麻花鉆S刃鉆尖的特點(diǎn)及其應(yīng)用

發(fā)布日期：2012-08-29    蘭生客服中心    瀏覽：3202








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D:直徑 y:橫刃斜角 a:后角 b:螺旋角 Ø:頂角 d:鉆芯直徑 L:工作部分長(zhǎng)度
圖1 麻花鉆結(jié)構(gòu)及切削部分示意圖


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圖2 麻花鉆切削時(shí)的受力分析

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圖3 鉆芯直徑d-剛度Do關(guān)系曲線


1 麻花鉆結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

麻花鉆是最常用的孔加工刀具，此類鉆頭的直線型主切削刃較長(zhǎng)，兩主切削刃由橫刃連接，容屑槽為螺旋形(便于排屑)，螺旋槽的一部分構(gòu)成前刀面，前刀面及頂角(2Ø)決定了前角g的大小，因此鉆尖前角不僅與螺旋角密切相關(guān)，而且受到刃傾角的影響。麻花鉆的結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)見(jiàn)圖1。
橫刃斜角y是在端面投影中橫刃與主切削刃之間的夾角，y的大小及橫刃的長(zhǎng)短取決于靠鉆芯處的后角和頂角的大小。當(dāng)頂角一定時(shí)，后角越大，則y越小，橫刃越長(zhǎng)(一般將y控制在50°～55°范圍內(nèi))。

2 麻花鉆受力分析


麻花鉆鉆削時(shí)的受力情況較復(fù)雜，主要有工件材料的變形抗力、麻花鉆與孔壁和切屑間的摩擦力等。鉆頭每個(gè)切削刃上都將受到Fx、Fy、Fz三個(gè)分力的作用。
如圖2所示，在理想情況下，切削刃受力基本上互相平衡。其余的力為軸向力和圓周力，圓周力構(gòu)成扭矩，加工時(shí)消耗主要功率。麻花鉆在切削力作用下產(chǎn)生橫向彎曲、縱向彎曲及扭轉(zhuǎn)變形，其中扭轉(zhuǎn)變形最為顯著。扭矩主要由主切削刃上的切削力產(chǎn)生。經(jīng)有限元分析計(jì)算可知，普通鉆尖切削刃上的扭矩約占總扭矩的80%，橫刃產(chǎn)生的扭矩約占10%。軸向力主要由橫刃產(chǎn)生，普通鉆尖橫刃上產(chǎn)生的軸向力約占50%～60%，主切削刃上的軸向力約占40%。
以直徑D=20mm麻花鉆為例，在其它參數(shù)不變情況下改變鉆芯厚度，從其剛度變化曲線(見(jiàn)圖3)可以看出，隨著鉆芯直徑d增加，剛度Do增大，變形量減小。由此可見(jiàn)，鉆芯厚度增加明顯增加了麻花鉆工作時(shí)的軸向力，直接影響刀具切削性能，且刀具剛度的大小對(duì)加工幾何精度也有影響。
由于普通麻花鉆的橫刃為大負(fù)前角切削，鉆削時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重?cái)D壓，不僅要產(chǎn)生較大軸向抗力，而且要產(chǎn)生較大扭矩。對(duì)于一些厚鉆芯鉆頭，如拋物線鉆頭(G鉆頭)和部分硬質(zhì)合金鉆頭(其特點(diǎn)之一是將鉆芯厚度由普通麻花鉆直徑的11%～15%加大到25%～60%)等，其剛性較好，鉆孔直線度好，孔徑精確，進(jìn)給量可加大20%。但鉆芯厚度的增大必然導(dǎo)致橫刃更長(zhǎng)，相應(yīng)增大了軸向力和扭矩，這樣不僅增加了設(shè)備負(fù)荷，而且會(huì)對(duì)加工幾何精度產(chǎn)生較大影響。此外，由于橫刃與工件的接觸為直線接觸，當(dāng)鉆尖進(jìn)入切削狀態(tài)時(shí)，被加工孔的位置精度和幾何精度難以控制。因此，在加工過(guò)程中為防止引偏，往往需要用中心鉆預(yù)鉆中心孔。
為解決上述問(wèn)題，一般采用在橫刃兩端開(kāi)切削槽的方法來(lái)減小橫刃長(zhǎng)度，減輕擠壓，從而減小軸向力和扭矩。但在實(shí)際加工中，鉆尖的負(fù)前角切削和直線接觸方式定心性能差的問(wèn)題并未從根本上得到解決。為此，人們一直在對(duì)鉆尖形狀進(jìn)行不斷研究和改進(jìn)，S刃鉆尖就是解決這一問(wèn)題的較好方法之一。

