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1 麻花鉆的特點(diǎn)及鉆削試驗(yàn)條件
麻花鉆是耗損量較大的刀具之一。半封閉的切削環(huán)境和特殊的鉆頭幾何結(jié)構(gòu)使麻花鉆的鉆削溫度高于相同切削用量條件下車削和銑削的溫度，鉆刃各處的切削速度、與切削表面間的摩擦速度沿徑向呈三角形梯度分布。受其影響，不同區(qū)域的鉆刃有不同的磨損過(guò)程和特征，并且隨鉆頭轉(zhuǎn)速或直徑的增大，這種磨損特征的差別也將加劇。顯然，麻花鉆整體鉆刃的磨損規(guī)律較為復(fù)雜，若簡(jiǎn)單沿用有關(guān)車削或銑削刀具磨損的傳統(tǒng)理論和方法處理麻花鉆的磨損問(wèn)題(如僅以轉(zhuǎn)角磨損量的大小表示鉆頭磨損程度并以此制定鉆頭的磨鈍標(biāo)準(zhǔn))，則一方面因缺乏對(duì)鉆刃磨損規(guī)律全面的理論闡述與試驗(yàn)依據(jù)，另一方面難以在實(shí)際加工中合理選擇鉆削用量而難以充分發(fā)揮鉆頭整體的切削作用。尤其在自動(dòng)加工環(huán)境下采用多種尺寸規(guī)格的鉆頭同時(shí)加工，耐用度標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行困難且意義不大。而基于鉆頭切削失效特征分析和試驗(yàn)，采用強(qiáng)制換刀的壽命管理更為簡(jiǎn)便合理。為此，本文選用鉆削加工應(yīng)用較多的汽車用調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，并在自動(dòng)鉆削用量的常用范圍進(jìn)行鉆削試驗(yàn)，試圖通過(guò)分析鉆刃不同區(qū)域的磨損圖形及其隨鉆削速度的變化趨勢(shì)來(lái)揭示麻花鉆的整體磨損規(guī)律，進(jìn)而研究鉆削速度對(duì)鉆頭切削壽命的影響。試驗(yàn)條件見(jiàn)表1。
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表1 鉆削試驗(yàn)條件 |
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鉆床 |
Z532無(wú)級(jí)變速鉆床 |
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鉆頭 |
f10高速鋼麻花鉆 |
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工件材料 |
40MnB調(diào)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼(185～220HRB，厚40mm) |
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切削液 |
乳化液，濃度5% |
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磨損檢測(cè) |
三向檢測(cè)夾頭，DIMILANO119966磨損檢測(cè)儀 |
2 鉆刃磨損的圖形特征
磨損帶形狀特征及隨切削時(shí)間和切削條件的變化規(guī)律是刀具磨損理論基本的內(nèi)容。與車、銑削刀具不同，鉆頭前錐的刀刃全部參加切削，其后刀面磨損區(qū)域很大，且三維分布于前錐面及與刃帶相交的轉(zhuǎn)角區(qū)。為便于觀測(cè)，在DIMILANO119966檢測(cè)儀上用一個(gè)特制的三向夾頭將主刀刃調(diào)平，使轉(zhuǎn)角區(qū)、主后刀面和一部分橫刃的磨損區(qū)清晰地顯示在一個(gè)視圖上，再測(cè)量繪制出磨損圖形或直接拍照成像。圖1為試驗(yàn)所得麻花鉆的典型磨損圖形，轉(zhuǎn)角磨損區(qū)呈不規(guī)則的三角形，其高(沿鉆頭的軸向)是鉆頭磨損帶的最大寬度VBc，而主刀刃及橫刃的磨損區(qū)為形狀較均勻、寬度尺寸VB較小的條形帶。試驗(yàn)表明，無(wú)論鉆頭轉(zhuǎn)速高低或在磨損過(guò)程的任意時(shí)刻，轉(zhuǎn)角磨損帶寬度值最大且擴(kuò)展速率最快的這種圖形特征總是保持不變。更重要的是，當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，轉(zhuǎn)角區(qū)及相鄰小部分主刀刃磨損區(qū)的磨損性質(zhì)與其余主刀刃和橫刃磨損區(qū)的磨損性質(zhì)有較大的差異，前者出現(xiàn)明顯的燒傷色且規(guī)則溝痕形貌的比例減少，這是因?yàn)檠氐度袕较虻那邢魉俣忍荻仍龃?，鉆頭外緣的溫度和摩擦速度急劇增加，熱磨損(氧化、擴(kuò)散磨損)成為主要的磨損形式。
