高效新钻型专用刃磨机的研制

魔神

    

钻孔是金属切削加工中最重要的工序之一。普通麻花钻由于原始结构的缺陷，极大地限制了钻孔效率的提高。我国的群钻是世界公认的性能优良的钻型之一，但群钻结构复杂、刃磨困难，在生产中没有得到广泛使用。近年来，国内外开发研制了一系列先进钻头刃磨机和群钻刃磨机，可以刃磨一些先进钻型和群钻，但这些刃磨机结构复杂、价格昂贵，大部分厂家难以接受。90年代初，日本细井公司开发了一种新钻型，并研制出相应的刃磨机，很快得到了市场认同。细井钻头在性能上不如我国的群钻，但因为它的刃磨机结构简单，价格低廉，使得细井钻头很快在生产中得以应用。所以，开发高效新钻型并研制操作方便、价格低廉的刃磨机具有重要意义。

1 新钻型的提出

群钻提高了钻削效率。但分析发现，群钻仍存在一定缺点：1)在刃磨时很难做到左、右切削刃完全对称，这样在钻孔过程中将产生较大径向力，钻头磨损加快而且产生孔径扩大；2)群钻的切屑在宽度上一分为二，切屑的外端和内端的速度差仍较大，切削时附加变形仍很大；3)结构复杂，刃磨困难。

(a)中小直径钻头(5＜Ø＜20)	(b)大直径钻头Ø＞20)
图1 新钻尖刃形

我们对标准群钻进行优化，得到了一种新钻型。新型钻头的横刃修磨方式与群钻相同，同时我们采用了更好的分屑方式，使得新钻型的钻削性能优于群钻，并且简化了结构，使刃磨方便，其中小直径(5＜Ø＜20)钻头的结构如图1(a)所示。钻头左侧圆弧刃较短，约为整个切削刃长度的1/3 ，外刃较长，约为整个切削刃长度的2/3 ；右侧圆弧刃较长，约为整个切削刃长度的2/3 ，外刃较短，约为整个切削刃长度的1/3 ；同时左侧外刃低于右侧外刃(高度差应大于钻削进给量f，图中虚线为右刃高出部分)；同时简化后刀面，用平面代替螺旋面。大直径钻头(Ø＞20)的结构如图1(b)所示，左侧圆弧刃约为整个切削刃长度的1/5，外刃约为整个切削刃长度的4/5 ；右侧圆弧刃约为整个切削刃长度的2/5，外刃约为整个切削刃长度的3/5 ；在较高较短的一侧外刃上开分屑槽，宽度约为整个切削刃长度的1/5 ，深度大于进给量。此钻头在整个钻孔过程中，切削力是对称分布的。钻头刚开始接触工件时，修短了的横刃起到了良好定心作用；之后对称的圆弧刃开始切入工件，由于圆弧刃变短，切削宽度减小；当两侧的钻头接触工件时，外刃开始参加切削，钻头右侧外刃高于左侧外刃，左侧外刃长于右侧外刃，故钻孔时右侧外刃只切外圆，左侧外刃只切中间一圈。可见，本钻头的特殊结构保证了切削刃上切削力的对称分布。对于大直径的钻头，切屑在主切削刃方向上分为五段，更好地减小了切削变形，其它性能与中小直径钻头相同。

新钻型有以下主要优点：1)切屑在主切削刃宽度方向上分成三段或五段，每段切削刃外端和内端的切削速度差明显减小，降低了切削扭矩并减小了钻头磨损和切屑附加变形；2)切屑在外刃处为厚而窄的大螺距带状，排屑容易，圆弧刃缩短后，呈卷曲的切屑量减少，减少了切屑堵塞的危险性，因此排屑情况优于标准群钻；3)如果刃磨时两侧切削刃略有高低误差，不会造成两侧切削负荷变化而影响径向力的变化，只是在钻入的瞬间有径向力，而在钻孔过程中径向力是平衡的，这是其它钻头无法比拟的；4)刃磨方便。

