国内外孔加工刀具发展概况研究(1)
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孔加工在金属切削加工中占有重要地位,近些年来,随着中、小批量生产越来越要求生产的高效率、自动化以及加工中心的飞跃发展与普及,也促进了孔加工刀具技术有所发展。

0.概述

孔加工在金属切削加工中占有重要地位,一般约占机械加工量的1/3。其中钻孔约占22%~25%,其余孔加工约占11%~13%。我国1990年孔加工刀具的产量约占刀具产品总产量的71.38%,产值约占刀具产品总产值的45.52%。由于孔加工条件苛刻的缘故,孔加工刀具的技术发展要比车、铣类刀具迟缓一些,许多机械加工部门至今仍采用高速钢麻花钻。近些年来,随着中、小批量生产越来越要求生产的高效率、自动化以及加工中心的飞跃发展与普及,也促进了孔加工刀具技术有所发展。
'86中国七类刀具内部构成'85日本七类刀具内部构成
图1中日七类刀具产值内部构成

1.高速钢孔加工刀具

高速钢孔加工刀具仍是孔加工刀具中的主要部分。据原民主德国85年的统计资料,高速钢钻镗削刀具的产值占所有钻镗削刀具产值的79.8%,而硬质合金钻镗削刀具占20%,陶瓷刀具和超硬材料刀具各占0.1%。

图2日本高速钢刀具产值图示

1.1高速钢麻花钻
高速钢麻花钻至今仍是金属切削刀具中使用量最大的刀具之一。例如,在德国机械加工中每年约消耗5000万支麻花钻,这些麻花钻的直径绝大部分为φ6~14mm。而我国的高速钢麻花钻年产量已达到3亿支,年产值约占刀具产品年总产值的36%。
高速钢麻花钻在生产中已应用了几十年,其基本形状没有改变。麻花钻在钻削过程中存在的问题是:主切削刃上各点处前角值相差十分悬殊;横刃长,轴向力大;钻头各处切削速度不同;刃带后角为零与孔壁产生摩擦,加快磨损等。为此,必须针对这些问题改进,但彻底消除是困难的。从目前情况看,主要改进有:
1.1.1加大螺旋角
为了能适应被切削材料的特性和高效率生产线的节拍,一些新设计的麻花钻选用较高的切削速度(40~50m/min)。加大螺旋角的抛物线型麻花钻(美国Bendix称为抛物线钻,英国Dormer称为螺杆式钻头,德国Guehring称为GT钻,我国上海工具厂、江西量具刃具厂等也称为抛物线钻)正是适应了这样的需要。其主要特性是:
(1)大螺旋角(通常为35~45°)及大顶角,从而增大了钻头前角,使其切削锋利;
(2)大容屑空间,使其出屑流畅;
(3)较大的钻头芯厚,使其刚性增强;
(4)采用“十”字刃磨法或“S”型刃磨法修磨横刃,使其横刃缩短,定心及钻芯处前角得到改善,切削轻快,轴向力小,可一次进刀加工出相当深度的孔,提高了工作效率,它比传统钻头具有显著的优越性。
Guehring的GT钻分为GT50、GT100两种,其中GT50用于钻削能形成长切屑的软材料,如铝、铝合金、锌、铜、木材等;而GT100则用于钻削硬度在31HRC以下的钢材及铸铁。
1.1.2改善横刃工作条件
由于麻花钻横刃处轴向力很大,改善横刃工作条件受到各方面的普遍重视。改善的方法主要有两种:
  • 重视改进刃磨法
    钻尖刃磨类型主要有六种即普通刃磨法、螺旋刃磨法、综合刃磨法、三重面刃磨法、十字刃磨法和圆弧刃磨法。实验证明:螺旋刃磨法位置精度好,十字刃磨适用于较深孔加工,圆弧法易定心。最有发展前途的是十字和圆弧刃磨法。十字刃磨法缩短横刃,减少轴向力,近来在欧美、日本很流行。刃磨过程必须保持两个切削刃的对称性。经试验表明十字刃磨法比普通刃磨法钻头寿命提高一倍,轴向力减少30%~60%,扭矩减少13%~30%,排屑顺利,但需加厚钻芯厚度。
    钻头钻尖的外缘刃带处磨损快,将使锋利的刃口在刀具磨损前的相当一段时间里变成圆弧形,为此发展起圆弧刃磨法。圆弧形钻尖切削图形加长,散热条件好,使得钻头寿命提高;另外修磨了横刃,前角分布合理;钻通孔时很少产生毛刺,飞边现象。关键是刃磨圆弧要求对称,可用手及样板控制圆弧,而美国INGERSOLL圆弧形钻尖刃磨机床已研制成功,这对发展圆弧形钻尖有促进作用。

