（机械工程专业论文）硬质合金麻花钻容屑槽的研究.pdf

华呻科技大学硕士学位论文 摘要 麻花钻容屑槽是钻削过程中，切屑排除的通道。其横截面形状设计不仅直接影响钻 头的排屑能力，还影响钻削过程中钻削力大小、钻头刚度、钻头寿命等。 本文较为系统、深入和全面地研究了国内外关于麻花钻容屑槽设计发展的历史、现 状和趋势。 从分析国外1 0 种麻花钻入手，通过大量的实验，分析了容屑槽形状对钻削力和切 屑的影响，从中找出容屑槽影响钻削过程的基本规律。 针对国内外麻花钻容屑槽技术现状，对容屑槽参数化模型及设计进行了研究，提出 了容屑槽a 值不仅影响麻花钻轴向力大小还影响切屑卷曲程度的观点，根据a 值大小进 行容屑槽设计的原理和方法。 以s t 、s u 、s h 麻花钻为例，提出了钻头工程设计的方法。 设计开发了用于m 类，s 类，低碳钢( 硬度h b 1 8 0 ) 加工的s t 系列5 个品种用 于p 类，n 类，k 类加工的s 1 3 系列1 0 个品种，用于硬材料( h r c 可达4 8 ) ，高强度 钢( 抗拉强度d b = l s o o n m m 的加工) 的s h 系列5 个品种共计2 0 个规格的麻花钻，进 行了试验验证。并已形成产品，销往国内外市场，取得了良好的技术和经济效益。 关键词：硬质合金麻花钻 容屑槽钻削力 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ef u n c t i o no ft w i s td r i l lf l u t ei st om a k et h ec h i p sf o r m i n ga n de v a c u a t i n gi nt h ep r o c e s so fd r i l l i n g t h ed r i l lc r o s ss e c t i o np r o f i l ef o rad r i l ld e t e r m i n e si t sc u t t i n gp e r f o r m a n c e t h ep a p e rs y s t e m a t i c a l l ys t u d i e st h eh i s t o r y , a c t u a l i t ya n dt e n d e n c yo ft h ed e v e l o p m e n to fd r i l lc r o s s s e c t i o np r o f i l eo fs o l i dc a r b i d et h a td e v e l o p e di nh o m e l a n da n df o r e i g nc o u n t r i e s t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h et e nk i n d so fa d v a n c e df o r e i g nd r i l l sa n da b u n d a n te x p e r i m e n t s , t h ep a p e r a n a l y z e st h ei n f l u e n c eo fd r i l lc r o s ss e c t i o np r o f i l et oc a t t i n gf o r c ea n dc h i ps h a p e ，a n dt h e b a s i c p r i n c i p l e so fd r i l lc r o s ss e c t i o np r o f i l ei n f l u e n c i n g d r i l li sf o u n d a c c o r d i n gt ot h ea c t u a l i t yo fd r i l lc r o s ss e c t i o np r o f i l et e c h n o l o g y , t h ep a p e rs y s t e m a t i c a l l ys t u d i e s t h et h e o r yo fd e s i g n i n gc r o s ss e c t i o np r o f i l ea n dt h em e c h a n i s mo fc h i p f o r ma n dc h i p 。