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用高效单刃深孔钻提高深孔加工效率

2012年09月21日 21:37中国机床商务网点击:5569

  长期以来,单刃深孔钻(枪钻)由于刚性较低和刃磨缺陷,使其加工效率受到限制。创新的高效单刃深孔钻可使加工效率明显提高。
  
  当孔的深度为孔径的许多倍时,需要采用深孔钻削方法进行加工。70多年来,单刃深孔钻(枪钻)是加工孔径小于40mm深孔的常用刀具。但在实际应用中,单刃深孔钻的加工效率较低,从而导致整体硬质合金深孔麻花钻得到了快速发展。整体硬质合金深孔麻花钻的开发是刀具制造精度提高和槽型、导棱设计改进的结果。可是,这种深孔麻花钻只能加工深度/直径比相对较小的孔,对于更深的孔,还是要用单刃深孔钻加工。与整体硬质合金单刃深孔钻相比,两刃对称的麻花钻可采用高得多的进给速度,因此有很多这种刀具上市,但其缺点是孔的质量较差,只能用于加工要求不高的使用场合。
  
  与此相反,通过对比试验可以看到,单刃深孔钻的优点是钻孔质量较高,缺点是能够达到的进给速度较小。在加工调质钢时,如果提高进给量,则刀具磨损增大,并产生不良的切屑形状。因此,加工效率低、刀具寿命短是普通单刃深孔钻的劣势。
  
  轻微的刃口倒圆可延长刀具寿命
  
  正是由于上述原因,促使人们产生了开发一种高效单刃深孔钻的想法。在保留单刃深孔钻钻孔质量高的前提下,通过对刀具进行优化,提高其加工效率,而又不降低刀具寿命。为此,对过去在单刃深孔钻优化方面所做的大量研究工作进行了回顾。例如,对于不锈钢的加工,不仅要特别重视刀具的设计,而且还要对不同涂层材料和涂层结构的使用性能进行研究,证实与普通的部分涂层相比,整体涂层的刀具磨损更小。还有的研究工作指出,在大多数情况下,与使用锋利刃口的单刃深孔钻相比,对刃口进行轻微倒圆能提高刀具寿命。在本文介绍的应用HP-单刃深孔钻的研究项目中,引入了上述优化成果,并对刀具结构和基体材料进一步进行了改进。研究所用的刀具由Botek精密孔加工技术公司制造,型号为Typ113-HP。在多特蒙德大学切削加工研究所对该创新刀具的使用性能进行了试验。
  
  试验使用普通的未涂层整体硬质合金单刃深孔钻加工低硫调质钢作为比较基准,来评价HP-单刃深孔钻的性能。通过切削试验,普通的整体硬质合金单刃深孔钻的刀具磨损状况和切屑形状表明,在进给量f=0.02mm的条件下,钻削长度达到30m时刀具出现轻微磨损,由于刀具承受的切削热和切削力负荷小,因此仅有轻微的月牙洼磨损和后刀面磨损,所产生的切屑是斜螺旋卷切屑,容易从孔中排出。
  
  通过提高进给量,在钻削长度达到lf=9m后,刀具外圆处的刀尖已显示出较剧烈的磨损,使试验不得不因此中断。此外,提高进给量对切屑形状也有影响。在斜螺旋卷切屑上还有一段带状切屑,而扁平的带状切屑段会夹在刀具与工件之间,引起刀具破损。
  
  从工业上的实际使用效果来看,普通的单刃深孔钻可以可靠地应用于深孔加工。但要提高加工效率,则要受到一定条件的限制,尤其是如果提高进给量,则刀具会过快磨损。因此,研究HP-单刃深孔钻的第一步,是要弄清楚从切削原理上,用HP-单刃深孔钻是否可以实现进给量的提高。当HP-单刃深孔钻的进给量变化时,可以看出,测量值随着进给量的提高而增大,几乎是呈线性关系。当进给量f=0.34mm时,进给力Ff=950N,扭矩Mb=4.3Nm;在f=0.36mm时,刀具由于扭转载荷过大而发生破损。
  
  除了切削力载荷,切屑形状对于深孔钻削过程具有重要意义。使用HP-单刃深孔钻,在进给量f=0.04mm时,形成了合适长度的斜螺旋切屑,没有出现不利的带状切屑段。当进给量提高到f=0.1mm时,出现了单个切屑卷,这同样是适合从孔内顺畅排出的切屑类型和形状。将进给量进一步提高到f=0.2mm时,显然产生了大量热载荷,切屑颜色出现了明显变化,形状也变得不规则。当把进给量进一步提高到f=0.3mm时,这种现象变得更为突出,切屑不仅卷曲得特别紧密,而且出现了扁平切屑,可以看出,这种切屑很厚。
  
