WSTAR钻头提高钻削效率

国际金属加工网 2017年01月09日

实体上钻孔的工艺被称为钻削。钻削在机械加工中所占比例很大,仅次于车削位居第二位。钻削的主要工具是麻花钻,但是,使用麻花钻钻孔存在着许多固有的缺点:

□ 为排屑做出螺旋槽,并要保证钻头自身强度需有一定的钻芯厚度,在钻头顶端必然存在横刃。旧麻花钻横刃处前角约为-54°~-60°,横刃有一定宽度,切削时不能正常切削而是刮擦,挤压工件产生巨大的轴向力,且不易钻入时定心。

□ 螺旋槽面构成主刀刃的前面,主刀刃各处的前角是变化的。从旧麻花钻外圆约+30°到接近中心约-30°之间各点的切削条件不同,损伤形态也各不相同。

□ 主刀刃较长、切屑宽,卷屑排屑困难,且各点切削速度大小与方向差异很大。

□ 刃带处副后角为零,而该处切削速度又最高,刀尖楔角小、散热条件差、磨损快。

为提高钻削效率,三菱公司作了持续的努力。其主要钻头材料已由高速钢、一般硬质合金改为以超微粒硬质合金为主;涂层也由一般TiN 到普遍采用Miracle技术沉积的特殊(ALTi)N,这种涂层其硬度、涂层结合强度、抗氧化能力得到了大大提高。除此之外,三菱公司还在钻头的结构上作了不断改进。于20世纪80年代推出的ZET1钻头基本系列,钻头顶端进行了X形修磨,使横刃为零,轴向力大大下降,后刀面磨有三重后角,使定心方便,不需预钻导孔,直接钻入,重磨也十分方便。此外,钻芯上设计有双螺旋内供冷却液孔,使得排屑改善、钻头使用寿命更长,可钻削深度(L/D长径比值)提高,一般内冷却的钻深可达到L/D=5。

最近,三菱公司又推出全新的高效WSTAR新钻头系列,对螺旋槽与主刀刃结构进行了大幅度改进。WSTAR新钻头系列的主要特点如下:

□ 主刀刃的改进

图1 改进了的主刀刃与螺旋槽结构,独特的波形切刃和螺旋槽形状可使排屑效果非常好

由直的主刀刃改成具有凹形与凸形的主刀刃。主刀刃在近钻头中心处设计成凹刃,使原来的负前角处达到正值(如图1所示),提高了该处的切削锋利性与切除切屑的性能;主刀刃在近外圆侧设计成凸刀(如图2所示),原来该处正前角过大、刀刃强度低,现在使正前角值减少,从而提高了该处切削刃的强度。凸凹刃结构使宽的切屑分断,切削力减少,并易排出。

图2 主刀刃各处前角的变化

□ 改善顶角结构

横刃继续修磨使之为零,修磨出多重后角,使近中心的顶角做得更小,更易定心钻入。

□ 设计新的螺旋槽形(如图1所示)

靠刃带(副切削刃)处设计具有较大的曲率,而远离刃带的跟部曲率较小。前者使切屑易于卷曲,后者使切屑更易排出。

WSTAR钻头的新槽形按CAE进行强度计算,与以往整体硬质合金钻头相比,其弯曲刚性提高了20%,抗扭转刚性提高了30%。带冷却液孔的钻头并不会降低这两方面的刚性。

在切削加工中,测量到的WSTAR钻头三个方向上的切削力(Fx、Fy、Fz)都要比旧型号低,总的动力减少达15%。由于WSTAR钻头的结构合理,材料采取超微粒硬质合金加上Miracle技术VP15TF涂层(如图3所示),不但能顺利钻削钢、铸铁、合金钢,且能钻削奥氏体不锈钢、耐热合金、Ti合金等难加工材料,因刀刃锋利、排屑好、切削力小,寿命也很长。

图3 VP15TF组织

系列化的WSTAR钻头产品,进一步发挥了它的特长,并扩大了使用范围。其扩大的二种新系列产品分别为:WSTAR深孔加工长钻头和带可弃换式刀头的WSTAR钻头。

1. WSTAR深孔加工长钻头

WSTAR长钻头充分发挥了WSTAR结构与材质的优点,可高效地一次加工出L=30D的深孔。该钻头是在WSTAR的结构创新基础上,使倒锥角减少,进一步提高了直进性与刚性,并适当扩大槽断面面积,以加速切屑排出。与高速钢钻头与枪钻同时加工直径 6深150的孔,WSTAR钻头由于结构与材料性能的卓越优异,能以较大进给加工(V=80m/min,fr=0.25mm),其效率与枪钻(V=60m/min,fr=0.05 mm)相比高5倍,且不需用特殊的深孔钻床;与高速钢钻头相比(V=20m/min,fr=0.1~0.2 mm)效率高出10倍,不用步进断续进给,可连续进给一次钻出。

由于WSTAR长钻头切削性能高,排屑性能又好,不需外加高压冷却液,用低压半干式供冷却液即可,大大节省了相关设备与油料费用。这样加工后,钻头磨损小,尚可持续加工。但加工时应注意以下两点问题:

□ 加工不通孔时,应先钻导孔深1D;加工完后,后退1~2mm,再低转速退出。

□ 加工斜面上孔时,应先用立铣刀或锪钻加工出平面,钻出导孔后再打孔。

当加工L/D>10的孔时,应将推荐切削用量下降。控制好以上各事项后,L=30D的孔是可以一蹴而就的,且可保证较好的加工精度与表面质量。

2.带可弃换式刀头的WSTAR钻头整体的WSTAR钻头

损伤后存在一个重磨、重涂的问题,而在重磨、重涂时常常产生加工品质,如尺寸、形状精度、表面质量不稳定、寿命下降等问题。由于整体都是硬质合金,这种钻头的价格相对比较昂贵。如果采用机夹装可弃换刀头的WSTAR钻头,不仅价格较低,省去了重磨重涂所带来的麻烦,保证了加工精度的表面质量,而且寿命稳定。一种刀柄还可以装多种尺寸的刀头,使为保证正常生产钻头的库存必要数量大大下降。

这种可弃换式WSTAR刀头的结构特点与整体WSTAR钻头相同,与刀体结合安装部位采用锯齿形结构,安装刚性高、精度也好。更换刀头时,只需松开螺钉即可,可弃换刀头的材质与涂层也与整体WSTAR钻头相同。刀柄则是用高温强度高的特殊合金钢制成,并施以特殊表面处理,耐机械刮擦性,耐腐蚀性能高。


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