刃磨大長徑比刀具設(shè)計(jì)及其鉆削性能實(shí)驗(yàn)分析

劉傳慧，陳曉靜，侯曉曉，朱 強(qiáng)

（1.黃河交通學(xué)院汽車工程學(xué)院，河南 焦作 454950；2.河南理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450000）

1 引言

為保證微孔零件可以滿足高溫、大應(yīng)力、高寒等苛刻工況的要求，通常選擇不銹鋼、鈦合金、耐高溫合金鋼等加工難度較大的材料［1-3］。對(duì)微孔進(jìn)行鉆削加工時(shí)，當(dāng)?shù)毒哌_(dá)到更大長徑比時(shí)，將會(huì)引起強(qiáng)度與剛度的下降，無法實(shí)現(xiàn)精確的自定心效果，較易引起入鉆階段出現(xiàn)滑移與偏斜，無法實(shí)現(xiàn)微孔的高精度加工的要求，甚至出現(xiàn)刀具的斷裂現(xiàn)象［4-5］；采用大長徑比刀具時(shí)可以形成更長排屑路徑，促進(jìn)切屑對(duì)刀具的纏繞而引起堵塞的結(jié)果，從而獲得更大鉆削力與扭矩，促使刀具更快發(fā)生磨損，導(dǎo)致孔壁發(fā)生表面質(zhì)量下降的問題［6］。

進(jìn)行鉆削處理時(shí)，鉆頭橫刃區(qū)域形成的鉆削力超過總鉆削力50%，橫刃在入鉆階段還可以發(fā)揮定心效果，從而引起鉆孔尺寸與形位的精度變化。對(duì)于以上分析結(jié)果，已有許多學(xué)者利用刃磨的方法來優(yōu)化刀具切削性能。文獻(xiàn)［7］采用鉆頭刃磨的方法來制備附加切削刃，設(shè)計(jì)得到了一種可以對(duì)特殊結(jié)構(gòu)鉆芯見鉆削的刀具，根據(jù)鉆削試驗(yàn)結(jié)果可知，相對(duì)于普通刀具，采用新型鉆削刀具可以使鉆削力減小至少20%，同時(shí)還可以進(jìn)一步增大加工孔圓度。文獻(xiàn)［8］對(duì)PCB材料進(jìn)行了通孔鉆削測試，結(jié)果顯示對(duì)橫刃進(jìn)行適當(dāng)修磨處理后能夠有效緩解刀具后刀面形成的切屑粘結(jié)程度，并有效控制磨損問題。文獻(xiàn)［9］分別對(duì)刃磨鉆削刀具與普通鉆削刀具進(jìn)行了鉆削測試對(duì)比，可以明顯看到X結(jié)構(gòu)橫刃能夠大幅提升鉆削刀具斷屑效果，顯著減少孔口的毛刺數(shù)量，顯著改善孔加工質(zhì)量。文獻(xiàn)［10］主要研究了深孔麻花鉆刃磨過程，之后對(duì)45鋼材料制作的刀具進(jìn)行了鉆削測試并分析刀具幾何結(jié)構(gòu)引起的鉆削特性變化，當(dāng)內(nèi)切削刃圓弧半徑與過心量增加時(shí)，軸向力以及扭矩都發(fā)生了減小的變化趨勢。文獻(xiàn)［11］通過實(shí)驗(yàn)分析了刃磨程度0.5mm外徑螺旋鉆尖鉆削特性的作用。

根據(jù)上述研究可知，刃磨已經(jīng)成為一種提升鉆削刀具加工精度的高效方法。降低鉆頭直徑以及增大長徑比后，引起刀具剛度與強(qiáng)度的迅速減小，從而顯著提高了刀具加工刃磨的難度，同時(shí)也抑制了刃磨的過程。這里研究了以刃磨方法加工大長徑比刀具過程，同時(shí)針對(duì)刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、刃磨形式與鉆削特性進(jìn)行了驗(yàn)證。同時(shí)為刃磨大長徑比刀具構(gòu)建了非共軸螺旋后刀面、螺旋槽、橫刃仿真模型，之后通過六軸數(shù)控工具磨床以刃磨方式制備外徑尺寸0.5mm與長徑比為10的大長徑比刀具。利用4Cr13不銹鋼開展微孔鉆削測試，再根據(jù)鉆削力、刀具磨損程度、微孔加工水平進(jìn)行刀具鉆削特性評(píng)估。

