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麻花钻磨损特性的研究

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    发表于 2008-8-15 19:21:01 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
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    1 麻花钻的特点及钻削试验条件
    麻花钻是耗损量最大的刀具之一。半封闭的切削环境和特殊的钻头几何结构使麻花钻的钻削温度高于相同切削用量条件下车削和铣削的温度,钻刃各处的切削速度、与切削表面间的摩擦速度沿径向呈三角形梯度分布。受其影响,不同区域的钻刃有不同的磨损过程和特征,并且随钻头转速或直径的增大,这种磨损特征的差别也将加剧。显然,麻花钻整体钻刃的磨损规律较为复杂,若简单沿用有关车削或铣削刀具磨损的传统理论和方法处理麻花钻的磨损问题(如仅以转角磨损量的大小表示钻头磨损程度并以此制定钻头的磨钝标准),则一方面因缺乏对钻刃磨损规律全面的理论阐述与试验依据,另一方面难以在实际加工中合理选择钻削用量而难以充分发挥钻头整体的切削作用。尤其在自动加工环境下采用多种尺寸规格的钻头同时加工,耐用度标准执行困难且意义不大。而基于钻头切削失效特征分析和试验,采用强制换刀的寿命管理更为简便合理。为此,本文选用钻削加工应用较多的汽车用调质结构钢,并在自动钻削用量的常用范围进行钻削试验,试图通过分析钻刃不同区域的磨损图形及其随钻削速度的变化趋势来揭示麻花钻的整体磨损规律,进而研究钻削速度对钻头切削寿命的影响。试验条件见表1。
    表1 钻削试验条件
    钻床
    Z532无级变速钻床
    钻头
    f10高速钢麻花钻
    工件材料
    40MnB调质合金结构钢(185~220HRB,厚40mm)
    切削液
    乳化液,浓度5%
    磨损检测
    三向检测夹头,DIMILANO119966磨损检测仪
    2 钻刃磨损的图形特征
    磨损带形状特征及随切削时间和切削条件的变化规律是刀具磨损理论最基本的内容。与车、铣削刀具不同,钻头前锥的刀刃全部参加切削,其后刀面磨损区域很大,且三维分布于前锥面及与刃带相交的转角区。为便于观测,在DIMILANO119966检测仪上用一个特制的三向夹头将主刀刃调平,使转角区、主后刀面和一部分横刃的磨损区清晰地显示在一个视图上,再测量绘制出磨损图形或直接拍照成像。图1为试验所得麻花钻的典型磨损图形,转角磨损区呈不规则的三角形,其高(沿钻头的轴向)是钻头磨损带的最大宽度VBc,而主刀刃及横刃的磨损区为形状较均匀、宽度尺寸VB较小的条形带。试验表明,无论钻头转速高低或在磨损过程的任意时刻,转角磨损带宽度值最大且扩展速率最快的这种图形特征总是保持不变。更重要的是,当转速较高时,转角区及相邻小部分主刀刃磨损区的磨损性质与其余主刀刃和横刃磨损区的磨损性质有较大的差异,前者出现明显的烧伤色且规则沟痕形貌的比例减少,这是因为沿刀刃径向的切削速度梯度增大,钻头外缘的温度和摩擦速度急剧增加,热磨损(氧化、扩散磨损)成为主要的磨损形式。

