钻削质量

钻削质量（精选7篇）

钻削质量 篇1

在生产中长期沿用“钻一扩一铰”的传统工艺方法, 生产效率低, 特别是深孔加工中的排屑、冷却与润滑以及钻头的导向等问题的存在, 严重影响了孔加工的质量和效率。为解决这个问题, 笔者在现有的摇臂式钻床基础上, 进行设备改装, 经过多次试钻, 采用振动钻孔的加工方式, 完成深孔加工的任务, 达到预期的质量效果。

1 振动钻削原理

振动钻削是一种新的深孔加工方法, 效率高, 表面质量好, 在国内外受到高度重视, 并得到广泛应用。其突出特点是:

1) 瞬时切削速度高;

2) 刀具与工件的接触是间断的、变化的。

带动凸轮进行高速旋转, 刀具作规律性的简谐振动, 完成对工件的振动钻削加工。

2 振动钻削实验概述

2.1 工作机理

试验设备是由普通摇臂式车床改装成的深孔钻床。在机床的工作台上安装激振器, 直流电动机控制振动频率, 无级调频范围为0Hz~l00Hz, 双偏心轮机构组成激振振幅, 无级调幅范围为0rnm~0.5rnm, 钻头是7.9mm的内排屑深孔钻, 刀片材料为YT798, 试件为14mm×130mm的铸铁, 加工中激振振幅取0.07mm, 激振频率取95Hz, 进给量为0.008mm/r, 主轴转速为1250r/min, 选用5#机械油进行冷却和润滑, 油压4MPa。

2.2 试验效果

振动钻削得到的孔壁粗糙度 (Ra=0.837μm) 相比普通钻削加工出的孔壁粗糙度 (Ra一般在5μm以上) 要好许多, 接近于磨削效果。实践证明振动钻削的断屑和排屑效果良好、润滑较为充分、可以抑制切削颤振和积屑瘤等缺陷, 能够有效提高加工质量。

2.3 质量分析

1) 良好的断屑和排屑效果。振动钻削时, 根据刀具的振动频率, 均等地分割出工件上需要切削部位的大小, 并且使这一部分有规律地变形成为断屑。

(1) 振动钻削时, 高压切削液和狭小的容屑空间造成切屑很容易从强度较差的部位形成断屑。所以振动钻削的断屑效果良好。

(2) 利于断屑的另外一个因素是刀杆的轴向振动。由于钻头的轴向进给量很小, 当进给量小于轴向的振动振幅时, 切屑被强制切断。

2) 充分的润滑。一般认为冷却液进入切削区的方向有四个, 如图2所示的A、B、C、D四个方向。

因为振动钻削是断续进行的加工过程, 当运行中的刀具与工件出现分离时, 在切削区容易造成瞬间真空, 产生负压, 冷却液从周围渗入切削区, 对刀刃进行充分的冷却, 在压差的作用下冷却液从A方向渗入切削区, 包围刀屑接触面之间的新生切削表面: (1) 加大了刀屑接触面之间的新生表面; (2) 侧面渗入的能力大大加强; (3) 后刀面与已加工表面间的正压力减小, 增加了冷却液从B方向渗入切削区的能力。因此, 振动钻削可以使冷却液的冷却和润滑功能得到充分发挥, 很大程度上改善孔壁的粗糙度。

3) 不产生积屑瘤和鳞刺

普通钻削, 获得较小表面粗糙度值的两大障碍是积屑瘤和鳞刺的存在。振动钻削时, 振动可以有效降低切屑与前刀面之间的摩擦系数, 切削扭矩也大为降低。同时切削热显著下降, 降低了切屑温度, 不利于积屑瘤的产生。同时, 切屑与前刀面之间的摩擦力减小以及切屑的断续分离, 也不会产生鳞刺。

笔者在总结前人研究的基础上, 针对我厂生产实际, 提出了切实可行的改造方案, 对深孔加工中难以解决的断屑、排屑、润滑、积屑瘤和鳞刺问题进行了深入研究和探讨, 为进一步提高振动钻削改善深孔加工质量提供了理论保障。

摘要：笔者通过振动钻削试验, 对深孔加工质量进行分析, 为改进深孔加工精度提供了理论依据。

关键词：振动钻削,深孔加工,质量因素

参考文献

[1]颐崇衔著.金属切削原理.机械工业出版社, 1982.

[2][日]隈部淳一郎著.振动切削与深孔加工.科学出版社, 1986.

钻削毛刺的形成与分析模型 篇2

钻削是孔加工普遍采用的方法。在通孔钻削加工中,孔出口处边缘通常会形成毛刺,称为出口毛刺。出口毛刺的存在严重地影响着工件的加工质量和使用性能。一般需要额外地增加去毛刺工艺,提高了加工成本、延长了生产周期,制约着自动化加工技术的发展。迫切需要开展对钻削毛刺形成机理的研究,从而为其主动控制提供理论指导和技术支撑。自上世纪60年代以来,切削毛刺问题已引起国内外学者的广泛关注,先后开展了切削毛刺的研究并取得了系列成果,在钻削毛刺上主要具有代表性的成果有:K.L.Gillespie和S.Pande等[[1,2]]试验研究了钻头结构、切削参数和材料特性对毛刺的影响;J.M.Stein[3]在对不锈钢钻削试验中,提出切削速度、进给速度及刀具磨损的增加将增大毛刺尺寸的形成;K.Takazawa[4]提出减小切削力并增加切屑排出的顺畅性将有利减小钻削毛刺的形成;A.Sofronas[5]提出了基于调整和优化钻尖角、螺旋角进给速度、塑性剪切强度及钻头直径从而控制出口毛刺形态尺寸的模型。由于钻头结构及钻削三维受力条件的复杂性,采用传统的数学-力学模型很难建立出工件与刀具相互运动参数、钻头结构参数及材料性能与钻削毛刺形成相互关系的理论分析模型,直接影响着钻削出口毛刺的控制技术的发展,使得去毛刺成本有增无减。随着数值分析与计算软件的发展,有限元分析模型逐步应用于毛刺形成机理的研究中,并证明是一种有效、可行的方法[6—8]。本研究在基于一种新的麻花钻结构建模的基础上,提出了一种基于材料失效模拟工件材料与切屑分离的钻削毛刺形成有限元分析模型,根据钻削过程模拟结果,对钻削出口毛刺的形成过程及力学、材料内部形变特性进行了深入分析,为深入揭示出其形成机理及毛刺的主动控制技术提供理论基础。

