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[其他] 先进高性能钻削工具

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发表于 2015-7-30 19:10:39 | 显示全部楼层 |阅读模式
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先进高性能钻削工具

先进高性能钻削工具

        图1  钻头主切削刃各处不同的前角

        孔加工一直备受关注,同时实现效率和质量的提升成为企业的追求目标,德国MAPAL公司的刀具产品在孔的精密加工方面取得了突出的成就,特别在汽车制造业中享有盛名。
        MAPAL公司在设计制造高性能的整体硬质合金钻削工具中,将经济适用作为前提。当今刀具需要满足日益增长的高要求,包括高速切削(HSC)领域、干式切削和最小润滑量(MQL)加工领域,都要求特殊的解决方案,以保证开发出经济适用和可靠的刀具,也包括开发选用更合适的刀具材料和涂层。

钻削加工及存在问题
        钻削时,钻头处于三面被工件材料包围的恶劣条件下,切削阻力大,空间狭小,切屑聚集不易排出,热量集中。如何使自身耐热又耐磨?如何高效地导出热量,导出切屑?如何针对具体问题设计出不同的钻头,以适用于各种不同工件的加工,成为MAPAL公司思考、研究的课题。
        一般最常用的钻头是麻花钻,其切削部分最明显的特点是有两条像麻花一样用于容排切屑的螺旋槽,螺旋槽与钻头头部顶角(锋角)锥面交线构成了钻头的两条主切削刃,螺旋槽面构成了主切削刃的前刀面,顶角锥面构成了主切削刃的后刀面。由于钻头的前刀面不是平面而是螺旋空间曲面,故主切削刃上各点的前角不等。近钻心处负前角约为-30°,切削阻力大,切屑生成难。靠外圆处具有较大的正前角约+30°,锋利但刃口强度低,该处切削速度又最大,热量集中温度高,易磨损(见图1)。又因为主切削刃较长,切屑宽,由于各处切削条件、生成卷曲切屑、排出切屑与磨损情况各不同,所以对切屑处理性能不利。为了减少钻孔时钻头对孔壁的摩擦,沿螺旋槽外圆作出两刃带,两刃带构成钻头的副切削刃,副切削刃的后角为0°,有导向修光作用,但加工质量要求高时,又仍嫌不足。有时又因后角太小,摩擦大而易磨损。
       

先进高性能钻削工具

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        图2  横刃的几种修磨方法示例

        螺旋槽相对于钻头轴线的斜倾角称螺旋角,螺旋角大,构成切刃的前角大而锐利,切削性能好,切削力低。但切刃强度低易破损,扭转刚性也低。故应按不同的被加工材料和要求选择不同的螺旋角。通常铸铁和软钢选30°左右,较硬的钢选30°以下,轻合金和不锈钢可选40°左右。
        顶角影响切屑流出状况、切削力的分布与大小、切屑的厚度及其卷曲碎断,工件毛刺的产生等。当顶角为118°时,主切削刃成为直线,切削较稳定,钻头寿命较长,高速钢钻头常用。螺旋槽形状确定后,磨出顶角实际的大小,可影响螺旋槽与顶角锥面的交线-主切削刃的形状,当大于118°的主切削刃向内凹,小于118°时向外凸。MAPAL-MILLER的硬质合金钻头通常设计为140°左右,这是考虑到了切屑排出性能和顶部应有的强韧性要求,软材甚至可设计为90°。
       