3 S刃鉆尖的分類及特點(diǎn)


S刃鉆尖也稱為溫斯陸鉆尖，從端面投影看，其橫刃為S形。從正面投影可看到鉆尖中部略鼓，呈拋物線冠狀。由于S刃鉆尖為曲線刃，鉆尖進(jìn)入切削的瞬時(shí)與工件為點(diǎn)接觸，因而自定心性及穩(wěn)定性均優(yōu)于普通麻花鉆，軸向力降低，切削性能改善，鉆頭壽命延長(zhǎng)，被加工孔質(zhì)量顯著提高，孔的位置精度和幾何精度令人滿意，鉆削進(jìn)給量和進(jìn)給速度進(jìn)一步提高。根據(jù)拋物線冠狀和橫刃形狀，S刃鉆尖基本上可分為三種類型，即高冠S刃、低冠S刃和低冠小S刃(見(jiàn)圖4)。





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    圖4S刃鉆尖的三種類型


  1. 高冠S刃鉆尖
    高冠S刃鉆尖以美國(guó)吉丁斯·路易斯鉆頭磨床修磨的溫斯陸(Winslow)鉆尖為代表。該機(jī)床附設(shè)了一套特殊的凸輪機(jī)構(gòu)，修磨出的S刃鉆尖切削部分(L0)較長(zhǎng)，S刃冠狀曲率較大。特點(diǎn)：由于S部分較高(L0較長(zhǎng))，基本消除了負(fù)前角，甚至可實(shí)現(xiàn)正前角切削，所以不必另加橫刃切削槽。修磨效率高，適于修磨厚鉆芯刀具。但鉆尖尖端部分相對(duì)薄弱，強(qiáng)度較差，不適合高速加工高硬度工件。鉆尖材質(zhì)需采用具有較好韌性的材料(如高速鋼類)。

  2. 低冠S刃鉆尖
    低冠S刃鉆尖以德國(guó)五軸磨床(由瑞士Numroto配備編程軟件)修磨的鉆尖為代表。鉆尖切削部分(L0)較短，S刃冠狀曲率較小。從端面投影方向可看出橫刃為大S形，中間局部可為一小段直線，橫刃部分有兩個(gè)小槽，可減小鉆尖部分的負(fù)前角。
    特點(diǎn)：因切削部分(L0)相對(duì)較短，鉆尖尖端及主切削刃強(qiáng)度較好；由于鉆尖S刃冠狀曲率小，因此自定心性及穩(wěn)定性均優(yōu)于高冠S刃鉆尖。開(kāi)橫刃前角后，鉆削性能明顯改善，既保留了高冠S刃鉆尖的優(yōu)點(diǎn)，又提高了鉆尖尖端的強(qiáng)度。適用于加工較硬材料的工件(如鋼件、鑄鐵件等)。鉆頭材質(zhì)可采用高速工具鋼、硬質(zhì)合金或其它高硬度材料。此類鉆頭的修磨較復(fù)雜，要求較高。

  3. 低冠小S刃鉆尖
    此類鉆尖形狀與高冠S刃鉆尖較類似，其橫刃也為小S形，鉆尖頂角(2Ø)較上述兩類鉆尖更大，主切削刃短(L0相對(duì)較短)，冠狀曲率較小。
    特點(diǎn)：因主切削刃較短，因此加工中的扭矩較��；由于主切削刃強(qiáng)度高、冠狀曲率小，因此自定心性和穩(wěn)定性均比高冠S刃鉆尖好。另外，小S刃鉆尖無(wú)負(fù)前角產(chǎn)生，因此不需在橫刃處加槽，既控制了軸向力，又減小了扭矩，可極大地改善切削性能。適于修磨高硬度材料(如硬質(zhì)合金類)小螺旋角鉆頭。

