麻花钻切削部分几何参数变化对加工性能的影响

2012年4月
内蒙古科技与经济
A pril 2012
　第8期总第258期
Inner M o ngo lia Science T echnolo gy &Economy N o .8T o tal N o .258
麻花钻切削部分几何参数变化对加工性能的影响
冯跃霞
(新乡职业技术学院,河南新乡　453002)
摘　要:由于麻花钻切削部分几何参数的变化对加工性能有重要影响,提出了应当根据麻花钻结构
以及孔加工的不同要求,合理选用横刃、钻尖顶角2 、前角 0、外缘后角 f 及横刃斜角 等几何参数,确保
麻花钻具有良好的切削性能和耐用度,满足孔加工质量和生产率的提高的措施。

关键词:麻花钻;几何参数;孔加工;影响
中图分类号:T G506 文献标识码:A 文章编号:1007—6921(2012)08—0116—02 麻花钻是用来在实体材料上完成孔加工工作的常用刀具,其切削性能的好坏,不仅取决于麻花钻材料的组成成分和热处理状态,而且还与其复杂的结构、切削部分几何参数有很大关系,其中切削部分几何参数对切削力的大小、孔的加工质量的高低及钻头的使用寿命等切削性能的影响尤为显著,所以,选择合适的切削部分几何参数,是保证完成孔加工工作的前提和基础。

目前,学术界的研究成果主要集中在针对钻头制造工艺的改进、麻花钻切削过程的控制、钻削磨损机理等方面,而对于实际加工过程中主要影响麻花钻加工性能的几何结构参数的研究则较少。

笔者结合切削部分几何参数,具体阐述其对加工性能的影响,满足实际工作过程中的应用。

麻花钻切削部分的几何参数(见图1)主要包括:横刃、顶角2 、前角 0、外缘后角 f 及横刃斜角 。

1　麻花钻横刃对钻削性能的影响
麻花钻横刃的长短和形状是研究横刃对钻削性能影响的主要因素。

据试验,钻削中仅横刃处便产生50%的轴向力和15%的扭矩,只有对横刃进行修磨,才能改善由横刃引起轴向力增大等不良现象。

1.1　修磨横刃——缩短长度
标准麻花钻横刃较长(b =0.18D ),与钻削工件为直线接触,落钻时极易打滑,定心作用不良,使钻头容易抖动。

造成加工孔的位置精度和几何精度难
以控制。

图1　麻花钻结构
抛物线、硬质合金等厚钻芯钻头(钻芯厚度由普通麻花钻直径的11%～15%加大到25%～60%),随
着钻芯厚度的增加,其强度、刚性较好;钻孔直线度、尺寸精度提高;可增大20%的进给量,提高钻削加工效率。

但钻芯厚度的增大必然导致横刃更长,相应增大了轴向力和扭矩,这样不仅增加了设备负荷,而且会对加工几何精度产生较大影响。

修磨横刃采用在横刃两端开切屑槽的方法,将横刃缩短,并使靠近钻心处的前角增大,从而减小轴向力和改善挤刮现象,
加强定心。

图2　普通钻尖与S 钻尖比较
1.2　改变横刃形状——“S ”形横刃
由于标准麻花钻的横刃较长、钻心处的前角值很大、定心不良,所以人们设计了一种横刃为“S ”形(见图2),新型钻尖——螺旋面钻尖,通过得到的轴向力、扭矩数据与标准麻花钻进行对比,如表1所示,可知轴向力和扭矩都减小。

“S ”形横刃的螺旋面钻尖磨损程度明显减小。

表1　轴向力与扭矩对比
轴向力(N )扭矩(N ・m )
标准麻花钻头599.84 1.33
缩短横刃钻头308.30 1.41螺旋面钻头
459.81
1.272
2　麻花钻顶角2 的变化对钻削性能的影响
顶角2 的大小可根据加工条件由钻头刃磨决定。

其大小变化直接影响到主切削刃的长短、单位切削刃的负荷大小、切削轴向力与扭矩的大小,切屑宽窄、卷曲变形程度与排屑情况等。

顶角越小,则主切削刃越长,单位切削刃上的负荷减轻,轴向力减小,这对钻头轴向稳定性有利。

且外圆处的刀尖角增大,有利于散热和提高刀具耐用度。

但顶角减小会使钻尖强度减弱,切屑变形增大,导致扭矩增加,而且切屑卷曲厉害,排屑不易,妨碍冷却液的输入。

通过比
・
116・
收稿日期:2012-02-23
作者简介:冯跃霞(1969—),新乡职业技术学院高级实习指导教师,研究方向主要是机械制造。

　冯跃霞・麻花钻切削部分几何参数变化对加工性能的影响2012年第8期
较顶角2 =118°、2 =128°及2 =138°的麻花钻轴向力和扭矩的仿真数据,如表2所示。

由表可知,随着顶角的增加,轴向力不断增加,而扭矩逐渐减小。

当标准麻花钻顶角2 =118°时,从钻头刚性角度分析,扭矩较大,钻头比较容易折断。

特别是对于小直径钻头来说,为了保证钻头刚性、防止折断、延长使用寿命,减小扭矩要比减小轴向力更为重要。

表2　不同顶角的轴向力与扭矩对比
轴向力(N )
扭矩(N ・m)
2 =118°599.84 1.332 =128°633.12 1.172 =138°
687.54
0.86
由此可见,顶角是一个十分重要、数值范围变化很大的角度。