先进高性能钻削工具

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        图3  铝材加工用特殊钻头

        螺旋槽越宽越深就越有利于容屑和排屑,但过大必然会影响钻头的强度和刚度。为保证其具有一定的强度和刚度,必须使两螺旋槽间有一定厚度,即钻芯。钻芯在钻头头部就构成了横刃。横刃处的负前角更大,可达-54°~-63°,故它不能正常切削,只能刮擦,挤压强行破坏工件。特别是加工条件极为恶劣的情况下,易造成很大的轴向力,据测定60%~70%轴向抗力因横刃产生,且造成钻削定心不好,消耗功率过大。以上是旧麻花钻固有的缺点,因此必须根据不同要求,重新设计螺旋槽和主切削刃形状;用多种方法修磨横刃;改善副切削刃结构;另外也应据不同的加工要求,合理地设计相应结构和几何角度。
        问题解决
        近年来,由于先进科学技术特别是CAE等计算机技术不断发展,可以模拟切削时的应力、应变和温度分布场,切屑卷曲和切离等;加之CAM技术、模具制造技术、粉末冶金技术、五轴联动加工和刃磨技术等进步加快,合理地设计出螺旋槽和主切削刃的特殊结构形状成为可能。例如,设法设计靠近横刃的螺旋槽曲面使该处前角增大,靠近外圆的一般螺旋槽面构成的前角适当减少,这样,增加了强度,提高了寿命,钻头的总切削力会下降,加工效率会提高。又可设计特殊的螺旋槽空间曲面,先使切屑很快卷曲折断,再使它顺畅排出,这样就解决了固有麻花钻上述这方面的缺点和不足。
       

先进高性能钻削工具

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        横刃的问题只能靠修磨来改善。修磨的方法有多种:可将作为主切削刃后刀面的顶部锥面磨出2~3重后刀面,从而缩短了横刃,甚至可将它完全磨去,变成一个尖点。后刀面被研磨了,当然主切削刃的后角也会发生变化;另外磨削螺旋槽面(包括它构成前刀面的一部分)也可以缩短横刃;螺旋槽面和顶面同时修磨也可以缩短横刃,同时改善几何角度。图2表示了几种修磨方法。横刃斜角是横刃与主切削刃在端平面中量出的夹角,因刃磨后刀面而形成。
        MAPAL高性能钻削工具
        MAPAL钻头家族与其他产品主要的区别在于:切削刃形状与几何角度、螺旋容排屑槽曲面形状特殊以及采用特适钻削用的MxF涂层等。它主要有以下几种系列;
        1.MEGA-ECU-DRILL系列可通用地加工多种材料,如碳钢、合金钢、不锈钢、铸铁、耐热钢以及有色金属;具有MxF涂层,直径φ2~16mm;顶角140°;有外冷、内冷两种冷却方式,可钻深度L/D=3~5;钻削精度可达9级。
       

先进高性能钻削工具

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        图6  钻铰刀

        2.MEGA-DRILL-STEEL系列切削刃的特殊形状与容屑空间形状相结合,使切屑卷曲和断裂,并使切屑从孔中易于排出。在加工钢时,该系列刀具表现出极高的效率,可使用高的钻削用量,并有着高的刀具寿命,适用于高效钻钢(STEEL)。涂层有MxF和TiAlN两种,MxF涂层也可加工多类钢,有内外冷却两种方式,可钻孔深有L=3×D,L=5×D,L=8×D的三种。可钻孔深L=12×D的,只有用内冷却的钻头。直径一般φ3~20mm;较短的钻头φ2~25mm,加工精度可达9级。
        3.MEGA-DRILL-INOX系列适用于不锈钢、耐热钢、钛合金和镍合金加工,也可加工其他钢和铸铁;具有MxF涂层;冷却方式有外冷、内冷两种;可加工孔深有L=3×D,L=5×D两种。直径由φ3~20mm。加工精度可达9级。
        4.MEGA-DRILL-HARDEN—HARDEN系列钻头涂层是MxF结合特殊结构形状可加工硬度高达HRc65的淬硬钢;顶角为140°,横刃斜角15°加工精度可达9级;直径φ2.55~20mm,加工孔深为L=4×D。
        5.MEGA-DRILL-ALU为铝合金等材料加工而设计制造。此系列钻头涂层仍为MxF,由于铝材较软,切削力低,生产效率高,单位时间排屑量大,又要保证加工精度和表面质量,故需要特殊的结构形状,更宽大的容排屑槽(见图3)。此系列钻头顶角140°,横刃斜角30°,直径由φ3~20mm,据钻头长度不同,可加工孔深有L=3×D,L=5×D和L=8×D三类。前两类均可有外冷却、内冷却型的,后一类只有内冷却型的;加工精度可达9级。
       

