創(chuàng)新的高效單刃深孔鉆可使加工效率明顯提高

 

  　長期以來，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。

　　

　　當孔的深度為孔徑的許多倍時，需要采用深孔鉆削方法進行加工。70多年來，單刃深孔鉆（槍鉆）是加工孔徑小于40mm深孔的常用刀具。但在實際應(yīng)用中，單刃深孔鉆的加工效率較低，從而導致整體硬質(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發(fā)是刀具制造精度提高和槽型、導棱設(shè)計改進的結(jié)果�？墒�，這種深孔麻花鉆只能加工深度/直徑比相對較小的孔，對于更深的孔，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，兩刃對稱的麻花鉆可采用高得多的進給速度，因此有很多這種刀具上市，但其缺點是孔的質(zhì)量較差，只能用于加工要求不高的使用場合。

　　

　　與此相反，通過對比試驗可以看到，單刃深孔鉆的優(yōu)點是鉆孔質(zhì)量較高，缺點是能夠達到的進給速度較小。在加工調(diào)質(zhì)鋼時，如果提高進給量，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。

　　

　　輕微的刃口倒圓可延長刀具壽命

　　

　　正是由于上述原因，促使人們產(chǎn)生了開發(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，通過對刀具進行優(yōu)化，提高其加工效率，而又不降低刀具壽命。為此，對過去在單刃深孔鉆優(yōu)化方面所做的大量研究工作進行了回顧。例如，對于不銹鋼的加工，不僅要特別重視刀具的設(shè)計，而且還要對不同涂層材料和涂層結(jié)構(gòu)的使用性能進行研究，證實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，對刃口進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目中，引入了上述優(yōu)化成果，并對刀具結(jié)構(gòu)和基體材料進一步進行了改進。研究所用的刀具由Botek精密孔加工技術(shù)公司制造，型號為Typ113-HP。在多特蒙德大學切削加工研究所對該創(chuàng)新刀具的使用性能進行了試驗。

　　

　　試驗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，來評價HP-單刃深孔鉆的性能。通過切削試驗，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，在進給量f=0.02mm的條件下，鉆削長度達到30m時刀具出現(xiàn)輕微磨損，由于刀具承受的切削熱和切削力負荷小，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。

　　

　　通過提高進給量，在鉆削長度達到lf=9m后，刀具外圓處的刀尖已顯示出較劇烈的磨損，使試驗不得不因此中斷。此外，提高進給量對切屑形狀也有影響。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夾在刀具與工件之間，引起刀具破損。

　　

　　從工業(yè)上的實際使用效果來看，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，尤其是如果提高進給量，則刀具會過快磨損。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現(xiàn)進給量的提高。當HP-單刃深孔鉆的進給量變化時，可以看出，測量值隨著進給量的提高而增大，幾乎是呈線性關(guān)系。當進給量f=0.34mm時，進給力Ff=950N，扭矩Mb=4.3Nm；在f=0.36mm時，刀具由于扭轉(zhuǎn)載荷過大而發(fā)生破損。

　　

　　除了切削力載荷，切屑形狀對于深孔鉆削過程具有重要意義。使用HP-單刃深孔鉆，在進給量f=0.04mm時，形成了合適長度的斜螺旋切屑，沒有出現(xiàn)不利的帶狀切屑段。當進給量提高到f=0.1mm時，出現(xiàn)了單個切屑卷，這同樣是適合從孔內(nèi)順暢排出的切屑類型和形狀。將進給量進一步提高到f=0.2mm時，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。當把進給量進一步提高到f=0.3mm時，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)上述機械載荷和切屑形狀的試驗結(jié)果，在用HP-單刃深孔鉆和麻花深孔鉆進行刀具壽命試驗研究時，采用的進給量為f=0.2mm。機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，進給力和扭矩的測量值也隨之增大。

　　

　　按預定刀具壽命，進給量可提高10倍

　　

　　測量結(jié)果顯示，在30m的鉆削長度內(nèi)，無論是麻花深孔鉆，還是單刃深孔鉆，其進給力Ff都沒有明顯提高。這一結(jié)果對于HP-單刃深孔鉆尤其值得注意。因為普通的單刃深孔鉆在進給量f=0.02mm時，也可達到30m的鉆削長度，提高進給量，則會導致普通單刃深孔鉆磨損加快，以至于在達到預定壽命指標前不得不終止試驗（只達到了9m的孔深）。然而，HP-單刃深孔鉆在此采用了高出10倍的進給量，即f=0.2mm，仍然達到了預定的壽命指標。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，可從進給力的測量值中得到解釋。麻花深孔鉆的進給力平均值Ff≈811N，而HP-單刃深孔鉆的平均進給力Ff≈685N。這是因為，麻花深孔鉆對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，導致進給力升高。HP-單刃深孔鉆沒有橫刃，所以進給力相對較小。

　　

　　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。

　　

　　在同樣的進給量條件下，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。在可比較的進給量條件下，使用麻花深孔鉆加工出的孔圓度相對較差。但所有測量值均處于較好水平。

　　

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

　　

　　值得注意的是，HP-單刃深孔鉆的偏心誤差處于相對較高的水平。為了減少偏心誤差，對刀具和加工工藝進行了改進。對改進后的刀具進行試驗，結(jié)果顯示，偏心誤差有所減小。此外，還減小了鉆孔進給量。在這樣的進給量下測得的偏心誤差表明，通過對刀具和加工工藝進行改進，使偏心誤差明顯減小。應(yīng)用HP-單刃深孔鉆時，對于較高的進給量，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。

　　

　　結(jié)論

　　

　　對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。相對于普通的單刃深孔鉆，在刀具壽命相當?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。