我們開發了壹種特殊的空心鉆,供用戶加工難加工材料。待處理的物料為鈾錳,其主要化學成分包括:碳(0.56% ~ 0.68%)、錳(1.35% ~ 1.65%)、矽(0.2% ~ 0.35%)等。材料抗拉強度≥882N/ mm2,硬度和耐磨性高。這種鉆頭用於加工厚度為17mm的材料?30+0.5mm通孔,手提鉆機功率< 1000W,要求鉆頭壽命>:30min,鉆頭材料W6Mo5Gr4V2。在空心鉆的研制過程中,通過反復調整鉆頭的設計參數和鉆孔試驗,最終確定鉆頭的幾何參數為:前角G = 12,前角A = 9,輔助前角a1 = 3。
下面簡要分析空心鉆頭設計對切削性能的影響。
1°前角變化對鉆頭切削性能的影響
前角對切削力的影響
前角的變化會影響切屑材料的變形程度,從而改變切削力。切屑變形越大,切削力越大;切屑變形越小,切削力越小。當前角在0 ~ 15範圍內變化時,切削力修正系數在1.18 ~ 1範圍內變化。
前角對鉆頭耐久性的影響
增大鉆頭的前角,會降低刀尖的強度和散熱量,影響刀尖上的應力。當前角為正時,尖端受拉應力;當前角為負時,刀尖的壓縮應力。如果前角過大,可以增加鉆頭的鋒利度,降低切削力,但刀尖上的拉應力大,刀尖強度降低,容易折斷。在切削試驗中,許多鉆頭因前角過大而損壞。但由於被加工材料的硬度和強度較高,而輕便鉆機的主軸和整機的剛度較低,如果前角過小,鉆孔時切削力的增加會使主軸振動,加工表面會出現明顯的振紋,鉆頭的耐用度也會降低。
2後角變化對鉆頭切削性能的影響
增大前角可以減小前刀面與切削材料之間的摩擦,減少加工表面的擠壓變形。但如果背角過大,葉片的強度和散熱能力就會降低。
後角直接影響鉆頭的耐用性。在鉆井過程中,鉆頭的主要磨損形式是機械磨損和相變磨損。考慮機械磨損和磨損,當切削壽命不變時,前角越大,可用切削時間越長;考慮到相變磨損,後角的增大會降低鉆頭的散熱能力。鉆頭磨損後,隨著後刀面磨損區的逐漸加寬,切削功率會逐漸增大,摩擦產生的熱量也會逐漸增加,從而使鉆頭的溫度升高。當溫度上升到鉆頭的相變溫度時,鉆頭會迅速磨損。
3鉆頭設計對磨削的影響。
空心鉆用量少,加工批量小。因此,在設計鉆頭時應考慮加工工藝,盡可能使用普通的加工設備和工具來實現加工和磨削。
切屑通過前刀面流出,所以前刀面的形狀直接影響切屑形狀和排屑性能。切屑在流出的過程中受到前刀面的擠壓和摩擦,發生進壹步的變形。切屑底層金屬最大程度變形,沿前刀面滑移,使切屑底層變長,形成各種卷曲形狀。當用空心鉆鉆孔時,希望切屑變成切屑或帶狀切屑,以便於排屑。為了便於加工和刃磨,前刀面必須設計成沒有斷屑槽的平面。前刀面在使用中不需要重新研磨。
空心鉆的後刀面是最容易重磨的表面,也是磨損最快的表面,所以空心鉆的磨削是通過刃磨後刀面來實現的。
副側面被分成內部副側面和外部副側面。從重磨的角度來看,內外副的齒面不容易重磨,因此副的齒面應設計成不重磨的形式。
根據以上分析,空心鉆的刀片設計如圖1所示。加工實踐證明,該設計完全能夠滿足使用和刀具重磨的要求。
切削液的使用及其對鉆頭切削性能的影響
空心鉆的主要特點是加工時不切削孔的內芯,所以空心鉆的切削量明顯小於麻花鉆,鉆頭所需的功率和切削時產生的熱量也更小。
用高速鋼空心鉆頭鉆孔時,加工區的溫度對鉆頭的硬度影響很大,所以鉆孔時必須用冷卻液降溫(如果不使用冷卻液,鉆頭從壹開始就磨損很快)。壹開始我們用的是外噴冷卻的方式,但是由於鉆臺是水平軸方向加工的,冷卻液不容易進入鉆頭的刀片部分,所以冷卻液消耗量大,冷卻效果不理想。重新設計後,改變了鉆機主軸的結構,將外噴霧冷卻改為內噴霧冷卻,並從空心鉆頭芯部加入冷卻液,使冷卻液能順利到達鉆頭切削部分,從而明顯降低了冷卻液的消耗量,提高了冷卻效果。
5空心鉆使用效果
壹個設計良好的空心鉆應同時滿足以下要求:①易於制造,可以用普通機床和通用工具加工;(2)便於重新刃磨,普通磨床即可刃磨;③生產效率高,使用壽命長;4價格低。
我們研制的空心鉆頭基本滿足上述要求。實際使用中,鉆頭的耐用度可穩定達到50分鐘,孔徑公差和表面粗糙度滿足設計要求。由於前刀面只需重磨,鉆頭的前角容易控制,在普通磨床上就可以輕松實現磨削。