1 钻削毛刺形成模型的建立

1.1 麻花钻几何模型

麻花钻的几何结构参数一般由其制造参数确定。钻头的制造过程包括两个主要的磨削过程,即磨削沟槽和后刀面。这些磨削操作的参数确定了麻花钻最终成型的几何参数。如原始锋角,横刃斜角,横刃长度等都直接受麻花钻制造参数的影响锥面后刀面的方程及设计参数和磨参之间的关系,即钻头坐标系中的锥面方程为[9]

式(1)中,θ,β,,d,S为磨削参数。

由此来构建钻头模型必将是一个极其复杂、繁琐的计算过程。本研究前期提出了一种新的基于磨削过程的麻花钻几何结构建模方法[10],并在UG(nx4.0)上实现,钻头三维几何模型及网格划分结果(见图1)。在钻削过程模拟中,钻头具有轴向进给(f)和周向旋转(n)运动。

1.2 工件模型

钻孔的模拟需要耗费很大的计算机资源。如果要完整地模拟整个孔的加工,对计算机的要求比较高,需要的时间也比较长,鉴于模拟深度对所求参数的影响较小,在此只模拟一定深度,即钻削达到稳态即可。工件模型采用在一个圆柱实体上预先凿个近似钻尖形状的孔(见图2),这样可以提高了仿真分析的效率,减少了仿真分析的时间。钻削加工仿真分析时,当工件的尺寸、所用单元数等条件相同时,弹塑性有限元和刚塑性有限元的应力、应变分析结果几乎相同,但弹塑性有限元的数值计算时间却是刚塑性有限元计算时间的3到5倍。为了节省计算时间,在此,工件采用了热刚塑性材料模型,而刀具采用的是考虑温度变化的刚性材料模型。模拟过程中采取了四面体单元网格形式,工件单元类型是绝对网格类型,最大网格单元的尺寸和最小网格单元尺寸的比例是10。在模拟过程中,工件侧面固定约束。

1.3 关键技术

1.3.1 工件材料的流动应力模型

在实际切削加工中,工件材料常常在高温、大应变和大应变速率的情况下发生弹塑性流动,综合考虑各因素建立合理的材料流动应力模型是模拟分析的关键。

在建立的模型中,工件定义为塑性材料,主要考虑三个方面,屈服准则、流动准则和强化准则。采用VonMises屈服准则。发生屈服时,应变的发展方向是通过流动准则来描述。采用的是表格式数据形式,经由严格的试验得到。即

式(2)中,σ是流动应力;ε是应变;ε﹒是应变速率;T是温度。式(2)能够描述出材料真实的塑性流动行为,定义材料的本构关系。强化准则描述初始屈服准则随着塑性应变的增加是怎样发展的,选用了等向强化准则。建立的材料流变应力模型(见图3)。

在切削模拟中,选用材料的同时也就决定了切削方程式的形式,也就决定了材料切削行为特点。考虑加工中具有变形强化的特点,采用第了Oxley的加工硬化滑移线场模型[11]:

1.3.2 材料失效准则

切削模拟的一个关键问题如何实现切屑与材料的分离。切屑断裂准则是通过高温拉伸试验计算出断裂性能,并同金属变形断裂所需的能量建立起映射关系,将其作为判断金属材料延性断裂的临界能量值,所以能够有效预测材料的破坏情况,准则描述如式(4)[12]。

式(4)中σ*为最大应力;ε为等效应变;Df为材料发生断裂时的临界值。一般通过实验获得。

1.3.3 接触模型

刀具/切屑与刀具/工件之间的接触控制着摩擦、热转换条件,并且受到刀具与工件之间的主从关系的影响。在钻削中设定刀具为主要的目标,工件设定为从属关系,这意味着工件的变形是依据刀具的运动而产生,工件的网格不允许移动到刀具内部。同时设定了一个工件与其自身的主从关系,使得切屑不允许进入工件内部。刀具和切屑之间摩擦模型由粘性接触区tp和滑移接触区tc两部分组成(见图4)。选用合理的粘性区域长度与摩擦系数μ是保证计算结果正确的关键。

2 模拟条件

模拟条件主要包括钻头结构的几何参数、切削参数、材料特性参数、摩擦及热传导参数等,如表1所示。

3 模拟结果与分析

在不同的切削条件下,模拟结果得到三种不同形态的钻削出口毛刺(见图5)。分别称为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型毛刺。

其中Ⅰ型毛刺凹向工件实体,故又称之为亏缺(负毛刺)。一般情况下,Ⅰ型毛刺尺寸对工件的精度和性能影响不大。但当孔的加工精度要求较高时,也往往成为影响孔的质量及工件的使用性能的原因之一。Ⅱ型毛刺的高度较小,毛刺根部厚度较大。此种进给方向毛刺的断面面积较大,去除较为困难。特殊情况下,需要安排去除毛刺的工序。它将降低生产效率,增大加工成本。Ⅲ型毛刺的尺寸最大,其断面面积最大,此种毛刺亦有翻卷毛刺之称。去除困难,去除作业量也大。试验结果表明,在不同的切削条件下,得到与模拟结果相同的三种形态毛刺(见图6)。为有效控制钻削出口毛刺的形成,必须优化选择切削参数,使之形成I型毛刺。由模拟结果得出:高转速、高进给量的切削条件有利于I型毛刺的形成,并与试验结果取得一致,由此可以表明本模型的可靠性和有效性。

