专用空心钻头的设计对切削性能的影响

空心钻头是一种较适合便携式工具使用的孔加工刀具。但由于空心钻头的制造工艺比较复杂,且不能加工盲孔,因此在金属切削加工中使用并不普遍,通常只在加工一些大直径或贵金属工件的通孔或钻孔设备功率受到限制时才使用。由于空心钻头没有标准定型产品,因此大部分用于特殊材料加工的空心钻头均需自行研制。

我们曾为用户研制一种用于加工难加工材料的专用空心钻头。被加工材料代号U-Mn,主要化学成分包括:碳(0.56%～0.68%)、锰(1.35%～1.65%)、硅(0.2%～0. 35%)等；材料抗拉强度≥882N/ mm2,硬度及耐磨性均较高。该钻头用于在厚17mm 的材料上加工Ø30+0.5mm通孔,便携式钻机功率<1000W,要求钻头寿命>30min,钻头材料为W6Mo5Gr4V2。在研制该空心钻头过程中,通过反复调整钻头的设计参数,并进行钻孔试验,最后确定钻头几何参数为:前角g= 12°,后角a= 9°,副后角a1 = 3°。

下面就空心钻头的设计对切削性能的影响作一简要分析。

1.前角变化对钻头切削性能的影响

1) 前角对切削力的影响

前角的变化会影响切屑材料的变形程度,从而使切削力发生变化。切屑变形越大,切削力越大；切屑变形越小,切削力越小。当前角在0°～15°范围内变化时,切削力修正系数的变化范围为1.18～1。

2) 前角对钻头耐用度的影响

增大钻头前角时,会使刀尖强度和散热体积减小,同时会影响刀尖受力情况。当前角为正值时,刀尖受拉应力；当前角为负值时,刀尖受压应力。如选用的前角过大,虽可增加钻头锋利度,减小切削力,但刀尖所受拉应力较大,刀尖强度降低,容易折断。在切削试验中许多钻头均因前角过大而损坏。但是,由于被加工材料硬度和强度较高,加之便携式钻机的主轴及整机刚性较低,如选用的前角过小,钻孔时切削力的增大会使主轴产生振动,加工表面出现明显振纹,钻头耐用度也会降低。

2.后角变化对钻头切削性能的影响

增大后角可减小后刀面与切削材料间的摩擦,减小已加工表面的挤压变形。但如后角过大,则会降低刀刃强度和散热能力。

后角的大小直接影响钻头耐用度。在钻孔过程中,钻头的主要磨损形式为机械擦伤和相变磨损。考虑机械擦伤磨损,当切削寿命一定时,后角越大,可用切削时间越长；考虑相变磨损,后角增大会使钻头散热能力降低。钻头磨损后,随着后刀面磨损带的逐渐加宽,切削功率逐渐加大,摩擦产生的热量会逐渐增加,使钻头温度升高,当温度升高到钻头相变温度后,钻头将出现快速磨损。

3.钻头设计对刃磨加工的影响

空心钻头用量较少,加工批量小,因此设计钻头时应考虑其加工工艺问题,尽量以常用机加工设备和常用刀具实现加工及刃磨。

切屑经前刀面流出,因此前刀面的形状直接影响切屑形状和排屑性能。切屑在流出过程中受到前刀面挤压和摩擦,进一步产生变形。切屑底层金属变形程度最大,并沿前刀面产生滑移,使切屑底层长度较长,从而形成各种卷曲形状。使用空心钻头钻孔时,希望切屑成碎屑或带状屑,以利于排屑。为便于加工和刃磨,前刀面必须设计为平面,且不开断屑槽。前刀面在使用中不需要重磨。

后刀面是空心钻头最易重磨的面,也是磨损速度最快的面,因此空心钻头的刃磨是以刃磨后刀面来实现。

副后刀面分为内副后刀面和外副后刀面。从重磨角度来说,重磨内、外副后刀面不易实现,因此副后刀面应设计为不重磨形式。

根据以上分析,将该空心钻头刀刃设计为图1所示形式。加工实践证明,该设计完全可以满足使用要求和刀具重磨要求。

4.切削液使用及对钻头切削性能的影响

空心钻头的主要特点是加工时孔的内芯不被切削,因此空心钻头的切削量比麻花钻明显减少,所需钻机功率和切削中产生的热量也较小。

用高速钢空心钻头钻孔时,因加工区温度对钻头硬度影响很大,因此钻孔过程中必须使用冷却液降温(如不用冷却液,钻头磨损一开始就将以相变磨损为主而快速磨损)。开始我们采用外部喷淋冷却方式,但因钻头工位为水平轴线方向加工,冷却液不易进入钻头刀刃部分,冷却液消耗较大,冷却效果不理想。经重新设计改变钻机主轴结构,将外部喷淋冷却变为内部喷淋冷却,冷却液由空心钻头芯部加入,使冷却液能顺利到达钻头切削部分,从而明显降低了冷却液消耗量,改善了冷却效果。

5.空心钻头使用效果

设计完善的空心钻头应同时满足以下几方面要求:①便于制造,能采用普通机床和通用刀具加工；②便于重新刃磨,可利用普通砂轮机进行刃磨；③生产效率高,使用寿命长；④价格低廉。

我们研制的空心钻头基本上达到了以上要求。在实际使用中,钻头耐用度可稳定达到50 分钟,孔径公差、表面粗糙度等均达到了设计要求。由于只需重磨后刀面,钻头后角较易控制,在普通砂轮机上即可方便地实现刃磨。

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