圆弧刃口形状对麻花钻高速钻削性能的影响.pdf

2023年8月机电技术机电技术圆弧刃口形状对麻花钻高速钻削性能的影响圆弧刃口形状对麻花钻高速钻削性能的影响*陈小辉（厦门金鹭特种合金有限公司，福建 厦门 361100）摘要刃口钝圆的微观形状会影响硬质合金麻花钻的高速切削性能。文章选用喇叭形及瀑布形两种圆弧刃口的硬质合金麻花钻，在相同条件下对45#钢进行高速钻削加工试验，对切屑形态、刀具寿命及刃口磨损形貌进行对比分析。结果显示：喇叭形圆弧刃口具有更小刀具前角及更大刃口强度，采用喇叭形刃口的麻花钻较瀑布形刃口麻花钻在刀具寿命、切削过程平稳性及断屑方面等都有更好的表现。关键词硬质合金麻花钻；喇叭形刃口；瀑布形刃口；高速钻削；45#中图分类号：TG713+.1文献标识码：A文章编号：1672-4801（2023）04-048-05DOI：10.19508/ki.1672-4801.2023.04.015*福建省科技计划项目（2020H6014）作者简介：陈小辉（1990），男，工程师，主要从事硬质合金钻头设计及制造技术。麻花钻是最主要的孔加工刀具之一，应用广泛1。钻削处于半封闭环境，对刀具加工稳定性提出极高要求。微观刃口处理能明显提升刃口强度、抗崩性，保持切削过程稳定，解决切屑卷曲成形的难题，因此硬质合金钻头也得以大规模的产业化应用2。硬质合金麻花钻加工25 HRC以下硬度的碳钢时，切削刃线速度大于100 m/min为高速钻削，随着切削装备升级及市场对高效率加工的需求，中高速钻削将成为主流。典型微观刃口形状有锋利形、圆弧形、倒棱形三种，其中锋利形刃口主要应用于铝合金钻削等少数工况，市场主流欧美日韩等厂家的硬质合金麻花钻普遍采取圆弧形和倒棱形刃口形状。高速钻削工况，又以圆弧形刃口为主流，通常圆弧形微观刃口可以细分为如图1所示标准圆弧形、如图2所示喇叭形和如图3所示瀑布形3，S表示前刀面弧线段与前刀面的交点到前后刀面延伸线交点的距离，S表示后刀面弧线段与后刀面的交点到前后刀面延伸线交点的距离，A表示前刀面，A表示后刀面。带磨料的尼龙毛刷旋转磨削刃口处，通过调节尼龙毛刷与钻头刃口的相对位置，可以获得不同圆弧形微观刃口形状4。C.E.H等5研究指出选择适当的刃口形状可以有效降低刀具磨损，提高使用寿命。Fulemova6通过试验发现喇叭形刃口能够有效延长刀具使用寿命。E Bassett7研究表明喇叭形刃口具有更高的切削稳定性。王乐8研究表明瀑布形刃口相比标准圆弧形刃口具有更小的加工硬化倾向。标准圆弧形介于喇叭形和瀑布形之间，为突出不同圆弧形刃口的试验对比结果，本文选取形状差异较大的喇叭形和瀑布形刃口形状进行对比分析。SSAASSAA图1标准圆弧微观刃口形状 图2喇叭形微观刃口形状（比值S/S=1）（比值S/S1）SSAA图3瀑布形微观刃口形状（比值S/S1）本文通过同一规格直线刃硬质合金麻花钻（如图4），经过不同微观刃口处理工艺，得到喇叭形和瀑布形两种微观刃口形状，通过对碳素结构钢45#的高速钻削试验，分析试验过程中切屑卷曲形态、磨损发展等多维度数据，从而得到不同圆弧形微观刃口形状对硬质合金钻头加工性能的影响。48第4期图4直线刃麻花钻钻尖1试验条件1.1试验工件材料45#为最常用的中碳钢之一，是一种优质碳素结构钢，强度较高，有较好的强韧性配合，主要用于制造强度高的运动件，如汽轮机叶轮、压缩机活塞、轴、齿轮等9。本文试验用45#工件材料，执行标准为GB/T 6992015 优质碳素结构钢，材料为退火状态，硬度为160200 HB。1.2机床设备切削机床等硬件部分条件选用如表1。表1试验条件-硬件部分试验机床MAZAK卧式加工中心HCN-4000-刀柄型号BT40液压刀柄环境温度/26环境湿度/%RH49冷却液水基乳化液浓度10%刃口拍照设备Mikro-CADpremium磨损拍照设备KEYENCE VHX5001.3试验对比刀具选用 4 件刃径5 mm 直线刃硬质合金麻花钻，外形尺寸按照行业通用的DIN6537 K标准设计。