鉆頭幾何形狀參數(shù)對(duì)切削性能的影響

張 晉, 彭 彥 平, 孫 秋 花, 張 偉

(大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院, 遼寧 大連 116034)

0 引 言

刀具幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)一般要考慮如下諸多因素:工件材料、刀具材料及刀具基本類型、加工條件、刀具鋒利性與強(qiáng)度的關(guān)系等[1]。切削性能的優(yōu)良與否通常通過以下各項(xiàng)指標(biāo)來綜合評(píng)價(jià):切削扭矩及軸向力、切屑的排出狀態(tài),孔的加工精度、表面粗糙度,鉆頭的壽命及加工效率等[2]。

根據(jù)不同的被加工材料的性質(zhì)選擇或設(shè)計(jì)不同幾何形狀參數(shù)的鉆頭,以提高鉆頭的切削性能和壽命,提高孔加工的質(zhì)量是刀具設(shè)計(jì)與使用的重要課題。以45號(hào)鋼為被加工材料,用自行設(shè)計(jì)的6根鉆頭進(jìn)行孔加工實(shí)驗(yàn),并對(duì)鉆頭的切削性能與鉆頭幾何形狀參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了初步探討,確定了一組較為理想的針對(duì)45號(hào)鋼的鉆頭幾何形狀特征參數(shù)。研究結(jié)果表明本實(shí)驗(yàn)及分析方法是可行的,對(duì)鉆頭幾何形狀參數(shù)的優(yōu)化和鉆頭的綜合切削性能的提高有一定的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)條件

1.1 實(shí)驗(yàn)用鉆頭及其幾何參數(shù)

實(shí)驗(yàn)用鉆頭代號(hào)分別為A1、A2、A3,B1、B2、B3。鉆頭直徑均為8 mm,全長(zhǎng)96 mm,溝長(zhǎng)56 mm,工具材質(zhì)相當(dāng)于硬質(zhì)合金使用分類的P-30,表面鍍膜為鈦鋁合金。如圖1所示,所有鉆頭都修磨了橫刃,各鉆頭的切削刃形狀都不相同。

圖1 實(shí)驗(yàn)用鉆頭

A3、B3鉆頭后刀面為平面,其他4個(gè)鉆頭的后刀面為圓錐面。A的3根鉆頭的內(nèi)刃和主切削刃呈直線狀,B的3根鉆頭呈曲線狀。測(cè)得的各鉆頭幾何參數(shù)如表1所示。

表1 鉆頭的幾何參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置和加工條件

加工中心,MAKINO五軸聯(lián)動(dòng)加工中心MC1010-5XA；切削力測(cè)定,壓電式動(dòng)力計(jì)；被削材料,45號(hào)鋼。加工條件如表2所示。

表2 鉆頭加工參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

2.1 軸向力和扭矩

對(duì)圖2、3分析可以得到如下結(jié)論:

(1)A2與A1相比扭矩和切削力都較小,其原因是A2內(nèi)刃的前角小且內(nèi)刃短。

圖2 切削力的對(duì)比

圖3 扭矩的對(duì)比

(2)A2的后刀面是錐面,A3的后刀面是平面,鉆孔時(shí)A3的冷卻液流量較大,所以A3冷卻和潤(rùn)滑的效果較好,扭矩也較小。但由于A3鉆頭主切削刃的對(duì)稱性不良,鉆頭導(dǎo)向性不好,鉆頭中心軸和回轉(zhuǎn)主軸的中心產(chǎn)生偏心,這會(huì)使A3的扭矩增大,因此A2和A3的扭矩幾乎相同。

(3)A1的后刀面為圓錐面,A3的后刀面為平面,鉆孔時(shí)A3的冷卻液流量較大,所以A3冷卻和潤(rùn)滑的效果較好,扭矩也較小。又由于A3的內(nèi)刃前角及內(nèi)刃的長(zhǎng)度較A1小,所以其切削力也小于A1。

(4)A1和B1的后刀面同為圓錐面,但由于A1的前角較大,B1的前角較小,因此A1的扭矩較小,B1的切削力較小。

(5)B2的內(nèi)刃和外刃是由圓弧連接,故切削具有穩(wěn)定性,又B2的內(nèi)刃短,切削力小,所以在相同的切削條件下,B1、B2的切屑形狀不同。

(6)B2和B3切削力幾乎相等,但B3的扭矩稍大。這是因?yàn)锽3鉆頭主切削刃的對(duì)稱性不良,導(dǎo)致鉆頭導(dǎo)向性不好,使鉆頭中心軸和回轉(zhuǎn)主軸的中心產(chǎn)生偏心,扭矩也就變?cè)龃罅恕?/p>

(7)B3的扭矩和切削力都小于B1。因?yàn)锽3的后刀面為平面,鉆孔時(shí)冷卻液流量較大,所以冷卻和潤(rùn)滑的效果較好。又因?yàn)锽3鉆頭主切削刃的對(duì)稱性較好,故其導(dǎo)向性較好,鉆頭的中心軸和回轉(zhuǎn)主軸中心產(chǎn)生偏心的偏心距較小,因此B3的扭矩相對(duì)較小了。B3和B1相比內(nèi)刃前角較小,內(nèi)刃的長(zhǎng)度也較小,所以軸向力也較小。