为分析钻削毛刺形成过程中,工件材料的形变和力学特性,可以在工件出口部选取观测点(见图7)。同理,可对工件材料的应变特征进行相应分析,并且,在对模拟结果数据进行后处理的基础上,可对钻削轴向力进行分析与预测,从而深入揭示出钻削毛刺形成的形变和力学机理。

4 结论

利用一种新型基于磨削过程的钻头结构模型,以材料失效准则为切屑-工件分离判据,建立出钻削毛刺形成与分析的有限元模型,模拟结果得到三种不同形态的毛刺与试验结果取得一致,为有效控制钻削出口毛刺的形成,优化选择切削参数,使之生成I型毛刺形态是一种有效的方法,并且,高转速、高进给量有利于I型毛刺的生成。通过在工件材料内部选择合适位置的观测点,可以观测钻削毛刺形成过程中,工件的弹塑性变形及力学变化特征,从而进一步深入分析毛刺形成的力学机理。本模型的建立,为理论分析毛刺的形成机理提供了一条有效的途径。

摘要：钻削过程中在工件的出口处形成的毛刺严重地影响了工件的质量,制约着自动化加工技术的发展。由于在钻削毛刺形成过程中,钻头结构、受力情况非常复杂,采用传统的数学-力学方法很难建立其分析模型。首次提出利用材料失效模型建立钻削毛刺形成模拟的有限元模型,模拟结果得到的三种不同形态的钻削毛刺与试验取得了一致。模型的建立为主动控制毛刺优化选择切削参数及深入分析毛刺形成过程中工件材料内部弹-塑性变形及力学机制提供了一种新的有效途径。

关键词：毛刺,有限元模型,钻削,形成机理

参考文献

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[8]Park I W,Dornfeld D A.A study of burr formation processes using the finite element method:Part II.the influences of exit angle,rake angle,and backup material on burr formation processes.ASME J ENG Mater Technol,2000;122(4):229—236

[9]曹正铨,等.钻尖数学模型与钻削试验研究.北京:北京理工大学出版社,1993:10—54

[10]王磊,王贵成等.标准麻花钻三维实体模型的创建.工具技术,2007;41(6):75—78

[11]张幼祯,王贵成,等.标准麻花钻三维实体模型的创建.工具技术,2007;41(6):75—78

主轴箱相交孔的钻削定位设计 篇3

如图1, Z4012型台钻主轴箱的孔系中有一对垂直相交孔, 分别是用于安装进给齿轮轴的孔φ32H7和安装主轴套筒的孔φ50H7。在钻削加工φ32H7孔时, 需要预先在φ50H7孔中嵌入与工件相同材料的圆柱, 以防止钻头钻至两孔相交处时走偏, 以及防止把已加工部分孔径刮大。设计工件的定位时, 将工件的嵌入材料设计为正刀套与夹具的定位元件巧妙结合, 从而实现对工件准确定位和快速装卸, 同时最大限度节省辅助材料。

2 夹具设计

根据工件的形状特征和加工要求, 夹具设计为方体型的翻转式夹具, 如图2。工件以一面两孔定位, 两个定位心轴分别是φ70h6削边心轴和φ50h6短心轴, 满足中心距、平行度以及与底平面 (定位平面) 的垂直度要求, 如图3。加工φ32H7孔分钻、扩、铰三步进行, 选择快换钻套。

1.夹具体2.φ70削边心轴3.主轴箱4.压板5, 6.螺母7.垫圈8.正刀套9.φ50短心轴

3 正刀套

即嵌入在工件已加工孔φ50H7中的圆柱。正刀套压装在夹具上的φ50阶梯心轴上, 起到钻削时的正刀作用 (校正钻头走向) , 如图3。因工件的材质为HT200, 故正刀套材质为HT200或HT150。

图4所示为正刀套的尺寸设计。其尺寸及精度要求首先应保证工件的顺利安装和不影响工件的准确定位;其次作为嵌入材料, 正刀套的壁厚要够用, 能起到正刀作用, 并且要最大限度地节省辅料。所以正刀套的外圆和内孔的尺寸及公差要设计合理, 长度适中。

4 定位误差

主轴箱内孔φ50H7 (0+0.025) 和定位心轴φ50h6 (0-0.016) 配合, 其最大单向基准位移误差为δ= (0.025+0.016) /2≈0.02<0.06mm, 能保证工件尺寸36.490+0.06mm的加工要求。主轴箱内孔φ50H7 (0+0.025) 与正刀套外圆φ50f7 (-0.050-0.025) 配合的最小间隙为0.025mm, 能保证工件的顺利安装且不影响工件的定位。

5 操作要点

(1) 为保证工序尺寸36.490+0.06mm的精度要求, 避免在装配时出现进给齿轮轴与套筒齿条啮合过紧的问题, 工件在夹具中装夹时, 应给工件施加一外力, 使工件向工序尺寸36.490+0.06mm增大的方向产生单向基准位移, 而不是相反。

