一種鉆削不銹鋼材料的新型群鉆

□ 吳繼東 □ 游洪華

中航工業(yè)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所 江西景德鎮(zhèn) 333001

在機(jī)械加工中，鉆削加工通常選用標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆頭作為主要切削刀具。但在鉆削不銹鋼材料時(shí)會(huì)經(jīng)常發(fā)生鉆頭快速磨損、切削部位退火、切削力加大、噪聲增大等現(xiàn)象，為此要反復(fù)修磨鉆頭，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，增加加工成本。針對(duì)上述問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種鉆削不銹鋼材料的新型群鉆，其特點(diǎn)是定心準(zhǔn)、排屑好、散熱快、可以進(jìn)行大走刀、鉆頭壽命長(zhǎng)，適合在鉆床、車(chē)床上使用。

一般情況下，在鉆孔前除根據(jù)加工要求選擇好鉆頭材料外，還要合理選擇刀具幾何角度和切削用量，要克服標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆的缺點(diǎn)有兩條途徑：①在制造鉆頭時(shí)改變其結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料；②對(duì)其切削刃進(jìn)行修磨，改變切削角度，提高切削性能，這種方法簡(jiǎn)單易行，收效也很顯著［1］。

某產(chǎn)品的零件其材料為馬氏體型不銹鋼熱軋板，外圓直徑為3 m，厚度30 mm，表面分布有一千多個(gè)φ50 mm通孔。在選擇高速鋼材料的標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆頭進(jìn)行鉆削時(shí)，經(jīng)常會(huì)發(fā)生鉆頭快速磨損、切削部位退火、切削力加大、噪聲增大等現(xiàn)象。按照上述解決思路，將高速鋼材料的標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆頭重新磨削，通過(guò)對(duì)鉆頭的切削角度做較大的修改，磨出分屑槽等形狀，設(shè)計(jì)了適合鉆削不銹鋼材料的新型群鉆。

1 鉆削加工特點(diǎn)

1.1 標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆的缺陷

目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆，切削部分由兩條主切削刃和一條橫刃構(gòu)成。主要幾何角度有鋒角2φ、螺旋角β、前角γ、后角α和橫刃斜角ψ等，其前角在外緣處最大，自外緣向中心逐漸減小，靠近鉆心處為負(fù)值；其后角根據(jù)直徑的不同一般在8～14°左右。標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆在結(jié)構(gòu)上存在許多缺點(diǎn)，鉆削時(shí)后刀面與工件間摩擦嚴(yán)重，鉆削時(shí)阻力很大，切削條件較差，根據(jù)使用情況其主要存在下列缺陷。

（1）主切削刃上前角變化很大，在外緣處為30°，前角過(guò)大，刀刃強(qiáng)度較差，而接近鉆心處前角又過(guò)小（接近-30°）；鉆削中擠壓嚴(yán)重，切削條件很差。

（2）橫刃長(zhǎng)，又有很大的負(fù)前角，擠刮嚴(yán)重，切削條件極為惡劣，軸向抗力大，定心不好。

（3）主切削刃太長(zhǎng)，切屑寬，各點(diǎn)切屑流出的速度相差很大，螺旋形切屑占有空間大，排屑不順暢，冷卻液難以注入切削區(qū)。

（4）由于鉆頭副后角為零，而外緣處切削線速度又最大，棱邊與孔壁摩擦嚴(yán)重，產(chǎn)生熱量多，散熱條件差，故沿主切削刃的磨損不均勻，外緣處磨損最快。

（5）橫刃的前、后角與主切削刃的后角密切相關(guān)，相互制約，但不能分別控制。

1.2 群鉆的優(yōu)點(diǎn)

群鉆是針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆的設(shè)計(jì)缺陷，經(jīng)過(guò)合理修磨改變其幾何角度，從而提高其切削性能的一種先進(jìn)鉆頭?；拘偷娜恒@是在兩條主切削刃上磨出兩條對(duì)稱的月牙槽，形成圓弧刃，將標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆的“一尖三刃”切削形式變成“三尖七刃”的切削形式，其與標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆比較具有下列優(yōu)點(diǎn)［1］。

（1）鉆削輕快省力。因前角增大，橫刃經(jīng)修磨后窄而尖，軸向力下降35%～50%，扭矩下降10%～30%。

（2）可以加大進(jìn)給量，生產(chǎn)效率提高3～5倍。

（3）鉆頭耐用度高。因群鉆刃形比較合理，分屑好，排屑順利，散熱條件好。一般情況下鉆頭耐用度可提高3～5倍。

（4）定心作用好。因群鉆磨出對(duì)稱的月牙槽，在鉆削時(shí)受力分布合理，因此孔不易鉆偏，孔壁的表面質(zhì)量好，精度高。

2 新型群鉆的介紹

隨著機(jī)械行業(yè)的發(fā)展，新材料的不斷出現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆的切削角度越來(lái)越不適應(yīng)生產(chǎn)的需求，為此，出現(xiàn)了很多高效、長(zhǎng)壽、優(yōu)質(zhì)、安全的新型群鉆［2］。這些新型群鉆是根據(jù)傳統(tǒng)基本型群鉆的修磨原理，結(jié)合零件材料和加工條件等因素來(lái)確定其切削刃的形狀和幾何角度，下面介紹一種適合鉆削不銹鋼材料的新型群鉆。

