專用空心鉆頭的設計對切削性能的影響

空心鉆頭原理

 專用空心鉆頭的設計對切削性能的影響

空心鉆頭是一種較適合便攜式工具使用的孔加工刀具。但由于空心鉆頭的制造工藝比較復雜，且不能加工盲孔，因此在金屬切削加工中使用并不普遍，通常只在加工一些大直徑或貴金屬工件的通孔或鉆孔設備功率受到限制時才使用。由于空心鉆頭沒有標準定型產品，因此大部分用于特殊材料加工的空心鉆頭均需自行研制。

 有關行業曾為用戶研制一種用于加工難加工材料的專用空心鉆頭。被加工材料代號U-Mn，主要化學成分包括：碳(0.56%～0.68%)、錳(1.35%～1.65%)、硅(0.2%～0.35%)等；材料抗拉強度≥882N/ mm2，硬度及耐磨性均較高。該鉆頭用于在厚17mm的材料上加工?30^+0.5mm通孔，便攜式鉆機功率<1000W，要求鉆頭壽命>30min，鉆頭材料為W6Mo5Gr4V2。在研制該空心鉆頭過程中，通過反復調整鉆頭的設計參數，并進行鉆孔試驗，*后確定鉆幾何參數為：前角g=12°，后角a= 9°，副后角a1 = 3°。

下面就空心鉆頭的設計對切削性能的影響作一簡要分析。

1 前角變化對鉆頭切削性能的影響

1) 前角對切削力的影響

    前角的變化會影響切屑材料的變形程度，從而使切削力發生變化。切屑變形越大，切削力越大；切屑變形越小，切削力越小。當前角在0°～15°范圍內變化時，切削力修正系數的變化范圍為1.18～1。

2) 前角對鉆頭耐用度的影響

增大鉆頭前角時，會使刀尖強度和散熱體積減小，同時會影響刀尖受力情況。當前角為正值時，刀尖受拉應力；當前角為負值時，刀尖受壓應力。如選用的前角過大，雖可增加鉆頭鋒利度，減小切削力，但刀尖所受拉應力較大，刀尖強度降低，容易折斷。在切削試驗中許多鉆頭均因前角過大而損壞。但是，由于被加工材料硬度和強度較高，加之便攜式鉆機的主軸及整機剛性較低，如選用的前角過小，鉆孔時切削力的增大會使主軸產生振動，加工表面出現明顯振紋，鉆頭耐用度也會降低。

2 后角變化對鉆頭切削性能的影響
       增大后角可減小后刀面與切削材料間的摩擦，減小已加工表面的擠壓變形。但如后角過大，則會降低刀刃強度和散熱能力。

       后角的大小直接影響鉆頭耐用度。在鉆孔過程中，鉆頭的主要磨損形式為機械擦傷和相變磨損。考慮機械擦傷磨損，當切削壽命一定時，后角越大，可用切削時間越長；考慮相變磨損，后角增大會使鉆頭散熱能力降低。鉆頭磨損后，隨著后刀面磨損帶的逐漸加寬，切削功率逐漸加大，摩擦產生的熱量會逐漸增加，使鉆頭溫度升高，當溫度升高到鉆頭相變溫度后，鉆頭將出現快速磨損。

3 鉆頭設計對刃磨加工的影響

         空心鉆頭用量較少，加工批量小，因此設計鉆頭時應考慮其加工工藝問題，盡量以常用機加工設備和常用刀具實現加工及刃磨。

        切屑經前刀面流出，因此前刀面的形狀直接影響切屑形狀和排屑性能。切屑在流出過程中受到前刀面擠壓和摩擦，進一步產生變形。切屑底層金屬變形程度*大，并沿前刀面產生滑移，使切屑底層長度較長，從而形成各種卷曲形狀。使用空心鉆頭鉆孔時，希望切屑成碎屑或帶狀屑，以利于排屑。為便于加工和刃磨，前刀面必須設計為平面，且不開斷屑槽。前刀面在使用中不需要重磨。

         后刀面是空心鉆頭*易重磨的面，也是磨損速度*快的面，因此空心鉆頭的刃磨是以刃磨后刀面來實現。

         副后刀面分為內副后刀面和外副后刀面。從重磨角度來說，重磨內、外副后刀面不易實現，因此副后刀面應設計為不重磨形式。

 

4 切削液使用及對鉆頭切削性能的影響

       空心鉆頭的主要特點是加工時孔的內芯不被切削，因此空心鉆頭的切削量比麻花鉆明顯減少，所需鉆機功率和切削中產生的熱量也較小。用高速鋼空心鉆頭鉆孔時，因加工區溫度對鉆頭硬度影響很大，因此鉆孔過程中必須使用冷卻液降溫(如不用冷卻液，鉆頭磨損一開始就將以相變磨損為主而快速磨損)。開始我們采用外部噴淋冷卻方式，但因鉆頭工位為水平軸線方向加工，冷卻液不易進入鉆頭刀刃部分，冷卻液消耗較大，冷卻效果不理想。經重新設計改變鉆機主軸結構，將外部噴淋冷卻變為內部噴淋冷卻，冷卻液由空心鉆頭芯部加入，使冷卻液能順利到達鉆頭切削部分，從而明顯降低了冷卻液消耗量，改善了冷卻效果。

5 空心鉆頭使用效果

        設計完善的空心鉆頭應同時滿足以下幾方面要求：①便于制造，能采用普通機床和通用刀具加工；②便于重新刃磨，可利用普通砂輪機進行刃磨；③生產效率高，使用壽命長；④價格低廉。
研制的空心鉆頭基本上達到了以上要求。在實際使用中，鉆頭耐用度可穩定達到50 分鐘，孔徑公差、表面粗糙度等均達到了設計要求。