鉆孔是金屬切削加工中最重要的工序之一。普通麻花鉆由于原始結(jié)構(gòu)的缺陷，極大地限制了鉆孔效率的提高。我國(guó)的群鉆是世界公認(rèn)的性能優(yōu)良的鉆型之一，但群鉆結(jié)構(gòu)復(fù)雜、刃磨困難，在生產(chǎn)中沒有得到廣泛使用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外開發(fā)研制了一系列先進(jìn)鉆頭刃磨機(jī)和群鉆刃磨機(jī)，可以刃磨一些先進(jìn)鉆型和群鉆，但這些刃磨機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，大部分廠家難以接受。90年代初，日本細(xì)井公司開發(fā)了一種新鉆型，并研制出相應(yīng)的刃磨機(jī)，很快得到了市場(chǎng)認(rèn)同。細(xì)井鉆頭在性能上不如我國(guó)的群鉆，但因?yàn)樗娜心C(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，使得細(xì)井鉆頭很快在生產(chǎn)中得以應(yīng)用。所以，開發(fā)高效新鉆型并研制操作方便、價(jià)格低廉的刃磨機(jī)具有重要意義。
1 新鉆型的提出
群鉆提高了鉆削效率。但分析發(fā)現(xiàn)，群鉆仍存在一定缺點(diǎn)：1)在刃磨時(shí)很難做到左、右切削刃完全對(duì)稱，這樣在鉆孔過程中將產(chǎn)生較大徑向力，鉆頭磨損加快而且產(chǎn)生孔徑擴(kuò)大；2)群鉆的切屑在寬度上一分為二，切屑的外端和內(nèi)端的速度差仍較大，切削時(shí)附加變形仍很大；3)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，刃磨困難。
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(a)中小直徑鉆頭(5＜Ø＜20)
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(b)大直徑鉆頭Ø＞20)
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| 圖1 新鉆尖刃形 |
我們對(duì)標(biāo)準(zhǔn)群鉆進(jìn)行優(yōu)化，得到了一種新鉆型。新型鉆頭的橫刃修磨方式與群鉆相同，同時(shí)我們采用了更好的分屑方式，使得新鉆型的鉆削性能優(yōu)于群鉆，并且簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，使刃磨方便，其中小直徑(5＜Ø＜20)鉆頭的結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。鉆頭左側(cè)圓弧刃較短，約為整個(gè)切削刃長(zhǎng)度的1/3 ，外刃較長(zhǎng)，約為整個(gè)切削刃長(zhǎng)度的2/3 ；右側(cè)圓弧刃較長(zhǎng)，約為整個(gè)切削刃長(zhǎng)度的2/3 ，外刃較短，約為整個(gè)切削刃長(zhǎng)度的1/3 ；同時(shí)左側(cè)外刃低于右側(cè)外刃(高度差應(yīng)大于鉆削進(jìn)給量f，圖中虛線為右刃高出部分)；同時(shí)簡(jiǎn)化后刀面，用平面代替螺旋面。大直徑鉆頭(Ø＞20)的結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，左側(cè)圓弧刃約為整個(gè)切削刃長(zhǎng)度的1/5，外刃約為整個(gè)切削刃長(zhǎng)度的4/5 ；右側(cè)圓弧刃約為整個(gè)切削刃長(zhǎng)度的2/5，外刃約為整個(gè)切削刃長(zhǎng)度的3/5 ；在較高較短的一側(cè)外刃上開分屑槽，寬度約為整個(gè)切削刃長(zhǎng)度的1/5 ，深度大于進(jìn)給量。此鉆頭在整個(gè)鉆孔過程中，切削力是對(duì)稱分布的。鉆頭剛開始接觸工件時(shí)，修短了的橫刃起到了良好定心作用；之后對(duì)稱的圓弧刃開始切入工件，由于圓弧刃變短，切削寬度減��；當(dāng)兩側(cè)的鉆頭接觸工件時(shí)，外刃開始參加切削，鉆頭右側(cè)外刃高于左側(cè)外刃，左側(cè)外刃長(zhǎng)于右側(cè)外刃，故鉆孔時(shí)右側(cè)外刃只切外圓，左側(cè)外刃只切中間一圈。可見，本鉆頭的特殊結(jié)構(gòu)保證了切削刃上切削力的對(duì)稱分布。對(duì)于大直徑的鉆頭，切屑在主切削刃方向上分為五段，更好地減小了切削變形，其它性能與中小直徑鉆頭相同。
新鉆型有以下主要優(yōu)點(diǎn)：1)切屑在主切削刃寬度方向上分成三段或五段，每段切削刃外端和內(nèi)端的切削速度差明顯減小，降低了切削扭矩并減小了鉆頭磨損和切屑附加變形；2)切屑在外刃處為厚而窄的大螺距帶狀，排屑容易，圓弧刃縮短后，呈卷曲的切屑量減少，減少了切屑堵塞的危險(xiǎn)性，因此排屑情況優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)群鉆；3)如果刃磨時(shí)兩側(cè)切削刃略有高低誤差，不會(huì)造成兩側(cè)切削負(fù)荷變化而影響徑向力的變化，只是在鉆入的瞬間有徑向力，而在鉆孔過程中徑向力是平衡的，這是其它鉆頭無(wú)法比擬的；4)刃磨方便。
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圖2 修磨調(diào)整原理圖
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2 新型鉆頭的刃磨
