自潤滑圓弧截面麻花鉆及其加工方法

□ 賈建軍 □ 李艷豪

西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 西安 710032

目前，麻花鉆的結(jié)構(gòu)尺寸與切削參數(shù)不能隨加工材料的改變而變化，所以刀具容屑槽結(jié)構(gòu)不合理時，卷屑與斷屑就會受到影響，尤其對于塑性金屬的加工，不但會對加工表面質(zhì)量造成影響，刀具切削性能降低，而且還會對加工設(shè)備和操作人員造成傷害［1-2］。

筆者通過改變切削刀具的結(jié)構(gòu)尺寸并添加自潤滑復(fù)合材料［3］，使刀具在干切削的情況下進(jìn)行自潤滑，控制切屑的卷曲半徑進(jìn)行卷屑，使?jié)櫥勰軌蚍中己蛿嘈迹⒏鶕?jù)不同加工材料，改變切削刀具鉆芯強(qiáng)度和容屑空間，這些措施將會大大提高刀具的切削性能及加工質(zhì)量［4-5］。

在干切削狀況下，摩擦與切削熱會造成刀具的快速磨損，甚至折斷刀具，為改善切削條件，大多數(shù)情況采用冷卻液，但采用冷卻液增加了成本，而且會造成環(huán)境污染。采用合理的潤滑槽技術(shù)可以有效減小切削加工過程中的摩擦，達(dá)到分屑和斷屑的目的。另外，切削中具有的自潤滑功能對提高切削效率、減小刀具磨損、改善加工表面質(zhì)量具有十分重要的實際意義［7］。

1 擴(kuò)孔鉆標(biāo)準(zhǔn)容屑槽形

麻花鉆標(biāo)準(zhǔn)截形如圖1所示，其結(jié)構(gòu)參數(shù)由直徑d、鉆芯厚度 k、橫刃斜角 40～60°、刃瓣寬 B、刃帶寬 f、副刀刃后刀面間隙直徑q、螺旋角β等組成。此標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆槽型不能針對不同的材料而進(jìn)行結(jié)構(gòu)的改變［8-9］。加工硬度高的鑄鐵材料時，前角大會造成崩刃，鉆芯小會使刀具強(qiáng)度不夠造成折斷；加工硬度低的塑性金屬時，前角和容屑空間小還會導(dǎo)致黏刀和堵屑等現(xiàn)象，并影響表面質(zhì)量，造成切削性能不理想［10］。

2 麻花鉆結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

筆者設(shè)計的自潤滑圓弧截面鉆結(jié)構(gòu)尺寸包括公稱外徑D、鉆芯直徑D1、刃帶寬f、切削圓弧半徑r1、卷屑圓弧半徑r2、齒背圓弧半徑r3、切削圓弧上的潤滑槽U。

▲圖1 標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆結(jié)構(gòu)參數(shù)

切削圓弧的大小控制切削刃的直線度和前角，其取值根據(jù)被加工材料的硬度不同進(jìn)行選取，切削圓弧根據(jù)被加工孔的大小開有一個以上的潤滑槽，不但用于干切削時添加潤滑材料，而且還能起到分屑與斷屑作用。切削圓弧與卷屑圓弧光滑相切，卷屑圓弧與齒背圓弧光滑相切；卷屑圓弧和齒背圓弧與鉆芯直徑相切，潤滑槽與齒背一次成形，既簡便了加工工藝，又增大了容屑空間。兩條容屑槽需要采用凸緣交錯的兩把銑刀加工，每把銑刀有一個以上的凸緣，兩把槽銑刀上的凸緣位置交錯設(shè)計；銑削時，將切削圓弧的兩個起點與鉆芯直徑圓弧圓心構(gòu)成的直線調(diào)整在水平位置，槽銑刀的中點與鉆芯直徑圓弧圓心構(gòu)成的直線調(diào)整到垂直位置［11］。