  根据上述机械载荷和切屑形状的试验结果,在用HP-单刃深孔钻和麻花深孔钻进行刀具寿命试验研究时,采用的进给量为f=0.2mm。机械载荷的大小可用于判断刀具磨损状况,随着磨损值的增大,进给力和扭矩的测量值也随之增大。
  
  按预定刀具寿命,进给量可提高10倍
  
  测量结果显示,在30m的钻削长度内,无论是麻花深孔钻,还是单刃深孔钻,其进给力Ff都没有明显提高。这一结果对于HP-单刃深孔钻尤其值得注意。因为普通的单刃深孔钻在进给量f=0.02mm时,也可达到30m的钻削长度,提高进给量,则会导致普通单刃深孔钻磨损加快,以至于在达到预定寿命指标前不得不终止试验(只达到了9m的孔深)。然而,HP-单刃深孔钻在此采用了高出10倍的进给量,即f=0.2mm,仍然达到了预定的寿命指标。而且,扫描电镜分析证明,刀具仍然处于正常磨损状态,仍可继续使用。
  
  麻花深孔钻与单刃深孔钻之间刀具结构的差异,可从进给力的测量值中得到解释。麻花深孔钻的进给力平均值Ff≈811N,而HP-单刃深孔钻的平均进给力Ff≈685N。这是因为,麻花深孔钻对称的两主切削刃中间有一条横刃,由于在横刃区域切削速度低,产生了摩擦和挤压,导致进给力升高。HP-单刃深孔钻没有横刃,所以进给力相对较小。
  
  钻孔扭矩值数据表明,两种刀具的磨损都较小,均未出现扭矩明显升高的情况。但两组数据却反映出刀具结构上的差异。由于麻花深孔钻为正前角,所以扭矩较小,平均扭矩值Mb≈1.9Nm。而HP-单刃深孔钻为单刃结构,前角γ=0°,因此导致明显较高的扭矩Mb≈3.0Nm。
  
  除了刀具磨损外,孔的质量也是描述深孔钻削性能的重要指标。
  
  在同样的进给量条件下,HP-单刃深孔钻的圆度偏差比普通单刃深孔钻更小。这可能是刀具涂层所起的作用,使刀具加工出了稳定的圆孔。在可比较的进给量条件下,使用麻花深孔钻加工出的孔圆度相对较差。但所有测量值均处于较好水平。
  
  对于孔的偏心误差,测量值显示了刀具结构和进给量的影响。对于不同的单刃深孔钻,其测量值处于可比较的水平。由此说明,刀具刃磨的改进对孔的偏心误差没有产生不利影响。此外,对单刃深孔钻来说,提高进给量还是增大了孔的偏心误差。随着进给量的提高,进给力和扭矩值增大,从而导致径向分力增大,使刀具产生偏移,增大了孔的偏心误差。对于两种不同的单刃深孔钻,偏心误差沿孔的长度分散性较小。
  
  值得注意的是,HP-单刃深孔钻的偏心误差处于相对较高的水平。为了减少偏心误差,对刀具和加工工艺进行了改进。对改进后的刀具进行试验,结果显示,偏心误差有所减小。此外,还减小了钻孔进给量。在这样的进给量下测得的偏心误差表明,通过对刀具和加工工艺进行改进,使偏心误差明显减小。应用HP-单刃深孔钻时,对于较高的进给量,也有可能使偏心误差获得类似程度的减小,这正是HP-单刃深孔钻的特点。
  
  结论
  
  对HP-单刃深孔钻的研究结果显示,与普通的单刃深孔钻和麻花深孔钻比较,HP-单刃深孔钻具有很大的潜力。相对于普通的单刃深孔钻,在刀具寿命相当的条件下,它能明显提高生产率。在相同的使用条件下,HP-单刃深孔钻与普通单刃深孔钻加工的孔质量相当。
  
  试验结果显示,与麻花深孔钻相比,HP-单刃深孔钻在生产率、刀具寿命和孔的质量方面处于大致相当的水平。通过对刀具结构和加工工艺的改进,孔的偏心误差能达到很不错的水平。总之,在刀具的结构设计、涂层和切削刃口倒圆方面的改进证明是卓有成效的,因此能够实现单刃深孔钻的高效加工。
(来源:工具展望)

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