整体硬质合金麻花钻横向截形应用研究

整体硬质合金麻花钻横向截形应用研究

何　云　薛湘鹰　栾正华

株洲钻石切削刀具股份有限公司

摘　要:横向截形是麻花钻螺旋面容屑槽的一个特征参数。钻头前刀面是由螺旋面容屑槽构成的,而后刀面的构成主要有平面、圆锥面、椭圆面和双曲面等多种形式;很多学者在后刀面曲面构成和磨削方式上做了大量的研究工作,而在改变钻头前刀面,即改变螺旋面容屑槽和横向截形方面的研究不多。本文对整体硬质合金麻花钻横向截形进行了应用研究,设计和制造了S U 、ST 和SH 三种不同钻头的截面轮廓,并进行了切削试验。结果表明:可以通过改变钻头横截面轮廓来得到不同的刀具几何形状,适用于不同的加工条件。

关键词:整体硬质合金,　麻花钻,　横向截形

Application I nvestigation on Drill Cross Section Profile of Solid C arbide

He Y un Lan X iangying Luan Zhenghua

Abstract :Drill cross section profile (DCSP )is a characteristic parameter of drill helix flute form.Drill rake face is consisted of helix flute.There are many types of drill relief sur face ,such as plane and cone and ellips oid and hyperboloid etc.Many investi 2gations on relief sur face types and grinding way are presented.The application investigation on DCSP of s olid carbide is presented.Three different types of S U ,ST ,SH of their DCSP are designed and manu factured.The cutting tests are per formed with them.Re 2sult shows that different cutting edge can be g ot by changing DCSP according to different cutting condition.

K eyw ords :s olid carbide ,　twist drill ,　drill cross section profile (DCSP )

1　引言

钻削在制造领域内占有十分重要的地位,它是金

属切削加工中最重要的工序之一,约占所有金属切削加工工序的33%。在机械加工中,尤其是在汽车与航空等孔加工占重要比重的制造业中,整体硬质合金麻花钻的应用极为广泛。该钻头涉及的关键技术有材质、表面涂层、容屑槽结构和钻尖形状等。对于基体材质一般采用超细硬质合金棒材,表面涂层大多采用PVD 工艺,有T iN 、T iC N 、T iAlN 、AlT iN 等多种复合纳米涂层;容屑槽根据被加工材料特性以及加工条件、切削参数并结合基体材质和涂层性质,设计成多种结构,对切屑的形成和排出起到至关重要的作用;而钻尖形状综合上述提到的多种切削因素,直接参与对金属的切削,决定了切削变形和切削过程。

近几年来,国外许多大的刀具制造厂商对容屑槽结构进行了大量的研究和改进。如图1所示为Sandvik 公司的整体硬质合金麻花钻R840和R41515不同的横向截面形状对比

。

图1　R 840与R 41515不同的横向截面形状

由于R840容屑槽设计得更宽、更深、更有利于断屑和排屑,同时增强了钻头刀尖的强度,因而R840的钻孔深径比可达到7倍,进给速度可提高50%。

由此可见,横向截形作为麻花钻螺旋面容屑槽的一个特征参数,对其进行研究是十分有意义的。 2　麻花钻主刃形成与横向截形设计原

理

211　麻花钻主刃形成

切削主刃是刀具参与金属切削最核心的部分,它是由前刀面与后刀面相交而成的空间曲线。对于麻花钻,其主刃是一定形状的螺旋面沟槽(前刀面)与一定形状的后刀面相交而成的(见图2)

。

图2　麻花钻主刃的形成

由于后刀面的伸展方向较大,在此方面许多学

者做了大量的工作,主要开发了圆锥面型、双曲面型、椭球面型和凸圆柱面型等4种后刀面曲面形式

8

6工具技术

的钻头产品。而前刀面容屑槽的形状即横向截形对主刃的影响研究不多。

212　横向截形设计原理

由于钻头主刃各点几何参数(前角、后角)不同,切削过程受力也不同,同时钻削又是一个半封闭的加工过程,因此容屑槽的设计较为复杂,我们可以从横向截形分析入手,实现对容屑槽结构的设计。

如图3所示,横向截形可看成由两部分组成,其中“Primary ”部分与后刀面构成的切削主刃起到参与切削作用,而“Secondary ”部分主要控制切屑的形状和流动,起到排屑的作用

。

图3　横向截形两部分

3　新型麻花钻横向截形的设计

根据上述横向截形设计原理开发了不同横向截

形的新型麻花钻S U 、ST 和SH 系列钻头产品。

S U 定位于通用加工(适用于P 类、N 类、K 类等多种材料的加工)。根据被加工材料特点,适用的工件硬度范围为15～35HRC ,其横向截形设计如图4所示

。

图4　SU 横向截形

ST 钻头定位于专用(适用于M 类,S 类,低碳钢

等多种材料)加工,被加工材料大多塑性、韧性较高。

钻削时切屑变形要消耗很大的能量,特别是对高温强度大、加工硬化严重的材料,在切削过程中,切屑变形负荷大,且不易折断,容屑空间要大。其横向截形设计如图5所示。

SH 专用于硬材料(硬度可达48HRC )、高强度钢

(抗拉强度δb ≤1500N Πmm 2

)的加工。根据被加工材料特点,其横向截形设计如图6所示。

由于被加工材料的硬度、强度高,钻削过程中塑

性变形抗力很大。因此,相对S U ,ST 的容屑槽,芯径d 1与内切圆d 2尽可能接近,保证足够的刚性

。

图5　ST

横向截形

图6　SH 横向截形

4　对比试验及结果

411　对比试验

为验证新开发的S U 、ST 、SH 三种槽形钻头的性能,与国外G 公司和T 公司的产品进行了钻削对比试验,对钻削力、切屑形状、切削过程稳定性进行比较分析。被加工材料为42CrM o ,1Cr18Ni9T i ,Cr12(52HRC ),钻头规格为<12mm 。S U 、ST 、SH 三种钻头表面涂层为S N ,G 公司钻头涂层为T iN ,T 公司钻头涂层为T iAlN ,为分析切削速度、进给量对钻削力的影响,试验中将切削速度设定为2组,进给量设定为3组,其中当进给量发生变化时,切削速度保持常数,切削速度改变时,进给量保持恒定。具体参数见下表:

表1　切削试验参数

钻头类型S U ST

SH

切削材料42CrM o 1Cr18Ni9T i Cr12,48-52HRC 切削

参数

线速度(m Πm in )

45Π90

30Π6012Π24进给量(mm Πr )0115～0125～013011～012011～012孔深(mm )30

30

20

测量仪器为K istler 9265B 三向压电式测力仪,试验装置及连接如图7所示。

412　试验结果

图8中钻头标识后面括号中数字为切削速度(单位:m Πmin ,以下同)。试验表明,在45m Πmin 和90m Πmin 两种切削速度下,按切削力大小排列都是

9

62006年第40卷№3