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    通用鉆頭的持續優化和發展

    發布日期:2020-04-30 作者: 點擊:

    通用鉆頭的持續優化和發展

    1.鉆頭的種類

    實體上用鉆頭鉆孔稱鉆削,最常用的鉆頭是麻花鉆。麻花鉆的特點是有兩條像麻花一樣的螺旋槽用于排屑,螺旋槽與鉆頭頂角錐面交線構成承擔主要切削作用的主刀刃,槽的側邊刃帶構成副刀刃,在加工中起導向支承和修光作用。其最常用的材料是高速鋼、硬質合金。硬質合金制鉆頭有整體式、焊接式和可轉位刀片刀頭式三種。一般情況下高速鋼鉆頭硬度、剛性較低,適應切削速度約在30m/min以下,進給量約0.25mm/r,其價格低廉,韌性高,故適合在剛性轉速較低的機床,如一般的鉆、車、銑床上使用,其孔徑范圍較廣,約為φ0.2φ75mm,可鉆孔深度常以深度L和直徑D之比表示,可達L/D=10,加工尺寸精度在IT11級以下。整體硬質合金鉆頭的直徑范圍常為φ0.1φ20mm,焊接硬質合金鉆頭直徑范圍常為φ8φ40mm,其切削速度一般為100m/min左右,遠高于高速鋼鉆頭,進給量也比高速鋼鉆頭略高,外部供切削液的硬質合金鉆頭比高速鋼鉆頭切削效率約高35倍,內部供切削液的可高510倍,裝硬質合金可轉位刀片鉆頭主要用于中等尺寸孔的加工(約φ20φ56mm),效益可高出高速鋼鉆頭3倍,硬質合金鉆頭加工精度可達IT11級以上甚至可達IT9級左右。一般結構的各種鉆頭直徑范圍與可鉆削深度L/D范圍可參考圖1。

     

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    硬質合金鉆頭為發揮其高效能,適宜在數控機床、加工中心等先進高效機床上使用。高速鋼鉆頭在這些機床上雖可使用,但未發揮先進機床效能。一般來說,當重視加工效率、加工精度、鉆頭壽命及加工批量大時,在數控機床和加工中心上鉆孔,使用硬質合金鉆頭。單件小批量生產時,特別要考慮加工中韌性、希望刀具費用盡量低時,可使用高速鋼鉆頭。

    以上這幾種鉆頭,如可以鉆削大部分工件材料如碳鋼、鑄鐵、不銹鋼、有色金屬及合金鋼等,則稱為通用鉆頭。只可高效經濟地適合某類材料,某種零件特定加工要求的鉆頭稱專用鉆頭。為了滿足日益增長的高效益、高質量及環保等要求,通用鉆頭和專用鉆頭也在原有麻花鉆結構形狀的基礎上不斷地改進發展。

    2.麻花鉆概述

    麻花鉆的結構雖既能鉆入加工又能排屑,應用廣泛,但又存在若干固有問題,如前端的螺旋槽面構成了鉆頭的前刀面,頂角錐面構成了后刀面,這兩個面的交線就是主刀刃,它較長、切屑寬,承受切削力大,難以順利排屑。主刀刃上各點因所處半徑不同,切削速度也各不相同。由于主刀刃的前刀面不是平面而是螺旋空間曲面,故主刀刃各點的前角不等(見圖2)。近鉆芯處前角約為﹣30°,難以切削,外圓處的主切削刃則約為+30°的大前角,雖鋒利但刃口強度較差,該處切削速度最高,熱量集中溫度高,易損傷,可知主刀刃上各點實際切削條件與狀況也各不相同。一般鉆頭導向只靠兩條刃帶,導向性能不足,且刃帶處副后角為“零”,該處切削速度最大,切削熱高、易磨損。此外,為排屑做的螺旋槽,雖然做得越寬越深排屑越好,但為保證鉆頭自身強度,必需要有一定鉆芯厚度,這樣在鉆頭頂部不得不做出一定寬度的橫刃,橫刃處的前角為負,甚至達到-63°~-54°,不能切削,實際只能是強行對工件刮擦、擠壓,并且因為它存在使鉆頭難以定心鉆入,鉆孔時軸向阻力的60%~70%是由橫刃部分造成,這也影響其加工質量和使用壽命。

