钻孔加工的实验研究
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日本长野县工科短期大学的研究小组进行了以下四项钻孔加工实验:① 标准锥柄麻花钻及加长钻头钻削扭矩、轴向力和切屑的形态比较;② 切削不锈钢材料时扭矩、轴向力以及孔内表面粗糙度的测试;③ 用硬质合金和高速钢钻头钻削时扭矩、轴向力以及孔内表面粗糙度的测试④ 用硬质合金普通钻头和标准麻花钻钻削时扭矩、轴向力以及孔径尺寸精度测试。
除了难切削材料的加工以外,许多人也呼吁将钻孔加工作为研究课题边行研究。为此日本长野县工科短期大学的研究小组进行了以下四项钻孔加工实验:① 标准锥柄麻花钻及加长钻头钻削扭矩、轴向力和切屑的形态比较;② 切削不锈钢材料时扭矩、轴向力以及孔内表面粗糙度的测试;③ 用硬质合金和高速钢钻头钻削时扭矩、轴向力以及孔内表面粗糙度的测试④ 用硬质合金普通钻头和标准麻花钻钻削时扭矩、轴向力以及孔径尺寸精度测试。
表1 实验1切削条件
参数锥柄麻花钻加长钻头
螺旋槽长度95mm280mm
钻头直径Ø10mm
试件材料S50C
加工深度30mm70mm
切削速度18m/min
进给率0.1、0.2、0.3mm/r0.1mm/r

实验1 :锥柄麻花钻及加长钻头的扭矩、轴向力和切屑形态比较

为了观测用标准锥柄麻花钻及加长钻头进行钻削刚产生的切削抗力和切屑形状,在表1所示切削条件下进行了钻削实验。试验结果见表2 。可以看出进给率在0.1~0.3mm/r范围内变化,随着进给率加大,钻削扭矩和轴向力也逐渐增大。此外,在切削开始和结束时进给率分别为
表2 实验1的结果
 标准锥柄麻花钻头加长钻头
切削油干切削供给
进给率0.10.20.30.1
加工时间(秒)30
(切入:30mm)
20
(切入:30mm)
10
(切入:30mm)
70
(切入:30mm)
扭矩kgf/cm实验值468812446
PS实验值0.380.721.020.38
理论值0.470.701.190.47
轴向力实验值14023738786
理论值124221325124
切屑排出状态缠绕基本良好良好良好
切屑
0.3mm/r和0.2mm/r。对应的轴向力分别增大了40 %和10%。由此可知在切削过程中随着进给率逐渐加大扭矩和轴向力数值是变动的。当进给率为0.1mm/r时切削开始和结束时这两个数值是稳定不变的。另外扭矩和轴向力的理论值也一并记录在表2中。按《刀具工程师手朋》的说法理论值即根据图表得出的数值一般认为与实验值基本一致。至于加长钻头与标准锥柄麻花钻头相比在0.1mm/r的进给率下,二者扭矩相同而轴向力仅为麻花钻头的60%,即加工负荷减小。此外在加工开始和结束时扭矩和轴向力均未发生变化是一种稳定的加工。
关于切屑形状从实验过程中观察得知当进给率为0.1mm/r。时为带状切屑;当进给速度为0.2和0.3mm/r时,为片状切屑。当进给率较大时形成的切屑形态也较好。用加长钻头钻削时流出的切屑中同时混有带状切屑和片状切屑。可以断定其中片状切屑越多加工状态越好。
表3 实验2切削条件
钻头SSS10.0SSR10.0GSD10.0
试验材料SUS304SUS303S45C
切削速度23m/min
进给量0.22mm/r
转速730r/min
进给速度160mm/min

图1 被切削材料与轴向力的关系

实验2 :不锈钢的钻削加工

该实验旨在对SUS303、SUS304不锈钢进行钻孔加工时测定其钻削扭矩、轴向力和内孔表面粗糙度。所用钻头为切削不锈钢专用的SSS(短轴型)、SSR(普通型)和GSD(标准型)。出于比较的需要还进行了对S45钢的钻削实验实验。
切削条件如表3所示。图1、图2和图3分别表示切削不同材料时轴向力、扭矩和孔口及孔深约15mm处的表面粗糙度(最大值Ry)的测定结果。从图1和图2可以看出,切削SUS303不锈钢时,轴向力和扭矩值较大表明其可切削性能较差。在不同的钻头类型中,用GSD(标准型)钻头(高速钢氮化钛涂层钻头)切削时,轴向力和扭矩值较大表明其切削性能比其他两种硬质合金钻头略差。由图3孔口与孔内的表面粗糙度对比可知用SSS(短轴型)钻头钻削时越往孔的深处,其表面粗糙度越好;而普通型钻头则正好相反,越往孔的深处,其加工表面粗糙度越差。短轴型钻头全长89mm,螺旋槽长度43mm,比普通型钻头(全长105mmm,螺旋槽长度60mm)要短,所以其加工精度更高。