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顯然，鉆頭整體的磨損程度以及能否繼續(xù)切削不僅取決于轉(zhuǎn)角磨損VBc的大小，而且與主、橫刀刃磨損VB有關(guān)，并受鉆削速度的影響。在改變鉆頭轉(zhuǎn)速n的鉆削試驗(yàn)中，測(cè)量不能正常鉆削時(shí)鉆頭的轉(zhuǎn)角磨損和主刀刃磨損，結(jié)果如圖2所示。轉(zhuǎn)速不同，鉆頭磨鈍時(shí)的轉(zhuǎn)角磨損值差異顯著，且VBc值隨轉(zhuǎn)速的提高而增大。如當(dāng)n=1125r/min時(shí)，測(cè)得VBc=0.90mm時(shí)的鉆頭仍能正常切削；而同樣的鉆頭以n=600rpm鉆削時(shí)，當(dāng)VBc=0.76mm時(shí)就已磨鈍失效，無(wú)法繼續(xù)鉆削。與之相比，轉(zhuǎn)速變化對(duì)主刀刃及橫刃磨損區(qū)的影響卻相反。轉(zhuǎn)速較低時(shí)，鉆頭磨鈍失效所對(duì)應(yīng)的VB值較大；轉(zhuǎn)速較高時(shí)，鉆頭失效對(duì)應(yīng)的VB值卻變小，但兩者的差別不大。因此，鉆削速度的提高對(duì)主刀刃及橫刃磨損特性的作用并不顯著，這正是鉆削與車削的不同之處表2列出兩個(gè)磨損區(qū)的磨損帶寬度值之比VBc／VB隨鉆削速度的變化情況。隨著鉆削速度的提高，兩磨損帶寬度的比值顯著增加，即在較低的轉(zhuǎn)速范圍，主刀刃和轉(zhuǎn)角兩個(gè)磨損區(qū)都影響鉆頭的整體切削性能，而轉(zhuǎn)速較高時(shí)則以轉(zhuǎn)角區(qū)的熱磨損為主要影響因素。因此，鉆頭的磨損圖形及其變化特性反映了不同刃區(qū)的磨損過(guò)程具有非線性的規(guī)律，僅根據(jù)VBc的大小難以完全確定鉆頭整體的磨損程度，而不考慮鉆削速度的影響規(guī)定一個(gè)VBc值作為鉆頭的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)也是沒(méi)有意義的。
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表2 鉆削速度對(duì)兩磨損帶寬度之比(VBc/VB)的影響 |
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鉆削速度V(m/nin) |
18.9 |
28.3 |
35.3 |
42.4 |
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磨損帶寬度之比VBc/VB |
2.1 |
4.9 |
6.5 |
11.0 |
3.麻花鉆的切削壽命T與鉆削速度V的關(guān)系
如前所述，切削理論常把鉆頭作為一種復(fù)雜刀具，要求保證較大的耐用度，并對(duì)轉(zhuǎn)角磨損量提出一定的限制作為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。但由于麻花鉆的磨損區(qū)域大、圖形特殊、規(guī)律較為復(fù)雜，使有關(guān)磨鈍標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行及耐用度與鉆削速度關(guān)系的研究面臨諸多困難。因而生產(chǎn)中常以鉆頭不能切削(或切削作用失效)時(shí)的總鉆削時(shí)間作為鉆頭的切削壽命，在自動(dòng)生產(chǎn)線上則多以最大可鉆孔個(gè)數(shù)標(biāo)示鉆頭的切削性能，并以此為依據(jù)管理鉆頭壽命。因此，試驗(yàn)采用相同的鉆頭以不同轉(zhuǎn)速鉆削厚度相等的鋼板，研究鉆削速度對(duì)鉆孔個(gè)數(shù)和鉆頭切削壽命的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。隨著鉆削速度的提高，鉆頭的切削壽命下降，尤以28.3～35.3m/min速度范圍內(nèi)下降幅度最大。若沿用刀具耐用度公式(泰勒公式)回歸分析速度對(duì)鉆頭切削壽命的影響，結(jié)果表明，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)上的線性度并不顯著，說(shuō)明不同的速度范圍對(duì)鉆頭壽命的影響程度有較大的差異，即鉆頭壽命具有泰勒特性的速度范圍很窄。因此，應(yīng)使鉆頭工作在對(duì)切削壽命影響相對(duì)較小的速度范圍，同時(shí)能夠獲得較高的加工效率，而通過(guò)鉆孔個(gè)數(shù)試驗(yàn)可方便地解決這個(gè)問(wèn)題。由圖3b可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速由600r/min增至900r/min，鉆孔數(shù)由117個(gè)減為109個(gè)，減幅僅為7%，而切削效率提高了50%。當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高，鉆孔個(gè)數(shù)則急劇減少，至轉(zhuǎn)速為1350r/min時(shí)只能鉆5個(gè)孔。因此從鉆頭切削性能和加工效率綜合考慮，選用轉(zhuǎn)速為900r/min較為合理。此時(shí)兩個(gè)磨損帶的寬度之比較小，約為5。
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圖3 鉆削速度(轉(zhuǎn)速)對(duì)麻花鉆切削壽命和鉆孔個(gè)數(shù)的影響 |
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4.結(jié)論
1. 麻花鉆有兩個(gè)磨損圖形特征和磨損機(jī)理不同的磨損區(qū)，隨著鉆削速度的提高，兩者的差別加大，表現(xiàn)為磨損帶寬度之比VBc/VB的顯著增加；
2. 麻花鉆能否繼續(xù)切削與兩個(gè)磨損區(qū)均有關(guān)系，鉆削速度對(duì)磨損帶的界限值有很大影響，脫離鉆削速度制定麻花鉆轉(zhuǎn)角磨損的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)是沒(méi)有實(shí)際意義的；
在鉆削速度(轉(zhuǎn)速)的不同范圍，鉆頭切削壽命受速度的影響程度不同。合理的鉆削用量選擇應(yīng)使VBc/VB取值較小并獲得較多的鉆孔個(gè)數(shù)。
