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創新高效的單刃深孔鉆可使加工效率明顯提高

 長期以來,單刃深孔鉆(槍鉆)由于剛性較低和刃磨缺陷,使其加工效率受到限制。創新的高效單刃深孔鉆可使加工效率明顯提高。
  
  當孔的深度為孔徑的許多倍時,需要采用深孔鉆削方法進行加工。70多年來,單刃深孔鉆(槍鉆)是加工孔徑小于40mm深孔的常用刀具。但在實際應用中,單刃深孔鉆的加工效率較低,從而導致整體硬質合金深孔麻花鉆得到了快速發展。整體硬質合金深孔麻花鉆的開發是刀具制造精度提高和槽型、導棱設計改進的結果。可是,這種深孔麻花鉆只能加工深度/直徑比相對較小的孔,對于更深的孔,還是要用單刃深孔鉆加工。與整體硬質合金單刃深孔鉆相比,兩刃對稱的麻花鉆可采用高得多的進給速度,因此有很多這種刀具上市,但其缺點是孔的質量較差,只能用于加工要求不高的使用場合。
  
  與此相反,通過對比試驗可以看到,單刃深孔鉆的優點是鉆孔質量較高,缺點是能夠達到的進給速度較小。在加工調質鋼時,如果提高進給量,則刀具磨損增大,并產生不良的切屑形狀。因此,加工效率低、刀具壽命短是普通單刃深孔鉆的劣勢。
  
  輕微的刃口倒圓可延長刀具壽命
  
  正是由于上述原因,促使人們產生了開發一種高效單刃深孔鉆的想法。在保留單刃深孔鉆鉆孔質量高的前提下,通過對刀具進行優化,提高其加工效率,而又不降低刀具壽命。為此,對過去在單刃深孔鉆優化方面所做的大量研究工作進行了回顧。例如,對于不銹鋼的加工,不僅要特別重視刀具的設計,而且還要對不同涂層材料和涂層結構的使用性能進行研究,證實與普通的部分涂層相比,整體涂層的刀具磨損更小。還有的研究工作指出,在大多數情況下,與使用鋒利刃口的單刃深孔鉆相比,對刃口進行輕微倒圓能提高刀具壽命。在本文介紹的應用HP-單刃深孔鉆的研究項目中,引入了上述優化成果,并對刀具結構和基體材料進一步進行了改進。研究所用的刀具由Botek精密孔加工技術公司制造,型號為Typ113-HP。在多特蒙德大學切削加工研究所對該創新刀具的使用性能進行了試驗。
  
  試驗使用普通的未涂層整體硬質合金單刃深孔鉆加工低硫調質鋼作為比較基準,來評價HP-單刃深孔鉆的性能。通過切削試驗,普通的整體硬質合金單刃深孔鉆的刀具磨損狀況和切屑形狀表明,在進給量f=0.02mm的條件下,鉆削長度達到30m時刀具出現輕微磨損,由于刀具承受的切削熱和切削力負荷小,因此僅有輕微的月牙洼磨損和后刀面磨損,所產生的切屑是斜螺旋卷切屑,容易從孔中排出。
  
  通過提高進給量,在鉆削長度達到lf=9m后,刀具外圓處的刀尖已顯示出較劇烈的磨損,使試驗不得不因此中斷。此外,提高進給量對切屑形狀也有影響。在斜螺旋卷切屑上還有一段帶狀切屑,而扁平的帶狀切屑段會夾在刀具與工件之間,引起刀具破損。
  
  從工業上的實際使用效果來看,普通的單刃深孔鉆可以可靠地應用于深孔加工。但要提高加工效率,則要受到一定條件的限制,尤其是如果提高進給量,則刀具會過快磨損。因此,研究HP-單刃深孔鉆的第一步,是要弄清楚從切削原理上,用HP-單刃深孔鉆是否可以實現進給量的提高。當HP-單刃深孔鉆的進給量變化時,可以看出,測量值隨著進給量的提高而增大,幾乎是呈線性關系。當進給量f=0.34mm時,進給力Ff=950N,扭矩Mb=4.3Nm;在f=0.36mm時,刀具由于扭轉載荷過大而發生破損。
  