(2) 每加工完一件后, 应将正刀套转动90°压紧, 然后再加工下一件, 否则正刀套将失去作用。

摘要：在加工主轴箱相交孔时, 将正刀套与夹具的定位元件巧妙结合, 可实现精确定位、快速装卸、满足加工精度要求。

不同钻尖角下不锈钢钻削性能研究 篇4

通常把含铬量大于12%或含镍量大于8%的合金钢称为不锈钢[1]。不锈钢材料在航空、航天、石油、汽车、化工、建筑等领域有着十分广泛的应用, 但是由于其属于难加工材料, 出现切削塑性大, 易产生加工硬化, 加工效率低下等现象, 这一直是存在不锈钢材料加工中的问题。由于添加了Cr、Mo、Ni、Ti等元素, 使得不锈钢材料具有良好的焊接、抗冲击、耐高温、耐化学品腐蚀和大气腐蚀的性能。生产实践中, 钻削是很常见的不锈钢加工方法[2]。但由于钻头在不锈钢材质的孔加工中不容易断屑, 使其耐用度低, 生产效率低[3], 因此钻削过程中合理选用切削用量, 降低钻头的磨损程度, 对断屑和排屑进行研究具有十分重要的意义。目前, 关于钻头的研究主要集中于钻削过程控制、钻头制造工艺、钻削磨损机理等方面[4,5], 而对于钻头几何结构参数 (钻尖角) 与钻削性能关系的研究则比较少。目前在钻尖角研究方面比较有代表性成果的是A.Sofronas[6]提出的基于调整和优化钻尖角、进给速度、螺旋角、塑性剪切强度及钻头直径, 从而控制出口毛刺形态尺寸的模型。

钻尖角是钻头两主切削刃在中剖面上投影的夹角, 钻尖角的大小直接关系到钻头主刃偏角的大小。因此, 主切削刃的长度、单位刃长的切削负荷、切削层中切削宽度与切削厚度的比例、切削力中轴向力与切向力 (转矩) 的比例、主切削刃前角的大小、切屑形成与排屑的情况以及外缘转点的散热条件等都受到钻尖角的影响。在钻头的设计和使用中, 钻尖角是一个十分重要而且变化范围很大的角度。通常情况下, 一般选用钻尖角118°, 但在实际加工中, 需要根据工件材料、排屑形状以及工件的几何形状来正确选择[7]。当钻削高强度钢或高合金钢时, 钻头会在孔中卡住并与孔壁产生摩擦而导致热量增高。通过增大钻尖角 (本文选用120°, 140°, 160°) 可以减少孔壁与钻头的摩擦。

本文在基于钻削实验的基础上, 选用3种不同钻尖角的钻头 (120°, 140°, 160°) 钻削高强度不锈钢。主要研究在不锈钢钻削过程中不同钻尖角下切屑形貌的变化趋势, 进行不同进给、切削速度和钻尖角下轴向力和钻削转矩的对比分析。

1 实验条件及内容

钻削实验在GROB GM4057/01数控机床上进行, 选择钻尖角为120°、140°、160°的硬质合金钻头各一支, 见图1。工件材料选用高强度不锈钢0Cr18Ni11Ti, 该不锈钢的相对加工性为kv=0.05~3.0, 由此可知它是一种难加工材料。0Cr18Ni11Ti的化学成分见表1[8], 实验条件见表2。

2 实验结果与分析

2.1 不同钻尖角下的切屑形貌分析

不锈钢材料的塑性大、韧性高, 切屑不易折断, 常缠绕在钻头上, 排屑、断屑是不锈钢钻削的主要问题之一。图2~图4所示为硬质合金钻头钻尖角从120°~140°、再到160°时, 钻削过程中切屑的变形过程。从图中可以看出, 随着钻尖角的增大, 出口毛刺明显减轻, 加工残余变少, 钻削质量得到很大改善。当钻尖角较小时, 钻头的定心性能较好, 但是排屑性能差, 切屑不可避免地发生阻塞, 而当钻尖角增大到160°时, 切屑立刻沿螺旋沟滑移并迅速排出孔外。这主要是因为钻尖角小时, 切屑薄且宽, 不易折断, 这些切屑丝在高速旋转的钻头作用下, 极易形成缠丝, 切屑不容易排出。随着钻尖角的增大, 切屑的厚度和宽度随之增大, 从而使断屑更加容易。随着图2到图4钻尖角的不断增大, 飞出的切屑完整性高, 变得更加光滑, 这也与现场的实际加工情况相吻合。综上所述, 增大钻头钻尖角, 可以抑制被加工孔的出口部位毛刺, 切屑更加平整光滑, 完整性增高, 并且加工质量得到很大的改善。

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2.2 钻削过程中轴向力和转矩分析

由金属切削理论可知, 钻尖角增大, 进给抗力的轴向分力越大, 径向分力越小。图5、图6分别为进给抗力 (轴向力和钻削转矩) 与切削速度、进给、刀尖角的关系图。从图中可以看出, 在相同的切削条件下, 随着钻尖角的增大, 钻削轴向力增大, 而钻削转矩相应地减小。这是因为随着钻尖角的增大, 切削刃变短, 钻头承受的转矩变大。小的钻尖角, 其排屑空间变小, 切屑的排出性能低下, 切屑容易发生堵塞, 从而导致轴向力增大。钻削过程中, 随着钻尖角的增大, 切削厚度增大, 切削过程中的带状切屑有向节状切屑过渡的趋势, 有利于减少缠卷现象。而切屑沿着钻头的中心方向排出, 切屑的流向与切削刃呈90°, 切屑的流向速度Vc在钻头中心线方向的分速度Vn=Vcsinη, 随着半顶角 (钻尖角的1/2) η的增大, Vn增大。当2η=120°时, 分速度Vn小, 切屑相对来说容易堵塞;当2η=140°时, Vn更大, 切屑更容易沿着螺旋槽方向滑移, 并迅速排出孔外。钻尖角小, 轴向抗力变小, 径向抗力变大, 不利于钻相贯孔, 不利于在斜面钻孔。综上, 钻尖角增大, 钻削轴向力增大, 钻削转矩减小, 加工残余量变少, 所以选择160°钻尖角。

