一种钻削不锈钢材料的新型群钻

2015-04-19吴继东游洪华

机械制造 2015年11期

□ 吴继东 □ 游洪华

中航工业直升机设计研究所江西景德镇 333001

在机械加工中，钻削加工通常选用标准麻花钻头作为主要切削刀具。但在钻削不锈钢材料时会经常发生钻头快速磨损、切削部位退火、切削力加大、噪声增大等现象，为此要反复修磨钻头，严重影响生产效率，增加加工成本。针对上述问题设计了一种钻削不锈钢材料的新型群钻，其特点是定心准、排屑好、散热快、可以进行大走刀、钻头寿命长，适合在钻床、车床上使用。

一般情况下，在钻孔前除根据加工要求选择好钻头材料外，还要合理选择刀具几何角度和切削用量，要克服标准麻花钻的缺点有两条途径：①在制造钻头时改变其结构参数和材料；②对其切削刃进行修磨，改变切削角度，提高切削性能，这种方法简单易行，收效也很显著［1］。

某产品的零件其材料为马氏体型不锈钢热轧板，外圆直径为3 m，厚度30 mm，表面分布有一千多个φ50 mm通孔。在选择高速钢材料的标准麻花钻头进行钻削时，经常会发生钻头快速磨损、切削部位退火、切削力加大、噪声增大等现象。按照上述解决思路，将高速钢材料的标准麻花钻头重新磨削，通过对钻头的切削角度做较大的修改，磨出分屑槽等形状，设计了适合钻削不锈钢材料的新型群钻。

1 钻削加工特点

1.1 标准麻花钻的缺陷

目前国内生产的标准麻花钻，切削部分由两条主切削刃和一条横刃构成。主要几何角度有锋角2φ、螺旋角β、前角γ、后角α和横刃斜角ψ等，其前角在外缘处最大，自外缘向中心逐渐减小，靠近钻心处为负值；其后角根据直径的不同一般在8～14°左右。标准麻花钻在结构上存在许多缺点，钻削时后刀面与工件间摩擦严重，钻削时阻力很大，切削条件较差，根据使用情况其主要存在下列缺陷。

（1）主切削刃上前角变化很大，在外缘处为30°，前角过大，刀刃强度较差，而接近钻心处前角又过小（接近-30°）；钻削中挤压严重，切削条件很差。

（2）横刃长，又有很大的负前角，挤刮严重，切削条件极为恶劣，轴向抗力大，定心不好。

（3）主切削刃太长，切屑宽，各点切屑流出的速度相差很大，螺旋形切屑占有空间大，排屑不顺畅，冷却液难以注入切削区。

（4）由于钻头副后角为零，而外缘处切削线速度又最大，棱边与孔壁摩擦严重，产生热量多，散热条件差，故沿主切削刃的磨损不均匀，外缘处磨损最快。

（5）横刃的前、后角与主切削刃的后角密切相关，相互制约，但不能分别控制。

1.2 群钻的优点

群钻是针对标准麻花钻的设计缺陷，经过合理修磨改变其几何角度，从而提高其切削性能的一种先进钻头。基本型的群钻是在两条主切削刃上磨出两条对称的月牙槽，形成圆弧刃，将标准麻花钻的“一尖三刃”切削形式变成“三尖七刃”的切削形式，其与标准麻花钻比较具有下列优点［1］。

（1）钻削轻快省力。因前角增大，横刃经修磨后窄而尖，轴向力下降35%～50%，扭矩下降10%～30%。

（2）可以加大进给量，生产效率提高3～5倍。

（3）钻头耐用度高。因群钻刃形比较合理，分屑好，排屑顺利，散热条件好。一般情况下钻头耐用度可提高3～5倍。

（4）定心作用好。因群钻磨出对称的月牙槽，在钻削时受力分布合理，因此孔不易钻偏，孔壁的表面质量好，精度高。

2 新型群钻的介绍

随着机械行业的发展，新材料的不断出现，标准麻花钻的切削角度越来越不适应生产的需求，为此，出现了很多高效、长寿、优质、安全的新型群钻［2］。这些新型群钻是根据传统基本型群钻的修磨原理，结合零件材料和加工条件等因素来确定其切削刃的形状和几何角度，下面介绍一种适合钻削不锈钢材料的新型群钻。