图2 被切削材料与扭矩的关系

图3 孔口与孔内的表面粗糙度
表4 实验3切削条件
钻头Ø10高速钢,Ø10硬质合金(钢用EWSR10.0,铝用C-SD10.0)
试件材料S$%C(HV240),A2017(HV80)
加工深度约25mm
切削速度高速钢加工S45C:20m/min,硬质合金加工S45S:80m/min,加工A2017:2017
进给量S45C:0.05, 0.15, 0.25, 0.35; A2017:0.2, 0.5

实验3 :钻头种类和进给速度的影响

该实验旨在考察钻削加工中钻头种类和进给速度对扭矩、轴向力和表面担糙度的影响。被切削材料为S45C钢和A2017铝。在钻削S45C钢的实验中,所用刀具为高速钢钻头和硬质合金钻头,进给速度分别设置为0.05、0.15、0.25、0.35mmm/r,观测不同进给速度对切削力、已加工表面粗糙度和尺寸精度的影响。在钻削A2017铝的实验中,使用铝加工专用钻头,分别测量出进给速度为0.2、0.5mm/r时的切削力等数据。
切削条件如表4所示。图4和图5分别表示扭矩和轴向力的测量结果。可以看出,进给速度越高,扭矩和轴向力也越大。此外可以确定孔口处和孔内的表面粗糙度几乎没有差异。用高速钢钻头以0.05mm/r。的进给速度钻削时无论是扭矩还是轴向力数值都较小这是其加工特征。

图4 扭矩的测量结果

图5 轴向力的测量结果
图6和图7分别表示已加工表面粗糙度和孔径尺寸与进给率的关系。由图6可以看出当进给率较小时高速钢钻头和硬质合金钻头之间并无差别而当进给率增大时两者之间就出现了明显差异硬质合金钻头加工的表面更光滑。由图7可以看出进给率越大孔径尺寸精度就越高。此外当进给率较小时孔口处的尺寸精度会变差。

图6 已加工表面粗糙度与进给率的关系

图7 孔径尺寸与进给率的关系
表5 实验4切削条件
钻头Ø10硬质合金单顶角钻头
Ø10硬质合金双顶角钻头
试件材料S45C(HV24O)
加工深度约25mm
切削速度80m/min
进给率0.1, 0.2, 0.3, 0.4mm/r

实验4:单顶角钻头、双顶角钻头的影响

钻头可分为单预角钻头和双顶角钻头。单预角钻头为两处导向钻心不稳定钻孔时容易歪斜。而双顶角钻头为四处导向钻心稳定孔型接近正圆。此项实验旨在考察这两种钻头对切削抗力和加工精度的影响。切削条件如表5所示。

图8 扭矩与与进给率的关系

图9 轴向力与进给率的关系

图10 孔径尺寸与进给率的关系
图8和图9分别表示扭矩和轴向力与进给率之间的关系。由图8 可以看出扭矩与进给率成正比即扭矩随着进给率的提高而增大。单顶角与双顶角钻头的差异在于:当进给率小于O.4mm/r时,双顶角钻头的扭矩小于单预角钻头;反之当进给率大于O.4mm/r,,双顶角钻头的扭矩则大于单预角钻头。由图9可以看出轴向力随着进给率的提高而增大,当进给率在0.1~O.4mm/r之间时双顶角钻头的轴向力较小,此时,单预角钻头与双顶角钻头的差异也较为明显。
图10所示为孔径尺寸与进给率之间的关系。由图可知,无论进给率如何变化,双顶角钻头加工出的孔径尺寸一致性很好。与此相反随着进给率增大,单预角钻头加工出的孔径尺寸不断变化,因此无法得出尺寸精度。
本文作者:黄宁秋(编译)
原载:《工具展望》2010年第1期
上载于:2012-9-5 21:20:29

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