从图5可以看出, 在相同的切削速度和钻尖角下, 随着进给量从0.15 mm/r增大到0.25mm/r时, 钻削过程的轴向力会增大;在相同的进给和钻尖角下, 随着切削速度从60 m/min增大到90 m/min再到120 m/min, 轴向力有减小的趋势。从图6看出, 在相同的切削速度和钻尖角下, 随着进给量从0.15mm/r增大到0.25 mm/r时, 钻削转矩增大;在相同的进给和钻尖角下, 随着切削速度从60 m/min增大到90 m/min再到120 m/min, 钻削转矩有增大的趋势。尽管钻削转矩随着切削速度的增大而提高, 但是轴向力随着切削速度增大而减小, 所以, 提高切削速度、降低进给将会达到最好的切削效果。综上分析, 在切削速度为120 m/min, 进给量为0.15 mm/r, 刀尖角为160°时, 钻削过程达到最佳的状态。

3 结语

通过对不同钻尖角下不锈钢 (0Cr18Ni11Ti) 钻削性能研究, 可得出以下结论:

1) 增大钻头钻尖角, 飞出切屑完整性高, 同时可以抑制被加工孔的出口部位毛刺, 切屑更加的平整光滑, 加工质量得到很大的改善。

2) 在相同的切削条件下, 随着钻尖角的增大, 钻削轴向力增大, 钻削转矩减小, 加工残余量变少。

3) 提高周速度, 降低进给将会达到最好的切削效果。在切削速度为120 m/min, 进给量为0.15 mm/r, 钻尖角为160°时, 钻削质量达到最佳的状态。

摘要：为了研究不同钻尖角下钻头的钻削性能, 提高钻削质量, 减少毛刺的发生, 对不锈钢0Cr18Ni11Ti进行钻削实验。首先对不锈钢0Cr18Ni11Ti在不同钻尖角 (120°, 140°, 160°) 下的出口部位毛刺和切屑的形貌进行了对比, 并且进一步探讨了3种钻尖角下钻头的轴向力和钻削转矩。研究结果表明:钻尖角的增大, 能够有效地抑制孔加工出口部位的毛刺, 切屑变得更加光滑, 孔加工质量得到很大改善;钻尖角增大, 钻削轴向力增大, 钻削转矩减小, 加工残余量变少;在切削速度为120m/min、进给量为0.15mm/r、钻尖角为160°时, 钻削质量达到最佳状态。

关键词：不锈钢0Cr18Ni11Ti,钻尖角,轴向力,钻削转矩

参考文献

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钻削质量 篇5

超高强度钢 (如40CrNi2Si2MoVA) 具有抗拉强度高、韧性好等优良特点, 因此被广泛用于飞机起落架上, 但其切削性能较差, 属难加工材料, 并且对应力集中 (缺陷) 敏感和氢脆较敏感, 故常采用整体件。在需要加工深孔时, 通常我们采用“钻初孔-多次扩孔-热处理-磨孔”的加工方式, 但对粗糙度Ra1.6的深长盲孔 (孔底为型面) 的加工是生产中的一大难题。本文通过对超高强度钢材料的切削性能分析和具体零件的加工试验, 进行了一系列钻削试验表明, 其工艺效果良好, 有效地解决了超高强度钢 (孔底有型面) 粗糙度Ra1.6的深长盲孔的高精度钻削加工问题。

2 超高强度钢材料的特性及加工性能

2.1 超高强度钢材料特性

超高强度钢 (如40CrNi2Si2MoVA) 具有高淬透性、超高强度、优良的横向塑性、断裂韧度、抗疲劳性能等良好的综合机械性能。但切削性能较差, 并且对应力集中 (缺陷) 敏感和氢脆较敏感。

2.2 超高强度钢切削性能

超高强度钢模锻件经正火+高温回火处理后, 其硬度大约为HBS270, 强度σb≥1100MPa, σs≥1000MPa。在深孔加工中, 不易断屑, 刀具磨损快, 最容易产生月牙洼磨损, 随着月牙洼磨损的扩大, 刀刃将产生崩缺或烧损, 切削抗力大, 切削振动大, 增加了深长盲孔的加工难度。

3 深孔钻削系统和深孔钻头的设计

深孔钻按排屑方式分为外排屑 (枪钻) 、内排屑 (BTA深孔钻、DF系统深孔钻和喷吸钻) 。BTA内排屑错齿深孔钻削系统的工作原理如图1所示, 它加工精度好, 生产率较高, 比外排屑高3倍以上。

超高强度钢深长盲孔钻头的结构如图2所示, 采用多刃错齿内排屑深孔钻结构, 该钻头在设计上有以下特点:

(1) 将过去的焊接式深孔钻头改为机夹式可转位深孔钻头。焊接式只适合于单件生产及低尺寸精度要求的零件孔加工。一旦刀片磨损严重, 整个刀具就必须报废。机夹式可转位深孔刀具就克服了上述缺点。

(2) 刀齿结构采用外齿、中间齿和中心齿在同一锥面上的分布形式, 其锥角范围为140°～150°。切削超高强度钢材料锥角取大值, 其优点是中间齿与中心齿的轴向间距小, 中心齿的切削条件有所改善, 钻削轻快, 分屑效果明显, 振动减小, 可进行大进给量加工。

(3) 刀片径向分布按图3所示, 由周边刀片、中间刀片、中心刀片组成, 并根据切削条件的不同选择不同的硬质合金牌号, 一般外齿和中间齿选耐磨性好的YW1、YW2、YT15, 而中心齿由于切削速度低, 挤压严重, 切削条件恶劣, 可采用耐冲击性好的YT5。同时选用涂层硬质合金刀片, 其涂层结构见图4。