b r e a k a b i l i t y i t p r e s e n t st h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o do fd e s i g n i n gd r i l lc r o s ss e c t i o np r o f d e t h ev a l u e o fa t h ee n g i n e e r i n gd e s i g no fd r i l lc r o s ss e c t i o np r o f i l eh a sb e e nt h o r o u g h l ys t u d i e d t a k et h es e r i e so f s u a ne x a m p l e ，a s e r i e s o f e n g i n e e r i n g m e t h o d o f d e s i g n i n g c r o s ss e c t i o n p r o f i l e i s p r e s e n t e d b a s e do nt h em e n t i o n e dt h e o r ya n de x p e r i m e n t , t h es e r i a l d r i l l ss u ，s t , s hw i t hd i f f e r e n td c s pa r e d e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d p r o d u c t st h a th a v eb e e nt e s t e di nc o n s u m e r , a n da c h i e v e dp e r f e c tt e c h n o l o g i c a n de c o n o m i cb e n e f i t s k e yw o r d s ：d r i l lo fs o l i dc a r b i d e c r o s ss e c t i o np r o f i l e d r i l l i n g - c a r i n gf o r c e 独创性声明 m 0 1 7 5 3 0 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位做储躲猖糯 日期：2 啦o 月j 怕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本论文属于不保密d o ( 请在以上方框内打“”) 指导教师签名： 日期：川年【 、l 坞 和 薇妒 名月 凇神 舴硝 融)靴眺 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 钻头容屑槽槽形研究的意义 在当今的汽车制造行业中，孔加工占的比重可达6 0 以上“许多零部件都采用 各种新型材料来制造；化工产品为了防锈、防腐蚀用不锈钢制造：在航空工业中为 了适应高温、高压、高速的工作条件，大量采用耐热合金钢、高温合金和钛合金等 材料。这些材料在钻削加工中表现出导热性差、高温强度高、硬度高、活性大、断 屑排屑困难以及加工硬化趋势强等问题，切削温度和切削力比普通钢高几倍，粘刀 和崩刃现象普遍，造成刀具耐用度低，工件加工质量差。解决这些难加工材料钻削 加工问题的途径，除采用新的刀具材料、特种加工方法和采用新钻型外，优化刀具 容屑槽的槽形是一种行之有效的方法。例如f 2 】，在当今制造业中常用的钻头槽形有很 多种，其中比较典型的有圆弧刃背型如图1 1 a 所示、菱形等前角型如图1 1 b 所示、 增大钻心型如图1 1 c 所示、菱形直线刃型如图1 1 d 所示、传统槽形如图1 - 1e 所 示。 ( a ) ( c )( d )( c ) ( 圆弧刃背型) ( 菱形等前角型) ( 增大钻心型) ( 菱形直线刃型)( 传统截型) 图1 - 1 不同的刀具螺旋槽截面图形 在对传统型、菱形直线刃型、菱形等前角型、t i n 涂层菱形直线刃型、t i n 菱形 等前角型进行磨损试验后得出，在未涂层的三种钻头中，菱形等前角型钻头钻孔数 最多，传统型钻头最少，菱形直线刃型在二者之间，以v b = 0 6 m m 作为磨钝标淮， 钻孔数分别为3 3 、2 4 、与3 0 ，即菱形等前角型比传统型提高了3 7 5 【2 】，而菱形直 线刃型则比传统型提高了2 5 【2 】。因此，改变钻头的槽形，不仅可以提高刚性，扩 华中科技大学硕士学位论文 大排屑空间，增加钻孔深度，而且可以提高寿命。同时涂层钻头提高钻头寿命的效 果非常明显，菱形等前角型涂层钻头比未涂层的寿命可提高1 6 纠2 j ，而菱形直线刃 型提高6 6 1 2 1 。菱形等前角型涂层钻头比未涂层的传统型钻头寿命提高了2 5 8 科2 1 。 涂层钻头还可以减轻切屑在前刀面上的粘附，降低切削力与切削温度，提高耐磨性 与耐高温性，但不能显著改变强度与扭转刚性。因此，刀具容屑槽槽形对刀具的使 用寿命和切削性能有着显著的影响，好的槽形可以大大降低切削时的切削力和扭矩， 防止钻削时，刀具扭曲变形，从而提高了刀具的耐用度。 综上所述，钻头容屑槽对断屑、钻头强度、刚度和排屑有极大的影响。一方面， 为了能够进行切削工作，钻头必须具有足够的强度和刚度，即钻头的截面面积应足 够大且按最佳的形态进行分布，以便工作时的应力应变值远低于钻头材料的许用值， 并避免产生应力集中：另一方面，为控制切屑的形状，使切屑能够顺利排出，要求钻 头有尽量大的螺旋槽容屑空间，这必然会削弱钻头的强度和刚度。因此，合理的优 化容屑槽槽形是钻头结构设计的关键。 1 2 麻花钻国内外研究现状 麻花钻自诞生以来，已有百余来历史。