(8)進(jìn)給量為0.10 mm/r時(shí)A2、A3、B2、B3各個(gè)鉆頭的切削力的值大致相同。但當(dāng)進(jìn)給量增大為0.15 mm/r時(shí),可以看出切削力發(fā)生了明顯變化。因此通過增加進(jìn)給量比較切削力的變化來評(píng)價(jià)相同切削力的一組鉆頭時(shí),可以得出這樣的結(jié)論:增加進(jìn)給量切削力變化小的鉆頭具有良好的切削性能。

(9)對(duì)于扭矩,在進(jìn)給量為0.10 mm/r的條件下觀察各個(gè)轉(zhuǎn)速的實(shí)驗(yàn)結(jié)果:除B1外各個(gè)鉆頭都是在轉(zhuǎn)速4 500 r/min時(shí)扭矩最大,其次為轉(zhuǎn)速3 000 r/min,轉(zhuǎn)速6 000 r/min時(shí)扭矩最小。轉(zhuǎn)速6 000 r/min扭矩值變低是高速切削時(shí)切屑溫度上升使材料軟化所造成的。

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可知,在該實(shí)驗(yàn)的各種加工條件下,A2的扭矩和切削力較其他鉆頭穩(wěn)定,是本次實(shí)驗(yàn)的鉆頭中性能最良好的。

2.2 孔的精度的測(cè)定和比較

引起加工孔直徑擴(kuò)大的因素有很多,如鉆頭直徑的誤差、鉆頭主切削刃的對(duì)稱性、鉆頭的彎曲度、鉆床夾頭的偏心等。6個(gè)鉆頭的前端部直徑分別為DA1=8.002 mm,DA2=8.000 mm,DA3=8.002 mm,DB1=8.002 mm,DB2=8.002 mm,DB3=7.999 mm,直徑最大差值為0.003 mm。由此可以看出,只考慮直徑差值,被加工孔的直徑差值并不是特別的大。并且,從測(cè)定鉆頭的精度的結(jié)果來看,6個(gè)鉆頭的彎曲度較小,對(duì)孔擴(kuò)大的影響基本可以忽略。

圖4表示6個(gè)鉆頭加工孔的入口側(cè)的測(cè)量結(jié)果。圖4中沒有考慮轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量,只表示了用各鉆頭加工孔的擴(kuò)大情況。從圖4可以看出,用A3和B3加工孔的直徑擴(kuò)大比較顯著,這是鉆尖幾何形狀參數(shù)所造成的[3-4]。也就是A3和B3的后刀面為平面,磨削參數(shù)的誤差對(duì)加工精度的影響較大。再?gòu)你@頭幾何精度的測(cè)量結(jié)果來看,A3和B3鉆頭主切削刃并不對(duì)稱,這是引起直徑擴(kuò)大的主要原因。其他4個(gè)鉆頭加工孔的直徑的擴(kuò)大范圍全都在0.05 mm以內(nèi),可適用于較高精度的孔的加工。

圖4 孔徑的對(duì)比

圖5 不同加工條件下孔內(nèi)壁粗糙度的對(duì)比

如圖5所示,在各種加工條件下,用A3和B3加工孔的內(nèi)壁的粗糙度比較大,這和孔徑的擴(kuò)大為同一原因。觀察各個(gè)鉆頭加工孔的粗糙度可以看出,相同的轉(zhuǎn)速下進(jìn)給量越小其內(nèi)壁的精度越高,相同的進(jìn)給量下轉(zhuǎn)速越高孔的精度則越高。

3 結(jié) 論

對(duì)鉆頭橫刃部分進(jìn)行修磨,通過增大內(nèi)刃的前角和縮短橫刃長(zhǎng)度可以大幅降低切削扭矩的軸向分力;在加大進(jìn)給量時(shí),切削刃越鋒利切削抵抗增加的比例越少;鉆頭鉆尖主切削刃的對(duì)稱度對(duì)孔徑的擴(kuò)大、孔的粗糙度及扭矩影響很大;鉆頭的后刀面的形狀及位置精度對(duì)冷卻潤(rùn)滑效果和切削刃的對(duì)稱性影響較大;切屑的形狀隨著鉆頭切削刃的形狀以及切削加工條件的變化而變化,通過實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虼_定最佳切削條件。

通過孔周圍材料金相組織的變化、鉆頭磨損等情況,評(píng)價(jià)了鉆削溫度和鉆頭的壽命。綜合實(shí)驗(yàn)和分析結(jié)果知,A2是綜合性能最好的鉆頭,它能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)數(shù)為4 500 r/min,進(jìn)給量為0.15 mm/r條件下的加工。

本研究證明在刀具設(shè)計(jì)或選用時(shí)可以采用本方法,針對(duì)不同材料的性質(zhì),設(shè)計(jì)或選擇不同幾何形狀參數(shù)的鉆頭,以提高鉆頭壽命,提高加工效率和加工精度。

[1] 張維紀(jì). 金屬切削原理及刀具[M]. 杭州:浙江大學(xué)出版社, 2005:67.

[2] 倪志福,陳璧光. 群鉆[M]. 上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 1999:114-115.

[3] 張占陽. 硬質(zhì)合金高效鉆尖的實(shí)驗(yàn)研究 [D] . 大連:大連工業(yè)大學(xué), 2006.

[4] WANG J, ZHANG Q. A study of high-performance plane rake faced twist drills. Part I: Geometrical analysis and experiment investigation[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2008, 48(11):1276-1285.