(4) 为了改善刀具的散热条件和增强刀刃的强度, 采用较小的前角, 一般取0°～5°;加工超高强度钢材料, 由于材料强度及硬度都较高, 加工中所受到的切削抗力较大, 易产生切削振动。为提高刀刃强度, 选用较小的后角, 外刃后角取8°～12°, 内刃取12°～15°。

(5) 导向块的前端尽量和外刃最高点平齐, 滞后量为1～2mm, 这样可避免刀片磨损后导向块超前切削的可能性, 减小轴向力。导向块的倒锥量较大, 为减小导向块对孔壁的挤压, 应将导向块及外缘副切削刃磨成倒锥, 倒锥量为0.2mm/100mm。

4 工艺装备要求

(1) 在设备上, 卡盘跳动量不得大于0.03mm, 主轴与刀杆的同轴度必须保证在ɸ0.05mm;泵的供油压力大于3.5MPa, 流量大于520L/Min。设备精度不高, 油压太低会导致加工过程不稳定、孔尺寸的一致性差、刀具磨损速度加快、降低深长孔加工表面质量等不良结果。

(2) 对于刀杆, 根据被加工产品及设备的实际情况, 尽量设计最短的刀杆, 提高刀杆的刚性。将刀杆与刀体联接螺纹由单头改为多头 (与刀体匹配) , 以增强联结的稳定性和可靠性。

(3) 在零件结构上, 如果零件偏心, 必须增加配重使零件达到动态平衡, 以减小振动, 消除可能的引偏。

(4) 切削液的选择, 对于超高强度钢材料, 可选择机械油加极压添加剂。注意:极压添加剂中最好不含硫化物或氯化物, 如果含有这些成分, 则该切削液中一定不能含有水分。

5 深长盲孔钻削试验分析

试验件毛坯结构为超高强度钢整体模锻件 (具体结构见图5) , 状态:正火和高温回火, 钻削加工ɸ56±0.25mm深长盲孔并锪孔底型面, 长径比≈20∶1, 内孔及型面粗糙度均为Ra1.6;试验使用设备型号为DZ050;钻削系统为图1所示的BTA多刃错齿内排屑深孔钻;刀具 (见图6) 为 ɸ56多刃错齿内排屑深孔钻、可转位刀片型面粗锪钻、整体合金刀片型面精锪钻, 刀片为涂层合金刀片;切削液为机械油加极压添加剂。

试验过程中, 主轴转速50～745r/min, 切削速度为3～65mm/min, 通过大量试验表明 (参数见表1) :

(1) 当转速为330r/min, 切削速度为15mm/min时, 钻孔效果最为理想, 可得到光亮的C型切屑, 同时切削过程平稳, 刀具耐用度较好;而过小的进给量易形成连续的长卷硬屑, 会造成堵屑现象, 降低刀具的耐用度。当切削速度大于20mm/min时, 切削过程不稳定, 振动加剧, 切屑呈挤压长条状硬屑, 刀具磨损加剧, 加工表面粗糙。

(2) 在合理的工艺参数下, 钻削过程平稳, 振动较小, 钻削时轴向力较大。但当刀具出现磨损时, 钻削过程容易振动, 影响产品加工的表面质量。大量试验证明, 在合理的切削用量下, 钻头一次转位可以加工3～8个工件, 总深度达5000～8000mm。因此在刀片磨损时要及时将刀片转位或更换。

(3) 孔径尺寸稳定、变化较小, 精度可达IT7～8, 被加工表面粗糙度可达Ra1.6, 满足产品要求。

6 结论

通过该深孔钻削工艺, 成功解决了超高强度钢材料粗糙度为Ra1.6的深长盲孔的钻削精加工, 改变了传统需要热处理后磨削的加工方案, 同时避免出现因热处理后磨削造成超高强度钢烧伤等问题, 降低了产品超差率, 加快了生产流程, 同时极大地提高了生产率, 降低了生产成本。

摘要：介绍了超高强度钢零件深长盲孔的钻削精加工, 并对某转包产品进行试验验证。试验结果表明, 通过钻削加工能够达到超高强度钢深长盲孔高表面质量的要求, 实现高效加工。

钻削质量 篇6

液压破碎锤作为一种新型液压工程设备,广泛应用于矿山岩石的破碎、交通道路的破碎、城市房屋的拆除等。由于其设备的多样性,工作的灵活性以及对破碎效率的提高所发挥的有效作用,液压破碎锤在相关行业中应用越来越广泛。

由于液压破碎锤在工作时是一个高冲击能的振动源,而且其动力源为液压装置。这些特点决定了在液压破碎锤的机械本体中存在较多的液压工作油路,并且这些油路又和安装破碎杆的工作孔相通,即油路不是直线型而是折线型。

液压破碎锤的结构特点决定了在其缸体中,存在较多的尺寸各异、长径比大于10的通孔、油孔以及加工工艺孔(如图1所示),而这些深孔又导致了缸体的钻削难于用常规的工艺方法加工。

采用麻花钻钻削深孔,是在生产厂家没有专用的深孔钻机床条件下所采用的一种特定的钻削工艺方法。通过对普通车床C620进行相应的改造,使之成为能够利用麻花钻进行较复杂的深孔钻削的一种数控专用钻床。

但是普通麻花钻由于本身结构的原因,存在以下缺点[1,3]:

(1)由于横刃结构形成的负前角和由于螺旋槽形成的前角分布的不合理。不经修磨的钻头钻削时的轴向阻力较大,进而影响钻孔精度与钻头耐用度;

(2)横刃太长,钻削时定心差,沿主切削刃上各点前角分布不合理,钻心附近的切削条件差;

(3)切削层厚度沿主切削刃分布不均匀,在外缘处最大,此处切削速度最高、轴心为零。在外缘处摩擦大,发热多,磨损快,从而限制了钻头耐用度的提高;