先进高性能钻削工具

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        图7  整体硬质合金直槽钻头

        6.MEGA-DRY-DRILL是不用切削液的和只用极少量切削液(MQL)的钻头。通常的钻削都需要大量的切削液。该工具与常用的钻头不同,能大量节省切削液是依靠它的特殊结构。此系列钻头的涂层有MxF和TiAlN两种;顶角140°;横刃斜角30°减少到15°,加工精度可达9级。
        7.SMART-DRILL系列是φ1~2.9mm小钻头系列。顶角140°,横刃斜角10°~25°涂层为MxF,加工精度可达9级。
        8.MEGA-QUADRO-DRILL系列:QUADRO有“四”的含意,一般钻头副切削刃是两条沿螺旋槽的刃带,靠两条刃带导向保持加工孔的直线性是很困难的。由图4可见本系列具有四条刃带,增加了支承,就提高了导向的精度和稳定性,提高了钻孔的直线性和圆度。在孔系加工中,它能提高孔间的同心度和位置精度。四条刃带中两条承担了钻削任务,两条起到了铰削作用,从而还提高了孔径的加工精度,达到8级精度。此系列直径φ3~20mm,涂层为MxF和TiAlN,顶角140°,横刃斜角30°;可钻孔深有L=5×D,L=8×D,L=12×D。若改造本系列钻头的结构与槽形还可将它作干式加工用,但干式加工用的孔径加工精度稍有下降。由图4可见它们在结构和槽形上的区别。
        9.GIGA-DRILL系列与QUADRO系列相同,也作出四个刃带,增加了导向和支承。增加了作为精加工的两铰削刃,但其间的螺旋槽更大更深,可更多地排屑容屑。它也具有MxF涂层,顶角为140°,横刃斜角30°。其直径为φ6~20.4mm。可钻孔深L=5×D,L=8×D。(见图5)。其加工粗糙度Rz达4μm,同心度小于4μm(一般钻削后为12μm左右)。
        10.MEGA-DRILL-REAMER系列:即一把刀具同时可完成钻(DRILL)和铰(REAMER)两个工步的钻铰刀系列(见图6),从而减少加工和辅助时间,其两条钻削刃承担粗加工任务,其后的4~6条精加工刃起修光并铰削作用。可达到7级精度,加工表面粗糙度低,同心度尺寸和稳定性均高。尽管它多槽多刃带,却可容易地重磨并获得高精度。其直径φ6~16.05mm,顶角140°,横刃斜角30°;可钻孔深L=3×D,L=5×D。这些刀具有许多应用场合,如加工汽车的气缸盖,曲轴箱和变速器的定位销安装孔等。
       

先进高性能钻削工具

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        图8  据客户需要设计制造的特殊钻头

        11.MAPAL的直槽钻头系列补充并充实了螺旋槽钻头的应用范围和加工方案。直槽钻头有整体硬质合金的或整体硬质合金带有聚晶金刚石烧结体(PCD)顶刃的两种(见图7)。该系列钻头具有两条直槽,并作出4条刃带作导向,支承它顺利钻入孔中。由于刚性高,可一次加工出更高的精度;加工孔的直线性好。因结构简单,制造较方便,故多段阶梯钻、带倒角面加工等的特殊钻头等多用直槽钻头,适合加工汽车零部件的攻丝底孔、螺栓孔、浅孔、阶梯孔和带倒角孔等,也可钻斜孔、断续孔。其缺点是适宜加工材料种类少,主要用于加工铸铁、铝合金制的零部件;但它排屑困难,特别是在用无润滑油孔的直槽钻头钻削时的情况。
        PCD硬度高(6000~8000HV),热传导性(导热因数210W/mK)也非常好。金刚石烧结体的特性决定于烧结体中金刚石的含量与粒度。由于金刚石与易生成碳化物的铁系金属易发生反应,故不适宜于加工各类钢、钛钼合金等。带PCD刀头的直槽钻头主要用于加工铝合金、铜合金等有色金属及塑料、石墨、陶瓷和硬质合金等非金属材料的高速精加工。加工铝合金时,切削速度内冷却钻头可达300~600m/min,外冷却钻头也可达150~450m/min。
        此系列钻头直径由φ5~20mm,顶角130°可钻削深度有L=3×D、L=5×D、L=8×D和L=12×D的数种。有内冷却和外冷却两种。
        MAPAL公司在金属加工方面有丰富的知识并积累了多年的实践经验,除为客户提供先进的工具,也可以为客户量身定做解决方案,图8是他们设计制造的一些特殊钻头的示例。