一般情况下选用顶角2 =118°的标准麻花钻。

但实际加工过程中,需根据工件材料的软硬程度、排屑情况是否良好以及被加工工件的几何形状来正确选择。

2.1　根据工件材料不同,合理选择顶角
当钻削硬度高、低强度、韧性差的脆性材料时,例如:磷青铜、橡胶等,顶角应选择较小的数值,2 =90°;钻削高强度合金钢时,由于其硬度和强度较高,塑性和韧性不高,顶角应适当选择较大的数值,2 =130°,并修磨横刃适当地减小其长度,加强定心;钻削硬度低、韧性好的塑性材料时,如:钛合金、不锈钢等,顶角应适当选择较大的数值,2 =135°。

由于不锈钢材料的塑性大、韧性高,易产生黏结现象,形成积屑瘤。

切屑连续且不易折断,常缠绕在钻头上,不利于排屑、断屑。

钻削时,增大顶角后,随着切削厚度增大,钻削过程中的带状切屑有向节状切屑过度的趋势,有利于减少缠卷现象。

而切屑也更容易沿着螺旋槽方向滑移并迅速排出孔外,取得了很好的排屑、断屑效果。

所以,在钻削不锈钢时,可以适当增大顶角,以提高钻头的寿命和强度。

2.2　根据不同的工件表面合理选择顶角
在球面体上、斜面上钻孔时,都存在着偏切削的问题。

很难保证孔的正确位置,且易折断钻头。

所以,当在斜面上钻孔时,顶角应选择较小的数值,2 =90°～118°;当钻出表面为斜面时,顶角应选择较大的数值,2 =130°～138°。

综上所述,根据加工工件材质、工件结构的不同,顶角的大小的选择也不同,实际加工中,必须根据不同的加工条件来合理刃磨与使用,才能保证麻花钻良好的切削性能、
提高钻头使用寿命。

图3　修磨外缘处前刀面3　麻花钻前角 0对钻削性能的影响
前角的大小决定着切除材料的难易程度和切屑在前刀面上的摩擦阻力大小。

麻花钻主切削刃上各点前角大小不等,自外缘
向钻心逐渐由大变小, 外缘=30°, 钻心=-30°
,横刃上的前角为更大的负值,致使钻心特别是横刃处在钻孔时处于挤刮现象无切削能力。

可通过修磨横刃增大内刃处前角,改善切削状况。

前角愈大,切削愈省力,切削刃越锋利,切屑变形越小,有利于排屑。

但前角过大,致使切削刃强度降低,特别是钻头外缘处刀齿薄弱、钻速最高、极易烧死,且易产生扎刀现象。

所以钻黄铜时,为提高刀齿强度、避免扎刀现象,修磨外缘处前刀面(见图3),减小前角。

此外,前角愈大,螺旋角就越大。

4　麻花钻后角 f 对加工性能的影响
后角 f 的作用是减小麻花钻后刀面与切削面间的摩擦,钻头半径外缘处后角较小,自外向内逐渐增大。

在钻削过程中,实际起作用的是这个后角,后角的大小是根据不同的加工情况而变化的。

例如:精密
孔钻削时为了避免产生振动,后角 f 约为6°
～10°;钻削铸钢、铸铁时,后角较大(约为12°～15°),以减少钻头后刀面与工件的摩擦。

甚至为了增大容屑空间,可将后刀面再磨去一些。

钻头的后角是刃磨得到的,刃磨时要注意使其外缘处磨得小些(约8°～10°),靠近钻心处要磨得大些(约20°～30°)。

这样刃磨使主切削刃上后角的内大外小与前角的内小外大相对应,使各点的楔角大致相等,恰好保持切削刃上各点锋利程度、强度、耐用度相对平衡;其次能弥补由于钻头的轴向进给运动而使刀刃上各点实际工作后角减少一个该点的合成速度角所产生的影响;此外还能改变横刃处的切削条件。

过大后角的钻头在钻削时,孔口呈三边或五边形,振动厉害,切屑呈针状;过小后角的钻头在钻削时轴向力很大,不易切入,钻头发热严重,无法钻削。

麻花钻的刃磨主要是针对后刀面的磨削,刃磨后角时,愈近中心应磨得愈大。

由于近钻心处的后角磨得越大,横刃斜角就愈小,所以控制后角常通过检测横刃斜角( =50°～55°),间接控制近钻心处的后角。

总之,在麻花钻的使用过程中,要确保麻花钻良好的切削性能,延长其使用寿命,我们必须合理地选择钻头结构、切削部分几何参数及刃磨参数,合理选材及热处理,结合钻削工艺,合理使用冷却润滑液等,才能满足孔加工质量和提高生产率。

[参考文献]
[1]　高兴军,邹平,闫鹏飞,等.麻花钻几何参数对
不锈钢钻削性能影响的研究[J].组合机床与自动化加工技术,2011,(3):16～18.
[2]　马国亮,曹秋霞.麻花钻尖顶角对钻削加工的
影响[J].河南机电高等专科学校学报,2002,(6):39～40.
[3]　熊良山,师汉民,陈永洁.钻头与钻削研究的历
史、现状与发展趋势[J].工具技术,2005,(8):11～14.
[4]　吕彦明,陈五一.复杂螺旋面钻尖刃磨原理及
实现[J].中国机械工程,2000,11(3):292～294.
[5]　张朋.麻花钻头几何角度的选用及对切削的影
响[J ].机械工程师,2007,(12).
・
117・。