  除了切削力載荷,切屑形狀對于深孔鉆削過程具有重要意義。使用HP-單刃深孔鉆,在進給量f=0.04mm時,形成了合適長度的斜螺旋切屑,沒有出現不利的帶狀切屑段。當進給量提高到f=0.1mm時,出現了單個切屑卷,這同樣是適合從孔內順暢排出的切屑類型和形狀。將進給量進一步提高到f=0.2mm時,顯然產生了大量熱載荷,切屑顏色出現了明顯變化,形狀也變得不規則。當把進給量進一步提高到f=0.3mm時,這種現象變得更為突出,切屑不僅卷曲得特別緊密,而且出現了扁平切屑,可以看出,這種切屑很厚。
  
  根據上述機械載荷和切屑形狀的試驗結果,在用HP-單刃深孔鉆和麻花深孔鉆進行刀具壽命試驗研究時,采用的進給量為f=0.2mm。機械載荷的大小可用于判斷刀具磨損狀況,隨著磨損值的增大,進給力和扭矩的測量值也隨之增大。
  
  按預定刀具壽命,進給量可提高10倍
  
  測量結果顯示,在30m的鉆削長度內,無論是麻花深孔鉆,還是單刃深孔鉆,其進給力Ff都沒有明顯提高。這一結果對于HP-單刃深孔鉆尤其值得注意。因為普通的單刃深孔鉆在進給量f=0.02mm時,也可達到30m的鉆削長度,提高進給量,則會導致普通單刃深孔鉆磨損加快,以至于在達到預定壽命指標前不得不終止試驗(只達到了9m的孔深)。然而,HP-單刃深孔鉆在此采用了高出10倍的進給量,即f=0.2mm,仍然達到了預定的壽命指標。而且,掃描電鏡分析證明,刀具仍然處于正常磨損狀態,仍可繼續使用。
  
  麻花深孔鉆與單刃深孔鉆之間刀具結構的差異,可從進給力的測量值中得到解釋。麻花深孔鉆的進給力平均值Ff≈811N,而HP-單刃深孔鉆的平均進給力Ff≈685N。這是因為,麻花深孔鉆對稱的兩主切削刃中間有一條橫刃,由于在橫刃區域切削速度低,產生了摩擦和擠壓,導致進給力升高。HP-單刃深孔鉆沒有橫刃,所以進給力相對較小。
  
  鉆孔扭矩值數據表明,兩種刀具的磨損都較小,均未出現扭矩明顯升高的情況。但兩組數據卻反映出刀具結構上的差異。由于麻花深孔鉆為正前角,所以扭矩較小,平均扭矩值Mb≈1.9Nm。而HP-單刃深孔鉆為單刃結構,前角γ=0°,因此導致明顯較高的扭矩Mb≈3.0Nm。
  
  除了刀具磨損外,孔的質量也是描述深孔鉆削性能的重要指標。
  
  在同樣的進給量條件下,HP-單刃深孔鉆的圓度偏差比普通單刃深孔鉆更小。這可能是刀具涂層所起的作用,使刀具加工出了穩定的圓孔。在可比較的進給量條件下,使用麻花深孔鉆加工出的孔圓度相對較差。但所有測量值均處于較好水平。
  
  對于孔的偏心誤差,測量值顯示了刀具結構和進給量的影響。對于不同的單刃深孔鉆,其測量值處于可比較的水平。由此說明,刀具刃磨的改進對孔的偏心誤差沒有產生不利影響。此外,對單刃深孔鉆來說,提高進給量還是增大了孔的偏心誤差。隨著進給量的提高,進給力和扭矩值增大,從而導致徑向分力增大,使刀具產生偏移,增大了孔的偏心誤差。對于兩種不同的單刃深孔鉆,偏心誤差沿孔的長度分散性較小。
  
  值得注意的是,HP-單刃深孔鉆的偏心誤差處于相對較高的水平。為了減少偏心誤差,對刀具和加工工藝進行了改進。對改進后的刀具進行試驗,結果顯示,偏心誤差有所減小。此外,還減小了鉆孔進給量。在這樣的進給量下測得的偏心誤差表明,通過對刀具和加工工藝進行改進,使偏心誤差明顯減小。應用HP-單刃深孔鉆時,對于較高的進給量,也有可能使偏心誤差獲得類似程度的減小,這正是HP-單刃深孔鉆的特點。
  
  結論
  
  對HP-單刃深孔鉆的研究結果顯示,與普通的單刃深孔鉆和麻花深孔鉆比較,HP-單刃深孔鉆具有很大的潛力。相對于普通的單刃深孔鉆,在刀具壽命相當的條件下,它能明顯提高生產率。在相同的使用條件下,HP-單刃深孔鉆與普通單刃深孔鉆加工的孔質量相當。
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