2.1 几何角度的选择

不锈钢材料又黏又硬，韧性很大，加工硬化趋势强，导热性差，在切削加工中属于难切削的金属材料范畴。由于不锈钢具有高硬度、高强度等材料特性，钻削时切削温度较高，刀刃容易磨损，甚至烧坏刀刃，所以其前角宜选大些；为了增加钻头强度，减少切削时后刀面与工件间摩擦，后角宜选择较小值。具体做法是将标准麻花钻磨成双重锋角，形成双重锋刃，前4/5部分主切削刃角度为120°±2°，后1/5部分的辅切削刃角度为88°±2°；在主切削刃上磨出非对称的圆弧形R分屑槽，在后刀面上对称磨出副后角，距离切削刃2 mm，其角度为20°；修磨横刃长为2 mm，刃带宽度修磨为原来的1/2。钻头锋角度大小可根据不锈钢材料的硬度来确定，材料偏硬可选较大角度，材料偏软可选较小的角度。具体结构如图1所示，修磨的具体要求如下。

（1）修磨主切削刃。在钻头主切削刃处磨出双重锋角，形成双重锋刃，前4/5部分主切削刃角度为2φ，后1/5部分的辅主切削刃角度为2φ1。

（2）修磨横刃H。沿钻头主后刀面的背棱刃将原来的横刃磨短到2 mm，横刃两端磨出对称的小月牙形弧面，使钻心处的主切削刃上形成两条内直刃。

（3）修磨主后刀面。在主后刀面上，距离主切削刃2 mm处对称磨出副后角α1。

（4）修磨棱边B（副切削刃）。沿钻头外缘处的副后刀面方向修磨棱边，将棱边磨到原来宽度的一半，长度一般在1.5～5 mm。

（5）修磨分屑槽。在钻头的前刀面和后刀面上分别磨出半圆弧形分屑槽，两条主切削刃上分屑槽的位置必须错开，分屑槽半径R必须大于进给量。

2.2 切削用量的选择

在钻削时根据不锈钢的切削加工性，正确选择切削用量非常重要。笔者通过对标准麻花钻有关参数的不断改进和试验，掌握了麻花钻在钻削不锈钢时的几何形状及角度等工艺参数。加工的基本原则是在机床允许的条件下，综合考虑钻头的强度、耐用度等因素，进给量尽量选大值，但切削速度不宜太快，并选择合适的冷却润滑剂。一般钻头直径在5～50 mm的切削用量为：转速 n=200～320 r/min，进给量 f=0.2～0.4 mm/r ，线速度v=5～30 m/min，冷却液为10%～20%极压乳化液或含氯的切削油，其中转速应随着钻头直径的增大而取较小值，而进给量可随着钻头直径的增大而取较大值。

▲图1 新型群钻结构示意图

▲图2 新型群钻钻削不锈钢现场

2.3 应用效果

自2010年开始在加工中使用该新型群钻技术，按照钻削一个φ50 mm、深30 mm的孔，用标准麻花钻需要4 min左右，使用上述新型群钻并采用相应的工艺参数，只需要1 min左右，钻孔效率提高了3倍多。标准麻花钻在钻削约20个孔左右就会出现严重磨损，切削力明显加大，而使用新型群钻修磨一次可以连续钻削约120个孔，被加工孔的精度高，表面质量好。该技术的推广使用，不仅保证了产品质量，提高了生产效率，而且降低了加工成本，在科研生产中取得了良好的经济效益。现场实际应用情况如图2所示。通过在产品零件加工中群钻的使用特点如下。

（1）有圆弧形分屑槽，排屑好，可以进行大走刀；

（2）切削刃加长，散热好，提高刀具寿命；

（3）磨出副后角可减小后刀面的摩擦，有利于刀具冷却；

（4）横刃短，定心准，轴向力小；

（5）刃带宽度变窄，减小刀具与工件摩擦。