    图3 DIN1412的五种特殊钻尖修磨方法
    DIN1412列出了五种特殊的钻尖修磨方法,其中A型称为横刃修薄型,B型称为带切削刃修磨的横刃修薄型,C型称为分割钻尖型,D型为切铸铁的双锋角型,而E型为钉形钻尖。
    我国北京航空航天大学根据圆锥面刃磨原理设计了一种型号为CNC-7DGA的七坐标数控钻尖刃磨机,在一次装夹一个循环中就可完成磨外刃后面、磨圆弧刃、修磨横刃和磨单边分屑槽等多个步骤,对提高钻尖刃磨的水平,保证钻尖刃磨的质量将有促进作用。
  • 选择合理的横刃修磨法
    为克服横刃处负前角等恶劣的切削条件,减少轴向力,常用修磨横刃的方法来加以解决。现在常用的修磨横刃有S、N、W、X、S-X五种。S型修掉2/3横刃,减少轴向力,切屑向上排出。N型适于较薄的钻芯,目的使切屑向上排出。W型(即DIN1412中的B型)沿全沟进行芯厚减薄,切削性能和对中性较好,刚性则较差。X型(即DIN1412中的C型)横刃全修掉,是轴向力减少最多的一种。S-X型刀尖强度好,切屑易排出,可使加工效率及加工精度有所改善。
    SNWXS-X
    图4常用的修磨横刃形式
1.1.3改善冷却条件
在改善高速钢麻花钻冷却条件方面,除了加大容屑槽使切削液能更顺利地进入切削区外,使用油孔钻成为一个有力的工具。
例如,大螺旋角油孔麻花钻最近被广泛用于数控加工中心。为使其性能在使用中得到充分发挥,美国Cleveland麻花钻公司近来对油孔麻花钻与普通麻花钻做了大量对比试验,还研究了大进给量与钻头使用寿命及所有切削成本之间的关系。研究结果表明,大螺旋角油孔麻花钻每孔降低的成本可超过32%。与普通麻花钻相比,它能极大地提高生产率,因而极大地降低了生产成本。而总的成本下降量取决于选择作为进给量函数的刀具寿命。德国Guehring公司用普通高速钢和钴高速钢生产油孔麻花钻,槽形有普通型和GT100型(大螺旋角)等15种,普通型的规格为φ10~50.8mm,GT100型的规格为φ11~35mm,而总规格达到1216种。法国Forecreu公司采用现代化工艺方法(锻、轧、拉拔、扭转、磨削和热处理等)制造这种获得专利权的带孔圆钢,实现了以工业规模生产带一个或几个螺旋通孔或直线通孔的圆棒高速钢材,为制造油孔钻头提供了半成品。该公司产品的规格为棒料直径φ2.2~65mm,棒料长度8m。
1.1.4其它方面
  1. 圆弧形切削刃钻头
    Tap&Die公司推出获得专利权的的EX-Gold圆弧切削刃钻头,其设计独特,切削刃为圆弧形切削刃,钻头后面采用三重面刃磨法,具有很好的切削性能和断屑性能。它在加工中不需要退出钻头就可直接排屑;在精切时精度高,使用寿命长。美国一家飞机制造厂需在一个硬度38~40HRC的4340钢(大致相当于40Mo)制造的零件上钻削180个φ13.5mm的高精度孔,以前采用钴高速钢钻头来加工,为了保证质量和孔的精度,每钻一孔须退出钻头4~5次,生产效率不高,仍出现孔径超差的问题,而且换刀频繁(每把钻头只能钻30~50个孔),增加了辅助时间,影响了使用者的效益。为了克服这主要加工障碍,该飞机制造厂选用EX-Gold钻头对上述材料进行孔的精加工后,解决了上述钴高速钢钻头所产生的问题,生产效率得到提高,减少了加工成本。经多个用户使用,表明这种新结构钻头是精孔加工的高效钻削工具。
  2. 双刃带钻头
    减少刃带处摩擦,发展成双刃带钻头,在第一棱边处磨有付后角,减少摩擦、磨损,避免烧伤,提高寿命和精度。
  3. 缩短长度,提高刚性
    NC机床要求高效率,必然要求钻头高刚性,因而出现缩短钻头长度,加大截面积的短钻头,世界各国相继列入标准,如德国标准DIN1897等。