图2 修磨调整原理图

2 新型钻头的刃磨

该钻型需要进行切削刃、圆弧刃、横刃及后刀面的修磨。完成一支钻头的修磨，砂轮中心高相对于钻头中心高要有三个高度的变化，才能保证磨出一定后角。刃磨时将钻头的螺旋后刀面简化为平面，可方便刃磨，修磨过程中调整原理如图2所示。

1. 对刀，使切削刃水平，修磨切削外刃和圆弧刃。调整砂轮高度，保证第一后角b₁=12°，a₁=b₁，则砂轮中心相对于钻头中心高出H₁

   H1=Rsina1

   (1)

   
   R为砂轮半径，之后通过X、Y向的进给磨出一侧刃形，然后钻头绕直线旋转180°，再进行另一侧的刃形修磨。
2. 修磨二次后刀面，保证第二后角b₂为20°。这是为了磨低后刀面，避免钻孔时后刀面参与切削，同时又保证钻头的强度。a₂=b₂=20°，则砂轮需升高H₂

   H2=Rsin20°+B-H1

   (2)

   
   B为修磨后第一后刀面的宽度，约为3mm。
3. 修磨横刃，再次升高砂轮，使a₃等于55°，则砂轮需再升高H₃

   H3=Rsin55°-H2-H1

   (3)

   在保证横刃强度的条件下，尽量增大内刃前角，有利于降低轴向力。a₃取55°是综合考虑这两个方面的结果。

图3 钻头刃磨机运动原理图

3 刃磨机研制

从理论上讲，空间六个坐标运动可以实现空间任意运动，从而可以完成空间任意形面的加工。六个坐标如何选取，是机床结构设计时应重点考虑的间题。我们所研制的刃磨机结构如图3所示，该刃磨机能实现上述修磨过程。其中X、Y方向的移动是为了实现X、Y方向的进给运动，从而使砂轮的切削点相对于钻头的刃部形成所需的运动轨迹；a为钻头绕自身轴线的旋转运动，具有180°的分度和定位功能，从而实现钻头左右切削刃的对称修磨，同时钻头可以在绕自身轴线的方向上任意旋转、定位，完成切削刃的对刀，实现不同后角的修磨。钻头轴线与X轴成30°夹角，保证了钻头切削刃是沿水平方向(Y轴)运动，形成了钻头120°锋角；b为夹具绕Z轴的转动，可以实现不同锋角的修磨；Z'向的移动有三个固定位置，通过手柄来实现，手柄与砂轮头架绕固定支点转动，则砂轮相对于钻头的高度将发生变化，从而实现钻头的第一次后刀面、二次后刀面和横刃的修磨，形成主后角、副后角和横刃锋角。这种调整方式结构简单、操作方便、准确性好，仅需三次简单的扳动手柄动作，即可实现砂轮复杂的调整定位运动。对于砂轮磨损或不同直径的钻头，还可以通过微调装置使砂轮准确定位，以保证钻头的角度。

本刃磨机具有下列优点：

1. 可方便地磨出新型钻头刃形，刃磨质量稳定，一致性好；
2. 结构简单，由于将复杂的螺旋运动转化为简单的直线运动，所以大大简化了机床结构，降低了成本；
3. 机床调整简单方便，操作省时省力，与专用夹具配合，可快速地完成钻头刃部各部分的修磨；
4. 砂轮轮廓修正很方便，操作非常简单。

4 结论

新型钻头的刃磨难度比标准群钻小，而钻削性能明显提高。新型钻头将较好地解决企业中存在的大量磨钝钻头的重磨问题，而且可实现机械化刃磨，重磨时间大大缩短，耐用度、钻削效率明显提高。试验证明，在相同条件下，新型钻头与基本型群钻相比，钻孔时轴向抗力降低了8.3%～19.4%，钻削扭矩降低了2.6%～21.7%。刃磨机结构简单，操作方便，成本低廉可以保证新钻型的推广，这势必对我国机械行业起到推动作用。