汲 宏 劍, 張 偉, 宋 寶 良, 李 鑄 宇

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院, 遼寧 大連 116034; 2.道依茨一汽(大連)柴油機有限公司, 遼寧 大連 116620; 3.大連交通大學(xué) 機械工程學(xué)院, 遼寧 大連 116028 )

0 引 言

在機械行業(yè)中,鉆孔加工約占切削加工總時間的22%,在機械制造領(lǐng)域中有著重要的地位。孔加工中用的最多的就是麻花鉆,而麻花鉆螺旋槽是影響鉆削性能的重要參數(shù),并影響麻花鉆的容屑、排屑能力。在實際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)用各種槽型的刀具加工同樣的材料,應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)牟坌鸵蕴岣咝屎徒档统杀尽?/p>

在麻花鉆螺旋槽研究上多見槽型成型原理[1]和不同材質(zhì)的單種槽型麻花鉆對某一種材料的切削實驗[2],還有通過不同的后刀面和橫刃形式進(jìn)行切削實驗[3]。本實驗對目前廣泛應(yīng)用的槽型分類并在相同后刀面不同螺旋槽參數(shù)下進(jìn)行切削對比,把整體硬質(zhì)合金麻花鉆槽型分為3種并在槽型成型原理的基礎(chǔ)上對這3種槽型進(jìn)行力學(xué)性能實驗,得到不同槽型加工不同材料的最小軸向力和扭矩。

1 麻花鉆螺旋槽數(shù)學(xué)模型及其分類和后刀面的獲得

1.1 麻花鉆螺旋槽數(shù)學(xué)模型

引用大連工業(yè)大學(xué)刀具研究所建立的螺旋槽數(shù)學(xué)模型[1]作為本槽型的理論基礎(chǔ)。取固定坐標(biāo)系{o:x,y,z},其中z軸與鉆頭幾何軸線重合,原點o設(shè)在鉆頭軸線上一點,x鉛垂向上；動坐標(biāo)系{a:x1,y1,z1}與砂輪固結(jié),z1是砂輪的軸心線,運動過程中x1垂直z,z1與z保持軸間距A不變；β是z軸和z1軸的夾角,即砂輪的安裝角；P為螺旋參數(shù),導(dǎo)程除以2π；T1為砂輪前棱邊的z1值,即偏心距;T2為砂輪后棱邊的z1值。在初始位置時x1通過原點。在動坐標(biāo)系中原點a到砂輪前棱邊的距離T1確定砂輪的安裝位置,如圖1所示。

建立數(shù)學(xué)模型:

x=X(θ,t)cos[z0-Z(θ,t)]/P-

Y(θ,t)sin[z0-Z(θ,t)]/P

y=X(θ,t)sin[z0-Z(θ,t)]/P+

Y(θ,t)cos[z0-Z(θ,t)]/P

1.2 麻花鉆螺旋槽分類及其獲得

在查看大量螺旋槽相關(guān)論文及各大知名刀具制造商的樣本后,把螺旋槽型總結(jié)為3種,分別為直線型、凹型、凸型(如圖2所示)。以槽型數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)編寫程序,把程序輸入到瓦爾特5軸數(shù)控磨床中,通過輸入基本參數(shù)(如表1所示)磨削出3種不同的槽型。

圖2 3種螺旋槽型

槽型直徑/mm芯厚/mm安裝角/(°)中心距/mm螺旋角/(°)偏心距/mm直線型82.160363029.0凹型82.160213038.2凸型82.160553015.6

1.3 后刀面的獲得

3種槽型通過美國PTG-6五軸數(shù)控磨床在如表2所示參數(shù)下修磨雙平面后刀面,可以得到的3種鉆尖(如圖3所示)。

表2 麻花鉆幾何參數(shù)

圖3 3種鉆尖形式

2 對比試驗及結(jié)果

為驗證3種槽型麻花鉆的力學(xué)性能,3種螺旋槽在1 500 mm/min 0.15 mm/r、1 500 mm/min 0.2 mm/r、2 500 mm/min 0.15 mm/r、2 500 mm/min 0.2 mm/r 4種參數(shù)下分別加工3種不同材料,這3種材料分別為鑄鐵(HT200)、合金鋼(42CrMo)、不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)。3種材料在硬度上由低到高,加工難度也逐漸升高[4]。

機床為美國HASS VOP-D VF5型加工中心。主要性能參數(shù):最高鉆速8 000 r/min；功率14.7 kW；直線分辨率0.001 mm。使用壓電式測量儀,該測量儀主要有3個壓電式二維力傳感器組成,可測量軸向力和鉆削扭矩[5]。在4種不同切削參數(shù)[6]下對比軸向力、扭矩,結(jié)果如圖4、5所示。

如圖4所示,鉆削鑄鐵(HT200)時,3種螺旋槽的軸向力差別不大；但在加工合金鋼(42CrMo)和不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)時,3種螺旋槽軸向力的差別明顯。結(jié)果表明凹型槽麻花鉆的軸向力最低。因為凹型槽的前角比其他兩種的前角大,切削刃鋒利,切削輕快,所以軸向力最小[7]。

如圖5所示,鉆削合金鋼時,3種螺旋槽的扭矩差別不大。凹型槽在加工不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)和鑄鐵(HT200)時,扭矩最小。這也是因為凹型槽的前角要比其他兩種的前角大,切削刃鋒利,鉆削輕快,所以扭矩小。

圖4 鉆頭軸向力對比

圖5 鉆頭扭矩對比

3 結(jié) 論

本實驗把麻花鉆螺旋槽分為3種,分別為直線型、凹型、凸型。凹型刃的前角分布較高,凸型刃的前角分布最低,直線刃居中。切削實驗結(jié)果表明,前角大切削鋒利,遇到阻力較小,所以凹型刃在切削時軸向力和扭矩上最低。實驗為以后建立麻花鉆螺旋槽圖譜做好了一定的前期工作,并為刀具應(yīng)用企業(yè)提供了在加工鑄鐵、合金鋼和不銹鋼方面的經(jīng)驗。

[1] ZHANG Wei, WANG Xianfeng, HE Fengbao, et al. A practical method of modeling and simulation for drill fluting[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2006, 46(6):667-672.

[2] LI Rui, HEGDE P, SHIH A J. High-throughput drilling of titanium alloys[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2007, 47(1):63-74.

[3] 徐立. 幾種麻花鉆刃型試驗[J]. 工具技術(shù), 1994(3):33-36.

[4] 倪志福,陳璧光. 群鉆:倪志福鉆頭[M]. 上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社, 1999:11-12.

[5] 何云,薛湘鷹,欒正華. 整體硬質(zhì)合金麻花鉆橫向截形應(yīng)用研究[J]. 工具技術(shù), 2006, 40(3):68-70.

[6] ZHANG Wei, PENG Yan ping, HE Fengbao. Drill flank three-dimensional measurement and flank/flute intersection determination[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2008, 48(6):666-676.

[7] 薛湘鷹. 硬質(zhì)合金麻花鉆容屑槽的研究[D]. 武漢:華中科技大學(xué), 2006.