(4)钻头的刚度及强度差,高速钢的耐热性和耐磨性不够高;

(5)切屑在切削过程中顺着螺旋槽排出,当切削用量较大时,切屑宽度大,主切削刃上切削热大,而且切屑容易充满螺旋槽,造成冷却液不能顺畅地沿螺旋槽流入孔内冷却钻头,同时可能出现排屑阻塞的情况。

为了解决普通麻花钻所固有的缺点,本钻床采用了较为先进的深孔麻花钻(抛物线型钻头)。并根据钻削液压破碎锤缸体时的实际情况,对深孔麻花钻进行了一定的修磨以便满足生产需要。

2 钻削用量的数学模型

根据钻削用量的理论分析[1,2],在给定的零件材料下,钻削速度v与钻头的耐用度T、钻头的直径d0、钻削进给量f之间存在一定的相互关系。

具体的相互关系可通过相应的数学模型表达。

钻削进给量f按经验公式计算:

式中:klf-钻孔深度大于3倍直径时的修正系数。

式中,Cv、Zv、yv、m、kv为系数和指数。

机床进给机构强度允许的轴向力F为:

式中,CF、ZF、yF、kF均为系数和指数。

机床钻削时所需要的扭矩公式M为:

式中,CM、ZM、yM、kM为系数和指数

机床钻削时所需要的功率公式Pm为:

从式(1)、(2)分析可知,通过研究钻削速度v与钻头的耐用度T、钻头的直径d0、钻削进给量f之间的相互关系,从而确定钻削时的主轴转速、进给量f以及钻头的钻型。

3 钻削系统设计

此钻削系统是在C620车床基础上改造而成的。将刀架部件取下后,根据不同的液压破碎锤缸体的技术要求,在溜板箱上设计安装了一个拆卸式的专用夹具(如图2所示)。其中根据不同尺寸的缸体采用不同的夹具体;夹紧装置采用常规的压板式夹紧方式,其后面的螺栓采用活动的T型螺栓结构,以满足不同尺寸的缸体的安装需要。

拆除原车床的纵向和横向进给系统的传动装置,改为由交流伺服电动机、精密齿轮和滚珠丝杠螺母副组成的传动装置以满足在生产不同缸体时的尺寸调整需要。

通过对式(3)、(4)、(5)分析研究,确定了对C620车床的主轴箱系统的改进方案(如图3所示),使之成为一个专用的主轴箱系统以满足对液压破碎锤缸体的钻削加工需求。并根据计算结果安装了相应的交流伺服电动机。

数控装置采用了德国西门子公司的数控系统。

4 钻头的钻型

根据麻花钻的切削原理,在钻头结构要素(主要指主切削刃的长度和钻头锋角)确定后,排屑的长度和横截面积是一定的,即当给定钻削用量(或钻削深度)后,排屑的体积是一定的。

为了改善冷却效果、提高排屑能力、降低钻削时的切削力、切削温度和提高钻头耐用度,故对深孔麻花钻进行了一定的修磨,具体措施是:(1)增大钻头锋角2准的大小,从2准=116°～118°增大到2准=135°;(2)在两主刀刃后刀面上交错磨出小窄槽。

5 最佳工艺路线的选择

在进行工艺路线设计时,先进行了相关设计方案的拟订及其方案的论证计算。针对液压破碎锤的主要深孔的结构特点:孔深为320mm,孔径为准16mm,长径比为20,采用了分级进给钻削的方案:先钻中心孔准5mm用来定位;以进给量f=0.16mm/r,主轴转速n=70.72r/min钻导向孔准12mm至100mm深;以进给量f=0.13mm/r,主轴转速n=47.63r/min钻孔准16mm至200mm深;以进给量f=0.16mm/r,主轴转速n=70.72r/min钻导向孔准12mm(加长的深孔麻花钻头)至260mm深;以进给量f=0.13mm/r,主轴转速n=47.63r/min钻孔准16mm(加长的深孔麻花钻头)至320mm最终深度。

钻削时采用QL-1切削液进行冷却。

6 结论

实验表明,采用修磨横刃的方法,可提高钻头的定心能力,降低钻削时的轴向力30%～45%,因而提高了深孔钻削时的钻头刚度,弥补了对深孔钻削而造成的钻头耐用度下降的不利因素。同时采用合理有效的加工工艺路线,进一步地解决了排屑的困难和提高了钻头耐用度。

生产实践结果表明,加工孔的直线性、孔径大小以及孔壁粗糙度均符合厂家的加工技术要求,而且大大降低了生产成本,提高了生产效率。

参考文献

[1]陆剑中,孙家宁.金属切削原理与刀具[M].北京:机械工业出版社,1985.

[2]艾兴,肖诗纲.切削用量手册[M].北京:机械工业出版社,1985.

钻削质量 篇7

关键词：特殊孔,工艺,分析

本文我们将着重针对以上时常出现的问题分析钻小孔、钻深孔、钻斜孔三种特殊孔进行举例实践。解决在平时出现的难题, 努力应用在以后在学习和实践操作中。

1 钻削小孔

小孔是指直径在5㎜以下的孔。对于有些孔直径虽然大于5㎜, 但因孔的深度和直径之比很大, 加工困难, 也可按钻削小孔的要求来对待。

1.1 受力分析

(1) 钻头直径小、强度低, 刚性差。 (2) 钻削小孔时钻速快, 切削温度高, 且不容易散热, 钻头磨损加快, 严重影响钻头的寿命。 (3) 当工件表面粗糙度值较大, 钻头起钻时很容易滑移偏向一边。 (4) 钻小孔一般采用手动进给, 很难保证进给量, 稍不注意就会折断钻头卡在孔中。 (5) 由于钻头的螺旋槽较窄, 不利于排屑, 加工时很容易讲螺旋槽堵死, 阻碍加工;同时钻头较细, 深入工件内部较长时, 两侧主切削刃很难保证对称, 钻头在价格过程中承受的径切削力不对称, 致使钻头受到的径向力不对称, 会影起加工孔偏斜或者钻头折断的情况发生。