由于其尺寸必须限制在孔的尺寸以内， 技术改进不易，多少年来，基本形状没有改变。 1 2 1 麻花钻国内外研究现状 由于标准麻花钻受其固有结构限制，其几何形态存在着某些缺陷【4 , 5 1 ： ( 1 ) 主切削刃各点前角不等，由外缘到钻心逐渐由正值减小为负值。热量不易 传出，加速了钻头的磨损，削弱了钻头的强度； ( 2 ) 横刃长，负前角切削，抗力大，定心不好，容易引偏； ( 3 ) 容屑槽槽形不合理，切屑卷曲成宽螺旋卷状，占用空间大，容屑、排屑困 难： ( 4 ) 外缘棱面处，切削速度高，而副后角为o 。，因此与孔壁的摩擦大，发生热 量多，钻头磨损严重。 2 华中科技大学硕士学位论文 因此人们一直致力于对标准麻花钻进行改进，下面从麻花钻数学模型与钻头容 屑槽的改进两个方面进行阐述。 ( 1 ) 麻花钻数学模型的研究历史及现状 1 9 5 7 年，g a l l o w a ydf 最早发表了有关普通麻花钻钻尖数学模型的研究论文i “。 文中分析了主刃附近的几何形伏，给出了后角的定义及测量方法，推导了直线刃钻 尖钻沟螺旋角的方程及主刃前后角公式，但所给出的横刃斜角表达式取决于其它钻 尖几何参数，而不是独立变量，因此钻尖后刀面的形状不是唯一的。 1 9 7 2 年a m a r e g o e j a 在三篇文斟7 8 捌中总结分析前人的研究结果，指出锥面刃 磨法的钻尖有四个独立的刃磨参数，而给出的钻尖几何参数只有三个，因此，不仅 钻尖后刀面形状不能唯一地确定，也不能根据钻尖几何参数获得唯一的刃磨参数。 1 9 7 9 年，wdt s a i 和smw u 将锥面、椭球面和单叶双曲面作为钻尖后刀面，统 一成二次曲面的标准方程【1 叫。 1 9 8 0 年，a r m a r e g oe ja 撰文提出圆锥面、平面和圆柱面三种钻尖后刀面刃磨法 中以锥面后刀面为最佳【l “。 1 9 8 2 年，e m a nkf w usm ，h a w k i n sj 撰文称研制出了计算机控制七轴钻头刃 磨机，并磨出了与群钻十分相近的多刃钻头( m u l t i f a c e td r i l l ) d 2 】。 1 9 8 3 年，南q k a l d o rs 等采用给定磨削参数的范围进行计算机扫描的方法求解钻 尖后刀面的方程【1 羽。由于这种方法求解费工费时，因此不可能用于实际刃磨过程中 的计算。 8 0 年代以来，国内开始钻头刃磨理论及在其理论指导下的刃磨机构的研究。湖 南大学曹正锉等课题组成员，北京航空航天大学陈鼎昌等课题组成员在多年理论及 实验研究的基础上，分别开发了数控群钻刃磨技术，并陆续研制出了计算机控制的 刃磨机床。1 9 9 0 年，湖南大学和长沙第五机床厂推出了m k 6 3 4 0 3 型数控群钻磨床 并可在此机床上刃磨“改进型，群钻【1 4 1 。 1 9 9 3 年，天津大学张世昌等在工具磨床上开发与其配套的微机控制的群钻刃磨 装置和软件，刃磨基本型群钻取得了较好的效果1 1 5 j 。 华中。科技大学硕士学位论文 1 9 9 8 年，北京航空航天大学陈五一、陈鼎昌运用虚拟轴机床技术，发挥虚拟轴 机床刚性好、精度高、运动速度高、机械结构简单，但工作空间较小的特点，提出 了六杆式钻头刃磨机床的结构方案【1 6 1 。 ( 2 ) 麻花钻容屑槽研究历史及现状 目前，由于钻头容屑槽在刀具生产时就已经完成，工作过程中，又不需要重磨， 且大多为螺旋面。故分析研究不多。 其中，师汉民，张华书提出了通过改变主刃走向控制主刃前角分布的方法，并 于1 9 8 9 年开发出使钻头主刃上各点前角均达到可能的最大值的曲线刃麻花钻i 切。 1 9 9 0 年，万光珉孙东明利用有限元法，优化设计麻花钻横截面形状设计出了 抗扭转最佳的横截面形状 堋。 1 9 9 1 年，熊良山师汉民张华书应用“空间几何关系的平面表像法”，优化设计 出前角沿主刃按给定规律分布的曲线刃麻花钴，实验表明，这种麻花钴的轴向力较 普通麻花钻降低1 0 左右，扭矩降低2 0 左右【1 9 1 。 1 9 7 1 年，美国的c r i s p 型断屑钻头，利用在钻头的刃瓣尾根部增加了一个螺旋肋 面，使切屑在流出时碰到内侧尾根部的阶台，形成卷屑，从而达到断屑的目的【捌。 1 9 8 7 年，l e esj 在考虑钻头偏斜的条件下，以消除钻削过程中钻尖的摆动现象 为目标，提出了对钻头结构进行优化设计的方法【2 。 1 9 9 5 年，s e l v a m h esv 和s u j a t h ac 在研究麻花钻的变形时，用有限元方法对钻头 几何形状进行了优化，得出的使钻头变形最小的结构参数优化值( 钻头直径f 2 5 姗) 为：螺旋角3 9 7 7 6 。，横刃斜角= 5 4 。8 0 。，锋角1 2 0 。【2 1 】。 1 9 9 7 年，c h e nwc 提出了一种特殊截形的厚钻芯麻花钻，既具有足够的扭转刚 度，又具有合理的主刃和横刃前角分布【捌。 2 0 0 2 年，代真虎、陈永洁、师汉民等尝试利用自由切削的原理设计新钻型。 2 0 0 2 年，s u s h a n t a ks a h u ，0 b u r a k o z d o g a n l a r 等提出在钻头的前刀面上磨出一 段断屑槽有助于切屑的折断与排除同时可以降低钻削力【矧。 