2 刃磨大長徑比刀具制備

本研究選擇牧野精機(jī)六軸數(shù)控工具磨床來實(shí)現(xiàn)刃磨大長徑比刀具的精密磨削加工。進(jìn)行刃磨大長徑比刀具刃磨加工時(shí)，涉及螺旋槽刃磨、刃磨與后刀面刃磨工序。螺旋槽刃磨與刃磨通過單斜邊砂輪的方式來完成，同時(shí)以平行砂輪進(jìn)行后刀面刃磨。本次使用的兩種砂輪都是以陶瓷結(jié)合劑制作的金剛石砂輪，其粒度都屬于2000目。刀具刃磨過程通過磨削油進(jìn)行降溫，控制砂輪磨削速度保持24m/s，粗加工和精加工方式形成的磨削深度依次為13μm與2μm，在刃磨螺旋槽階段的磨削進(jìn)給速度為10mm/s，完成刃磨之后，刀面與修磨橫刃間形成2mm/s的磨削進(jìn)給速度。刀具材質(zhì)為YG8UF硬質(zhì)合金。根據(jù)文獻(xiàn)［12］報(bào)道的刀具數(shù)控刃磨技術(shù)，構(gòu)建數(shù)控刃磨程序，由此制得外徑0.5mm與長徑比為10的十字型橫刃結(jié)構(gòu)大長徑比刀具。

刃磨大長徑比刀具幾何參數(shù)是在普通刀具的基礎(chǔ)上，通過加工成十字型橫刃方式進(jìn)行計(jì)算修行。橫刃的長度為l1，主切削刃的長度為l2，橫刃軸向前角為δ，通過空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算得到，大長徑比刀具的具體組成結(jié)構(gòu)，如圖1所示。幾何參數(shù)，如表1所示。

表1 大長徑比刀具幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Geometrical Structure Parameters of Tool with Large Aspect Ratio

圖1 大長徑比刀具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Tool Structure with Large Aspect Ratio

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)條件

為測試刃磨大長徑比刀具的實(shí)際鉆削能力，本實(shí)驗(yàn)采用DMGMORI五軸數(shù)控加工系統(tǒng)對(duì)微孔開展鉆削測試。以4Cr13不銹鋼作為測試工件材料，微細(xì)鉆削測試的各項(xiàng)參數(shù)，如表2所示。因?yàn)閷?shí)際加工得到的微孔存在較大深徑比，因此設(shè)定每步啄鉆深度為50μm的狀態(tài)進(jìn)行啄鉆加工。通過Kistler9257B壓電測力儀測定鉆削階段形成的軸向力，完成微細(xì)鉆削測試后，以三維激光顯微鏡表征刀具的磨損程度與微孔表面質(zhì)量。

表2 微細(xì)鉆削試驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Parameters of Micro-Drilling Test

3.2 鉆削力

不同微孔數(shù)量下的鉆削軸向力測試數(shù)據(jù)，如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)微孔數(shù)量增加后，以普通刀具處理時(shí)形成了更大的鉆削軸向力，采用刃磨大長徑比刀具方式則發(fā)生了鉆削軸向力的明顯減小，同時(shí)形成了更平緩的上升趨勢。

圖2 軸向力隨孔數(shù)變化Fig.2 Variation of Axial Force with the Number of Holes

對(duì)第5 個(gè)微孔進(jìn)行鉆削時(shí)，采用刃磨大長徑比刀具方式時(shí)形成了10.2N 的鉆削軸向力，以常規(guī)刀具方式形成的鉆削軸向力為14.8N。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，刃磨大長徑比刀具發(fā)生了軸向力的顯著減小。

