麻花鉆S刃鉆尖的特點及其應用
作者： 2013年07月22日 來源： 瀏覽量：
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D:直徑y:橫刃斜角a:后角b:螺旋角?:頂角d:鉆芯直徑L:工作部分長度圖1麻花鉆結構及切削部分示意圖圖2麻花鉆切削時的受力分析圖3鉆芯直徑d-剛度Do關系曲線1麻花鉆結構特點麻花鉆是最常用的孔加工刀具，此類鉆頭的直線型
D:直徑 y:橫刃斜角 a:后角 b:螺旋角 ?:頂角 d:鉆芯直徑 L:工作部分長度
圖1 麻花鉆結構及切削部分示意圖 |
圖2 麻花鉆切削時的受力分析 |
圖3 鉆芯直徑d-剛度Do關系曲線 |
1 麻花鉆結構特點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，兩主切削刃由橫刃連接，容屑槽為螺旋形(便于排屑)，螺旋槽的一部分構成前刀面，前刀面及頂角(2?)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，而且受到刃傾角的影響。麻花鉆的結構及幾何參數見圖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的大小及橫刃的長短取決于靠鉆芯處的后角和頂角的大小。當頂角一定時，后角越大，則y越小，橫刃越長(一般將y控制在50°～55°范圍內)。
2 麻花鉆受力分析
麻花鉆鉆削時的受力情況較復雜，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。鉆頭每個切削刃上都將受到Fx、Fy、Fz三個分力的作用。
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，圓周力構成扭矩，加工時消耗主要功率。麻花鉆在切削力作用下產生橫向彎曲、縱向彎曲及扭轉變形，其中扭轉變形最為顯著。扭矩主要由主切削刃上的切削力產生。經有限元分析計算可知，普通鉆尖切削刃上的扭矩約占總扭矩的80%，橫刃產生的扭矩約占10%。軸向力主要由橫刃產生，普通鉆尖橫刃上產生的軸向力約占50%～60%，主切削刃上的軸向力約占40%。
以直徑D=20mm麻花鉆為例，在其它參數不變情況下改變鉆芯厚度，從其剛度變化曲線(見圖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，鉆芯厚度增加明顯增加了麻花鉆工作時的軸向力，直接影響刀具切削性能，且刀具剛度的大小對加工幾何精度也有影響。
由于普通麻花鉆的橫刃為大負前角切削，鉆削時會發生嚴重擠壓，不僅要產生較大軸向抗力，而且要產生較大扭矩。對于一些厚鉆芯鉆頭，如拋物線鉆頭(G鉆頭)和部分硬質合金鉆頭(其特點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，進給量可加大20%。但鉆芯厚度的增大必然導致橫刃更長，相應增大了軸向力和扭矩，這樣不僅增加了設備負荷，而且會對加工幾何精度產生較大影響。此外，由于橫刃與工件的接觸為直線接觸，當鉆尖進入切削狀態時，被加工孔的位置精度和幾何精度難以控制。因此，在加工過程中為防止引偏，往往需要用中心鉆預鉆中心孔。
為解決上述問題，一般采用在橫刃兩端開切削槽的方法來減小橫刃長度，減輕擠壓，從而減小軸向力和扭矩。但在實際加工中，鉆尖的負前角切削和直線接觸方式定心性能差的問題并未從根本上得到解決。為此，人們一直在對鉆尖形狀進行不斷研究和改進，S刃鉆尖就是解決這一問題的較好方法之一。
3 S刃鉆尖的分類及特點
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，鉆尖進入切削的瞬時與工件為點接觸，因而自定心性及穩定性均優于普通麻花鉆，軸向力降低，切削性能改善，鉆頭壽命延長，被加工孔質量顯著提高，孔的位置精度和幾何精度令人滿意，鉆削進給量和進給速度進一步提高。根據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(見圖4)。
圖4S刃鉆尖的三種類型 |
- 高冠S刃鉆尖
- 高冠S刃鉆尖以美國吉丁斯·路易斯鉆頭磨床修磨的溫斯陸(Winslow)鉆尖為代表。該機床附設了一套特殊的凸輪機構，修磨出的S刃鉆尖切削部分(L0)較長，S刃冠狀曲率較大。特點：由于S部分較高(L0較長)，基本消除了負前角，甚至可實現正前角切削，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薄弱，強度較差，不適合高速加工高硬度工件。鉆尖材質需采用具有較好韌性的材料(如高速鋼類)。