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    針對麻花鉆的缺點,業內人士一直在設法改進。20世紀60年代,我國工人對高速鋼麻花鉆的主刀刃前、后刀面及橫刃進行修磨,開槽分屑使加工時軸向力轉矩分別減少了35%~50%和10%~30%。大大提高了鉆孔效率,針對不同被加工材料還有多種不同的修磨形狀,修磨這樣的形狀比較困難,所以還研發了數控群鉆磨床。

    3.新材料、新涂層、新性能

    時代的進步要求生產效率越來越高,高速鋼麻花鉆固有結構形狀和材料本身性能已不能滿足需要。能進行高速切削的硬質合金鉆頭已得到普遍使用,由于硬質合金硬度(1 310~1 880HV)遠高于高速鋼(880~910HV),難以施以群鉆似的刃磨,為消除麻花鉆的缺點,各大公司進行了各種新的結構設計并不斷優化材料與涂層。首先,為了彌補硬質合金韌性的不足和提高其綜合機械性能,材料從一般的硬質合金普遍改用了超微粒硬質合金,涂層由一般的TiN改為普遍采用(Ai,Ti)N系等的復合氮化物,近年來又由于先進科學技術如CAE等計算機技術不斷發展,可以精確模擬鉆削時的應力、應變和溫度分布場,切屑卷曲和切離等,再加上CAD/CAM技術、模具制造技術、粉末冶金技術、五軸聯動加工和刃磨技術等的飛快進步,設計制造出合理的螺旋槽、前后刀面和主副刀刃等形狀結構。如三菱公司推出的Wstar系列牌號為MWE/MWS的外冷/內冷鉆頭,此系列鉆頭由于螺旋槽曲面的重新設計,使構成的主刀刃由直線形變成凹形和凸形貼近鉆芯的改為凹刃,使原來形成的負前角變成正前角,提高了該處的切削鋒利性。在近外圓側的主刀刃則設計為凸形,原來該處正前角過大,刀刃強度低,使之適當減少,從而提高了該處切削刃的強度。凹凸刃的結構還使寬的切屑分段易排出,切削力也得以減少。又對鉆頭頂角的錐面進行X形修磨,即磨出三重后角使橫刃寬度為“零”,使軸向力大大減少。配合修磨出的三重后角使定心方便。

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    MWE/MWS鉆頭不需預鉆導孔,直接可以鉆入。又設計全新的螺旋槽形,由大小兩部分曲率組成,小曲率半徑處使切屑卷曲,大曲率半徑處使切屑易于排出。新槽形按CAE進行強度計算,與以往整體硬質合金鉆頭相比,其彎曲剛度提高了20%,扭轉剛度提高了30%。鉆頭的2個內冷卻液孔不降低這兩方面的剛性。Wstar系列除采用微粒硬質合金提高韌性和強度外,還以Miracle技術涂敷(Al,Ti)N涂層,硬度達2 800HV,氧化開始溫度達840℃,切削加工中總動力減少15%。它不但能順利鉆削鋼、鑄鐵及合金鋼,且能鉆削不銹鋼、耐熱合金及鈦合金等難加工材料。在此基礎上進一步改進,開發出鉆孔深度可達L=30D的長鉆頭、可轉位刀片鉆頭和可更換刀頭的鉆頭。德國MAPAL MILLER公司的MEGA-ECU-DRILL系列也作了類似改進,涂層采用(Al,Ti)N涂層和鉆削專用性能優異的MxF涂層等。還開發出鉆孔深達L=30D的鉆頭,最小直徑甚至僅為1.0mm。其幾款鉆頭由于合理的結構,優異的涂層使切屑迅速從切削區排出,不集聚熱量,而且可以不用切削液,實現干式切削,成為了有利于環保的綠色鉆頭。

