麻花鉆幾何參數(shù)對(duì)不銹鋼鉆削性能影響的研究*

高興軍，鄒 平，閆鵬飛，李 萍

(1.東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，沈陽(yáng) 110004;2.遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

0 引言

隨著航空、航天、石油、化工、冶金、食品、環(huán)保、汽車等工業(yè)的蓬勃發(fā)展，不銹鋼材料已得到廣泛地應(yīng)用，生產(chǎn)實(shí)踐中，鉆削是十分常見(jiàn)的不銹鋼加工方法［1］。不銹鋼屬于難加工材料，其特殊的材料性能使其加工效率比較低下，加工成本較大。因此研究不銹鋼的鉆削性能，提高不銹鋼鉆削加工效率具有重要的意義，同時(shí)也為其它難加工材料的研究提供借鑒。隨著高速加工技術(shù)的發(fā)展，切削加工效率不斷提高，對(duì)麻花鉆的性能，特別是鉆削穩(wěn)定性和可靠性，提出了更高的要求。除鉆頭材料性質(zhì)外，鉆頭結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)尺寸是影響麻花鉆性能的關(guān)鍵因素［2］。目前，關(guān)于鉆頭研究主要集中于鉆頭制造工藝、鉆削過(guò)程控制、鉆削磨損機(jī)理等方面［3-4］，而對(duì)于鉆頭幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)與鉆削性能關(guān)系的研究則較少。本文采用ProE和Deform-3D軟件分析了影響麻花鉆鉆削性能關(guān)鍵的幾何參數(shù)，主要研究麻花鉆橫刃和頂角2φ對(duì)不銹鋼鉆削過(guò)程中切削力、扭矩、刀具磨損的影響。

1 橫刃對(duì)鉆削性能的影響

研究橫刃主要是研究橫刃長(zhǎng)短和橫刃形狀對(duì)鉆削性能的影響。鉆削中的軸向力大約有50%是由橫刃處產(chǎn)生的［5］，為減少橫刃引起軸向力增大這個(gè)不良的影響，對(duì)加工不銹鋼用鉆頭，其橫刃應(yīng)該經(jīng)過(guò)修磨。

1.1 縮短橫刃長(zhǎng)度

將橫刃的長(zhǎng)度縮短，用Pro/E的麻花鉆模型，如圖1所示。將其導(dǎo)入到Deform-3D軟件，進(jìn)行有限元分析，切削參數(shù)選擇 d=6mm，n=500rpm，f=0.06mm/rev，得到軸向力和扭矩曲線圖，其中縱坐標(biāo)分別為軸向力(Z Load)和扭矩(Torque)，單位是N和N·mm;橫坐標(biāo)是位移(Stroke)，單位是mm，如圖2和圖3所示。

將得到縮短橫刃與標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆的軸向力數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，縮短橫刃的軸向力明顯小于標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆的軸向力。因此，可以采用在橫刃兩端開(kāi)切屑槽的方法，將橫刃縮短，以減小鉆削過(guò)程的軸向力。

1.2 “S”形橫刃

普通麻花鉆橫刃長(zhǎng)、負(fù)前角很大、定心不好，基于此人們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型鉆尖即螺旋面鉆尖［6-7］，其橫刃為“S”形，利用ProE建立的螺旋面鉆尖并導(dǎo)入到Deform-3D軟件，以此研究橫刃為“S”刃的螺旋面麻花鉆切削力、扭矩以及后刀面的磨損情況，選擇鉆削用量d=6mm，n=500rpm，f=0.06mm/rev，經(jīng)過(guò)仿真得到軸向力、扭矩的曲線圖，如圖4和圖5所示。

將所得到的軸向力、扭矩?cái)?shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆進(jìn)行對(duì)比，如表1所示，可知軸向力和扭矩都減小。通過(guò)螺旋面鉆尖后刀面磨損深度等值線圖可以看到鉆頭的磨損情況，如圖6所示，將螺旋面鉆尖后刀面磨損深度與普通麻花的磨損深度進(jìn)行對(duì)比，如圖7，由圖可知，螺旋面麻花鉆鉆尖磨損深度明顯減小。

