麻花钻S刃钻尖的特点及其应用

国际金属加工网 2016年12月09日

一、麻花钻结构特点

麻花钻是最常用的孔加工刀具,此类钻头的直线型主切削刃较长,两主切削刃由横刃连接,容屑槽为螺旋形(便于排屑),螺旋槽的一部分构成前刀面,前刀面及顶角(2Ø)决定了前角g的大小,因此钻尖前角不仅与螺旋角密切相关,而且受到刃倾角的影响。麻花钻的结构及几何参数见图1。

D:直径 y:横刃斜角 a:后角 b:螺旋角 Ø:顶角 d:钻芯直径 L:工作部分长度

图1 麻花钻结构及切削部分示意图

横刃斜角y是在端面投影中横刃与主切削刃之间的夹角,y的大小及横刃的长短取决于靠钻芯处的后角和顶角的大小。当顶角一定时,后角越大,则y越小,横刃越长(一般将y控制在50°~55°范围内)。

二、麻花钻受力分析

麻花钻钻削时的受力情况较复杂,主要有工件材料的变形抗力、麻花钻与孔壁和切屑间的摩擦力等。钻头每个切削刃上都将受到Fx、Fy、Fz三个分力的作用。

图2 麻花钻切削时的受力分析

如图2所示,在理想情况下,切削刃受力基本上互相平衡。其余的力为轴向力和圆周力,圆周力构成扭矩,加工时消耗主要功率。麻花钻在切削力作用下产生横向弯曲、纵向弯曲及扭转变形,其中扭转变形最为显著。扭矩主要由主切削刃上的切削力产生。经有限元分析计算可知,普通钻尖切削刃上的扭矩约占总扭矩的80%,横刃产生的扭矩约占10%。轴向力主要由横刃产生,普通钻尖横刃上产生的轴向力约占50%~60%,主切削刃上的轴向力约占40%。

图3 钻芯直径d-刚度Do关系曲线

以直径D=20mm麻花钻为例,在其它参数不变情况下改变钻芯厚度,从其刚度变化曲线(见图3)可以看出,随着钻芯直径d增加,刚度Do增大,变形量减小。由此可见,钻芯厚度增加明显增加了麻花钻工作时的轴向力,直接影响刀具切削性能,且刀具刚度的大小对加工几何精度也有影响。

由于普通麻花钻的横刃为大负前角切削,钻削时会发生严重挤压,不仅要产生较大轴向抗力,而且要产生较大扭矩。对于一些厚钻芯钻头,如抛物线钻头(G钻头)和部分硬质合金钻头(其特点之一是将钻芯厚度由普通麻花钻直径的11%~15%加大到25%~60%)等,其刚性较好,钻孔直线度好,孔径精确,进给量可加大20%。但钻芯厚度的增大必然导致横刃更长,相应增大了轴向力和扭矩,这样不仅增加了设备负荷,而且会对加工几何精度产生较大影响。此外,由于横刃与工件的接触为直线接触,当钻尖进入切削状态时,被加工孔的位置精度和几何精度难以控制。因此,在加工过程中为防止引偏,往往需要用中心钻预钻中心孔。

为解决上述问题,一般采用在横刃两端开切削槽的方法来减小横刃长度,减轻挤压,从而减小轴向力和扭矩。但在实际加工中,钻尖的负前角切削和直线接触方式定心性能差的问题并未从根本上得到解决。为此,人们一直在对钻尖形状进行不断研究和改进,S刃钻尖就是解决这一问题的较好方法之一。

三、S刃钻尖的分类及特点

S刃钻尖也称为温斯陆钻尖,从端面投影看,其横刃为S形。从正面投影可看到钻尖中部略鼓,呈抛物线冠状。由于S刃钻尖为曲线刃,钻尖进入切削的瞬时与工件为点接触,因而自定心性及稳定性均优于普通麻花钻,轴向力降低,切削性能改善,钻头寿命延长,被加工孔质量显著提高,孔的位置精度和几何精度令人满意,钻削进给量和进给速度进一步提高。根据抛物线冠状和横刃形状,S刃钻尖基本上可分为三种类型,即高冠S刃、低冠S刃和低冠小S刃(见图4)。

图4S刃钻尖的三种类型

高冠S刃钻尖

高冠S刃钻尖以美国吉丁斯·路易斯钻头磨床修磨的温斯陆(Winslow)钻尖为代表。该机床附设了一套特殊的凸轮机构,修磨出的S刃钻尖切削部分(L0)较长,S刃冠状曲率较大。特点:由于S部分较高(L0较长),基本消除了负前角,甚至可实现正前角切削,所以不必另加横刃切削槽。修磨效率高,适于修磨厚钻芯刀具。但钻尖尖端部分相对薄弱,强度较差,不适合高速加工高硬度工件。钻尖材质需采用具有较好韧性的材料(如高速钢类)。