本文从麻花钻容屑槽入手，着重研究麻花钻容屑槽形状对钻削过程中钻削力与 切屑的影响。 4 华中科技大学硕士学位论文 1 3 课题的来源 我国硬质合金麻花钻是在9 0 年代才研制出来的。1 9 9 2 年，从德国g u h r i n g 全套 引进了硬质合金孔加工刀具生产线，其中包括标准麻花钻，立铣刀，精密铰刀，使 我国整体硬质合金孔加工刀具技术水平提高了一大步。但遗憾的是，进入二十一世 纪以后，在技术和开发上没有大的提高，仍停留在仿制阶段，尤其是钢类材料加工 的麻花钻，要求更严格、更苛刻，国内的钻头很难进入这块市场。 为改变这一现状，提高整体硬质合金麻花钻在市场上的竞争力，使我国硬质合 金的生产由资源大国变为产品大国，株洲硬质合金厂在“十五”期间，投资4 亿余元， 用于我国硬质合金行业最大的技改项目_ 株洲硬质合金厂钻石工业园的建设，全面 提升现有的硬质合金工具技术。 本课题正是在这一情况下提出来的。课题的研究成果将构成株洲硬质合金厂钻 石工业园核心技术和产品研发的支持平台，课题在何云博士的直接领导和指导下开 展，本人作为博士后专职助手，主要研究整体硬质合金麻花钻槽形截面的设计，并 得到华中科技大学陈永洁教授的指导和帮助。 1 4 研究的内容 对国外同类型整体硬质合金麻花钻在刀具结构，切削效果，切削机理上进行系 统研究； 根据对国外麻花钻产品研究成果并结合株洲钻石切削刀具股份有限公司现有产 品的技术，提出设计思路和方法； 完成自主技术产品的开发，形成具有株洲钻石切削刀具股份有限公司特征的系 列刀具产品。 1 5 本章小结 本章介绍了钻头容屑槽截面槽形研究的意义与国内外研究概况，阐述了本课题 的来源、目的和研究内容。 华中科技大学硕士学位论文 2 钻头容屑槽研究 钻头涉及关键技术有3 个部分，一是材质和表面涂层技术，二是容屑槽结构的 确定，三是钻尖形状。 材质和表面涂层：基体材质一般采用超细硬质合金棒材，表面涂层大都采用p v d 工艺，有t i n 、t i c n 、t i a i n 、a 1 t i n 等多种复合纳米涂层，涂层有利于减小摩擦阻 力，提高耐用度。 容屑槽结构：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。 钻尖形状：钻尖形状综合上述提到的多种切削因素，它直接参与对金属的切削， 决定了切削变形和切削过程。 2 1 麻花钻研究思路 在选择容屑槽结构作为课题研究切入点之后，其研究思路如图2 - 1 所示： 第一步几何形状的确定，第二步切削性能对比实验，第三步对制造工艺进性研 究，最后在上述研究的基础上开发新钻头产品。 槽型参数 惯刃参数 圭刃参数 钻尖形式 韧削力 o j 屑变，l 蓼 表面质量 耐用度 詹槽工艺( 成型挂，平面法) 磨尖( 后角方式- 平面铲磨) 刃口处理( 倒棱，倒圆) 惯刃修磨( 内刃) 图2 - 1 钻头研究思路 华中科技大学硕士学位论文 2 2 麻花钻钻头的结构分析 麻花钻的结构1 2 5 】如图2 2 所示，它有刀尖、两条主切削刃和两条副切削刃、横 刃、钻心等部分组成。麻花钻有两条钻沟( 螺旋面) 。前刀面就是螺旋槽底的一部分。 后刀面在钻体端面上。为了详细分析麻花钻的前后刀面，应首先了解其几何角度， 麻花钻的标注角度如图2 3 所示。 在主剖面参考系里标注的主要角度： ( 1 ) 主偏角1 c r ：在基面p t 内度量的切削面p s 与进给平面p f 的夹角。 ( 2 ) 前角丫o ：在主剖面内度量的基面p r 与前刀面的夹角。 ( 3 ) 后角a 。：在主剖面内度量的后刀面a 且与切削面p s 的夹角； ( 4 ) 刃倾角k ；在切削平面内度量的主切削刃s 与基面p r 的夹角； 图2 - 2 麻花钻的切削刃和刀面 图2 - 3 麻花钻的标注角度 p r 7 审 稻 m 誊 愚 华中科技大学硕士学位论文 2 3 钻头主刀刃后角数学模型 我们知道，当刀具材料确定后，钻尖几何参数决定性地影响到钻头的切削性能。 正是不同的前、后面，构成了不同的刃形。由于钻头主要是采用后面修磨来改进与 恢复切削力，并创立了各种麻花钻的钻型。因此，后面的刃磨型式一直受到钻头制 造与使用者以及研究人员的普遍重视。在5 0 年代，就开始较细致研究了锥面刃磨的 原理，长期以来，锥面刃磨是作为钻头制造厂对钻头主刃开刃刃磨的基本型式。以 后研究人员不断完善锥面刃磨的数学解析和刃磨机构的设计。 但是，钻头的使用者很早就突破了这种单一性。5 0 年代初，我国创新了三尖月 牙弧形w 型刃的“倪志福钻头”，前苏联开发了m 型刃的“席洛夫钻头”，美国开发了s 型刃的螺旋尖钻头。随后，出现了十字型刃钻头，法国的三平面钻头，美国的椭球 面型的r a c o n 钻头，以及复合型的b i c k f o r d 钻头。这些钻头的后面型式囊括了平面、 圆柱面、圆环面、圆锥面、双曲面( 类螺旋尖) 、椭球面以及螺旋面等。7 0 年代后，研 究人员分别深入研究了这些刃型和后面的特点，探讨建立了以二次曲面作钻尖后面 的数学模型。 二次曲面作为钻尖数学模型而实际钻头后面只是模型曲面的一部分。