铝合金加工用变导程钻头的优化
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研究发现,变导程钻头能够有效改善铝合金材料在切削钻削中出现的粘刀、排屑难、易断刀等现象,但并没有找出适合加工铝合金材料的变导程钻头设计参数.改变变导程钻头的螺旋角参数及螺旋角渐变的位置,做进一步的对比试验,找出加工铝合金材料的变导程钻头参数选取的一般规律,为以后铝合金加工用变导程钻头的参数设计奠定基础。
铝合金材料的使用非常广泛,但铝合金材料在孔加工中常会出现以下问题:①断屑较难,产生积屑瘤严重;②孔的表面粗糙度大;③钻削深孔时,排屑较难,易导致断刀。研究分析传统麻花钻的钻削过程发现,恒导程麻花钻由于其固有的结构形状,使得靠近主切削刃区域的切屑的形成和排除混在一起,导致切屑的排出变得不可控制。切屑是沿着螺旋槽排出的,在钻头的主切削刃区域和主切屑刃以外的区域的螺旋角必须不相同才能达到以上的目的。因此,有人探索性地提出了使用变导程钻头来加工铝合金材料,并通过试验证明了采用变导程钻头能够有效改善恒导程钻头钻削时引起的各种加工问题。在此基础上通过改变变导程钻头的螺旋角参数及螺旋角渐变的位置,做进一步的对比试验,找出加工铝合金材料的变导程钻头参数选取的一般规律,为铝合金加工用变导程钻头的参数设计提供借鉴。

1 早期监控系统

通过改变变导程钻头的参数,做进一步的对比试验,找出加工铝合金材料的变导程钻头参数选取的一般规律。

1.1 试验刀具及材料

刀具材料选用具有较高硬度和较好耐磨性、较高热稳定性和化学稳定性的WC-Co类硬质合金,主要参数见表1,刀具实物对比见图1。
表1 刀具参数表
刀具参数1号刀2号刀3号刀4号刀
刀具直径6mm
锋角(顶角)135°
第一后角12°
第二后角30°
横刃长度0.15mm
横刃斜角52°
螺旋槽总长58mm
螺旋槽一长58mm4mm2mm
螺旋槽二长54mm56mm
螺旋角一10°
螺旋角二长25°40°
刃带宽度0.5mm
钻芯厚1.5mm
图1 不同导程的钻头对比(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
试验材料选用综合力学性能优良的硬铝合金材料7075T6,经固溶处理强化后,在自然时效的状态下具有较高的塑性、韧性及抗拉强度,在人工时效处理状态下,具有较高的屈服强度,其综合机械性能和抗高温蠕变能力优良,高温软化倾向小。

1.2 切削参数、试验结果及分析

在保证安全生产的前提下,加冷却液,钻深30mm。切削参数为:转速4800r/min,进给量0.1mm/r,切削速度85m/min。
每把钻头在同一切削参数下各钻5个孔,分别记录每个孔钻削时的切削力和扭矩(见图2和图3)。
图2 切削力折线图(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图3 扭矩折线图(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

从图中可以看出,三把变导程钻头的切削力及扭矩值变化趋势较恒导程钻头平稳。1号刀随着钻孔数的增多,切削力和扭矩增大趋势非常明显。这是由于随着钻孔个数的增加,钻头螺旋槽表面粘屑状况越来越严重,排屑越来越困难,切屑对孔壁的摩擦越来越大;2号钻头的切削力和扭矩值总体最小;3号、4号变导程钻头的切削力和扭矩值总体偏高。由于3号、4号刀距离钻尖处2mm内为10°螺旋角,没有足够的空间来容纳初始切屑的挤压变形,使得初始切屑保持较低挤压速度的时间过短,对切屑产生一定的挤压,导致切屑的排出状况不如2号钻头好。4号变导程钻头后面螺旋槽的螺旋角渐变到40°,使后续的排屑路径增加较大,轴向力与扭矩急剧增加。经对比可知,2号变导程钻头在该切削参数下的切削效果最佳。
(a)
(b)

图4 钻头螺旋槽表面粘屑情况对比(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图4为四把钻头在相同切削参数下、钻削相同孔数后螺旋槽表面粘屑情况的对比图。
由图可知,在施加切削液后,冷却液对1号恒导程钻头进行了有效的冷却润滑,因此1号钻头的粘屑现象发生在8mm以内,比干切削的情况好;由于距离钻尖处2mm内为10°螺旋角,没有足够的空间来容纳初始切屑,使得初始切屑保持较低挤压速度的时间过短,对切屑产生一定的挤压,3号变导程钻头的切屑排出状况不如2号钻头好;4号钻头距钻尖2mm内亦为10°螺旋角,因此也会发生和3号钻头相同的状况,但4号钻头后续螺旋角渐变到40°,增大了排屑路径,且外冷切削液不易进入切削区域,导致8mm之后的螺旋槽粘屑情况反而更加严重。经对比可知,2号钻头的螺旋槽表面粘屑情况较好。
四把刀具钻削孔的表面质量对比和孔加工表面粗糙度值分别见图5和图6。
图5 孔的表面质量对比(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图6 孔的表面粗糙度值对比(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

由图可知,在使用冷却液条件下,2号变导程钻头的孔加工表面粗糙度值较低,孔的表面质量好;由于冷却液无法进入到切削部位,3号、4号钻头加工孔的表面粗糙度值较高;4号钻头距离钻尖2mm之后的螺旋角变为40°,冷却液更不易进入切削部位,所以4号钻头的孔加工表面质量较差。综上所述,2号变导程钻头的孔加工表面质量最好。

小结

通过四把钻头的对比试验可知,2号变导程钻头的切削效果最好,说明螺旋角的变化幅度不能过大。通过研究变导程钻头在钻削铝合金过程中对粘屑、排屑、切削力、扭矩及孔加工质量的影响,找出适合铝合金加工用变导程钻头的参数选取的一般规律,为变导程钻头的参数设计奠定了基础。
本文作者:大连工业大学 刘澍彬 张伟 李铸宇 王彬杰
原载:《工具技术》2017年第5期
上载于:2017-8-29 16:36:28

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