3.3 刀具磨損

為了實(shí)現(xiàn)大長徑比刀具鉆尖磨損程度的定量表征，針對(duì)不同條件下的刀具鉆尖進(jìn)行了磨損寬度測試。刃磨大長徑比刀具以及常規(guī)刀具條件下對(duì)鉆尖達(dá)到最大磨損寬度進(jìn)行測試的結(jié)果，如表3所示?？梢悦黠@發(fā)現(xiàn)，刃磨方法能夠大幅減小大長徑比刀具橫刃與后刀面磨損寬度。刃磨大長徑比刀具結(jié)構(gòu)的橫刃發(fā)生了8.02μm的磨損寬度，后刀面形成了17.86μm的最大磨損寬度，以常規(guī)刀具處理時(shí)形成的橫刃磨損寬度為11.76μm，后刀面形成的最大磨損寬度為24.08μm。以上測試結(jié)果顯示，刃磨大長徑比刀具相對(duì)常規(guī)刀具方式橫刃與后刀面磨損寬度都出現(xiàn)了明顯降低的現(xiàn)象。經(jīng)刃磨后，大長徑比刀具形成負(fù)前角橫刃并對(duì)擠壓工件形成更小的刮削，采用正前角的內(nèi)切削刃處理時(shí)形成了更大的切削工件區(qū)域，引起鉆削軸向力的明顯減小，有效控制刀具鉆尖發(fā)生磨損的程度。

表3 鉆尖最大磨損寬度Tab.3 Maximum Wear Width of Drill Tip

3.4 微孔加工質(zhì)量

從圖3中可以看到分別以常規(guī)刀具與刃磨大長徑比刀具進(jìn)行處理形成的微孔邊緣形貌特征。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，刃磨大長徑比刀具方式形成了外形更規(guī)則的孔口。為實(shí)現(xiàn)微孔入口質(zhì)量的定量分析，定量測試了微孔圓度誤差，先通過六條直線確定微孔中心的位置參數(shù)，再從四個(gè)方向分別測試孔徑尺寸，相鄰方向間差值角度為45°，根據(jù)四個(gè)直徑測試結(jié)果的最大偏差來判斷微孔圓度精度。對(duì)微孔圓度誤差進(jìn)行測試的情況，以同樣鉆削孔數(shù)量比較可以發(fā)現(xiàn)，采用刃磨大長徑比刀具進(jìn)行鉆削時(shí)得到的微孔形成更小圓度誤差，如圖4所示。

圖3 微孔入口形貌Fig.3 Micropore Inlet Morphology

圖4 微孔圓度誤差Fig.4 Roundness Error of Micropores

刀具定心精度對(duì)微孔入口外形具有直接影響。刃磨大長徑比刀具形成了更小的鉆尖鋒角。經(jīng)過刃磨后可以獲得更小的切削刃鋒角，顯著提升刀具定心精度，并減緩了大長徑比刀具發(fā)生磨損的程度，確保微孔達(dá)到更高加工精度。

為評(píng)價(jià)微孔孔壁加工質(zhì)量，通過電火花線切割的方式切開微孔，之后通過基恩士三維激光顯微鏡表征微孔孔壁微觀結(jié)構(gòu)及其表面粗糙度參數(shù)，測試結(jié)果，如圖5、圖6所示?？梢悦黠@發(fā)現(xiàn)，刃磨處理過程可以使大長徑比刀具形成孔壁粗糙度更小的微孔。以常規(guī)刀具方式得到的微孔孔壁粗糙度均值為0.713μm，以刃磨大長徑比刀具得到的孔壁粗糙度為0.603μm。其中，刃磨大長徑比刀具方式形成了粗糙度更小的微孔是由于刃磨方式可以減小大長徑比刀具鉆削力與鉆尖磨損程度。

圖5 微孔孔壁截面形貌Fig.5 Section Morphology of Microporous Wall

圖6 微孔壁粗糙度Fig.6 Micropore Wall Roughness

4 結(jié)論

（1）當(dāng)微孔數(shù)量增加后，采用刃磨大長徑比刀具方式則發(fā)生了鉆削軸向力的明顯減小，形成了更平緩的上升趨勢。

（2）刃磨方法能夠大幅減小大長徑比刀具橫刃與后刀面磨損寬度，引起鉆削軸向力的明顯減小，有效控制刀具鉆尖發(fā)生磨損程度。

（3）刃磨大刀具方式形成了外形更規(guī)則的孔口，微孔形成更小圓度誤差，刃磨大長徑比刀具形成孔壁粗糙度更小微孔。