2件钻头的微观刃口形状加工成喇叭形，编号为 A1、A2；另 2件钻头的微观刃口形状加工成瀑布形，编号为B1、B2，具体刀具参数见表2，刀具形貌见图5和图6。本文试验采用单一变量法，4件钻头除微观刃口形状有所差异，其他参数均一致。表2试验用钻头参数刀具编号A1A2B1B2刃径DC/mm5555槽长LCF/mm28282828全长OAL/mm66666666柄径DMM/mm6666比值S/S1.2171.2230.8880.876钝化值R/mm0.0220.0230.0200.0201.4切削参数不同刃口钝化值 R 和切削厚度 h的比值 R/h（见图7），对切屑的形成、切削力和切削热分布影响较大，钻削25 HRC以下硬度的碳钢时，通常条件下比值 R/h1，更优推荐值为 0.150.6，且切削刃线速度越高，R/h 会倾向选大一些10。本试验中，刃口钝化值设计参数范围为0.0150.025 mm，RhVc图7刃口钝化值和切削厚度示意图图5喇叭形微观刃口形状刃口图和扫描图图6瀑布形微观刃口形状刃口图和扫描图陈小辉：圆弧刃口形状对麻花钻高速钻削性能的影响492023年8月机电技术机电技术即Rmin=0.015 mm，Rmax=0.025 mm。切削厚度的计算公式11为：h=fzsinKr=fn/2sinKr（1）式中：fz为每齿进给量；Kr为主偏角；fn为每转进给量。本次采用硬质合金麻花钻的钻尖角为140，即主偏角Kr=70，所以h=0.14/2sin70=0.066 mm，即：Rmin/h=0.015/0.066=0.23，Rmax/h=0.025/0.066=0.38。综上计算，本次试验刀具4件麻花钻的R/h取值范围在0.230.38之间，切削参数合适。切削参数选用如表3。表3试验条件-切削参数冷却方式内冷1.5 MPa线速度Vc/（m/min）120转速N/（r/min）7643每转进给fn/（mm/r）0.14进给速度F/（mm/min）1070钻深Ap/mm152试验结果与分析2.1切屑形态对比分析钻削试验，最优先考虑的因素是切屑的成形及排出，切屑断屑不能正常卷曲或过长，容易导致切屑堵在钻头螺旋槽内，进而恶化孔壁质量、孔径大小及寿命，严重时导致钻头折断。图8为两种圆弧形微观刃口形状加工的切屑，喇叭形刃口加工切屑见图8a，瀑布形刃口加工切屑见图8b。切削试验表明：两种微观刃口形貌加工切屑都能正常卷曲成C形屑，排屑顺畅，但从切屑的细节看，喇叭形刃口切屑卷曲更充分，断口平整，瀑布形刃口切削卷曲部分较少，断口呈撕裂锯齿状。两者切屑比较，喇叭形刃口切屑略优于瀑布形刃口，卷屑更加充分。（a）喇叭形刃口加工切屑（b）瀑布形刃口加工切屑图8不同刃口形状加工切屑2.2刀具寿命对比分析采用同一台切削机床钻削同一批 45#材料，A、B刀具交替钻削方式进行试验，每加工 240个孔观察钻头，采用日本基恩士KEYENCE VHX500测量仪进行拍照和测量后刀面磨损值VB，图9为后刀面磨损值VB散点对比图。加工480孔，4件刀具的后刀面磨损值相当。超过480孔，瀑布形刃口B1、B2磨损继续快速加大，到达2880孔时，瀑布形刃口B1、B2磨损扩大较为平缓；超过480孔，喇叭形刃口A1、A2磨损值平缓扩大，达到4320孔，磨损值有较大增长，但明显小于瀑布形刃口。从后刀面磨损散点图可以看出，喇叭形刃口A1、A2磨损值大小及发展趋势基本一致，瀑布形刃口B1、B2磨损值大小及发展趋势基本一致，且经过前期（480孔）快速磨损阶段后，喇叭形刃口磨损值明显小于瀑布形刃口磨损值。以后刀面磨损 VB=0.08 mm时判断刀具到达寿命，则喇叭形刃口的寿命达到瀑布形刃口的22.18倍，具体数值如表4。图9后刀面磨损值散点图表4VB=0.08 mm时钻削孔数VB=0.08 mm时钻削孔数喇叭形刃口A14800喇叭形刃口A24800瀑布形刃口B12200瀑布形刃口B224002.3后刀面磨损形貌对比分析图 10为钻头加工 4800孔后对应的 4件钻头的后刀面磨损情况，从图10可以看出，4件刀具钻尖中心都有明显磨损，无明显差异。