                                   
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    图1 麻花钻后刀面的磨损图形

                                   
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    图2 钻头转速对转角磨损VBc和主刀刃磨损VB的不同影响
    显然,钻头整体的磨损程度以及能否继续切削不仅取决于转角磨损VBc的大小,而且与主、横刀刃磨损VB有关,并受钻削速度的影响。在改变钻头转速n的钻削试验中,测量不能正常钻削时钻头的转角磨损和主刀刃磨损,结果如图2所示。转速不同,钻头磨钝时的转角磨损值差异显著,且VBc值随转速的提高而增大。如当n=1125r/min时,测得VBc=0.90mm时的钻头仍能正常切削;而同样的钻头以n=600rpm钻削时,当VBc=0.76mm时就已磨钝失效,无法继续钻削。与之相比,转速变化对主刀刃及横刃磨损区的影响却相反。转速较低时,钻头磨钝失效所对应的VB值较大;转速较高时,钻头失效对应的VB值却变小,但两者的差别不大。因此,钻削速度的提高对主刀刃及横刃磨损特性的作用并不显著,这正是钻削与车削的不同之处。
    表2列出两个磨损区的磨损带宽度值之比VBc/VB随钻削速度的变化情况。随着钻削速度的提高,两磨损带宽度的比值显著增加,即在较低的转速范围,主刀刃和转角两个磨损区都影响钻头的整体切削性能,而转速较高时则以转角区的热磨损为主要影响因素。因此,钻头的磨损图形及其变化特性反映了不同刃区的磨损过程具有非线性的规律,仅根据VBc的大小难以完全确定钻头整体的磨损程度,而不考虑钻削速度的影响规定一个VBc值作为钻头的磨钝标准也是没有意义的。
    表2 钻削速度对两磨损带宽度之比(VBc/VB)的影响
    钻削速度V(m/nin)
    18.9
    28.3
    35.3
    42.4
    磨损带宽度之比VBc/VB
    2.1
    4.9
    6.5
    11.0
    3.麻花钻的切削寿命T与钻削速度V的关系
    如前所述,切削理论常把钻头作为一种复杂刀具,要求保证较大的耐用度,并对转角磨损量提出一定的限制作为磨钝标准。但由于麻花钻的磨损区域大、图形特殊、规律较为复杂,使有关磨钝标准的执行及耐用度与钻削速度关系的研究面临诸多困难。因而生产中常以钻头不能切削(或切削作用失效)时的总钻削时间作为钻头的切削寿命,在自动生产线上则多以最大可钻孔个数标示钻头的切削性能,并以此为依据管理钻头寿命。因此,试验采用相同的钻头以不同转速钻削厚度相等的钢板,研究钻削速度对钻孔个数和钻头切削寿命的影响,结果见图3。随着钻削速度的提高,钻头的切削寿命下降,尤以28.3~35.3m/min速度范围内下降幅度最大。若沿用刀具耐用度公式(泰勒公式)回归分析速度对钻头切削寿命的影响,结果表明,在对数坐标上的线性度并不显著,说明不同的速度范围对钻头寿命的影响程度有较大的差异,即钻头寿命具有泰勒特性的速度范围很窄。因此,应使钻头工作在对切削寿命影响相对较小的速度范围,同时能够获得较高的加工效率,而通过钻孔个数试验可方便地解决这个问题。由图3b可知,当转速由600r/min增至900r/min,钻孔数由117个减为109个,减幅仅为7%,而切削效率提高了50%。当转速继续提高,钻孔个数则急剧减少,至转速为1350r/min时只能钻5个孔。因此从钻头切削性能和加工效率综合考虑,选用转速为900r/min较为合理。此时两个磨损带的宽度之比较小,约为5。

                                   
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    (a)

                                   
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    (b)
    图3 钻削速度(转速)对麻花钻切削寿命和钻孔个数的影响
    4.结论
    麻花钻有两个磨损图形特征和磨损机理不同的磨损区,随着钻削速度的提高,两者的差别加大,表现为磨损带宽度之比VBc/VB的显著增加;
    麻花钻能否继续切削与两个磨损区均有关系,钻削速度对磨损带的界限值有很大影响,脱离钻削速度制定麻花钻转角磨损的磨钝标准是没有实际意义的;
    在钻削速度(转速)的不同范围,钻头切削寿命受速度的影响程度不同。合理的钻削用量选择应使VBc/VB取值较小并获得较多的钻孔个数。
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