削加工工件。由于在步骤3中刀具已经接触到工件本体材料，因此这个阶段中的钻削扭矩下降缓慢。
步骤3、4、5的图形显示在十字孔区域会出现波动的刀具负荷
图2：在切削过程中交变力和扭矩的变化过程
如果待加工的是椭圆形孔，那么在切削力信号中可以清楚的辨认出强烈的动态变化。这主要是由于当钻头旋转拔出时的切削宽度不断变化而引起的。每旋转半圈，在椭圆形短轴上的最大切削宽度就会变化为长轴上的最小值（图3）。相应的，每一圈的钻削扭矩和进给力都会出现两次最大值和最小值。一旦钻削扭矩和进给力降低到0，步骤3就结束。也就是说，此时的椭圆形长轴长度应该与孔的直径相等，而且短时间内停止切削。
图3：到刀具钻入横向孔时，切削宽度发生大幅度的变化。图形也显示出，
刀具每旋转一圈进给力和钻削扭矩会在最小值和最大值之间变化两次。
在步骤4的穿透过程中，必须每半圈中断切削加工。理论上来说，钻头两边的切削力应该对称布置，不允许对工件施加轴向上的合力。图2的图表可以表示轴向合力的实际情况。如果孔的深度不变，那么刀具的切削量也不会减少，处于空切状态。孔的深度与直径比例DV直接相关。当DV比例设置为6/8时，需要认真考虑钻入和钻穿步骤。刀具在这个步骤中将承受高频交变作用力和偏心力，将对孔的质量产生负面影响。切削中断时产生的强烈的温度交变应力将缩短刀具的使用寿命。
在空切阶段，钻削扭矩和进给力均为0，这也是保证径向力为0锁必需的。然而图2中去显示了径向力信号比较明显的波动。钻头在钻削过程中会出现弯曲。在步骤和中需要对径向力进行监控，以免其等于0。如果在空切阶段拔出刀具，那么将与钻削得到孔内壁上的导槽发生摩擦。一旦刀具脱离横向孔，那么空切阶段就将结束。
拔出刀具时的接触比例主要取决于直径比例系数和钻头的尖端几何结构。对于被调查的刀具，当尖端角度为140度、DV系数为6/8时，钻头的棱边将首先接触到工件。如果钻头与工件发生短时间的接触，那么进给力就将迅速上升。由圆锥及一个凹台所构成的特殊孔会在拔出刀具时将切削宽度扩大。
拔出刀具阶段的径向力会首先在横向孔方向上发生波动。每当钻头转半圈就会达到切削宽度的最大值。受径向力的影响，钻削缺陷会在钻头上引起弯转扭矩以及不同的较大的切削力。
十字孔和横向孔之间的轴向偏移会挤压钻头
试切中产生的偏差经常会有意无意地导致实际生产中的轴向偏移（AV）。图4显示了这种偏移对孔质量的影响。即使是很小的AV轴向偏移也会显著损害孔的直线度，大于0.5毫米的轴向偏移量就会严重影响孔的质量。直线度误差的原因是在钻削和拔出步骤中刀具产生了强烈的偏移。实际上钻头每旋转一圈，切削宽度就会发生强烈的波动。
图4：在横向孔区域中，即使是较小的轴
向偏移也会极大地影响孔的直线度
在轴向偏移AV为0.5毫米、直径比例DV为6/8时对钻孔阶段切削横截面进行模拟会发现：即使是如此微小的轴向偏移量也会导致主轴上的切削宽度比副轴的高46%。如果在全切削时出现径向合力，那么就会挤压刀具。当在不平整表面上进行钻削加工，且刀具未精确对中时，系统还需要显示横向孔方向上力的升高趋势。如果钻头的切削刃一旦接触工件，就会影响钻头的对中。
在加工圆形孔时，0.1~0.3毫米的轴向偏移基本上不会影响孔的质量。但是更大的轴向偏移会对圆形孔产生持续的影响。0.5毫米的轴向偏移甚至会使圆形孔变成椭圆形孔。其原因是钻入工件步骤中刀具上的负荷不对称。具有两根导槽的刀具只能得到单边的支撑。而且刀具很容易被从垂直方向上挤开。椭圆形孔并不是由于空切阶段副刀刃的修整作用而产生。在钻入阶段的末尾拔出刀具的实验可以证明这一点。轴向偏移不仅会降低孔的质量，还会在引起导槽与孔内壁之间强烈的摩擦。
调整钻头外形可以改善其使用性能
根据加工任务对钻头的结构进行匹配可以持续改善螺旋钻头的使用性能。首先，应该改善刀具侧面的支撑。更宽的导槽能够明显改善十字孔的质量，能够提供更好的支撑，能够减少刀具的偏移，还能够改善孔的表面质量。一把导槽宽度为1.6毫米的刀具加工所得到的平均表面粗糙度比导槽为0.3毫米刀具所得到的粗糙度平均要低40%。轴向偏移能够明显加大导槽宽度对孔质量的影响（图5）。当轴向偏移AV为0.8毫米时，更大的导槽宽度几乎可以避免椭圆形孔的产生。
图5：导槽宽度对于孔质量的影响
如果在刀具上的导槽数量从2根增加到4根就可以提供更好的支撑并减少径向力的产生。两个呈90度夹角布置的导槽组能够在整个范围内均匀分布。与两个导槽的刀具相比，即使这种四导槽刀具的导槽宽度相对较小，也可以显著改善孔的质量。如果将第二个导槽组沿着钻头背部布置，那么还可以提高其同轴度。对于十字孔而言，将导槽布置在钻头背部和切削槽之间的过渡区域更加合理。这种均匀的支撑作用对轴向偏移的效果更为明显。同轴布置的刀具上的第三、第四根导槽可以在钻入时更早接触工件。但是根据试生产尚未能够证明这种结构的优势。
达姆施塔特工业大学的生产管理、工艺及机床研究所开展了大量研究，基于这些研究成果可以为预测孔的质量而设计出大量不同的模型。利用优化过的模拟过程可以使用计算机刀具优化软件实施大量的试生产，而不用过多考虑范围和成本。
作者简介：
博士教授：Eberhard Abele，达姆施塔特
工业大学PTW研究所的专业组长
邮件：info@ptw.tu-darmstadt.de
理学硕士：Marian Fujara，达姆施塔特
工业大学PTW研究所的科研人员
邮件：fujara@ptw.tu-darmstadt.de
研究所简介：
达姆施塔特工业大学生产管理、工艺及
机床研究所（PTW）
64287达姆施塔特
电话：0 61 51/16*51 56
传真：0 61 51/16-70 45
网址:www.ptw.tu-darmstadt.de (end)
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