表1 軸向力與扭矩對(duì)比

2 頂角對(duì)不銹鋼鉆削性能的影響

頂角2φ影響到主切削刃的長(zhǎng)度、單位刃長(zhǎng)的切削負(fù)荷、切削層中切削寬度與切削厚度的比例、切削力中軸向力與扭矩的比例、切屑形成與排屑情況。由此可見(jiàn)，頂角是一個(gè)十分重要而且變化范圍很大的角度。通常情況，一般選用鉆尖頂角2φ=118°的鉆頭，但實(shí)際加工時(shí)，需根據(jù)工件材料、排屑情況及工件的幾何形狀來(lái)正確選擇［8］?；?Pro/E 分別建立頂角2φ 為118°、128°及138°麻花鉆，將不同頂角的麻花鉆三維模型導(dǎo)入Deform-3D軟件進(jìn)行有限元分析，選擇鉆削參數(shù)為d=6mm，n=500rpm，f=0.06mm/rev，頂角2φ為128°和138°麻花鉆軸向力和扭矩曲線圖如圖8、9、10和11所示。

將頂角2φ為118°、128°及138°的麻花鉆軸向力和扭矩的仿真，數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如表2所示。由表可知，隨著頂角的增加，軸向力增加，而扭矩減小。從剛性角度來(lái)考慮，普通標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆頂角2φ=118°時(shí)，扭矩大，鉆頭比較容易折斷。尤其是對(duì)于小直徑鉆頭來(lái)說(shuō)，減小扭矩要比減小軸向力更有重要的作用。

表2 不同頂角的軸向力與扭矩對(duì)比

不銹鋼材料的塑性大、韌性高，切屑不易折斷，常纏繞在鉆頭上，排屑、斷屑是不銹鋼鉆削的主要問(wèn)題之一。鉆削加工中，隨著頂角的增大，切削厚度增大，切削過(guò)程中的帶狀切屑有向節(jié)狀切屑過(guò)度的趨勢(shì)，有利于減少纏卷現(xiàn)象。而切屑沿著鉆頭的中心方向排出，切屑的流向與切削刃呈90°，切削的流向vc在鉆頭中心線方向的分速度vn=vcsinφ，隨著半頂角φ的增大，vn增大。當(dāng)2φ=118°時(shí)，分速度vn小，切屑相對(duì)來(lái)說(shuō)容易阻塞;當(dāng)2φ=138°時(shí)，vn更大，切屑更容易沿著螺旋槽方向滑移，并迅速排出空外［9］，因此選擇較大的鉆尖頂角比較有利。在鉆削不銹鋼時(shí)，可以適當(dāng)增大頂角，以提高鉆頭的壽命和強(qiáng)度。

圖11 頂角138°的扭矩位移曲線圖

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)改變普通麻花鉆的橫刃和頂角，得到麻花鉆的幾何參數(shù)對(duì)不銹鋼鉆削性能的影響關(guān)系。研究表明，當(dāng)縮短橫刃時(shí)其軸向力明顯小于標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆的軸向力;在采用“S”形螺旋面鉆尖時(shí)其軸向力和扭矩都將減小，且螺旋面麻花鉆鉆尖磨損深度明顯減小;在鉆削不銹鋼時(shí)，隨著頂角的增加，軸向力增加，扭矩減小，而切屑也更容易沿著螺旋槽方向滑移并迅速排出空外，在鉆削過(guò)程中就能夠可以適當(dāng)增大頂角，以提高鉆頭的壽命和強(qiáng)度。

［1］周雪峰，方峰，蔣建清.基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的麻花鉆幾何參數(shù)優(yōu)化研究［J］. 工具技術(shù)，2008，42(11):29-31.

［2］王西彬，雷紅.麻花鉆磨損特性的研究［J］.工具技術(shù)，1999，33(8):11-14.

［3］熊良山，師漢民，陳永潔.鉆頭與鉆削研究的歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］. 工具技術(shù)，2005，39(8):11-14.

［4］Chyan H C，Ehmann K F.Curved helical drill-points for microhole drilling.Proc.Instn.Mech.Engrs.Part B:Journal of Engi-neering Manufacture，2002(216):61-75.

［5］蔡運(yùn)飛.圖解普通麻花鉆與倪志福鉆頭［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［6］呂彥明，陳五一.復(fù)雜螺旋面鉆尖刃磨原理及實(shí)現(xiàn)［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2000，11(3):292-294.

［7］陳友東，江洪道.一種新型螺旋面鉆尖數(shù)學(xué)模型［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2000，17(8):25-28.

［8］張朋.麻花鉆頭幾何角度的選用及對(duì)切削的影響［J］.機(jī)械工程師，2007(12):147-147.

［9］馬國(guó)亮，曹秋霞.麻花鉆尖頂角對(duì)鉆削加工的影響［J］.河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2002，10(2):39-40.