抛物线型钻头在深孔加工中的应用

马克思叶赫拉拉

　　当机械加工工艺人员为某一特定的孔加工任务选择钻头时，首先需要考虑被加工孔的深度，被加工的孔越深，则加工过程中需要排出的切屑量越大，如果加工中产生的切屑不能及时、有效地排出，则可能阻塞钻头的排屑槽，从而延缓加工进程，并最终影响孔的加工质量。因此，有效排屑是成功完成任何材料的孔加工任务的关键因素。
　　钻头的长径比
　　当工艺人员为特定的孔加工任务选择最合适的钻头类型时，需要计算钻头的长径比。长径比为被加工孔的深度与钻头直径之比，例如，钻头直径为12.7mm，需要加工的孔深度为38.1mm，则其长径比为3:1。当长径比约为4:1或更小时，大多数标准麻花钻头的排屑槽均能较顺利地排出钻头切削刃切除的切屑。而当长径比超出上述范围时，则需采用专门设计的深孔钻头才能实现有效的加工。
4 e/ _8 R1 R& d+ |3 J6 X" ~: j　　一旦被加工孔的长径比大于4:1，标准麻花钻就很难将切屑顶离切削区并排出孔外，切屑很快会阻塞钻头排屑槽，此时需要停止钻削，从孔中退出钻头，清除排屑槽中的切屑，然后重新下钻继续切削，上述操作需重复多次才能加工出要求的孔深，这种钻削方式通常称为“啄击”法。采用“啄击”法加工深孔会缩短刀具寿命，降低加工效率，影响被加工孔的质量。每一次将钻头从孔中退出，清除切屑后重新插入孔中时，都有可能偏离孔的中心线，从而使孔径变大，超出规定的尺寸公差范围。
　　为了解决深孔加工难题，近年来钻头制造商开发出了两种新型深孔加工钻头——普通抛物线型钻头和宽刃抛物线型钻头。
+ E. w! q9 y: W3 B　　普通抛物线型钻头
　　抛物线型钻头的排屑槽型为抛物线，专门用于连续钻削加工长径比达15:1、材料硬度不超过25～26HRC(包括低碳钢、各种铝合金、铜合金等)的深孔。例如，直径为12.7mm的抛物线型钻头可成功加工出孔深达190mm的孔。由于具有较大的排屑空间，普通抛物线型钻头可将切削刃处的切屑快速排出，同时可容许更多的切削液进入切削区，从而显著减小切削摩擦以及发生切屑焊死现象的可能性，此外还可减小加工时的功率消耗、扭矩载荷和切削冲击。
　　抛物线型钻头的螺旋角为36°～38°，大于标准麻花钻的螺旋角(28°～30°)。螺旋角可表示钻头的“扭转”程度，螺旋角越大，钻头&排屑速度越快。普通抛物线型钻头适合深孔加工的另一特点是钻芯较厚(钻头的钻芯是指钻头排屑槽成形后未被磨削的中心部分)。标准麻花钻的钻芯部分约占整个成品钻头的20%，而抛物线型钻头的钻芯则可占到整个钻头的约40%。在深孔钻削中，较厚的钻芯可增加钻头的刚性，提高钻削加工的稳定性。抛物线型钻头的钻尖处开有槽口，因此可采用较大的钻芯直径，此外还可防止钻孔开始阶段容易发生的钻头移位现象。
　　抛物线型钻头采用高速钢材料制造，为强化切削性能，也可对钻头进行表面涂层处理。
　　宽刃抛物线型钻头
　　为了适应难加工材料(冷作硬化材料)深孔钻削加工的需要，一些刀具制造商开发出了宽刃抛物线型钻头。这种钻头的许多特点与普通抛物线型钻头类似，如螺旋角较大(36°～38°)，易于排屑；钻芯较厚，深孔加工时钻头刚性和稳定性较好等。它与普通抛物线型钻头的不同之处在于排屑槽和刃带形状。宽刃抛物线型钻头的刃带平滑过渡到排屑槽，从而使钻头切削刃具有较高的强度和刚性，同时切屑也可通过排屑槽顺利排出。
　　在深孔钻削中，摩擦引起的高温可能引起钻头切削刃轻微软化或回火，从而加速钻头磨损。钻头切削刃在加工中保持硬度的能力可用“红硬性”来表示。宽刃抛物线型钻头通常采用高速钢和钴高速钢材料制造，由于钴高速钢宽刃抛物线型钻头具有较高的红硬性，因此刀具寿命更长，抗磨损能力更强。
　　钻头表面涂层
　　普通抛物线型钻头和宽刃抛物线型钻头经常采用以下几种表面涂层：①氮化钛(TiN)涂层：该涂层可显著改善钻头的使用寿命和被加工孔的质量，与未涂层钻头相比，TiN涂层钻头更适合对多种材料工件(尤其是各种钢件)进行高速钻削加工。②碳氮化钛(TiCN)涂层：在适当的切削温度下，TiCN涂层比TiN涂层硬度更高、韧性更强、耐磨性更好，同样适合对多种工件材料(尤其是钢件)进行高速钻削加工。但在加工有色金属材料时应特别小心，因为TiCN涂层与有色金属具有较高化学亲和性，极易磨损。③氮化铝钛(TiAlN)涂层：该涂层可改善钻头的使用寿命，尤其适用于切削温度较高的加工场合。与TiCN涂层类似，TiAlN涂层也不太适合加工有色金属材料。
　　钻削参数的优化
9 z9 H- l9 B! j　　在深孔加工中，为了最大限度地发挥钻头的切削性能，必须根据特定的长径比优化调整钻削速度和进给量。当钻削加工的长径比为4:1时，应将切削速度降低20%，进给率减小10%；当长径比为5:1时，应将切削速度降低30%，进给率减小20%；当长径比达到6:1～8:1时，应将切削速度降低40%；此外，当长径比为5:1～8:1时，应将进给率减小20%。
) w4 ~6 Q( b0 U; i+ X　　虽然抛物线型钻头的价格是标准麻花钻头的2～3倍，但它在深孔(长径比大于4:1)加工中表现出的的优异性能大大降低了每孔加工成本，因此成为机械工艺人员加工深孔的首选刀具。【MechNet】
5 w! }: g2 O2 x( K3 z& ]$ j! l! u文章关键词： 钻头