选取模型 曲面的哪一区段作为钻头后面，决定于钻头相对于模型曲面的空间方位情况，即钻 心尖( 通常选作钻头坐标系的原点) 相对于模型曲面的中心( 通常是曲面坐标的原点) 的 位置，和钻头轴线相对于模型曲面坐标轴线的方向( 决定此方位的一组参数称为刃磨 参数) 。己知模型曲面在其原始坐标系的数学表示式，则可利用坐标变换方法，很方 便地求出它在钻头坐标系中的数学表示式。同时，作为钻头前面的螺旋面也需要了 解其数模特点。 2 4 麻花钻后面的二次曲面数学模型表示式 通用二次曲面方程在其原始坐标系o x 。，y 。，z 中的通用表达式 2 6 _ n “am ，1 1 为： 要+ 芸+ 6 冬：- + 7 - 1 ( 6 一域0 式中a 、b 、c 和d 是决定二次曲面形状的参数。通常在刃磨后面时， 式( 2 - 1 ) 总是以磨 8 华中科技大学硕士学位论文 削点相对于磨削轴线( 即z 轴) 作回转运动，磨削点在x - y 平面内的圆形迹线上运动， 则此时二次曲面成为回转型二次曲面，a = b 。于是方程为： 薯+ 等+ 6 事一t c 6 - 域式c 2 圳 根据a ，b ，c 和d 的数值不同，则通用二次方程( 2 1 ) 将表征不同的模型曲面。 ( 1 ) d = l ，a = b ，则式( 2 - 1 ) 变为： 善+ 墨+ 譬1 式( 2 - 3 ) 7 + + 7 - 1 式 此式表征回转椭球面，椭球面在垂直于z 的剖切面上为圆形，在平行于z 轴的剖 切面上为椭圆。 ( 2 ) 当d = 一1 ，a - - b ，则式( 2 1 ) 变为： 善+ 善一善1式( 2 - 4 ) 7 + 7 7 叫 a 此式表征回转单叶双曲面，在z = 0 的剖切面( x ，- y 。) 上是半径为a 的圆形，其双 曲线母线的渐近线形成锥顶角为2 0 的极限圆锥面。其中，a c = t g o 。 ( 3 ) 当d = - - i ，a = b ，a c = t g o ，且a 趋近于零。此时，作为母线的双曲线渐缩趋于两 条通过原点的对称交叉直线，则式( 2 - 1 ) 变为： x ? + _ ) ，：一( z 。t g o ) 2 - 0式( 2 5 ) 此式表征一对锥顶相连的圆锥面 ( 3 ) 些i d = o ，a = b ，则式( 2 1 ) 变为： 童? + y ；= a 2式( 2 6 ) 此式表征圆柱面。 ( 5 ) 当d = - - 1 ，a c = t g o ，且a 趋近于零( a o ) ，b 一8 时，则式( 2 1 ) 变 为： x ? 一0 。t g o ) 2 - 0或工- z t g o 式( 2 7 ) 此式表征对称的双平面。双平面实际上为二次曲面的特殊情况。 华中科技大学硕士学。位论文 2 5 钻头主刃的形成原理 主刃是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。 对硬质合金可转位车刀片( 以我公司d r 槽型说明) 如图2 - 4 ，后刀面是直平面， 而前刀面为带一定卷曲的拉伸面。两面相交后，形成了圆弧式刃倾角主刃。 图2 4d r 槽型可转位车刀片 华中理工大学师汉民教授提出的自由切削车刀片正是基于这种原理，主刃是通 过前后刀面为柱面相交形成的相贯线1 3 2 1 。 对于钻头，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。 由于后刀面的伸展方向较大，在此方面许多学者做了大量工作，开发了4 种后 刀面曲面的钻头产品。分别为：圆锥面型、双曲面型、椭球面型、凸圆柱面型。 本文只针对容屑槽( 前刀面) 形状进行讨论 2 6 容屑槽对切削过程的影响试验及分析 在金属切削加工过程中，钻孔是个比较复杂的运动过程，钻孔时，钻头要切除 一部分多余的材料，得到所要求的孔形，而被切除材料反抗钻头的切除。这样，“切 除”与“反切除”就反映出一系列矛盾现象，如：生产效率的高与低；钻头的耐用与磨 钝；钻削力的增大与减小；钻削温度的升高与降低；切削刃的锐利与牢固；积屑瘤 的产生与消失；加工质量的好与坏；切屑的排出与阻塞和钻孔中的平稳与震动等。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 本章通过对钻削过程中的轴向力、切屑形状的分析来研究麻花钻容屑槽形状对钻削 过程的影响。 容屑槽可看成由两部分组成，如图2 5 所示： 图2 5 容屑槽两部分 其中“首要的”部分，与后刀面构成的切削主刃起到参与切削作用，而“次要的” 部分，主要控制切屑的形状和流动，起到排屑的作用。 这种理解与车刀槽型的构成极其相似。 当然，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，因此容屑槽的设计应当远比车刀槽型 复杂的多。其截面形状的不同影响钻头钻削时温度分 布与截面扭转刚度等问题。 2 6 1 麻花钻钻削力的组成 普通麻花钻有五个切削刃：两主刃、一横刃和两 副刃。各切屑刃上所受的切向力( 切削力) f c 、径向 力( 背向力) f p 和轴向力( 进给力) f f 如图2 6 所 示：其中，横刃和副刃上的径向力f p 和副刃上的轴 向力f f 可忽略不计，两主刃上的径向力f p 互相平衡 【3 3 t3 4 】。