1.2中心钻
众所周知,中心孔是保证轴类零件加工精度的基准孔。因为中心孔的60°锥面既是加工时的定位基准,又是以后维修时的基准,因而中心孔是否合适是决定轴类零件加工质量的关键,可见中心孔的加工非常重要。近年来随着机械工业的迅猛发展,对轴类零件中心孔的要求愈来愈高,如在高精度机床上加工出来的零件,其圆度、同轴度要求在1~2µm范围内,在超精密机床上加工则要求达到0.2~0.5µm。总之,根据轴类零件的加工要求,中心孔必须达到一定的加工精度和表面粗糙度,60°锥面应具有一定的宽度,不能有振纹、毛刺与啃刀等缺陷。中心孔的加工要用到中心钻。我国生产的中心钻主要有三种类型:A型──不带保护锥;B型──带保护锥和R型──圆弧型,全国年产量达数百万支,使用面广量大,其中主要是A型和B型两种。
1.2.1普通中心钻结构上存在的不足目前生产中普遍采用的中心钻在结构上存在一些问题,主要是:
  1. 中心钻的钻孔部分比较长,通常由于加工时切削速度比较低(v<10m/min),再加上手动进给不均匀及轴的端面不平整等原因,此部分常易折断。
  2. 用中心钻加工出来的中心孔60°锥面部分宽窄不一,太窄时锥面与顶尖的接触面积小,当切削力较大时会使工件从顶尖孔中滑出,轻则使刀具工件损坏,重则会造成机床或人身事故;而太宽时则容易使工件外形加工成多棱形,表面上产生振纹,增大了加工表面粗糙度,影响到轴类零件的加工精度(如径向跳动、圆度、锥度与同轴度等)。此外,由于中心孔60°锥面的宽窄不一,会造成所加工的一批零件的轴向尺寸长短不一。
  3. 通常标准中心钻的钻孔部分均留有一定的重磨余量(约0.4~0.6mm),而在生产现场大多数情况下此部分尚未经刃磨即已经折断。为此,有人在使用新中心钻以前即事先将钻孔部分适当磨短后再用。但这也会出现问题,因为如磨得太短,就容易使机床上的顶尖尖端直接碰到中心孔的底部,使顶尖与中心孔的锥面接触不良而导致工件不能正确地定位,使加工出来的轴类零件产生不圆度误差。如将顶尖的尖端部分磨平若干,虽有一些效果,但这样做很不合理,也不符合工艺要求。一般认为,根据零件加工精度的要求,用φ2~3.15mm的中心钻钻孔时,60°锥面宽度以1.5~2.5mm左右较宜。由上可知,普通的标准中心钻由于结构上具有一些不足,再加上使用不当,往往在加工时会影响到中心钻的使用寿命、零件的加工质量、加工效率和加工成本。因此
近年来国内外通过科学分析与试验研究,通过改进中心钻的结构来提高其切削性能,提高其使用寿命,改善加工质量。为此发展了若干种新型中心钻,并在应用中取得了良好的效果。
1.2.2圆弧刃中心钻
根据普通标准中心钻,特别是小型中心钻的钻孔部分往往太长,当加工较硬或较韧的材料时很易折断的结构特点,圆弧刃中心钻适当减短标准中心钻的圆柱形钻孔部分长度,而适当加大其直径,即可提高中心钻的强度。但圆弧刃中心钻钻出的孔不是圆锥形而是圆弧形,因而它与机床顶尖的接触部分为一个圆或窄的锥圆形带,在轴类零件加工时可提高工件外圆的圆度。当然,圆弧刃中心钻的制造要比较麻烦些。
1.2.3螺旋槽中心钻
我国所用的中心钻,容屑槽形状都是直槽结构。这种结构虽然制造方便,但其切削性能并不理想,切屑不易自动排出,刀具使用寿命低。螺旋槽中心钻就可克服这些缺点。国外如美国、德国等工具制造厂均能生产直槽与螺旋槽中心钻,而且制定了标准。对比试验表明,采用螺旋槽中心钻加工时切削轻快,得到银白色带状连续切屑,刀纹清晰,被加工孔壁光亮,刀刃上无崩刃和明显的磨损,在几乎相同的切削条件下,螺旋槽中心钻的耐用度比直槽中心钻提高了4倍之多。