1.2 钻削方法

针对以上钻小孔时常见的问题, 我们在切削过程中可以采取以下几点措施。 (1) 正确选择钻头的形状, 钻孔一般常用直柄麻花钻或中心钻。 (2) 起钻时要注意手感, 钻削反映不正常时要立即停止进给, 以防钻头折断。并且要经常提钻用以排屑并加注充分的切削液进行冷却。 (3) 要根据情况选择好钻床和钻速, 钻头直径为2~3㎜时, 转速可选1500~2000 r/min甚至更高的转速。 (4) 刚起钻时, 进给力要小, 防止钻头弯曲和滑移, 以保证起钻的正确位置。

1.3 改进钻削

根据麻花钻的切削原理, 钻头结构要素 (主要指主切削刃的长度和钻头顶角) 确定后, 排屑的长度和横截面积是一定的, 即当给定钻削用量 (或钻削深度) 后, 排屑的体积是一定的, 要改善的参数的切削的宽度 (横截面积) , 通过适当增大钻头顶角大小, 推荐值在120°到150°之间, 在两主切削刃后刀面上磨出小窄槽。

这种开分屑槽的改善能在切削用量不变的情况下降低单刃的切削热量, 切屑的长度没有变化, 切屑的体积 (横截面积) 变小, 从而改善了排屑和冷却情况。

2 钻削深孔

2.1 概念及受力分析

(1) 概念:深孔一般是指孔深与孔径之比大于5的孔。 (2) 受力分析:1) 钻削深孔时, 最主要的问题是不利于排削, 加工时很容易将螺旋槽堵塞, 阻碍加工;同时钻头深入工件内部长度过长, 两侧主切削刃很难保证绝对对乘, 钻头加工过程中承受的径向切削力不对称, 致使钻头受到的径向力不对称, 会引起加工孔偏斜或者钻头折断的情况。2) 钻深孔时要注意及时的排屑、冷却、进给量要小、防止孔偏斜, 在钻孔到深度是直径的3倍时, 就需要将钻头提出排屑, 以免切屑阻塞而把钻头折断。

2.2 钻削方法

2.2.1 采用分级进给

(1) 采用加长钻头在立钻或摇臂钻上钻削, 钻削时注意好排屑、冷却、进给量、孔偏斜。 (2) 钻削深孔时也可以采用分步进给的加工方法, 即在钻削过程中, 钻头进给一定深度后退出钻头, 排出切屑并有利于加注切削液冷却。退钻的次数是依据钻孔深径比的大小, 还可以采用两面钻孔的方法完成深孔钻削。

2.2.2 采用预钻锥形孔和钻套

由于加工小直径孔的钻头过于细长, 刚性较差, 相应导向型也较差, 如遇到较硬的质点会起到偏引作用, 致使加工成偏斜孔。

可以采用直径较大的麻花钻先在加工孔的位置预先钻出一个锥形孔, 起到定心作用, 然后再用小直径麻花钻加工。这种方式比较适合孔与加工件表面垂直的情况。在加工过程中还可以用钻套为钻头定位, 防止偏斜, 这种方式比较适合孔与加工表面不垂直的情况, 如斜面和曲面。

2.2.3 采用枪钻加工

采用枪钻加工深孔是一种高效的加工方法, 有利于提高生产率。枪钻采用内进油外排屑的方法进行切削, 冷却润滑液由空心钻杆中的孔通到刀体部分, 再由刀体前方的出油口喷射到切削区。

但枪钻也有其自身缺点, 在理论上, 枪钻加工孔应该是一次进给的方式, 但在实际过程中我们发现这种方式并不适用, 因为加工产生的加工削是被具有一定冲击力的切削液冲走的, 如果孔过深, 切削力压力不均匀, 加工削就会发生阻塞, 引起枪钻发生折断的情况。所以我们在使用枪钻加工小直径深孔时同样采用了分级进给的方式。

3 钻斜孔

斜孔是指孔的中心线与钻孔表面不垂直的表面。通常有在斜面上钻孔, 在平面上钻斜孔, 在曲面上钻孔等。

3.1 受力分析

钻斜孔时, 孔的中心线与钻孔端面不垂直, 钻头单边受力, 作用在钻头切削刃上的径向分力, 会使钻头向一侧偏移, 很难保证孔的正确和钻孔的垂直度要求, 且钻头也容易弯曲而折断。

3.2 钻削方法

(1) 不改变工件位置钻斜孔。1) 用样冲在钻孔中心打出一个较大的中心眼, 在适力的将钻头一步步钻削下去, 千万不宜用力过急;或用錾子錾出一个小平面, 用中心钻在孔中心钻出一个较大的小孔, 然后再钻孔, 这样使钻头的切削刃不受工件斜面的妨碍。2) 钻孔前先用孔径相同的立铣刀铣出一个与钻头轴线相互垂直的平面, 然后再打样冲, 再钻孔。 (2) 改变工件位置钻斜孔, 采用垫块斜度的方法, 或用钻床上有可调整斜度的工作台进行钻孔。

总之特殊孔的钻削也是我们钳工钻削中比较重要、特殊的一种类型钻削, 我们只有严格的按照受力分析和钻削要领的原则, 才能保证在钻削过程中不会出现不符合要求的情况发生。特殊孔的钻削是钻削过程中应用非常广泛的孔加工, 对于我们的学习和实践加工作用都非常大。

参考文献

[1]劳动和社会保障部教材办公室组织编写.《钳工工艺与技能训练》[M].中国劳动出版社, 1999:150-180.