所以，总轴向力f ：2 f 卜f 0 ( 牛) p f 舢 图2 - - 6 普通麻花钻的切削力分布 1 1 华中科技大学硕士学位论文 总转矩 m = 2 f c r + 2 f c r + f q i h , ( 牛米) 麻花钻削力在各切削刃上的分配比例，如表2 - 1 所列。 表2 1 钻切削刃上切削力的分配( ) l 钻削力 切削刃 主刃横刃刃带 l 轴向力 4 05 73 i 转矩8 0 8 1 2 2 6 2 麻花钻主刃上钻削力的分布 在主切削刃位置半径愈小的区段，该处前角愈小，切削力的变化则愈大。 愈到切削刃外缘段，则单位刃长切削力( f ) 愈下降，这是由于前角增大之故。当转 速高、切削温度较高时，由于积屑瘤的作用，则沿切削刃单位刃长切削力曲线的变 化较平缓。 普通麻花钻已、未修磨横刃的钻削力经验公式 f = c f d ，v c z f ( 牛) m = c u f y mv 。瑚( 牛毫米) 式中：c f 、c m 轴向力系数、转矩系数； x f y f 、z f 、x u 、y m 、z h l 一各为轴向力、转矩的指数； v c - 切削速度( 米，分) ： f 一进给量( 毫米转) ： d 钻孔直径( 毫米) 2 6 3 麻花钻钻头几何参数对钻削力的影响 1 ) 螺旋角b o b o 愈大，愈能改善排屑情况，降低切削力。一些试验研究表明，螺旋角由2 5 。 增至3 5 。，转矩可减小8 1 6 ，轴向力可降低1 0 2 5 。有的试验【5 1 1 】表明， 在钻芯厚度保持不变和8 0 = 1 8 。3 0 。范围内，增大螺旋角8 0 ，则钻削力按比例减 华中科技大学硕士学位论文 小。通常，螺旋角每增大1 。，则轴向力约降低0 6 ，转矩约降低o 4 。倘使螺旋 角过小，例如b o 小于1 0 。1 5 。甚至0 。( 直槽) 时，则钻削力大大增加。 2 ) 使用锋角2 f 2 f 愈大，则主刃上各点主偏角k 增加，使各点的前角增大，并加大切削厚度而 减小切削宽度，使切向力f c 减小，故切削转矩m 有所降低。但2 f 增大，则切削刃 轴向分力、f f 所占的比例增加，因而使总轴向力增大【硼。 3 ) 横刃斜角v 以锥面磨法为例，、| ，愈大，则横刃的负前角绝对值增大，因此切削力增大；但1 i ， 增大，则又使横刃常b ，有所减短，综合的结果是：当v = 5 0 。5 5 。时，转矩最小 1 3 6 4 ) 钻芯厚度2 r o 2 r 0 愈大，横刃愈长，且主刃上各点的角度减小，因此切削力要加大。但钻芯厚 写可提高钻头的刚性和强度。 5 ) 后角a f 许多试验研究表明，后角增大，钻削力略有降低，但后角对钻削力的影响较小。 2 6 4 麻花钻容屑槽在切削过程中对钻削力影响试验分析 试验目的： 比较国外1 0 种钻头的切削性能，探讨影响切削性能的因素，指出容屑槽对切削 过程的影响。 实验方案 1 ) 实验条件 工件材料：根据不同加工情况，采用四种不同硬度的常见材料： 实验材料： ( 1 ) q 2 3 5 a ，热轧，h b l 3 0 ( 2 ) 4 0 c r ，调质，h r c 3 0 左右 ( 3 ) 4 2 c r m o ，淬火h r c 4 0 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) h t 2 5 0 ，h b l 7 0 机床：瑞士m i k r o n 公司u c p l 0 0 0 加工中心 刀具：选用0 6 、0 1 2 两种规格，其型号见下表2 2 ： 测量仪器：k i s f l e r9 2 6 5 b 三向压电式测力仪，灵敏度：0 0 5 n ，量程_ + 1 5 k n ( x 、 y 、萄，刚度：1 t m k n ，测力系统坐标：刀具轴为z 向； 电荷放大器：k i s t l e r 5 0 1 9 b 多通道电荷放大器以及相应的数据处理采集与处理系 统。 表2 - 2 实验选用钻头 0 1 2 0 6 编 编号厂家型号厂家型号 号 1s a n d v i kr 8 4 0 1 2 0 0 - 5 0 - a 1 a1s a n d v i kr 8 4 0 0 6 0 0 - 5 0 a 1 a 2s a n d v i kr 4 1 5 5 1 2 0 0 - 3 0 - a c 02s a n d v i kr 4 1 5 5 - 0 6 0 0 3 0 a 0 0 3面t e xa 3 2 6 5 邛l + 1 23髓e xa 3 2 6 5 1 t l + 0 6 4t i t e xa 3 2 8 5 t f l 1 2 4 t i t e xa 3 2 8 5 t f l 0 6 5 g u h r i n g0 1 6 6 0 - 1 2 ，0 0 0 5 g u k d n g 0 1 6 6 0 - 0 6 ，0 0 0 6 g u h r i n g 0 1 6 6 1 1 2 0 0 0 6 g u h r i n g 0 1 6 6 1 0 6 0 0 0 7 g u h r i n g 0 1 2 4 2 1 2 0 07 g u h r i n g 0 1 2 4 2 - 0 6 0 0 8 g u h r i n g 0 1 7 0 2 1 2 0 08 o s gf s g d n 9m i t s u b i s h im w e l 2 0 0 m a9m i t s u b i s h im w e 0 6 0 0 m a 1 0m i t s u b i s h iv c s s s 实验装置及连接如下图所示： 图2 7 切削力数据采集装置示意图 1 4 华中科技大学硕士学位论文 2 ) 实验方法 采用进给量单因素实验。