- 低冠S刃鉆尖
- 低冠S刃鉆尖以德國五軸磨床(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，橫刃部分有兩個小槽，可減小鉆尖部分的負前角。
- 特點：因切削部分(L0)相對較短，鉆尖尖端及主切削刃強度較好；由于鉆尖S刃冠狀曲率小，因此自定心性及穩定性均優于高冠S刃鉆尖。開橫刃前角后，鉆削性能明顯改善，既保留了高冠S刃鉆尖的優點，又提高了鉆尖尖端的強度。適用于加工較硬材料的工件(如鋼件、鑄鐵件等)。鉆頭材質可采用高速工具鋼、硬質合金或其它高硬度材料。此類鉆頭的修磨較復雜，要求較高。
- 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(2?)較上述兩類鉆尖更大，主切削刃短(L0相對較短)，冠狀曲率較小。
- 特點：因主切削刃較短，因此加工中的扭矩較小；由于主切削刃強度高、冠狀曲率小，因此自定心性和穩定性均比高冠S刃鉆尖好。另外，小S刃鉆尖無負前角產生，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(如硬質合金類)小螺旋角鉆頭。
4 S刃鉆尖的修磨
S刃鉆尖形狀復雜，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構的鉆頭磨床或數控磨床才能實現精確修磨。
圖5所示為S刃鉆尖的簡單修磨原理。將被修磨鉆頭水平裝夾于A軸，修磨時錐形砂輪與刀具切削刃接觸后，B軸在XZ平面內轉動，A軸聯動(按后刀面螺旋升程要求旋轉)；同時，砂輪相對于刀具在Y軸方向下降，形成螺旋后刀面和S形橫刃。
圖5 S刃鉆尖的簡單修磨原理 |
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，升程率增大時冠狀高減小，圓弧越大冠狀凸起越高(見圖5)。此外，冠狀高及S曲線的半徑與鉆芯厚度直接相關。
修磨低冠S刃鉆尖時，為改善切削性能，可用75°角砂輪在鉆尖處開出兩個小槽，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度，又可減小S刃中部產生的負前角，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(2?)越小，主切削刃越長，切削負荷越大。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改善被加工孔的幾何精度(該方法在加工實踐中效果并不明顯)，以避免增大切削負荷。相反，為改善刀具切削性能，提高刀具強度和切削速度，一般將S刃鉆尖的頂角設計為118°以上(甚至可達140°)。此外，外緣后角決定了鉆尖外緣部切入工件時楔角的大小。刀具楔角的大小應根據被加工工件材料的硬度決定，當工件材料較軟時，需選用較大的后角。
5 S刃鉆尖的應用實例
我們將S刃鉆尖修磨技術應用于發動機連桿小頭孔的加工中，取得了良好效果。
工藝設計：20序：鉆孔?17+0.07mm，機床轉數：200r/min，切削速度10.68mm/min，走刀量0.45mm/r。40序：鉸孔?17.5+0.05mm。
用?17mm普通麻花鉆鉆孔時，由于鉆頭自定心性能及鉆削穩定性差，鉆出的孔徑經常達到或超過?17.5mm，致使產品報廢，操作者只好手工修磨鉆尖，但修磨質量很不穩定。
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，兩半圓連線長度為0.5mm，并在橫刃處用80°圓錐砂輪開出兩槽，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度，又避免了負前角切削產生的擠壓現象，減小了鉆削軸向力，改善了切削性能。加工實踐證明，使用該鉆頭不僅有效控制了孔的幾何精度，而且生產效率顯著提高，廢品率大大下降。?17mm普通鉆尖麻花鉆與S刃鉆尖麻花鉆的加工效果對比見下表。
表 普通鉆尖與S刃鉆尖的加工效果對比
| 鉆尖類型 |
普通鉆尖 |
S刃鉆尖 |
| 麻花鉆直徑 |
?17mm(標準) |
?17mm(標準) |
| 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 |
| 機床轉速 |
200r/min |
≥200r/min |
| 孔徑精度 |
?≥17.5mm |
?≤17+0.07mm | |
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