    近年來三菱公司又對Wstar系列鉆頭進行了改進,新的牌號為weiMVE/MVS,其涂層牌號改用耐磨性好、通用性好,且除含鋁、鈦還含鉻的多層復合氮化物的DP1020,硬度提高到2900HV,耐氧化溫度提高到1 100℃,涂層的外表面采用Zero-μ表面處理技術,使刀刃刀尖等部位非常平滑,摩擦力大大減少,并防止了膜層龜裂,實現了穩定加工。同時對MWE/MWS原有的波形刃進一步優化,在保持原來切屑處理性優異的同時,增強了刃部的剛性。另外,將原來的圓形內冷卻液孔改為采用TRI-cooling技術的三角形孔,這種獨創的孔形可提高切削液流速,迅速帶走切削熱,用它與原來的MZE/MZS和其他若干名牌鉆頭以同樣切削條件對碳鋼、合金鋼、不銹鋼、鑄鐵用外冷、內冷、MQL潤滑加工后進行比較,MVE/MVS的壽命均有不同程度的提高。

    4.增加雙重刃帶提高平衡導向修光性能

    圖4所示為MVS型鉆頭頭部的結構,從中還可見新修磨法將橫刃修磨去掉,使軸向力減少,并使前面的排屑空間擴大。新設計的槽形使芯部與螺旋角也實現了最佳化,鉆頭強度提高,可進一步實現高效深孔加工。此外,一般麻花鉆副刀刃數少,平衡導向修光性能不足,MVS/MVE另加雙重刃帶,從而提高了這方面的性能,也提高了加工精度和表面質量。圖5所示為MAPAL和MILLER公司研發的幾種鉆頭,他們也對螺旋槽和前后刀面刀刃進行了創新的改進,并特別注意了在刃背上增加副刀刃,如MEGA-QUADRO系列鉆頭具有4條作為副刀刃的刃帶,提高了導向性、加工穩定性、鉆孔的直線性和圓度,加工精度達到IT8。其GIGA系列鉆頭同樣也做出4條刃帶,增加了導向和支承作用,但分布有所不同,還增加了2條副螺旋槽,可以更多更好地排屑,加工粗糙度和不同心度僅為普通鉆孔的1/3。其MEGA-DRILL-REANER鉆鉸刀有46條刃帶,作為修光刃還起到鉸削作用,一次進給甚至可達到7級精度。

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    5.三刃鉆提高導向性及穩定性

    MAPAL及MILLER公司不僅在鉆頭刃背上多做出刃帶,還設計制造出三刃鉆。即不僅增加副刀刃數,主刀刃也增加了(見圖6),主刀刃新的特殊刃形有助于可靠定心和切入,導向性及穩定性提高。刃數增多,螺旋槽也增多,切屑變得細碎,易排出。槽多了可以做得淺些,使芯部粗壯,剛性提高,進給速度還可增大,斷續孔及出口為斜面的孔也可以加工,加工精度和表面質量提高。其三刃鉆除通用型外,還有專門適用于鋼加工的和高速鋼制的。高速鋼制三刃鉆比一般二刃鉆進給速度可高50%,壽命增加了4倍。還有經濟適用的可換刀頭的三刃鉆頭。

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    OSG公司的三刃鉆(見圖7)除刀刃設計為能細小分斷切屑的波狀刃外,為了降低切削溫度,加速切屑排除適當增大排屑槽,并采用納米級的復合EgiAs涂層,硬度達到3200HV,氧化開始溫度達到1 100℃。在國內試驗,用它鉆鑄鐵HT250氣缸體上14mm盲孔,切削速度為100m/min時,二刃鉆進給量0.15mm/r,三刃鉆為0.25mm/r,每分鐘進給速度分別為702mm/min和1 170mm/min??梢娦侍岣咴S多。實際加工中,壽命也得到提高,三刃鉆可加工5 600個孔,二刃鉆只可加工4 800個孔,重磨后,三刃鉆的可加工數仍高于二刃鉆。

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    6.結語

       以上介紹了通用麻花鉆近年來發展的幾個典型實例。各大公司都具有各自的特點,除通用鉆頭不斷在發展外,專門高效加工鋼、鐵、不銹鋼、鋁合金、淬硬鋼及復合材料的專用鉆頭等也在發展。也更具體針對指定材料的性能特點,對硬質鉆頭的涂層、刃形、刃數、槽形、槽數、螺旋角、頂角、冷卻液孔形、孔數及流向控制等多方面進行改進設計,所研制出的新專用鉆頭也在不斷地推出,持續發展。

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