可轉(zhuǎn)位淺孔鉆螺旋內(nèi)冷孔的加工工藝

孟漪，姚佳維

上海工具廠有限公司

1 引言

隨著對產(chǎn)品精度以及加工效率要求的提高，傳統(tǒng)孔加工刀具高速鋼麻花鉆的市場逐步萎縮，高速高效孔加工刀具將取代傳統(tǒng)刀具。可轉(zhuǎn)位淺孔鉆(以下簡稱“淺孔鉆”)采用硬質(zhì)合金刀片切削，可加工較高硬度材料，刀片裝拆方便，排屑和冷卻潤滑性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)麻花鉆，適宜在加工中心上高速切削[1-3]。

目前，市場上能生產(chǎn)帶螺旋槽內(nèi)冷孔的淺孔鉆廠家不多，一些生產(chǎn)廠家采用預(yù)制帶螺旋內(nèi)冷孔的棒料來形成螺旋內(nèi)冷孔，此方法適用于一定批量的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品生產(chǎn)，不適用于小批量的非標(biāo)定制產(chǎn)品。本文通過研究螺旋槽內(nèi)冷孔的加工工藝，采用高頻加熱扭制成型的方法加工帶螺旋槽的淺孔鉆內(nèi)冷孔，主要用于小批量非標(biāo)定制的淺孔鉆生產(chǎn)。

2 淺孔鉆螺旋槽內(nèi)冷孔方案設(shè)計

淺孔鉆鉆削過程中的金屬切除率較大，在設(shè)計時通常會在刀桿底部的回轉(zhuǎn)中心開兩個冷卻液內(nèi)冷孔，用于滿足向切削加工區(qū)域輸送冷卻液的需求。在鉆頭高速切削時，油或切削液流過，起到冷卻刀具、沖走切屑和降低刀具切削溫度的作用[4-6]。所設(shè)計的螺旋槽內(nèi)冷孔淺孔鉆結(jié)構(gòu)見圖1，主要由刀桿、刀片與螺釘三部分組成，刀桿上的兩個內(nèi)冷孔為螺旋型式。

圖1 可轉(zhuǎn)位淺孔鉆結(jié)構(gòu)

螺旋內(nèi)冷的主要優(yōu)點(diǎn)是出水均勻，其內(nèi)冷孔的螺旋角貼合刀桿的螺旋角，能保證刀桿強(qiáng)度[7，8]，尤其在長徑比較大的刀桿上，這種內(nèi)冷孔結(jié)構(gòu)不容易破壞刀桿，可以確保淺孔鉆在加工時的出水壓力與出水效果。

如圖2所示，由于螺旋槽淺孔鉆的容屑槽采用非對稱結(jié)構(gòu)，因此兩內(nèi)冷孔的設(shè)計位置不對稱。同時，應(yīng)根據(jù)刀桿直徑規(guī)格選取合適的內(nèi)冷孔直徑，如果內(nèi)冷孔直徑太小，在扭制成型加工過程中容易引起內(nèi)冷孔變形，導(dǎo)致孔徑變小或堵塞內(nèi)冷孔，造成出水不暢；如果內(nèi)冷孔直徑太大，又會導(dǎo)致后續(xù)銑槽加工破壞刀桿，造成切削時刀桿表面漏冷卻液，使刀桿頂端出水壓力不夠，影響刀片冷卻。因此，必須根據(jù)刀桿容屑槽的截形來確定內(nèi)冷孔的加工位置與加工大小，(見圖2)。

圖2 可轉(zhuǎn)位淺孔鉆內(nèi)冷孔位置

3 淺孔鉆螺旋槽內(nèi)冷孔加工工藝

受公司高速鋼扭制麻花鉆加工工藝的啟發(fā)，以扭制工藝進(jìn)行螺旋槽內(nèi)冷孔加工。通過扭制方法，形成帶螺旋內(nèi)冷孔的淺孔鉆刀桿，其加工工藝流程為：切斷胚料—車加工—銑槽—打內(nèi)冷孔—扭轉(zhuǎn)成螺旋體—校直—車胚及割工藝頭—熱處理—銑槽及精加工—表面處理。

在整個淺孔鉆刀桿加工工藝中，扭制工藝是加工難點(diǎn)，本文主要針對扭制加工工藝進(jìn)行研究，其主要加工過程為：將已打好兩個內(nèi)冷孔(直孔)的毛坯通過高頻感應(yīng)加熱裝置加熱，瞬間達(dá)到特定溫度后將毛坯送入保溫爐保溫，保溫一定時間后將毛坯裝入扭槽機(jī)，經(jīng)過機(jī)床上預(yù)先裝好的上下扭輪進(jìn)行扭制，使刀桿在變形的同時產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，最終形成帶有一定螺旋角的內(nèi)冷孔。