钻孔时，应当针对不同的材料选用不同的切削参数， 才能使钻头的寿命最大化。通过实验发现在切削过程中，进给量的变化对切削力的 影响最大。同时，切削速度对耐用度的影响比进给量要强烈得多。因此，对每种材 料都采用了几种不同的进给量，其他的参数保持不变。 钻孔是一种半封闭式切削，其过程不易观察。切屑形状能够反应钻头在切削过 程中的受力状况。在实验过程中观察不同进给量下切屑排出的方式及切屑的形态， 并进行收集整理。 此外，选用的钻头有的带有内冷却的螺旋油孔，为了保证数据的可比较性，钻 孔过程中统一采用外部射入冷却方式。 3 ) 试验数据采集 以下是1 0 种钻头钻不同材料的切削力结果： 表2 3 试验原始记录 进给量进给最 刀具型号 o 1 50 20 2 50 30 1 50 20 ，2 50 3 ( h a m r )( m m r ) v c = 1 0 0 m m i n 。孔深3 5 m m v c = 6 0 m m i n ，孔深3 5 m m r 4 1 5 5 2 7 0 03 1 0 03 6 0 04 5 0 0 1 7 5 0 2 0 0 0 2 4 0 02 7 0 0 r 8 4 02 7 5 03 0 0 0 3 5 0 04 0 0 01 7 0 0 2 1 0 0 2 4 0 0 2 7 0 0 3 2 6 5 1 5 0 0 1 7 0 0 2 2 0 0 2 4 0 01 7 0 0 2 1 0 0 2 5 0 0 2 8 2 5 3 2 8 51 7 0 0 2 1 0 0 2 6 0 03 3 0 01 9 0 02 3 0 02 7 0 0 3 0 5 0 1 7 0 2 a 3 9 5 01 1 0 01 3 0 01 6 0 0 舳 1 2 5 01 4 7 5 1 7 7 51 9 5 0 1 2 4 2 1 2 0 01 3 5 0 1 6 5 02 1 0 0 1 8 0 0 2 0 0 02 3 0 0 2 5 0 0 1 6 6 08 7 51 0 7 51 4 0 0 1 6 0 01 1 5 0 1 3 5 0 1 5 5 0 1 7 5 0 1 6 6 11 2 5 01 4 5 0 1 6 7 5 1 9 0 0 1 8 0 02 2 0 0 2 4 0 0 2 5 0 0 m 、 ，e 1 2 0 01 3 0 0 1 7 0 0 1 8 5 0 2 0 0 01 3 0 0 1 4 8 0 1 6 0 0 1 8 0 0 v c s s s 1 9 0 02 3 0 0 2 5 5 0 2 8 5 02 5 0 02 8 0 03 2 0 03 6 0 0 进给量进给量 刀具型号 0 1 50 2o 2 50 30 3 ( r a m r )( r a m r ) v c = 4 5 m m i n ，孔深3 5 r a mv c = 1 2 0 m m i n 孔深3 5 r a m r 4 1 5 5加0 02 3 0 02 8 0 03 2 0 01 4 0 0 r 8 4 02 2 0 02 4 0 0 2 7 0 0 3 1 0 01 3 5 0 3 2 6 52 1 0 0 2 4 0 0 2 7 5 0 3 3 0 01 5 0 0 3 2 8 52 2 0 02 6 2 5 3 0 0 03 6 0 01 6 5 0 1 7 0 2 4 2 c r m o 1 6 0 0 1 8 0 02 1 0 02 3 0 0 h t 2 5 0 1 1 0 0 1 2 4 2 2 5 0 02 7 5 0 3 0 0 03 2 0 0 1 3 5 0 1 6 6 01 3 5 0 1 5 0 0 1 8 0 01 9 7 59 0 0 1 6 6 1 2 8 0 0 2 9 0 03 1 0 03 2 5 0 1 3 0 0 m w e l 2 0 01 2 0 0 1 6 0 0 1 7 0 0 2 5 0 01 3 0 0 v c s s s 4 2 5 0 4 3 0 0 4 7 5 05 2 5 0 2 6 0 0 华中科技大学硕士学位论文 钻灰铸铁，改变进给量对切屑形态的影响不是很大，只采用了一种进给量。 