斜孔钻削工艺及麻花钻结构的改进

1 问题的提出

我们在加工某军工产品的主要零件——定板(材料45钢,外形尺寸l005mm×7000mm×20mm)时,共需钻削1071个Ø24mm的30°斜孔,且要求孔壁表面粗糙度达到Ra6.3µm。钻孔加工时工件厚度大于名义尺寸3mm(留作精刨余量)。当在Z3550万向摇臂钻床上用标准麻花钻对定板进行常规钻削加工时,产生了以下工艺问题:

用标准麻花钻头钻削30°斜孔时,由于钻头与工件之间的夹角较小,为保证加工长度,需要加长钻杆和钻头,从而使钻头刚性降低。此外,钻削斜孔时钻头在相当长一段时间处于断续切削状态且径向抗力很大,为避免崩刃,保证加工正常进行,就必须减小切削用量,这就直接影响了加工效率和生产进度。

钻削直孔时,采用钻→扩工艺即可稳定达到Ra6.3µm的表面粗糙度要求。但钻削30°斜孔时,由于受断续切削和径向抗力的影响,钻头在钻削过程中始终存在振动,虽然采用钻套导向可部分减小径向抗力,但振动仍会加速钻头磨损,导致钻头外刃崩刃,严重影响钻削加工的正常进行和钻孔质量。

为解决上述问题,我们对斜孔钻削工艺和用于加工的标准麻花钻结构进行了改进。

2 钻削工艺的改进

将斜孔钻削工艺由直接钻孔改为钻后扩孔,即在Ø24mm钻套内再增加一个Ø21mm钻套,先采用Ø21mm钻头钻孔,然后再用Ø24mm钻头扩孔。

为保证定板孔距的尺寸精度和提高钻头钻削开始阶段的稳定性,设计了专用斜孔钻模。

为消除钻头侧尖在刚钻透工件的瞬间所产生的径向抗力,钻削时在工件下面设置一层A3材料的工艺板。

3 钻头结构的改进

钻型的选择:为提高钻头的刚性和钻孔精度,选用钻芯加厚、抛物线型切削刃槽的长刃麻花钻头,并对钻头钻尖进行机磨,以保证两锋刃角度对称,切削刃受力均匀。

钻头角度的刃磨:钻孔用Ø21mm钻头的钻尖形式如图1a所示。在钻削斜孔的开始阶段钻头处于断续切削状态,切削面积由小到大直至进入连续切削状态,该阶段加工长度为48mm。在断续切削阶段,钻头在径向抗力作用下,其棱边与钻套内壁的摩擦力较大,为减小摩擦力,将Ø21mm钻头钻尖的几何角度刃磨为群钻型。由于钻头锋角(主偏角)的改变将使径向切削力Py与轴向切削力(走刀力)Px的大小比例发生变化,即径向切削力Py将随锋角的增大而减小,因此刃磨钻头时需增大两锋角。同时,将钻尖横刃磨窄以减小轴向切削力；将圆弧刃磨低,弧底靠近钻头侧刃,使外直刃宽度变窄,降低A、B间的轴向高度,从而加高环形筋,增强钻头侧尖的定心作用,以达到提高切削稳定性的目的。这样,当钻削长度超过A、B后,钻尖附近的径向切削力与外直刃的径向分力方向相反且小于外直刃径向分力。

4 改进后的加工效果

在钻头几何角度确定后,通过切削试验选取合理的切削用量(转速n=160r/min,进给量f=0.08～0.10mm/r)。定板上的斜孔钻削完毕后,需用砂轮进行手工修磨(修磨后的孔径为Ø24～24.5mm),然后用砂布打光,使各孔的表面粗糙度基本达到Ra6.3µm。加工后,发现有个别孔的钻口处孔壁母线不直,经分析,这是因为机床导轨、机床主轴角度与钻模板相互之间找正不准引起钻头进给方向与钻模板上的钻套内孔轴线不一致所致。为解决这一问题,在每台加工机床上配备了一个找正芯轴(见图2),每钻完一个孔后,移动床头位置,将安装在机床主轴孔内的找正芯轴插入钻模板的钻套内,通过调整机床主轴位置,使芯轴可在钻套内自由转动,然后取出芯轴、装上钻头即可进行钻削加工。

经生产验证,用改进后的钻削工艺及麻花钻加工定板零件的30°斜孔时,加工效果良好,钻孔质量和加工效率显著提高,每班可钻孔30～35个。

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