低冠S刃钻尖

低冠S刃钻尖以德国五轴磨床(由瑞士Numroto配备编程软件)修磨的钻尖为代表。钻尖切削部分(L0)较短,S刃冠状曲率较小。从端面投影方向可看出横刃为大S形,中间局部可为一小段直线,横刃部分有两个小槽,可减小钻尖部分的负前角。

特点:因切削部分(L0)相对较短,钻尖尖端及主切削刃强度较好;由于钻尖S刃冠状曲率小,因此自定心性及稳定性均优于高冠S刃钻尖。开横刃前角后,钻削性能明显改善,既保留了高冠S刃钻尖的优点,又提高了钻尖尖端的强度。适用于加工较硬材料的工件(如钢件、铸铁件等)。钻头材质可采用高速工具钢、硬质合金或其它高硬度材料。此类钻头的修磨较复杂,要求较高。

低冠小S刃钻尖

此类钻尖形状与高冠S刃钻尖较类似,其横刃也为小S形,钻尖顶角(2Ø)较上述两类钻尖更大,主切削刃短(L0相对较短),冠状曲率较小。

特点:因主切削刃较短,因此加工中的扭矩较小;由于主切削刃强度高、冠状曲率小,因此自定心性和稳定性均比高冠S刃钻尖好。另外,小S刃钻尖无负前角产生,因此不需在横刃处加槽,既控制了轴向力,又减小了扭矩,可极大地改善切削性能。适于修磨高硬度材料(如硬质合金类)小螺旋角钻头。

四、S刃钻尖的修磨

S刃钻尖形状复杂,修磨难度大,很难用手工或普通钻头磨床修磨出理想的刃形,一般需要使用具有特殊凸轮机构的钻头磨床或数控磨床才能实现精确修磨。

图5所示为S刃钻尖的简单修磨原理。将被修磨钻头水平装夹于A轴,修磨时锥形砂轮与刀具切削刃接触后,B轴在XZ平面内转动,A轴联动(按后刀面螺旋升程要求旋转);同时,砂轮相对于刀具在Y轴方向下降,形成螺旋后刀面和S形横刃。

图5 S刃钻尖的简单修磨原理

钻尖的冠状高由圆锥砂轮(锥度为30°~60°)修磨出的圆弧大小以及螺旋面的升程率决定,升程率增大时冠状高减小,圆弧越大冠状凸起越高(见图5)。此外,冠状高及S曲线的半径与钻芯厚度直接相关。

修磨低冠S刃钻尖时,为改善切削性能,可用75°角砂轮在钻尖处开出两个小槽,并使其角度与S两半圆间的连线基本平行,这样既可保持主切削刃的强度,又可减小S刃中部产生的负前角,使冠状抛物线中部刀刃的前角等于零或小于零(r≥0)。

与普通麻花钻一样,S刃钻尖的顶角也非常重要,钻尖顶角修磨范围一般在90°~135°之间。由图1可知,顶角(2Ø)越小,主切削刃越长,切削负荷越大。由于S刃钻尖的自定心性较好,因此不必采用减小顶角的方法来改善被加工孔的几何精度(该方法在加工实践中效果并不明显),以避免增大切削负荷。相反,为改善刀具切削性能,提高刀具强度和切削速度,一般将S刃钻尖的顶角设计为118°以上(甚至可达140°)。此外,外缘后角决定了钻尖外缘部切入工件时楔角的大小。刀具楔角的大小应根据被加工工件材料的硬度决定,当工件材料较软时,需选用较大的后角。

五、S刃钻尖的应用实例

我们将S刃钻尖修磨技术应用于发动机连杆小头孔的加工中,取得了良好效果。

工艺设计:20序:钻孔Ø17+0.07mm,机床转数:200r/min,切削速度10.68mm/min,走刀量0.45mm/r。40序:铰孔Ø17.5+0.05mm。

用Ø17mm普通麻花钻钻孔时,由于钻头自定心性能及钻削稳定性差,钻出的孔径经常达到或超过Ø17.5mm,致使产品报废,操作者只好手工修磨钻尖,但修磨质量很不稳定。

我们将钻头修磨成顶角118°、轴向后角7°、圆周后角6°的低冠大S刃钻尖,S刃半径为1.5mm,两半圆连线长度为0.5mm,并在横刃处用80°圆锥砂轮开出两槽,使冠状前角大于或等于零,这样既可保证刀具主切削刃所需强度,又避免了负前角切削产生的挤压现象,减小了钻削轴向力,改善了切削性能。加工实践证明,使用该钻头不仅有效控制了孔的几何精度,而且生产效率显著提高,废品率大大下降。Ø17mm普通钻尖麻花钻与S刃钻尖麻花钻的加工效果对比见下表。

表 普通钻尖与S刃钻尖的加工效果对比


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