2.1 幾何角度的選擇

不銹鋼材料又黏又硬，韌性很大，加工硬化趨勢(shì)強(qiáng)，導(dǎo)熱性差，在切削加工中屬于難切削的金屬材料范疇。由于不銹鋼具有高硬度、高強(qiáng)度等材料特性，鉆削時(shí)切削溫度較高，刀刃容易磨損，甚至燒壞刀刃，所以其前角宜選大些；為了增加鉆頭強(qiáng)度，減少切削時(shí)后刀面與工件間摩擦，后角宜選擇較小值。具體做法是將標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆磨成雙重鋒角，形成雙重鋒刃，前4/5部分主切削刃角度為120°±2°，后1/5部分的輔切削刃角度為88°±2°；在主切削刃上磨出非對(duì)稱的圓弧形R分屑槽，在后刀面上對(duì)稱磨出副后角，距離切削刃2 mm，其角度為20°；修磨橫刃長(zhǎng)為2 mm，刃帶寬度修磨為原來(lái)的1/2。鉆頭鋒角度大小可根據(jù)不銹鋼材料的硬度來(lái)確定，材料偏硬可選較大角度，材料偏軟可選較小的角度。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，修磨的具體要求如下。

（1）修磨主切削刃。在鉆頭主切削刃處磨出雙重鋒角，形成雙重鋒刃，前4/5部分主切削刃角度為2φ，后1/5部分的輔主切削刃角度為2φ1。

（2）修磨橫刃H。沿鉆頭主后刀面的背棱刃將原來(lái)的橫刃磨短到2 mm，橫刃兩端磨出對(duì)稱的小月牙形弧面，使鉆心處的主切削刃上形成兩條內(nèi)直刃。

（3）修磨主后刀面。在主后刀面上，距離主切削刃2 mm處對(duì)稱磨出副后角α1。

（4）修磨棱邊B（副切削刃）。沿鉆頭外緣處的副后刀面方向修磨棱邊，將棱邊磨到原來(lái)寬度的一半，長(zhǎng)度一般在1.5～5 mm。

（5）修磨分屑槽。在鉆頭的前刀面和后刀面上分別磨出半圓弧形分屑槽，兩條主切削刃上分屑槽的位置必須錯(cuò)開(kāi)，分屑槽半徑R必須大于進(jìn)給量。

2.2 切削用量的選擇

在鉆削時(shí)根據(jù)不銹鋼的切削加工性，正確選擇切削用量非常重要。筆者通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆有關(guān)參數(shù)的不斷改進(jìn)和試驗(yàn)，掌握了麻花鉆在鉆削不銹鋼時(shí)的幾何形狀及角度等工藝參數(shù)。加工的基本原則是在機(jī)床允許的條件下，綜合考慮鉆頭的強(qiáng)度、耐用度等因素，進(jìn)給量盡量選大值，但切削速度不宜太快，并選擇合適的冷卻潤(rùn)滑劑。一般鉆頭直徑在5～50 mm的切削用量為：轉(zhuǎn)速 n=200～320 r/min，進(jìn)給量 f=0.2～0.4 mm/r ，線速度v=5～30 m/min，冷卻液為10%～20%極壓乳化液或含氯的切削油，其中轉(zhuǎn)速應(yīng)隨著鉆頭直徑的增大而取較小值，而進(jìn)給量可隨著鉆頭直徑的增大而取較大值。

▲圖1 新型群鉆結(jié)構(gòu)示意圖

▲圖2 新型群鉆鉆削不銹鋼現(xiàn)場(chǎng)

2.3 應(yīng)用效果

自2010年開(kāi)始在加工中使用該新型群鉆技術(shù)，按照鉆削一個(gè)φ50 mm、深30 mm的孔，用標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆需要4 min左右，使用上述新型群鉆并采用相應(yīng)的工藝參數(shù)，只需要1 min左右，鉆孔效率提高了3倍多。標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆在鉆削約20個(gè)孔左右就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，切削力明顯加大，而使用新型群鉆修磨一次可以連續(xù)鉆削約120個(gè)孔，被加工孔的精度高，表面質(zhì)量好。該技術(shù)的推廣使用，不僅保證了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率，而且降低了加工成本，在科研生產(chǎn)中取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況如圖2所示。通過(guò)在產(chǎn)品零件加工中群鉆的使用特點(diǎn)如下。

（1）有圓弧形分屑槽，排屑好，可以進(jìn)行大走刀；

（2）切削刃加長(zhǎng)，散熱好，提高刀具壽命；

（3）磨出副后角可減小后刀面的摩擦，有利于刀具冷卻；

（4）橫刃短，定心準(zhǔn)，軸向力小；

（5）刃帶寬度變窄，減小刀具與工件摩擦。

3 結(jié)論

上述介紹的思路和工藝方法具有通用性，可推廣到其它難切削的金屬、非金屬材料和不同工藝特性情況下的加工中，并為今后加工類(lèi)似零件提供了解決方法和借鑒。

［1］孟少農(nóng).機(jī)械加工工藝手冊(cè)，第2卷［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［2］陳宏鈞.實(shí)用鉗工手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.