喇叭形刃口内刃和外刃磨损均匀一致，且磨损值较小，见图10a和图 10b。瀑布形刃口内刃和外刃磨损值不50第4期太一致，外刃磨损偏大一些，且两刃之间的磨损状态也不一致，见图10c和图10d。更大的磨损值，将造成切削过程中切削热和切削力的增大；不对称的磨损状态，将导致钻削两刃的受力状态不一致，钻头更容易偏离中心，容易振动，孔精度将恶化，刃口更容易出现缺口。综上，从后刀面磨损情况可以看出，喇叭形微观刃口形状的表现优于瀑布形微观刃口形状。（a）喇叭形刃口A1（b）喇叭形刃口A2（c）瀑布形刃口B1（d）瀑布形刃口B2图10第4800孔对应底刃后刀面磨损情况2.4前刀面磨损形貌对比分析图11为钻头加工4800孔对应前刀面磨损情况，从图11可以看出，4件刀具前刀面在内刃及靠近内刃的外刃部分都出现了月牙洼磨损，但瀑布形刃口的月牙洼磨损更严重，且B1的内刃已出现（a）喇叭形刃口A1（b）喇叭形刃口A2（c）瀑布形刃口B1（d）瀑布形刃口B2图图1111第第48004800孔对应底刃前刀面磨损情况孔对应底刃前刀面磨损情况比较明显的磨损，刃口完整性差，见图11c。另一方面，从前刀面可以看出，瀑布形刃口的圆周刃严重磨损，内凹明显，见图11c和图11d，喇叭形刃口圆周刃有较轻微磨损，且靠近刀尖处的圆周刃完整。月牙洼的磨损，一方面将导致刃口强度下降，另一方面将改变切屑卷曲成形；圆周刃的磨损将导致钻削过程刀具的晃动，降低切削过程的稳定性。综上，从前刀面磨损可以看出，喇叭形微观刃口形状的表现优于瀑布形微观刃口形状。2.5钻削过程平稳性分析喇叭形刃口A1、A2钻削开始时，钻削稳定，声音正常，机床主轴负载 4%，加工至 4800孔时，负载不变，声音正常。瀑布形刃口B1、B1钻削开始时，钻削稳定，声音正常，机床主轴负载4%，加工至4800孔时，主轴负载上升至5%8%，加工过程振动变大，有尖锐噪声产生。综上，从钻削过程稳定性可以看出，喇叭形微观刃口形状的表现优于瀑布形微观刃口形状。结合图 16，显示喇叭刃口在刀尖处前刀面形成明显坡面S，刀尖处实际前角变小，切屑变形程度更大，刃口强度更高，断屑效果和刃口抗磨损性更好；瀑布刃口则在刀尖处后刀面形成明显坡面S，刀尖处实际后角变小，后刀面与工件磨损接触变大，钻削过程中易导致后刀面磨损加剧。3结论本文分别选用喇叭形及瀑布形微观刃口钝圆形状的硬质合金麻花钻，在相同切削条件下对45#钢进行高速钻削加工试验。通过对钻削过程中切屑形态、刀具寿命、前后刀面的磨损形貌以及钻削过程平稳性等方面的对比分析，研究不同的刃口钝圆微观形状对硬质合金麻花钻高速钻削性能的影响。试验结果表明：相比瀑布形微观刃口形状的麻花钻，采用喇叭形微观刃口形状的麻花钻切屑卷曲较充分，更容易断屑，因而排屑较顺畅；其主刀刃与圆周刃磨损均匀，前刀面上月牙洼磨损更小，主刀刃完整性更好，刀具寿命更长；钻削过程主轴负载、振动、声音更稳定，钻削过程更平稳。总之，喇叭形刃口钝圆微观形状的硬质合金麻花钻更适合于45#钢的高速钻削加工。（下转第115页）陈小辉：圆弧刃口形状对麻花钻高速钻削性能的影响51第4期提高站位。2）要振奋精神状态：要改变职业的倦怠、要跟上新时代节奏。3）要提高理论水平：要对本专业垂直深耕、要攻克教学难点、要学会深入浅出。4）要改进教学方式，比如多媒体教学、专题式教学、互动式教学、实践式教学、展演式教学。总之，在专业课程中融入丰富的思政元素，将鲜活的教学实践案例立体式地呈现在课堂中，以“无声”形式浸润学生心灵，可推动课程思政“卓然教学”，从而塑造高效的“课程课堂”。参考文献：1 袁杰.高校课程思政建设探讨J.西南林业大学学报（社会科学），2021，5（1）：14-19.2 李辉，王丹.内生育德：课程思政建设的基本遵循J.新疆师范大学学报（哲学社会科学版），2022，43（2）：30-37，2.3 高宁，王喜忠.