在加工過程中需注意以下幾點(diǎn)：

(1)加熱溫度的控制

可轉(zhuǎn)位淺孔鉆刀桿材料一般采用40Cr或9SiCr之類的高強(qiáng)度合金鋼，刀具熱處理硬度一般不低于45HRC。由于淺孔鉆的鉆削速度較高，在鉆削時形成的扭矩與切削力比普通整體麻花鉆高許多，若刀桿抗彎強(qiáng)度不好，則容易引起刀桿變形甚至折斷。公司在制造淺孔鉆刀桿時采用40Cr材料，通常高速鋼麻花鉆在扭制時加熱溫度控制在1100℃左右，由于合金鋼和高速鋼材料熱學(xué)性能的差異性，通過多次試驗后，40Cr材料刀具的扭制溫度建議控制在700℃±25℃。

(2)扭輪與工藝槽的配合

在淺孔鉆刀桿扭制前，需在已經(jīng)車削好的刀桿上用球頭銑刀銑兩條槽(見圖3)，預(yù)先在機(jī)床的上下180°方向裝好兩個扭輪，在刀桿扭制時，上下兩個扭輪會卡入預(yù)先銑好的兩條工藝槽中，通過機(jī)床旋轉(zhuǎn)帶動刀桿扭制(見圖4)。

圖3 刀桿粗坯

圖4 淺孔鉆刀桿與扭輪的安裝配合

工藝槽的銑削深度需考慮與上下扭輪的配合，由于刀桿要預(yù)先加熱再扭制，加熱后刀桿會產(chǎn)生熱膨脹，如果工藝槽銑得太淺，容易導(dǎo)致扭制時扭輪與刀桿卡死，這樣會引起刀桿螺旋角變化，甚至引起刀桿整體彎曲變形，導(dǎo)致內(nèi)冷孔被壓壞或受壓變形，使螺旋內(nèi)冷孔堵塞，從而影響刀桿成品的出水壓力，甚至不會出水；如果兩條工藝槽銑得太深，會影響后續(xù)的精加工。

螺旋槽可轉(zhuǎn)位淺孔鉆具有特殊結(jié)構(gòu)，其兩條容屑槽部分采用螺旋型式，但刀片槽附近的溝槽均采用直槽形式(見圖1)，兩條工藝槽的銑制工藝主要用于扭制螺旋內(nèi)冷孔。扭制后，內(nèi)冷孔變成需要的螺旋型式，而兩條直槽也變形成螺旋型式，考慮到后續(xù)熱處理后對刀桿成品的精加工，工藝槽銑制太深會導(dǎo)致前端刀片槽的直槽部分精加工銑削余量不夠，無法把已扭制成螺旋型式的刀片槽通過銑削加工成直槽型式，從而破壞刀桿的成品質(zhì)量。因此，工藝槽銑削深度的合理選擇是保證螺旋內(nèi)冷孔扭制成功的關(guān)鍵，工藝槽的深度直接影響刀桿的扭制與成品精加工的質(zhì)量。

4 螺旋槽內(nèi)冷淺孔鉆試驗

采用規(guī)格為φ25的刀桿進(jìn)行切削試驗，內(nèi)冷孔為螺旋型，內(nèi)冷孔直徑為2.5mm，刀片型號SPMT07T308。機(jī)床選用主軸帶內(nèi)冷的DMG加工中心，具體試驗方案見表1。

表1 試驗方案

4.1 方案一分析

方案一：主軸轉(zhuǎn)速為1600r/min，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量為0.14mm/z。切削過程中機(jī)床較為平穩(wěn)，刀桿出水順暢，且有輕微尖叫聲，出屑情況良好，無鐵屑纏繞在刀桿上，且鐵屑為碎屑狀。被加工孔表面粗糙度良好，且被加工孔的底部中心無明顯凸出的桿狀物。連續(xù)切削5個孔后進(jìn)行測量，被加工孔的孔徑控制在24.99～25.02mm之間。加工鐵屑與被加工孔見圖5和圖6。

圖5 被加工鐵屑

圖6 被加工件

4.2 方案二分析

方案二：主軸轉(zhuǎn)速為2000r/min，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量為0.12mm/z。切削過程中機(jī)床較為平穩(wěn)，切削時有輕微尖叫聲，出屑情況良好，無鐵屑纏繞在刀桿上，且鐵屑為碎屑狀。被加工孔表面粗糙度良好且底部中心無明顯凸出的桿狀物，連續(xù)切削5個孔后進(jìn)行測量，被加工孔的孔徑控制在24.99～25.02mm之間。加工鐵屑與被加工孔見圖7和圖8。

圖7 被加工鐵屑

圖8 被加工件

5 結(jié)語

根據(jù)上述分析，針對小批量非標(biāo)定制的帶螺旋內(nèi)冷孔可轉(zhuǎn)位淺孔鉆刀桿的螺旋內(nèi)冷孔采用高頻加熱扭制加工方法是可行的。但在扭制工藝加工中需注意：為了保證螺旋內(nèi)冷孔的加工質(zhì)量，且扭制工藝不破壞后續(xù)刀桿成品精加工，需控制好扭制工藝的加熱溫度，同時根據(jù)不同刀桿規(guī)格，合理選取內(nèi)冷孔的大小與位置以及工藝槽的銑削深度。