如圖2所示，根據(jù)公稱外徑以及被加工材料的硬度大小，選取切削圓弧半徑，硬度高的取大值，硬度小的取小值；其取值范圍為：

D≤r1＜∞

鉆芯直徑取值范圍為：

0.3 D≤D1≤0.6D

切削圓弧的圓心坐標(biāo)（x1，y1）為：

卷屑圓弧的半徑為：

卷屑圓弧的圓心坐標(biāo)（x2，y2）為：

卷屑圓弧與齒背圓弧的切點坐標(biāo)（x4，y4）為：

齒背圓弧與自潤滑圓弧截面麻花鉆公稱外徑的交點（x5，y5）為：

聯(lián)立下列方程可解出圓心坐標(biāo)（x3，y3）和齒背圓弧半徑：

鉆芯直徑的大小可以依據(jù)不同的加工材料進(jìn)行調(diào)整，切削圓弧、卷屑圓弧、齒背圓弧的兩兩相切，以及切削刃部分增加的潤滑槽，不但減小了切削摩擦力、改善散熱條件，而且提高了刀具耐用度及分屑、斷屑和容屑的需要。

圖3為自潤滑圓弧截面鉆槽銑刀的結(jié)構(gòu)圖，槽銑刀外徑為Φ，齒槽角為ψ，全齒高為H，齒數(shù)為Z，槽底圓弧為R，內(nèi)孔直徑為d1，鍵槽寬為a，鍵槽高為t。槽銑刀寬度B依據(jù)螺旋槽尺寸確定，銑刀刃形根據(jù)容屑槽螺旋角β、槽銑刀外徑以及螺旋槽結(jié)構(gòu)尺寸確定。

加工容屑槽時，將切削圓弧的兩個起點與鉆芯直徑圓弧圓心構(gòu)成的直線調(diào)整到水平位置，槽銑刀的中點與鉆芯直徑圓弧圓心構(gòu)成的直線調(diào)整到垂直位置。如圖4所示，其中，槽銑刀中心與圓弧截面鉆中心的距離是擬合槽銑刀刃形的重要參數(shù)，由于有根切現(xiàn)象，槽銑刀刃形與螺旋槽形不一致，導(dǎo)致設(shè)計槽銑刀刃形非常困難。如果要精確加工出自潤滑圓弧截面鉆容屑槽形，必須根據(jù)槽銑刀刃形與容屑槽法向截面相切接觸的條件，即它們的公法線矢量與相對運動速度矢量垂直，根據(jù)此特性可得槽銑刀與容屑槽的接觸條件方程，以此可擬合出槽銑刀刃形坐標(biāo)點，槽銑刀刃形的擬合必須依據(jù)坐標(biāo)變換的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行。

在干切削以及深孔加工時，刀具的堵屑、摩擦嚴(yán)重，為了改善切削條件，在切削刃上開出潤滑槽，以便能夠進(jìn)行分屑、斷屑和排屑，減少干切削情況下的摩擦，提高刀具的切削性能。自潤滑圓弧截面鉆潤滑槽數(shù)根據(jù)被加工孔徑大小決定，兩容屑槽中切削圓弧上的潤滑槽必須交錯排列，所以，兩個容屑槽需要兩把槽銑刀分別加工。

3 應(yīng)用實例

▲圖2 自潤滑圓弧截面鉆法面剖視圖

▲圖3 自潤滑圓弧截面鉆容屑槽銑刀

▲圖4 自潤滑圓弧截面鉆加工示意圖

▲圖5 D=25 mm的自潤滑圓弧截面鉆法剖面尺寸

▲圖6 槽銑刀刃形坐標(biāo)點

▲圖7 擬合出的槽銑刀刃形

▲圖8 加工3條潤滑槽的帶凸緣槽銑刀刃形示意圖

▲圖9 加工2條潤滑槽的帶凸緣槽銑刀刃形示意圖

設(shè)自潤滑圓弧截面鉆的公稱外徑D=25 mm，容屑槽螺旋角β=38°，鉆芯直徑D1取0.5D，刃帶寬f=2.5 mm，加工材料為45號鋼。根據(jù)自潤滑圓弧截面鉆結(jié)構(gòu)尺寸，計算3段相切圓弧的圓心坐標(biāo)點和半徑（另外3段相切圓弧與鉆芯直徑對稱）。