全面把握 高等学校课程思政建设指导纲要 的理论性、整体性和系统性J.中国大学教学，2020（9）：17-22.4 费腾，张立毅，孙云山.课程思政建设的方法途径初探J.教育教学论坛，2020（35）：48-49.5 崔平，徐敬青，文健，等.装备类专业课程思政建设探索与实践J.中国教育技术装备，2021（3）：72-73，76.6 胡梦晗，刘莹，曹宇，等.基于应用型人才培养的“材料科学基础”课程思政研究与实践J.装备制造技术，2021（10）：137-139，154.7 范伟源.OBE理念下汽车专业课程思政融入的研究与实践J.张家口职业技术学院学报，2021，34（4）：71-73.8 谢国民，张勇志.工科专业课程思政建设的路径探索J.学校党建与思想教育，2022（1）：72-74.9 陆道坤.论课程思政的教学设计与实施J.思想理论教育，2020（10）：16-22.10 王筠，李建明，胡森.“电磁场与电磁波”的课程思政教学探究J.湖北第二师范学院学报，2022，39（8）：64-68.参考文献：1 白海清，沈钰.麻花钻及其成形方法M.北京：科学出版社，2019.2 DE SANTANA M I，POLLI M L.The influence of twist drill main cutting edge preparation in drilling processJ.Materials Research.2015，18（Suppl 2）：148-153.3 RAMESH V.Cutting edge preparationR.30th the IIER International Conference，Beijing，China，2015.4 张波.钻头刃口处理对切削性能影响的实验研究D.大连：大连工业大学，2009.5 VENTURA C E H，KOHLER J，DENKENA B.Infulence of cutting edge geometry on tool wear performance in interrupted hardturningJ.Journal of Manufacturing Processes，2015（19）：129-134.6 FULEMOV J，EHO J.Influence of form factor of the cutting edge on tool life during finishing millingJ.Procedia Engineering，2015，100：682-688.7 BASSETT E，KOHLER J，DENKENA B.On the honed cutting edge and its side effects during orthogonal turning operations ofAISI1045 with coated EC-Co insertsJ.CIRP Journal of Manufacturing Science and technology，2012，5（2）：108-126.8 王乐.硬质合金钻头刃口处理对切削性能的影响D.大连：大连工业大学，2013.9 林慧国，瞿志豪，茅益明.袖珍世界钢号手册M.4版.北京：机械工业出版社，2009.10 CORTS-RODRGUEZ C J.Cutting edge preparation of precision cutting tools by applying micrio-abrasive jet machiningand brushingM.Kaufungen，Germany：Kassel University Press，2009：17-30.11 熊良山，严晓光，张福润.机械制造技术基础M.武汉：华中科技大学出版社，2007.（上接第51页）周文娟：“电子技术及应用”课程思政在线教学研究与实践115