4 S刃鉆尖的修磨


S刃鉆尖形狀復(fù)雜，修磨難度大，很難用手工或普通鉆頭磨床修磨出理想的刃形，一般需要使用具有特殊凸輪機(jī)構(gòu)的鉆頭磨床或數(shù)控磨床才能實(shí)現(xiàn)精確修磨。
圖5所示為S刃鉆尖的簡(jiǎn)單修磨原理。將被修磨鉆頭水平裝夾于A軸，修磨時(shí)錐形砂輪與刀具切削刃接觸后，B軸在XZ平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，A軸聯(lián)動(dòng)(按后刀面螺旋升程要求旋轉(zhuǎn))；同時(shí)，砂輪相對(duì)于刀具在Y軸方向下降，形成螺旋后刀面和S形橫刃。





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圖5 S刃鉆尖的簡(jiǎn)單修磨原理


鉆尖的冠狀高由圓錐砂輪(錐度為30°～60°)修磨出的圓弧大小以及螺旋面的升程率決定，升程率增大時(shí)冠狀高減小，圓弧越大冠狀凸起越高(見(jiàn)圖5)。此外，冠狀高及S曲線的半徑與鉆芯厚度直接相關(guān)。
修磨低冠S刃鉆尖時(shí)，為改善切削性能，可用75°角砂輪在鉆尖處開(kāi)出兩個(gè)小槽，并使其角度與S兩半圓間的連線基本平行，這樣既可保持主切削刃的強(qiáng)度，又可減小S刃中部產(chǎn)生的負(fù)前角，使冠狀拋物線中部刀刃的前角等于零或小于零(r≥0)。
與普通麻花鉆一樣，S刃鉆尖的頂角也非常重要，鉆尖頂角修磨范圍一般在90°～135°之間。由圖1可知，頂角(2Ø)越小，主切削刃越長(zhǎng)，切削負(fù)荷越大。由于S刃鉆尖的自定心性較好，因此不必采用減小頂角的方法來(lái)改善被加工孔的幾何精度(該方法在加工實(shí)踐中效果并不明顯)，以避免增大切削負(fù)荷。相反，為改善刀具切削性能，提高刀具強(qiáng)度和切削速度，一般將S刃鉆尖的頂角設(shè)計(jì)為118°以上(甚至可達(dá)140°)。此外，外緣后角決定了鉆尖外緣部切入工件時(shí)楔角的大小。刀具楔角的大小應(yīng)根據(jù)被加工工件材料的硬度決定，當(dāng)工件材料較軟時(shí)，需選用較大的后角。

5 S刃鉆尖的應(yīng)用實(shí)例


我們將S刃鉆尖修磨技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)連桿小頭孔的加工中，取得了良好效果。
工藝設(shè)計(jì)：20序：鉆孔Ø17+0.07mm，機(jī)床轉(zhuǎn)數(shù)：200r/min，切削速度10.68mm/min，走刀量0.45mm/r。40序：鉸孔Ø17.5+0.05mm。
用Ø17mm普通麻花鉆鉆孔時(shí)，由于鉆頭自定心性能及鉆削穩(wěn)定性差，鉆出的孔徑經(jīng)常達(dá)到或超過(guò)Ø17.5mm，致使產(chǎn)品報(bào)廢，操作者只好手工修磨鉆尖，但修磨質(zhì)量很不穩(wěn)定。
我們將鉆頭修磨成頂角118°、軸向后角7°、圓周后角6°的低冠大S刃鉆尖，S刃半徑為1.5mm，兩半圓連線長(zhǎng)度為0.5mm，并在橫刃處用80°圓錐砂輪開(kāi)出兩槽，使冠狀前角大于或等于零，這樣既可保證刀具主切削刃所需強(qiáng)度，又避免了負(fù)前角切削產(chǎn)生的擠壓現(xiàn)象，減小了鉆削軸向力，改善了切削性能。加工實(shí)踐證明，使用該鉆頭不僅有效控制了孔的幾何精度，而且生產(chǎn)效率顯著提高，廢品率大大下降。Ø17mm普通鉆尖麻花鉆與S刃鉆尖麻花鉆的加工效果對(duì)比見(jiàn)下表。


























表 普通鉆尖與S刃鉆尖的加工效果對(duì)比
鉆尖類型 普通鉆尖 S刃鉆尖
麻花鉆直徑 Ø17mm(標(biāo)準(zhǔn)) Ø17mm(標(biāo)準(zhǔn))
壁粗糙度 不合格 合格(12.5µm)
切削速度 10.68mm/min，不能提高 11mm/min，可提高
機(jī)床轉(zhuǎn)速 200r/min ≥200r/min
孔徑精度 Ø≥17.5mm Ø≤17+0.07mm

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