新鑽型提高鑽孔效率的研究

   時間:2014-03-11 13:05:01
新鑽型提高鑽孔效率的研究簡介
        孔加工是金屬切削加工中最重要的工序之一,約佔所有金屬切削加工工序的33%[1]。在……
新鑽型提高鑽孔效率的研究正文
  

 


孔加工是金屬切削加工中最重要的工序之一,約佔所有金屬切削加工工序的33%[1]。在自動化生產線中,孔加工經常決定著生產周期的長短。但普通麻花鑽本身的結構存在許多不合理之處,阻礙了其切削性能的進一步提高。同時,各種新型材料的廣泛應用給鑽削加工增添了許多困難。解決這些問題的主要途徑,除採用新的刀具材料外,優化刀具的幾何參數、改善切削條件是一種行之有效的方法。
法國「雷諾」和「標緻」兩大汽車公司發明的三傾角鑽頭就是修磨后刀面形成新的橫刃和主切削刃來改善切削條件的。Hertel公司提出的SE型整體硬質合金鑽頭,通過修磨特殊的橫刃和切削刃形狀來提高切削效率。我國汽車行業應用比較廣泛的X型高效鑽頭,通過磨短橫刃,使橫刃處形成具有一定正前角的內刃,改善了切削狀態,減小了軸向進給力。這三種類型的鑽頭在一定程度上提高了鑽削效率,但它們的共同缺點是沒有進行有效分屑。雖然軸向力有所減小,但鑽削扭矩減小不明顯,鑽削過程中仍有較多的能量浪費在切屑變形上,產生較大的切削熱。
群鑽綜合了多種鑽頭修磨方法,具有定心好、切入快、鑽孔精度高、軸向力和扭矩小等優點。圖1所示為5~15mm基本型群鑽的刃形結構。除修磨橫刃外,該鑽頭在主切削刃上磨出了對稱的月牙形圓弧槽,形成新的橫刃和增加了橫刃前角,改善了切削條件;並在直刃與圓弧刃交界處形成轉點實現分屑,鑽孔時直刃將切下大螺距帶狀切屑,圓弧刃將切下捲曲的切屑。分屑減小切屑之間的牽拉扭矩,所以群鑽在很大程度上提高了鑽削效率。但群鑽仍存在一定缺點:(1)在刃磨時很難做到左、右切削刃完全對稱,這樣在鑽孔過程中將產生較大徑向力,鑽頭磨損加快而且產生孔擴;(2)為了實現完全分屑,兩外刃應磨出一定的高度差h(h≥f/2),這樣,從理論上講完全分屑的群鑽存在徑向力;(3)群鑽的切屑在寬度上一分為二,但切屑的外端和內端的切屑速度差仍較大,故切削時附加變形仍很大。

基本群鑽刃形結構

綜合上述鑽頭的優點,改進它們的不足,我們提出了一種新型鑽頭。新型鑽頭的橫刃修磨方式與群鑽相同,同時我們採用了更好的分屑方式,使得新鑽型的鑽削性能優於群鑽,其結構如圖2所示。鑽頭左側圓弧刃較短,約為整個切削刃長度的1/3,外刃較長,約為整個切削刃長度的2/3;右側圓弧刃較長,約為整個切削刃長度的2/3,外刃較短,約為整個切削刃長度的1/3;同時左側外刃低於右側外刃(高度差應大於鑽孔進給量f,圖中虛線為右刃高出部分)。此鑽頭的切削圖形見圖3,在整個鑽孔過程中,切削力是對稱分佈的。鑽頭剛開始接觸工件時,修短了的橫刃起到了良好定心作用;之後對稱的圓弧刃開始切入工件,由於圓弧刃變短,切屑寬度減小;當兩側的鑽尖接觸工件時,外刃開始參加切削,鑽頭右側外刃高於左側外刃,左側外刃長於右側外刃,故鑽孔時右側外刃只切外圓,左側外刃只切中間一圈。可見,本鑽頭的特殊結構保證了切削刃上切削力的對稱分佈。

新鑽尖刃形

新鑽型的切削圖形


新型鑽型有以下主要優點:
(1)切屑在主切削刃寬度方向上分成三段,每段切削刃外端和內端的切削速度差明顯減小,減小了切屑附加變形,降低了切削扭矩並減小了鑽頭磨損。以優化后的φ15mm的鑽頭為例,右側外刃的外端半徑為7.5mm,內端半徑為5.5mm;左側外刃起切削作用的刀刃外端半徑為5mm,內端半徑為3mm;圓弧切削刃的外端半徑為3mm,內端半徑為0.75mm。
(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,呈捲曲的切屑量減少,減少了切屑堵塞的危險性,因此排屑情況優於標準群鑽。
(3)如果刃磨時兩側切削刃略有高低誤差,不會造成兩側切削負荷變化而影響徑向力的變化。只是在鑽入的瞬間有徑向力,而在鑽孔過程中徑向力是平衡的,這是其它鑽頭無法以擬的。
為了證明新型鑽頭的性能,我們進行了普通麻花鑽、基本型群鑽和新型鑽頭鑽削力的對比試驗。試驗在Z525型立式鑽床上進行,主軸轉速195r/min,進給量分別為0.10、0.13、0.17、0.22、0.28、0.36mm/r,工件材料45鋼,測力裝置採用KISTLER測力儀與薄壁筒式測力儀相結合的方式,試驗結果如圖4所示。試驗結果表明:進給量從0.10~0.22mm/r,新型鑽頭相對於麻花鑽的鑽削扭矩分別降低了29.6%,33.3%,22.5%,13.7%;而相對於群鑽,鑽削扭矩分別降低了13.9%,21.7%,14

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