表2 - - 4 试验原始记录 进给量进给量 刀具型号0 0 60 1o 1 50 2o 0 6o 1o 1 5 0 2 ( r a m 0( r a m r ) v c = 1 0 0 m m i n ，孔深2 0 m mv c = 6 0 m m i n ，孔深2 0 m m r 4 1 5 55 0 06 4 09 1 01 1 5 05 5 06 5 07 2 08 0 0 r 8 4 04 9 06 5 09 0 01 1 8 03 0 04 6 06 2 07 6 0 a 3 2 6 54 5 06 0 09 0 01 1 5 03 1 04 0 0 5 6 0 7 7 0 a 3 2 8 55 0 06 5 09 0 01 2 0 04 5 05 5 07 0 08 5 0 1 2 4 2 a 3 3 3 04 5 06 2 07 8 04 0 c r3 0 04 0 04 6 05 5 0 1 6 6 03 0 04 5 06 5 08 5 02 5 03 3 04 4 05 3 0 1 6 6 13 0 0 3 8 0 5 5 07 0 0 2 4 0 3 1 04 0 0 4 6 0 f s g d n4 5 0 5 5 07 0 0 9 0 04 2 0 5 5 07 0 0 8 0 0 m w e3 8 05 0 06 0 07 5 03 0 04 1 05 1 06 5 0 进给量进给量 刀具型号 0 0 60 10 1 5o 2o 10 1 50 2 ( n u n r )( m m r ) v c = 4 5 m m i n , 孔深2 0 m m v c f l 2 0 m m i n ，孔深2 0 r a m r 4 1 5 55 5 07 0 0 7 8 0 9 0 05 0 06 0 0 7 2 0 r 8 加3 2 54 5 06 2 57 5 03 5 04 8 05 8 0 a 3 2 6 53 3 04 5 06 0 08 0 03 6 05 0 06 8 0 a 3 2 8 54 5 05 5 07 0 08 5 04 5 05 5 07 5 0 1 2 4 24 2 c r m o3 8 04 2 0 4 8 05 5 0 i n 2 5 03 2 0 3 9 04 5 0 1 6 6 02 8 03 5 04 4 05 4 02 9 03 6 04 5 0 1 6 6 12 6 0 3 4 04 0 04 7 03 1 03 6 03 9 0 f s g d n3 8 06 0 07 5 08 5 04 2 0 5 2 06 2 0 m w e3 2 0 4 2 05 5 0 7 0 03 8 04 9 05 8 0 为了能够看到各钻头的切削力的大小，将所采集到的切削力数据根据不同的进 给量进行描点，得到以下各图。在折线图中，随着进给量增大，各型号钻头轴向切 削力都有增大趋势。由于变化趋势不同，折线有交叉，这给比较带来不便。所以， 排列顺序时还应有一个主要依据，我们选择的是厂商推荐的进给量，如d1 2 钻头钻 4 2 c r m o 的主要依据是进给量为0 2 m m r 时轴向力的大小。图中标识刀具型号，由上 华中科技大学硕士学位论文 往下看，是按照其轴向力从大到小的顺序排列的。这样在钻同一种材料时，各钻头 的切削力大小就一目了然。 4 0 0 0 3 0 0 0 r 薏2 0 0 0 1 0 0 ， 一一一 。 、爹 m 1m 1 5仉2o 2 5 仉3m 3 5 进给量( m r ) 图2 - 8q 2 3 5 a 钢钻削力比较图f 01 2 ) q 2 3 5 a 钢是一种低碳钢，其特点是硬度低，伸长率高( d s = 2 5 2 7 ) ，钻 削时切屑长而不断，缠绕在主轴上，影响切削液的注入，还有可能伤害到人身安全。 试验中发现进给量低时( o 1 5 m m r ) 很多钻头都有长屑产生，加大进给量后情况有所好 转。但切削力也有所增加，进给量0 3 m m r 时的切削力基本上是0 1 5 m m r 时的1 。5 倍。在所有的产品中，g u h r i n g 的几个产品如1 7 0 2 ，1 6 6 0 ，1 2 4 2 ，其轴向力较其他产 品都要小。在同样的进给条件下，钻削力的差距甚至达到一倍以上。 4 0 c r 是一种常见的合金结构钢，调质硬度大约在h r c 3 0 左右。钻4 0 c f ，1 6 6 0 、 1 7 0 2 、1 2 4 2 的切削轴向力依然很小。另外，三菱公司的两把钻头m w e l 2 0 0 和v c s s s ， 由于其应用的场合不同，表现也截然不同。v c s s s 和m w e l 2 0 0 在钻a 3 钢时，表 现都居中；在钻4 0 c r 时，m w e l 2 0 0 轴向力很小，v c - s s s 轴向力比其他所有产品的 都要大。 h t 2 5 0 应用在各种箱体铸件，其特点是硬度、强度低，脆性大，加工时塑性变 形小，切屑崩碎。总体上来说。其可切削加工性较好。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 3 0 0 0 采2 0 0 0 s 。 杉j 。乇j 矿钐 夕 0 10 1 50 2o 2 50 30 3 5 进给量( r ) 5 0 0 0 4 5 0 0 4 0 0 0 耄3 5 0 0 主3 0 0 0 器2 5 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 图2 - - 9 4 0 0 r