創(chuàng)新的高效單刃深孔鉆可使加工效率明顯提高

 

  　長(zhǎng)期以來(lái)，單刃深孔鉆（槍鉆）由于剛性較低和刃磨缺陷，使其加工效率受到限制。創(chuàng)新的高效單刃深孔鉆可使加工效率明顯提高。

　　

　　當(dāng)孔的深度為孔徑的許多倍時(shí)，需要采用深孔鉆削方法進(jìn)行加工。70多年來(lái)，單刃深孔鉆（槍鉆）是加工孔徑小于40mm深孔的常用刀具。但在實(shí)際應(yīng)用中，單刃深孔鉆的加工效率較低，從而導(dǎo)致整體硬質(zhì)合金深孔麻花鉆得到了快速發(fā)展。整體硬質(zhì)合金深孔麻花鉆的開(kāi)發(fā)是刀具制造精度提高和槽型、導(dǎo)棱設(shè)計(jì)改進(jìn)的結(jié)果�？墒�，這種深孔麻花鉆只能加工深度/直徑比相對(duì)較小的孔，對(duì)于更深的孔，還是要用單刃深孔鉆加工。與整體硬質(zhì)合金單刃深孔鉆相比，兩刃對(duì)稱的麻花鉆可采用高得多的進(jìn)給速度，因此有很多這種刀具上市，但其缺點(diǎn)是孔的質(zhì)量較差，只能用于加工要求不高的使用場(chǎng)合。

　　

　　與此相反，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)可以看到，單刃深孔鉆的優(yōu)點(diǎn)是鉆孔質(zhì)量較高，缺點(diǎn)是能夠達(dá)到的進(jìn)給速度較小。在加工調(diào)質(zhì)鋼時(shí)，如果提高進(jìn)給量，則刀具磨損增大，并產(chǎn)生不良的切屑形狀。因此，加工效率低、刀具壽命短是普通單刃深孔鉆的劣勢(shì)。

　　

　　輕微的刃口倒圓可延長(zhǎng)刀具壽命

　　

　　正是由于上述原因，促使人們產(chǎn)生了開(kāi)發(fā)一種高效單刃深孔鉆的想法。在保留單刃深孔鉆鉆孔質(zhì)量高的前提下，通過(guò)對(duì)刀具進(jìn)行優(yōu)化，提高其加工效率，而又不降低刀具壽命。為此，對(duì)過(guò)去在單刃深孔鉆優(yōu)化方面所做的大量研究工作進(jìn)行了回顧。例如，對(duì)于不銹鋼的加工，不僅要特別重視刀具的設(shè)計(jì)，而且還要對(duì)不同涂層材料和涂層結(jié)構(gòu)的使用性能進(jìn)行研究，證實(shí)與普通的部分涂層相比，整體涂層的刀具磨損更小。還有的研究工作指出，在大多數(shù)情況下，與使用鋒利刃口的單刃深孔鉆相比，對(duì)刃口進(jìn)行輕微倒圓能提高刀具壽命。在本文介紹的應(yīng)用HP-單刃深孔鉆的研究項(xiàng)目中，引入了上述優(yōu)化成果，并對(duì)刀具結(jié)構(gòu)和基體材料進(jìn)一步進(jìn)行了改進(jìn)。研究所用的刀具由Botek精密孔加工技術(shù)公司制造，型號(hào)為Typ113-HP。在多特蒙德大學(xué)切削加工研究所對(duì)該創(chuàng)新刀具的使用性能進(jìn)行了試驗(yàn)。

　　

　　試驗(yàn)使用普通的未涂層整體硬質(zhì)合金單刃深孔鉆加工低硫調(diào)質(zhì)鋼作為比較基準(zhǔn)，來(lái)評(píng)價(jià)HP-單刃深孔鉆的性能。通過(guò)切削試驗(yàn)，普通的整體硬質(zhì)合金單刃深孔鉆的刀具磨損狀況和切屑形狀表明，在進(jìn)給量f=0.02mm的條件下，鉆削長(zhǎng)度達(dá)到30m時(shí)刀具出現(xiàn)輕微磨損，由于刀具承受的切削熱和切削力負(fù)荷小，因此僅有輕微的月牙洼磨損和后刀面磨損，所產(chǎn)生的切屑是斜螺旋卷切屑，容易從孔中排出。