图5 带球形部中心钻及其中心孔

1.2.4带球形部中心钻带球形部中心钻是国外的改进结构。其中心钻头部由圆柱形钻孔部、球形部与锥部等三部分组成。其特点是:
  1. 圆柱形钻孔部分长度l比普通标准中心钻要短一些,因而具有较高的强度与刚性。
  2. 该中心钻由于增加了一个扩孔部分,一方面钻出的中心孔锥面宽度较窄,比较合理。特别对精度要求高的轴加工,用标准中心钻加工出中心孔后,还要进行一次扩孔才能达到工艺要求,而用带球形部中心钻钻孔时就不再需要增加这道工序。另一方面,采用此种中心钻时其扩孔长度能保证中心孔顶尖的深度尺寸。
  3. 用普通标准中心钻加工出来的中心孔由于孔浅、锥面宽,淬硬后中心孔常常难以磨削加工,而带球形部中心孔锥面较窄,改善了中心孔的接触状况。
  4. 带球形部中心孔由于空间大便于储存润滑油,保证60°锥面得到充分的润滑,以减少摩擦与热量。与标准中心钻相比,有利于提高轴类零件的加工精度。

1.3高速钢铰刀
1.3.1高速钢铰刀主要问题
高速钢铰刀在铰孔过程中往往会产生各种各样的误差:如在尺寸与形位方面的误差,铰出的孔会有扩张或收缩现象,存在喇叭口、多棱形孔,加工表面粗糙度大,有波度等等。经分析,造成上述现象的原因大致如下:
  1. 直槽铰刀的刀齿并未严格地控制在一个圆周上,铰削过程中刀齿上的负荷有周期性变化,切削深度均匀性不一致,在铰削过程中产生颤振,使铰出的孔表面粗糙度变差,而且可能呈多棱形甚至引起“啃刀”等等。
  2. 制造铰刀时刀齿上存在径向跳动。
  3. 铰刀在使用一段时间后刀齿磨损,造成刀齿不等高现象。
  4. 被加工基体材料不均匀,硬度不一致。上道工序所形成孔的质量不高。

1.3.2高速钢铰刀主要改进
1.3.2.1增大容屑空间
由于铰孔属于封闭式切削,为了避免切屑堵塞,保证加工孔的表面质量,在铰刀刀齿具有足够强度的前提下,必须要有充分的容屑空间。增大铰刀容屑空间的措施有:
  1. 适当减小铰削余量。
  2. 适当增大容屑槽深度。
  3. 采用折线形或曲线形齿背。
  4. 适当减少铰刀的齿数。如有的工厂曾将标准铰刀的切削部分前端间隔地磨掉一齿,以增大容屑空间,改善了冷却条件。在后端留有1/4的刀齿长度作为修光、校准与导向之用。这祥在加工钢和铸件深孔时可较大幅度地减小加工表面粗糙度并提高铰刀的耐用度。

1.3.2.2采用不等齿距
普通铰刀来用等齿距分布制造简单,但只能满足一般加工精度的要求。在铰孔时刀齿如遇到加工材料中硬的质点时,切削力骤增,铰刀会失去平衡而发生振动,在孔壁上压出纵向凹痕。如果采用等齿距分布,每个刀齿遇到硬质点,在原处重复地产生纵向凹痕,使凹痕加深,会使孔壁表面粗糙,甚至成为椭圆形或多棱形。为了提高加工表面质量,可采用不等齿距分布。通常,为了便于制造和测量,采用对顶齿间角相等的不等齿距分布。国外曾推荐一种不等齿距铰刀,如齿数为6的,按45°、60°与75°不等分距加工,使铰削过程中每个刀齿不会重复切入前一刀齿的切痕,因此所加工孔的精度可达H5,圆度误差可小到1~3µm,并可减小表面粗糙度,甚至可以代替内孔磨削,因此适合于加工阀门的导向孔,喷射泵的汽缸孔等。
1.3.2.3研制螺旋铰刀
普通铰刀铰出的孔圆度误差大,铰削过程不平稳,易产生振动,特别在锥孔铰削时常会产生高频振动,影响到铰孔质量。因此国内外纷纷研制发展螺旋铰刀。螺旋铰刀是将普通铰刀的直齿形改进为螺旋齿形,其优点是切削连续,工作过程平稳,可大大改善铰刀的切削性能。采用螺旋铰刀,形成斜角切削,可使切屑顺利排出,铰刀的强度和刚性得到提高,不容易产生崩刃和振动;实际工作前角大,刃口锋利,可避免韧性材料粘结和出现拉毛现象,从而减小了孔壁的表面粗糙度。请参见:国内外孔加工刀具发展概况研究(2)
本文作者:杨晓
上载于:2004-3-9 20:55:09

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