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新钻型提高钻孔效率的研究 |
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作者：哈尔滨工业大学 谢大纲 袁哲俊 胡广义 |
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孔加工是金属切削加工中最重要的工序之一，约占所有金属切削加工工序的33%。在自动化生产线中，孔加工经常决定着生产周期的长短。但普通麻花钻本身的结构存在许多不合理之处，阻碍了其切削性能的进一步提高。同时，各种新型材料的广泛应用给钻削加工增添了许多困难。解决这些问题的主要途径，除采用新的刀具材料外，优化刀具的几何参数、改善切削条件是一种行之有效的方法。
法国“雷诺”和“标致”两大汽车公司发明的三倾角钻头就是修磨后刀面形成新的横刃和主切削刃来改善切削条件的。Hertel公司提出的SE型整体硬质合金钻头，通过修磨特殊的横刃和切削刃形状来提高切削效率。我国汽车行业应用比较广泛的X型高效钻头，通过磨短横刃，使横刃处形成具有一定正前角的内刃，改善了切削状态，减小了轴向进给力。这三种类型的钻头在一定程度上提高了钻削效率，但它们的共同缺点是没有进行有效分屑。虽然轴向力有所减小，但钻削扭矩减小不明显，钻削过程中仍有较多的能量浪费在切屑变形上，产生较大的切削热。
图1 基本群钻刃形结构
群钻综合了多种钻头修磨方法，具有定心好、切入快、钻孔精度高、轴向力和扭矩小等优点。图1所示为5～15mm基本型群钻的刃形结构。除修磨横刃外，该钻头在主切削刃上磨出了对称的月牙形圆弧槽，形成新的横刃和增加了横刃前角，改善了切削条件；并在直刃与圆弧刃交界处形成转点实现分屑，钻孔时直刃将切下大螺距带状切屑，圆弧刃将切下卷曲的切屑。分屑减小切屑之间的牵拉扭矩，所以群钻在很大程度上提高了钻削效率。但群钻仍存在一定缺点：(1)在刃磨时很难做到左、右切削刃完全对称，这样在钻孔过程中将产生较大径向力，钻头磨损加快而且产生孔扩；(2)为了实现完全分屑，两外刃应磨出一定的高度差h(h≥f/2)，这样，从理论上讲完全分屑的群钻存在径向力；(3)群钻的切屑在宽度上一分为二，但切屑的外端和内端的切屑速度差仍较大，故切削时附加变形仍很大
综合上述钻头的优点，改进它们的不足，我们提出了一种新型钻头。新型钻头的横刃修磨方式与群钻相同，同时我们采用了更好的分屑方式，使得新钻型的钻削性能优于群钻，其结构如图2所示。钻头左侧圆弧刃较短，约为整个切削刃长度的1/3，外刃较长，约为整个切削刃长度的2/3；右侧圆弧刃较长，约为整个切削刃长度的2/3，外刃较短，约为整个切削刃长度的1/3;同时左侧外刃低于右侧外刃(高度差应大于钻孔进给量f，图中虚线为右刃高出部分)。此钻头的切削图形见图3，在整个钻孔过程中，切削力是对称分布的。钻头刚开始接触工件时，修短了的横刃起到了良好定心作用；之后对称的圆弧刃开始切入工件，由于圆弧刃变短，切屑宽度减小；当两侧的钻尖接触工件时，外刃开始参加切削，钻头右侧外刃高于左侧外刃，左侧外刃长于右侧外刃，故钻孔时右侧外刃只切外圆，左侧外刃只切中间一圈。可见，本钻头的特殊结构保证了切削刃上切削力的对称分布。 
图2 新钻尖刃形 图3 新钻型的切削图形
新型钻型有以下主要优点：
1. 切屑在主切削刃宽度方向上分成三段，每段切削刃外端和内端的切削速度差明显减小，减小了切屑附加变形，降低了切削扭矩并减小了钻头磨损。以优化后的φ15mm的钻头为例，右侧外刃的外端半径为7.5mm，内端半径为5.5mm；左侧外刃起切削作用的刀刃外端半径为5mm，内端半径为3mm；圆弧切削刃的外端半径为3mm，内端半径为0.75mm。
2. 切屑在外刃处为厚而窄的大螺距带状，排屑容易，圆弧刃缩短后，呈卷曲的切屑量减少，减少了切屑堵塞的危险性，因此排屑情况优于标准群钻。
3. 如果刃磨时两侧切削刃略有高低误差，不会造成两侧切削负荷变化而影响径向力的变化。只是在钻入的瞬间有径向力，而在钻孔过程中径向力是平衡的，这是其它钻头无法以拟的。
为了证明新型钻头的性能，我们进行了普通麻花钻、基本型群钻和新型钻头钻削力的对比试验。试验在Z525型立式钻床上进行，主轴转速195r/min，进给量分别为0.10、0.13、0.17、0.22、0.28、0.36mm/r，工件材料45钢，测力装置采用KISTLER测力仪与薄壁筒式测力仪相结合的方式，试验结果如图4所示。试验结果表明：进给量从0.10～0.22mm/r，新型钻头相对于麻花钻的钻削扭矩分别降低了29.6%，33.3%，22.5%，13.7%；而相对于群钻，钻削扭矩分别降低了13.9%，21.7%，14.9%，2.6%；进给量从0.10～0.36mm/r时，新型钻头相对于麻花钻的轴向抗力降低了40.9%，39.3%，36.3%，31.4%，36.7%，36.9%；而相对于群钻，轴向抗力降低了10.2%，16.9%，19.4%，16.7%,14.6%,8.3%。因为群钻是国内外公认的性能优秀的钻型，它的切削性能优于本文前面所介绍的几种先进钻型，所以，本实验可以证明新型钻头的先进性。
图4 麻花钻、群钻、新钻型的轴向力、扭矩与进给量的关系曲线
新型钻尖的刃磨难度并不大于标准群钻，而钻削性能明显提高，因此可大力推广使用。(end)
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(12/18/2004) |
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