　　

　　通過(guò)提高進(jìn)給量，在鉆削長(zhǎng)度達(dá)到lf=9m后，刀具外圓處的刀尖已顯示出較劇烈的磨損，使試驗(yàn)不得不因此中斷。此外，提高進(jìn)給量對(duì)切屑形狀也有影響。在斜螺旋卷切屑上還有一段帶狀切屑，而扁平的帶狀切屑段會(huì)夾在刀具與工件之間，引起刀具破損。

　　

　　從工業(yè)上的實(shí)際使用效果來(lái)看，普通的單刃深孔鉆可以可靠地應(yīng)用于深孔加工。但要提高加工效率，則要受到一定條件的限制，尤其是如果提高進(jìn)給量，則刀具會(huì)過(guò)快磨損。因此，研究HP-單刃深孔鉆的第一步，是要弄清楚從切削原理上，用HP-單刃深孔鉆是否可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)給量的提高。當(dāng)HP-單刃深孔鉆的進(jìn)給量變化時(shí)，可以看出，測(cè)量值隨著進(jìn)給量的提高而增大，幾乎是呈線性關(guān)系。當(dāng)進(jìn)給量f=0.34mm時(shí)，進(jìn)給力Ff=950N，扭矩Mb=4.3Nm；在f=0.36mm時(shí)，刀具由于扭轉(zhuǎn)載荷過(guò)大而發(fā)生破損。

　　

　　除了切削力載荷，切屑形狀對(duì)于深孔鉆削過(guò)程具有重要意義。使用HP-單刃深孔鉆，在進(jìn)給量f=0.04mm時(shí)，形成了合適長(zhǎng)度的斜螺旋切屑，沒(méi)有出現(xiàn)不利的帶狀切屑段。當(dāng)進(jìn)給量提高到f=0.1mm時(shí)，出現(xiàn)了單個(gè)切屑卷，這同樣是適合從孔內(nèi)順暢排出的切屑類型和形狀。將進(jìn)給量進(jìn)一步提高到f=0.2mm時(shí)，顯然產(chǎn)生了大量熱載荷，切屑顏色出現(xiàn)了明顯變化，形狀也變得不規(guī)則。當(dāng)把進(jìn)給量進(jìn)一步提高到f=0.3mm時(shí)，這種現(xiàn)象變得更為突出，切屑不僅卷曲得特別緊密，而且出現(xiàn)了扁平切屑，可以看出，這種切屑很厚。

　　

　　根據(jù)上述機(jī)械載荷和切屑形狀的試驗(yàn)結(jié)果，在用HP-單刃深孔鉆和麻花深孔鉆進(jìn)行刀具壽命試驗(yàn)研究時(shí)，采用的進(jìn)給量為f=0.2mm。機(jī)械載荷的大小可用于判斷刀具磨損狀況，隨著磨損值的增大，進(jìn)給力和扭矩的測(cè)量值也隨之增大。

　　

　　按預(yù)定刀具壽命，進(jìn)給量可提高10倍

　　

　　測(cè)量結(jié)果顯示，在30m的鉆削長(zhǎng)度內(nèi)，無(wú)論是麻花深孔鉆，還是單刃深孔鉆，其進(jìn)給力Ff都沒(méi)有明顯提高。這一結(jié)果對(duì)于HP-單刃深孔鉆尤其值得注意。因?yàn)槠胀ǖ膯稳猩羁足@在進(jìn)給量f=0.02mm時(shí)，也可達(dá)到30m的鉆削長(zhǎng)度，提高進(jìn)給量，則會(huì)導(dǎo)致普通單刃深孔鉆磨損加快，以至于在達(dá)到預(yù)定壽命指標(biāo)前不得不終止試驗(yàn)（只達(dá)到了9m的孔深）。然而，HP-單刃深孔鉆在此采用了高出10倍的進(jìn)給量，即f=0.2mm，仍然達(dá)到了預(yù)定的壽命指標(biāo)。而且，掃描電鏡分析證明，刀具仍然處于正常磨損狀態(tài)，仍可繼續(xù)使用。

