空心鉆頭原理

 專(zhuān)用空心鉆頭的設(shè)計(jì)對(duì)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(fù)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(shè)備功率受到限制時(shí)才使用。由于空心鉆頭沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)定型產(chǎn)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(guān)行業(yè)曾為用戶(hù)研制一種用于加工難加工材料的專(zhuān)用空心鉆頭。被加工材料代號(hào)U-Mn，主要化學(xué)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(qiáng)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(jī)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(guò)程中，通過(guò)反復(fù)調(diào)整鉆頭的設(shè)計(jì)參數(shù)，并進(jìn)行鉆孔試驗(yàn)，*后確定鉆幾何參數(shù)為：前角g=12°，后角a= 9°，副后角a1 = 3°。

下面就空心鉆頭的設(shè)計(jì)對(duì)切削性能的影響作一簡(jiǎn)要分析。

1 前角變化對(duì)鉆頭切削性能的影響

1) 前角對(duì)切削力的影響

    前角的變化會(huì)影響切屑材料的變形程度，從而使切削力發(fā)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(dāng)前角在0°～15°范圍內(nèi)變化時(shí)，切削力修正系數(shù)的變化范圍為1.18～1。

2) 前角對(duì)鉆頭耐用度的影響

增大鉆頭前角時(shí)，會(huì)使刀尖強(qiáng)度和散熱體積減小，同時(shí)會(huì)影響刀尖受力情況。當(dāng)前角為正值時(shí)，刀尖受拉應(yīng)力；當(dāng)前角為負(fù)值時(shí)，刀尖受壓應(yīng)力。如選用的前角過(guò)大，雖可增加鉆頭鋒利度，減小切削力，但刀尖所受拉應(yīng)力較大，刀尖強(qiáng)度降低，容易折斷。在切削試驗(yàn)中許多鉆頭均因前角過(guò)大而損壞。但是，由于被加工材料硬度和強(qiáng)度較高，加之便攜式鉆機(jī)的主軸及整機(jī)剛性較低，如選用的前角過(guò)小，鉆孔時(shí)切削力的增大會(huì)使主軸產(chǎn)生振動(dòng)，加工表面出現(xiàn)明顯振紋，鉆頭耐用度也會(huì)降低。

2 后角變化對(duì)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(guò)大，則會(huì)降低刀刃強(qiáng)度和散熱能力。

       后角的大小直接影響鉆頭耐用度。在鉆孔過(guò)程中，鉆頭的主要磨損形式為機(jī)械擦傷和相變磨損?？紤]機(jī)械擦傷磨損，當(dāng)切削壽命一定時(shí)，后角越大，可用切削時(shí)間越長(zhǎng)；考慮相變磨損，后角增大會(huì)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(chǎn)生的熱量會(huì)逐漸增加，使鉆頭溫度升高，當(dāng)溫度升高到鉆頭相變溫度后，鉆頭將出現(xiàn)快速磨損。

3 鉆頭設(shè)計(jì)對(duì)刃磨加工的影響

         空心鉆頭用量較少，加工批量小，因此設(shè)計(jì)鉆頭時(shí)應(yīng)考慮其加工工藝問(wèn)題，盡量以常用機(jī)加工設(shè)備和常用刀具實(shí)現(xiàn)加工及刃磨。

        切屑經(jīng)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(guò)程中受到前刀面擠壓和摩擦，進(jìn)一步產(chǎn)生變形。切屑底層金屬變形程度*大，并沿前刀面產(chǎn)生滑移，使切屑底層長(zhǎng)度較長(zhǎng)，從而形成各種卷曲形狀。使用空心鉆頭鉆孔時(shí)，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(shè)計(jì)為平面，且不開(kāi)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(lái)實(shí)現(xiàn)。

         副后刀面分為內(nèi)副后刀面和外副后刀面。從重磨角度來(lái)說(shuō)，重磨內(nèi)、外副后刀面不易實(shí)現(xiàn)，因此副后刀面應(yīng)設(shè)計(jì)為不重磨形式。

 

4 切削液使用及對(duì)鉆頭切削性能的影響

       空心鉆頭的主要特點(diǎn)是加工時(shí)孔的內(nèi)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(jī)功率和切削中產(chǎn)生的熱量也較小。用高速鋼空心鉆頭鉆孔時(shí)，因加工區(qū)溫度對(duì)鉆頭硬度影響很大，因此鉆孔過(guò)程中必須使用冷卻液降溫(如不用冷卻液，鉆頭磨損一開(kāi)始就將以相變磨損為主而快速磨損)。開(kāi)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(jìn)入鉆頭刀刃部分，冷卻液消耗較大，冷卻效果不理想。經(jīng)重新設(shè)計(jì)改變鉆機(jī)主軸結(jié)構(gòu)，將外部噴淋冷卻變?yōu)閮?nèi)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(dá)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(shè)計(jì)完善的空心鉆頭應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足以下幾方面要求：①便于制造，能采用普通機(jī)床和通用刀具加工；②便于重新刃磨，可利用普通砂輪機(jī)進(jìn)行刃磨；③生產(chǎn)效率高，使用壽命長(zhǎng)；④價(jià)格低廉。
研制的空心鉆頭基本上達(dá)到了以上要求。在實(shí)際使用中，鉆頭耐用度可穩(wěn)定達(dá)到50 分鐘，孔徑公差、表面粗糙度等均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。