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1 麻花鉆的特點及鉆削試驗條件
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)律較為復雜，若簡單沿用有關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準)，則一方面因缺乏對鉆刃磨損規(guī)律全面的理論闡述與試驗依據(jù)，另一方面難以在實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。尤其在自動加工環(huán)境下采用多種尺寸規(guī)格的鉆頭同時加工，耐用度標準執(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，采用強制換刀的壽命管理更為簡便合理。為此，本文選用鉆削加工應用較多的汽車用調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，并在自動鉆削用量的常用范圍進行鉆削試驗，試圖通過分析鉆刃不同區(qū)域的磨損圖形及其隨鉆削速度的變化趨勢來揭示麻花鉆的整體磨損規(guī)律，進而研究鉆削速度對鉆頭切削壽命的影響。試驗條件見表1。
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表1 鉆削試驗條件 |
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鉆床 |
Z532無級變速鉆床 |
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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 |
三向檢測夾頭，DIMILANO119966磨損檢測儀 |
2 鉆刃磨損的圖形特征
磨損帶形狀特征及隨切削時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，在DIMILANO119966檢測儀上用一個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)清晰地顯示在一個視圖上，再測量繪制出磨損圖形或直接拍照成像。圖1為試驗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。試驗表明，無論鉆頭轉(zhuǎn)速高低或在磨損過程的任意時刻，轉(zhuǎn)角磨損帶寬度值最大且擴展速率最快的這種圖形特征總是保持不變。更重要的是，當轉(zhuǎn)速較高時，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，這是因為沿刀刃徑向的切削速度梯度增大，鉆頭外緣的溫度和摩擦速度急劇增加，熱磨損(氧化、擴散磨損)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，并受鉆削速度的影響。在改變鉆頭轉(zhuǎn)速n的鉆削試驗中，測量不能正常鉆削時鉆頭的轉(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n=1125r/min時，測得VBc=0.90mm時的鉆頭仍能正常切削；而同樣的鉆頭以n=600rpm鉆削時，當VBc=0.76mm時就已磨鈍失效，無法繼續(xù)鉆削。與之相比，轉(zhuǎn)速變化對主刀刃及橫刃磨損區(qū)的影響卻相反。轉(zhuǎn)速較低時，鉆頭磨鈍失效所對應的VB值較大；轉(zhuǎn)速較高時，鉆頭失效對應的VB值卻變小，但兩者的差別不大。因此，鉆削速度的提高對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)角兩個磨損區(qū)都影響鉆頭的整體切削性能，而轉(zhuǎn)速較高時則以轉(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VBc值作為鉆頭的磨鈍標準也是沒有意義的。
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表2 鉆削速度對兩磨損帶寬度之比(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的關系
如前所述，切削理論常把鉆頭作為一種復雜刀具，要求保證較大的耐用度，并對轉(zhuǎn)角磨損量提出一定的限制作為磨鈍標準。但由于麻花鉆的磨損區(qū)域大、圖形特殊、規(guī)律較為復雜，使有關磨鈍標準的執(zhí)行及耐用度與鉆削速度關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)時的總鉆削時間作為鉆頭的切削壽命，在自動生產(chǎn)線上則多以最大可鉆孔個數(shù)標示鉆頭的切削性能，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，研究鉆削速度對鉆孔個數(shù)和鉆頭切削壽命的影響，結(jié)果見圖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)回歸分析速度對鉆頭切削壽命的影響，結(jié)果表明，在對數(shù)坐標上的線性度并不顯著，說明不同的速度范圍對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，應使鉆頭工作在對切削壽命影響相對較小的速度范圍，同時能夠獲得較高的加工效率，而通過鉆孔個數(shù)試驗可方便地解決這個問題。由圖3b可知，當轉(zhuǎn)速由600r/min增至900r/min，鉆孔數(shù)由117個減為109個，減幅僅為7%，而切削效率提高了50%。當轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高，鉆孔個數(shù)則急劇減少，至轉(zhuǎn)速為1350r/min時只能鉆5個孔。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。此時兩個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)對麻花鉆切削壽命和鉆孔個數(shù)的影響 |
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4.結(jié)論
1. 麻花鉆有兩個磨損圖形特征和磨損機理不同的磨損區(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)切削與兩個磨損區(qū)均有關系，鉆削速度對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)角磨損的磨鈍標準是沒有實際意義的；
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使VBc/VB取值較小并獲得較多的鉆孔個數(shù)。
