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性能优良的高效钻头—“魔钻”

 引言
目前,可用于高速加工的刀具产品越来越多。高速加工意味着高切削速度和高切削效率。在铸铁的车削加工中,切削速度已可达到1000m/min。在钻削加工领域,虽然硬质含金钻头的使用已相当普遍,但高速钢钻头仍占有较大份额。就切削速度而言,钻削加工仍明显落后于车削和铣削加工, 其原因是钻削加工中存在一些尚待解决的技术难题,其中最重要的环节就是排屑。
在钻削过程中,切屑要从钻头本身钻出的孔中排出,这样,在钻头体中至少需要安排一条排屑槽,而排屑槽与孔壁包围的窄小空间就成为排屑通道。由于切屑形状及大小等原因,切屑常常会堵塞和滞留在排屑槽中,切屑堵塞对切削刃产生极大的瞬时冲击力,极易使切削刃损坏.为此,钻头必须选用高韧性材料制造,这也是高速钢钻头仍占有较大份额的原因。因此,要实现高速钻削,就必须改进钻头的排屑性能,提高加工的可靠性,这样才能使更多的高硬耐磨材料可用于制作可转位钻头,从而大幅度提高钻削速度。

工件材料:碳钢S50C 刀具规格:f20-3D
切削条件: v=150m/min,f=0.05mm/r, 冷却液

图3 45°斜面钻削时孔壁表面粗糙度检测结果

工件材料:碳钢S45C 刀具规格:f20-3D
切削条件: v=120m/min,f=0.08mm/r, 冷却液

图2“魔钻”加工表面状况

2“魔钻”的性能特点


京瓷公司(Kyocera)通过对切屑控制问题的潜心研究,于四年前开发出一种称为“魔钻”(Magic Drill)的可转位钻头。由于该钻头可显著改善排屑状况,提高钻削效率,因此在市场上获得了较高声誉。
一般可转位钻头的切削刃包括内刃和外刃,“魔钻”也是如此(见图1)。但“魔钻”的外刃设计为阶梯形,可起分屑作用,使切屑宽度变窄,从而可避免较大切屑堵塞排屑槽,改进和优化了排屑性能,且在高速钻削时同样可保持性能稳定。
“魔钻”特殊的切削刃几何形状可降低高速钻削时的振动,防止钻头体弯曲,并改进了直线钻削性能。此外,由于减小了切屑对孔壁的挤压,因此可获得良好的加工表面质量(见图2),这也是“魔钻”的重要优点之一。
图3所示为在45°斜面钻削时孔壁表面粗糙度的检测结果。“魔钻”的加工表面粗糙度值仅为普通可转位钻头A的1/3。“魔钻”的这种特性使得在凹面或凸面估削时也能获得稳定的钻削效果,同时它还可减少预加工量,提高生产效率。

工件材料:轧制钢SS400 刀具规格:f34-4D
切削条件: v=160m/min,f=0.07mm/r, 内冷却

图4 斜面钻削

工件材料:球墨铸铁FCD600 刀具规格:f26-3D
切削条件: v=80m/min,f=0.25mm/r, 外冷却

图5 球墨铸铁的钻削

工件材料:碳钢S25C 刀具规格:f18-3D
切削条件: v=120m/min,f=0.1mm/r, 内冷却

图6 悬伸工件的钻削

工件材料:碳钢S45C 刀具规格:f26-3D
切削条件: v=80m/min,f=0.12mm/r, 无冷却

图7 半孔的连续钻削

图8 凹端工件的加工

3 “魔钻”的加工实例


  1. 斜面钻削(见图4)
    使用常规整体钻头或可转位钻头钻制斜面时由于定位不稳,易使钻头体弯曲,导致刀具损坏。如使用立铣刀加工,时间长,效率低。使用“魔钻”加工,在长径比L/D=4的情况下切削平稳,可大大节约加工时间。
    在斜面钻削的断续钻削阶段,可将进给率降低到0.05~0.07mm/r。以保证钻削平稳,从断续钻削阶段进入连续钻削阶段后,则可根据排展情况加大进给量。
  2. 球墨铸铁(FCD600)的钻削(见图5)
    使用常规整体高质钢钻头钻削球墨铸铁FCD600时,切削速度20m/min,进给量0.3mm/r。使用“魔钻”时则可将切削速度提高到80m/min,总生产效率可提高3倍以上。此外,“魔钻”的加工表面质量明显优于普通钻头,可省略精加工工序。加工球墨铸铁时,刀具磨损较快。切削速度推荐为80~100m/min。综合考虑刀具寿命和生产效率,进给率不应过低,如孔径D>20mm,“魔钻”的进给率推荐为0.15-0.25mm/r。
  3. 悬伸工件的钻削(见图6)
    使用常规高速钢钻头钻削时(v=40m/min, f=0.3mm/r,外冷却),由于工件悬伸较长,钻头钻入时工件和钻头均发生弯曲现象,因此需预钻中心孔。使用“魔钻”钻削时则无需预钻中心孔,且钻削噪声和表面粗糙度均有所改善。由于钻制此类工件过程中工件和钻头容易发生弯曲(尤其在钻头钻入时),为降低工件弯曲程度,在钻入工件1-2mm时需降低进给率。
  4. 模具钢(SK61)的深孔钻削
    用长径比L/D=6的长杆钻头钻削孔径为28mm、深度为140mm的SK61模具钢工件时,使用“魔钻”的加工效率可比使用整体式钻头提高3倍以上。
    使用长杆钻头加工时,钻入工件时钻头容易偏移,防止措施是钻头钻入时略为降低进给率。
  5. 半孔的连续钻削(见图7)
    使用f26钻头,以12.3mm的孔距连续粗钻槽(钻半孔,孔深13.5mm)。由于钻头极易发生偏移,这种加工对于整体式钻头或常规可转位钻头均非常困难。使用“魔钻”则可成功完成这一加工,其效果与斜面钻削一样好。对于半孔的连续钻削,当孔距小于半径时,钻削稳定性将有所提高。

4 “魔钻”的使用要点


  1. 排屑控制
    当加工粘性材料(如低碳钢)时,应特别注意排屑控制,如选用的切削速度过低,容易导致切屑不易切断,排屑性能变差。加工粘性材料时推荐的切削速度为150~250m/min。
    一般来说(不仅局限于加工粘性材料), 如果切削速度过低,切屑的产生速度也随之降低,会导致排屑困难。为便于然属控制,除某些特殊材料外,选用切削速度至少需在80m/min以上。
  2. 振动控制
    当切削速度提高时,容易产主振动。这将对加工表面粗糙度和切削刃的可靠性造成较大地影响。选用长径比(L/D)较小的刀具可有效防止振动。
  3. 对经过预钻(或预镗)孔的加工
    由于可转位钻头具有内刃和外刃,因此对经过预钻或预镗的孔的钻削相当困难,这是因为内刃和外刃的切削阻力不易平衡,易使钻头体随之偏移而产生振动。这时应根据具体工况适当降低送给率;如果决定选用可转让钻头进行加工,则最好不作预钻或预镗加工。
    加工如图8所示工件时,因工件两端皆内凹,应选用长径比(L/D)较小的钻头,且应根据加工情况在入刀和出刀时适当降低进给率。

5 结语


随着高效率可转位钻头的日益普及,硬质合金刀片在钻削中的应用将越来越广泛。但可转位钻头的推广应用仍有许多问题需要解决,如长径比L/D>5的深孔钻削、小孔钻削等;同时还需要继续研究与开发新的高强度刀具材料。但无论如何,可转位钻头都将成为高速、高效钻削的主流刀具。


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