r1=D=25 mm

切削圓弧的圓心坐標(biāo)（x1，y1）為：

卷屑圓弧半徑為：

將r1、r2和D的數(shù)值代入式（3），求得卷屑圓弧的圓心坐標(biāo)（x2，y2）為：

同理，求得卷屑圓弧與齒背圓弧的切點坐標(biāo)（x4，y4）為：

同理，求得齒背圓弧的圓心坐標(biāo)（x3，y3）為：

同理，求得齒背圓弧與自潤滑圓弧截面鉆公稱外徑的交點（x5，y5）為：

聯(lián)立下列方程可解出圓心坐標(biāo)（x3，y3）和齒背圓弧半徑：

得：r3=10 mm

圖5為公稱外徑D=25 mm的自潤滑圓弧截面鉆法剖面刃形尺寸。

若槽銑刀外徑為100 mm，刀具軸線與銑刀軸線的距離A=50 mm，導(dǎo)程T=πD/tanβ，根據(jù)螺旋面接觸方程計算的槽銑刀刃形坐標(biāo)點見表1。

利用計算機(jī)繪制出的槽銑刀刃形坐標(biāo)點如圖6所示。應(yīng)用數(shù)值擬合方法對槽銑刀刃形坐標(biāo)點進(jìn)行擬合，如圖7所示，此即為加工D=25 mm的圓弧截面鉆的槽銑刀刃形；在第一把槽銑刀切削圓弧上做出3個R=0.2 mm的凸緣，示意圖如圖8所示，在第二把槽銑刀切削圓弧上做出2個R=0.2 mm的凸緣，示意圖如圖9所示，凸緣位置必須交錯設(shè)計。

4 結(jié)論

（1）此麻花鉆的容屑槽空間大；容屑槽、齒背與潤滑槽可一次加工成形，可根據(jù)不同被加工材料進(jìn)行鉆芯直徑、刃帶、切削圓弧的選取。

（2）切削圓弧、卷屑圓弧、齒背圓弧兩兩相切便于卷屑、排屑及減少加工應(yīng)力。

（3）比普通麻花鉆強(qiáng)度高，排屑量大，切屑易分屑與斷屑；適用于干切削和長徑比大的深孔加工。

表1 D=25 mm的自潤滑圓弧截面鉆槽銑刀刃形坐標(biāo)點/mm

（4）切削刃處開有一個以上的潤滑槽，可用于添加潤滑材料，切削時，在無冷卻液的情況下可減少摩擦及切削熱，提高了生產(chǎn)效率、減少了環(huán)境污染。

（5）應(yīng)用多項式擬合出的槽銑刀刃形精度高，方便快捷。

［1］ 宋文龍,鄧建新,張輝.加工的潤滑刀具技術(shù)研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)床,2009（1）：45-49.

［2］ 亓婷.微織構(gòu)自潤滑刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究［D］.濟(jì)南:山東大學(xué),2012.

［3］ 王常川,王日初,彭超群,等.金屬基固體自潤滑復(fù)合材料的研究進(jìn)展［J］.中國有色金屬學(xué)報,2012,22（7）：1945-1955.

［4］ P Basnyat,B Luster,C Muratore,et al.Surface Texturing for Adaptive Solid Lubrication ［J］.Surface ﹠ Coatings Technology,2008,203：73-79.

［5］ Shuting Lei,Sasikumar Devarajan,Zenghu Chang.A Study of Micropool Lubricated Cutting Tool in Machining of Mild Steel ［J］.JournalofMaterialsProcessing Technology,2009,209：1612-1620.

［6］ 劉華杰.刀具精確設(shè)計理論與實踐［M］.北京:國防工業(yè)出版社,2006.

［7］ 連云崧,鄧建新,吳澤,等.自潤滑刀具的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］.航空制造技術(shù),2011 （14）：68-73.

［8］ 康德純,E J A Armarego.通用標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆幾何形狀與參數(shù)的數(shù)學(xué)描述［J］.工具技術(shù),1998,32（8）：9-13.

［9］ 袁哲俊,劉華明.刀具設(shè)計手冊 ［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999.

［10］吳澤,鄧建新,亓婷,等.微織構(gòu)自潤滑刀具的切削性能研究［J］.工具技術(shù),2011,45（7）：18-22.

［11］賈建軍,王洪喜,陳曉東.一種自潤滑麻花鉆及其加工方法［P］.中國專利：CN1029220110A,2013-02-13.