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空心钻头是一种较适合便携式工具使用的孔加工机床刀具。但由于空心钻头的制造工艺比较复杂,且不能加工盲孔,因此在金属切削加工中使用并不普遍,通常只在加工一些大直径或贵金属工件的通孔或钻孔设备功率受到限制时才使用。由于空心钻头没有标准定型产品,因此大部分用于特殊材料加工的空心钻头均需自行研制。
我们曾为用户研制一种用于加工难加工材料的专用空心钻头。被加工材料代号U-Mn,主要化学成分包括:碳(0.56%~0.68%)、锰(1.35%~1.65%)、硅(0.2%~0.35%)等;材料抗拉强度≥882N/mm2,硬度及耐磨性均较高。该钻头用于在厚17mm的材料上加工?30+0.5mm通孔,便携式钻机功率<1000W,要求钻头寿命>30min,钻头材料为W6Mo5Gr4V2。在研制该空心钻头过程中,通过反复调整钻头的设计参数,并进行钻孔试验,最后确定钻头几何参数为:前角g=12°,后角a=9°,副后角a1=3°。
下面就空心钻头的设计对切削性能的影响作一简要分析。
1、前角变化对钻头切削性能的影响
前角对切削力的影响
前角的变化会影响切屑材料的变形程度,从而使切削力发生变化。切屑变形越大,切削力越大;切屑变形越小,切削力越小。当前角在0°~15°范围内变化时,切削力修正系数的变化范围为1.18~1。
前角对钻头耐用度的影响
增大钻头前角时,会使刀尖强度和散热体积减小,同时会影响刀尖受力情况。当前角为正值时,刀尖受拉应力;当前角为负值时,刀尖受压应力。如选用的前角过大,虽可增加钻头锋利度,减小切削力,但刀尖所受拉应力较大,刀尖强度降低,容易折断。在切削试验中许多钻头均因前角过大而损坏。但是,由于被加工材料硬度和强度较高,加之便携式钻机的主轴及整机刚性较低,如选用的前角过小,钻孔时切削力的增大会使主轴产生振动,加工表面出现明显振纹,钻头耐用度也会降低。
2、后角变化对钻头切削性能的影响
增大后角可减小后刀面与切削材料间的摩擦,减小已加工表面的挤压变形。但如后角过大,则会降低刀刃强度和散热能力。
后角的大小直接影响钻头耐用度。在钻孔过程中,钻头的主要磨损形式为机械擦伤和相变磨损。考虑机械擦伤磨损,当切削寿命一定时,后角越大,可用切削时间越长;考虑相变磨损,后角增大会使钻头散热能力降低。钻头磨损后,随着后刀面磨损带的逐渐加宽,切削功率逐渐加大,摩擦产生的热量会逐渐增加,使钻头温度升高,当温度升高到钻头相变温度后,钻头将出现快速磨损。
随着全球工业技术的不断发展,各个领域对一些重要零部件材料的机械性能和力学性能(如强度、硬度、耐热性、抗磨性、抗拉强度和抗压强度等)的要求也在不断提高, 特别是航空领域。航空产品的不断升级,尤其是各种难加工材料的使用,对金属切削刀具及技术提出了更高的要求, 难加工材料在人类各个领域的应用越来越广泛。由于机械零部件设计具有力求体积紧凑、负重减小等要求,使得当今大量零部件的结构怪异、形状复杂、型面多样。高科技新型难加工材料的不断推出,虽然满足了机械零部件的高刚性、高强度、高密度和重量轻、体积小等设计要求,但是同时给后续的机械制造可加工性带来了新的难题。如果仍然采用传统材料的加工工艺、加工方法和加工刀具,无论是在加工效率还是加工质量上都会大打折扣,且无法保证较低的加工成本。
众所周知,金属切削加工中,切削刀具与被加工零件材料之间是相互对立而又相互联系的, 如果任何一方有了新的突破和创新,就会迫使另外一方获得更新的发展。新的材料需要有更新的刀具和更新的方法来实现对其高效加工。为了应对和适应机械领域难加工材料不断增多的状况并满足对其加工性能、加工效率和加工精度等方面的要求,目前全球刀具界都在不断改进各自的刀片基体、几何角度、涂层技术和难加工材料的加工方法,以满足难加工材料零件的高效加工的要求,这在航空航天领域显得更为紧迫。