　　

　　麻花深孔鉆與單刃深孔鉆之間刀具結(jié)構(gòu)的差異，可從進(jìn)給力的測(cè)量值中得到解釋。麻花深孔鉆的進(jìn)給力平均值Ff≈811N，而HP-單刃深孔鉆的平均進(jìn)給力Ff≈685N。這是因?yàn)�，麻花深孔鉆對(duì)稱的兩主切削刃中間有一條橫刃，由于在橫刃區(qū)域切削速度低，產(chǎn)生了摩擦和擠壓，導(dǎo)致進(jìn)給力升高。HP-單刃深孔鉆沒(méi)有橫刃，所以進(jìn)給力相對(duì)較小。

　　

　　鉆孔扭矩值數(shù)據(jù)表明，兩種刀具的磨損都較小，均未出現(xiàn)扭矩明顯升高的情況。但兩組數(shù)據(jù)卻反映出刀具結(jié)構(gòu)上的差異。由于麻花深孔鉆為正前角，所以扭矩較小，平均扭矩值Mb≈1.9Nm。而HP-單刃深孔鉆為單刃結(jié)構(gòu)，前角γ=0°，因此導(dǎo)致明顯較高的扭矩Mb≈3.0Nm。

　　

　　除了刀具磨損外，孔的質(zhì)量也是描述深孔鉆削性能的重要指標(biāo)。

　　

　　在同樣的進(jìn)給量條件下，HP-單刃深孔鉆的圓度偏差比普通單刃深孔鉆更小。這可能是刀具涂層所起的作用，使刀具加工出了穩(wěn)定的圓孔。在可比較的進(jìn)給量條件下，使用麻花深孔鉆加工出的孔圓度相對(duì)較差。但所有測(cè)量值均處于較好水平。

　　

　　對(duì)于孔的偏心誤差，測(cè)量值顯示了刀具結(jié)構(gòu)和進(jìn)給量的影響。對(duì)于不同的單刃深孔鉆，其測(cè)量值處于可比較的水平。由此說(shuō)明，刀具刃磨的改進(jìn)對(duì)孔的偏心誤差沒(méi)有產(chǎn)生不利影響。此外，對(duì)單刃深孔鉆來(lái)說(shuō)，提高進(jìn)給量還是增大了孔的偏心誤差。隨著進(jìn)給量的提高，進(jìn)給力和扭矩值增大，從而導(dǎo)致徑向分力增大，使刀具產(chǎn)生偏移，增大了孔的偏心誤差。對(duì)于兩種不同的單刃深孔鉆，偏心誤差沿孔的長(zhǎng)度分散性較小。

　　

　　值得注意的是，HP-單刃深孔鉆的偏心誤差處于相對(duì)較高的水平。為了減少偏心誤差，對(duì)刀具和加工工藝進(jìn)行了改進(jìn)。對(duì)改進(jìn)后的刀具進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果顯示，偏心誤差有所減小。此外，還減小了鉆孔進(jìn)給量。在這樣的進(jìn)給量下測(cè)得的偏心誤差表明，通過(guò)對(duì)刀具和加工工藝進(jìn)行改進(jìn)，使偏心誤差明顯減小。應(yīng)用HP-單刃深孔鉆時(shí)，對(duì)于較高的進(jìn)給量，也有可能使偏心誤差獲得類似程度的減小，這正是HP-單刃深孔鉆的特點(diǎn)。

　　

　　結(jié)論

　　

　　對(duì)HP-單刃深孔鉆的研究結(jié)果顯示，與普通的單刃深孔鉆和麻花深孔鉆比較，HP-單刃深孔鉆具有很大的潛力。相對(duì)于普通的單刃深孔鉆，在刀具壽命相當(dāng)?shù)臈l件下，它能明顯提高生產(chǎn)率。在相同的使用條件下，HP-單刃深孔鉆與普通單刃深孔鉆加工的孔質(zhì)量相當(dāng)。