該鉆型需要進(jìn)行切削刃、圓弧刃、橫刃及后刀面的修磨。完成一支鉆頭的修磨，砂輪中心高相對(duì)于鉆頭中心高要有三個(gè)高度的變化，才能保證磨出一定后角。刃磨時(shí)將鉆頭的螺旋后刀面簡(jiǎn)化為平面，可方便刃磨，修磨過程中調(diào)整原理如圖2所示。
- 對(duì)刀，使切削刃水平，修磨切削外刃和圓弧刃。調(diào)整砂輪高度，保證第一后角b1=12°，a1=b1，則砂輪中心相對(duì)于鉆頭中心高出H1
R為砂輪半徑，之后通過X、Y向的進(jìn)給磨出一側(cè)刃形，然后鉆頭繞直線旋轉(zhuǎn)180°，再進(jìn)行另一側(cè)的刃形修磨。
- 修磨二次后刀面，保證第二后角b2為20°。這是為了磨低后刀面，避免鉆孔時(shí)后刀面參與切削，同時(shí)又保證鉆頭的強(qiáng)度。a2=b2=20°，則砂輪需升高H2
B為修磨后第一后刀面的寬度，約為3mm。
- 修磨橫刃，再次升高砂輪，使a3等于55°，則砂輪需再升高H3
在保證橫刃強(qiáng)度的條件下，盡量增大內(nèi)刃前角，有利于降低軸向力。a3取55°是綜合考慮這兩個(gè)方面的結(jié)果。
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圖3 鉆頭刃磨機(jī)運(yùn)動(dòng)原理圖
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3 刃磨機(jī)研制
從理論上講，空間六個(gè)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)空間任意運(yùn)動(dòng)，從而可以完成空間任意形面的加工。六個(gè)坐標(biāo)如何選取，是機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的間題。我們所研制的刃磨機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示，該刃磨機(jī)能實(shí)現(xiàn)上述修磨過程。其中X、Y方向的移動(dòng)是為了實(shí)現(xiàn)X、Y方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而使砂輪的切削點(diǎn)相對(duì)于鉆頭的刃部形成所需的運(yùn)動(dòng)軌跡；a為鉆頭繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，具有180°的分度和定位功能，從而實(shí)現(xiàn)鉆頭左右切削刃的對(duì)稱修磨，同時(shí)鉆頭可以在繞自身軸線的方向上任意旋轉(zhuǎn)、定位，完成切削刃的對(duì)刀，實(shí)現(xiàn)不同后角的修磨。鉆頭軸線與X軸成30°夾角，保證了鉆頭切削刃是沿水平方向(Y軸)運(yùn)動(dòng)，形成了鉆頭120°鋒角；b 為夾具繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)不同鋒角的修磨；Z'向的移動(dòng)有三個(gè)固定位置，通過手柄來(lái)實(shí)現(xiàn)，手柄與砂輪頭架繞固定支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，則砂輪相對(duì)于鉆頭的高度將發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)鉆頭的第一次后刀面、二次后刀面和橫刃的修磨，形成主后角、副后角和橫刃鋒角。這種調(diào)整方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、準(zhǔn)確性好，僅需三次簡(jiǎn)單的扳動(dòng)手柄動(dòng)作，即可實(shí)現(xiàn)砂輪復(fù)雜的調(diào)整定位運(yùn)動(dòng)。對(duì)于砂輪磨損或不同直徑的鉆頭，還可以通過微調(diào)裝置使砂輪準(zhǔn)確定位，以保證鉆頭的角度。
本刃磨機(jī)具有下列優(yōu)點(diǎn)：
- 可方便地磨出新型鉆頭刃形，刃磨質(zhì)量穩(wěn)定，一致性好；
- 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于將復(fù)雜的螺旋運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的直線運(yùn)動(dòng)，所以大大簡(jiǎn)化了機(jī)床結(jié)構(gòu)，降低了成本；
- 機(jī)床調(diào)整簡(jiǎn)單方便，操作省時(shí)省力，與專用夾具配合，可快速地完成鉆頭刃部各部分的修磨；
- 砂輪輪廓修正很方便，操作非常簡(jiǎn)單。
4 結(jié)論
新型鉆頭的刃磨難度比標(biāo)準(zhǔn)群鉆小，而鉆削性能明顯提高。新型鉆頭將較好地解決企業(yè)中存在的大量磨鈍鉆頭的重磨問題，而且可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化刃磨，重磨時(shí)間大大縮短，耐用度、鉆削效率明顯提高。試驗(yàn)證明，在相同條件下，新型鉆頭與基本型群鉆相比，鉆孔時(shí)軸向抗力降低了8.3%～19.4%，鉆削扭矩降低了 2.6%～21.7%。刃磨機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，成本低廉可以保證新鉆型的推廣，這勢(shì)必對(duì)我國(guó)機(jī)械行業(yè)起到推動(dòng)作用。