刀柄夹具
        好的钻头需要好的刀柄夹头将它正确夹持住并装在机床主轴中,才能保证高效、高质量地完成加工。
        MAPAL钻头的柄部有光圆柱形(HA)、圆柱带小平面形(HB)和圆柱带斜面形(HE)三种。
        圆柱形的刀柄可用精度高、适应高速切削的液压夹头,热胀冷缩夹头和TRIBOS夹头等夹持,其刀具寿命和产品质量均高。液压夹具又称静压膨胀式,其夹具体与装夹钻头柄部孔的膨胀壁间是一个充满油的环形封闭油腔,当用内六角扳手拧紧加压螺钉时,油腔内的体积减小油压升高,按巴斯葛原理油腔各部的压力因相等均增高了,膨胀壁也因压力增高,向轴心方向胀出,而夹紧钻头;当松开加压螺钉时,油腔内油压回落,膨胀壁回弹至原直径而松开钻柄。
        TRIBOS夹具又可称应力锁紧式,它有两类:一为TRIBOS-S,其夹持端的外径很细,用于加工空间受限制的场合,加工时可避免干涉;另一为TRIBOS-R,夹持端粗壮,适于重切削。它们的夹持原理是夹持孔的原始孔形为特殊的曲面三角棱孔,此时钻柄无法插入夹持孔。安装刀具时,要用专用的附加夹紧装置(加载器)从外部三角端加压,迫使夹持孔在弹性范围内变成圆孔,此时可顺利地将钻头插入夹持孔内,然后松开夹紧装置,撤去外部载荷,钻头就被变形的恢复力牢牢地固紧。同样使用该装置也可以方便地取出或更换刀具。
        热胀冷缩夹头也称热装式夹头,在原始状态下,夹持孔的直径小于钻柄直径,刀具无法直接插入。安装刀具时,首先对刀柄夹头进行加热,金属材料受热膨胀后,夹持孔径变大,此时,刀具可顺利插入,然后将它冷却,靠夹持部分材料的收缩将钻头牢固夹住。卸刀的过程和上述过程相同,热装法刀柄夹头的结构简单但需要附加感应加热装置。
        圆柱带小平面,带斜面的钻头柄部则是用侧固式夹头的带平面、斜面头部的侧压螺钉夹紧。各种钻头夹头后部与机床主轴相连接可用7/24的圆锥刀柄和1/10锥度的锥面和端面两面定位的HSK刀柄。
        液压夹具、热胀(装)夹具和TRIBOS夹头的同心度精度均≤3 μm,故可较好地满足高精度钻孔的重要要求。而圆锥刀柄的侧固式夹头由于侧向紧固,因间隙存在等影响,同心度精度为10μm。HSK刀柄的侧固式夹头较圆锥刀柄定位精度和刚度高,故此精度提高为5μm。它们的测量是在夹持孔外2.5×D(钻头直径)处,但规定最大为距离夹持孔50mm处进行。
        液压夹具具有封闭油腔,TRIBOS-R夹头有3个加压空腔结构,这两种刀柄夹头在切削中有阻尼减振性能,对提高钻头的寿命有很大促进作用。热胀夹头刀柄则是一种刚性夹持。热胀夹头的夹紧力较大,液压夹头次之,TRIBOS夹头较小,但夹紧力也足够了。热胀夹头加热时,实际除径向膨胀外,轴向也有膨胀,冷却时轴向的收缩会造成夹持孔与钻柄间的相对移动,形成残余应力。多次使用后夹持孔会产生磨损、应力不均释放等,而影响钻孔精度。
        以上三种夹持光圆柱钻头柄部的夹头均可在转速15000r/min甚至18000r/min条件下,保持较好的动平衡,达到平衡质量标准G6.3。在实际生产过程中,在选用先进高效钻头的同时也应选择合适的夹头刀柄。
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