加工汽车零部件复杂轴类零件的钻头试验研究
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整体硬质合金钻头在带齿的轴上钻深孔时由于切削过程中切削力变化复杂,导致钻头寿命降低,严重时钻头会发生折断。分析实际加工条件的不同特征后,修改原有钻头,设计不同形式的钻头适应不同加工设备。实验表明,新型钻头可延长刀具寿命1.5倍,解决钻头的缠屑等问题,提高了加工效率。
整体硬质合金钻头在加工带齿的轴上钻深孔时,初始切削及最后钻通孔时钻头受力不均匀,切削引起的振动使钻头非正常切削折断。本文所涉及的轴类零件中有压制衬套而且衬套中带芯的复合加材料。由于被加工材质不同(分三种材料)、加工孔较深时,排屑直接影响被加工孔的质量及钻头的寿命。加工此类零件的钻头存在切削寿命短、或有发生折断的现象,是公司整体硬质合金钻头生产面临的两个急需解决的问题。
结合某汽车零部件制造公司在加工复杂的轴类零件时遇到的具体情况,分析现场的具体加工条件后改进钻尖,针对不同的加工设备设计对应完全不同设计参数的钻尖形式,经过现场试验,钻头达到了同类进口钻头的性能和预期寿命。
本文通过介绍工件具体加工实况,分析原有钻头的磨损情况,找到导致钻头加工中不稳定性的主要原因,通过几次改进设计后钻头达到了预期的目的。被加工材质比较复杂,受现场加工设备的限制,在切削加工中容易造成钻头的刃带严重磨损,刃带磨损后导致排屑困难,排屑不畅使钻头大部分从柄部直接断裂的原因。原来使用的钻头在加工零件个数100-150个孔时因磨损不能继续使用。
现场使用钻头的失效形式主要有两种:一种是正常的磨损;另一种是钻头在切削过程中非正常直接断裂,而且据现场统计,此类非正常断裂的失效形式占近20%。经试验证明:改进后的钻头能够加工200-250多个孔,有的甚至可以加工300多个孔,同时解决了加工中时常断裂的问题,钻头寿命延长了1.5倍多。

1 试验条件

某汽车厂零部件生产公司在加工同类型的复杂轴类零件时使用的机床分两种,一种是老式的专机机床,切削条件不好,冷却条件差;另一种是国内某机床厂生产的带内冷装置的数控机床,生产工况相对较好,但实验过程中也发现了一些不足之处。
为适应现场两种机床,设计出不同类型的整体硬质合金钻头以适应不同类型的机床。图1所示为专机上设计的非内冷整体硬质合金钻头。图2所示为内冷机床设计的带内冷孔的整体硬质合金钻头。钻头的基本设计参数见表1和表2,现场各加工情况见表3和表4,被加工零件如图3、图4所示。
图1 钻头(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图2 内冷钻头(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

表1 钻头一的主要参数
直径(φ)第一后角(°)顶角(°)芯厚(mm)
3.9121401.2
表2 钻头二的主要参数
直径(φ)第一后角(°)顶角(°)芯厚(mm)
3.95151351.3

表3 钻孔状况一
加工孔数(平均)孔深(mm)转速(r/min)工进(mm)
12025-3025002.5-3
表4 钻孔状况二
加工孔数(平均)孔深(mm)转速(r/min)工进(mm)
11030-3830003

图3 被加工零件(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图4 被加工零件(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

2 试验过程及分析

原来使用的钻头的主要失效形式是钻头在切削过程中单边刃带的快速磨损。因为钻头在钻削过程中定心不好,钻头中心没有与被加工件的中心在同一直线上,导致钻头单边刃带快速磨损。被加工件为轴类零件,在刚进入切削时导向不好,现场加工材质复杂,造成钻头的单边磨损严重。针对以上分析,在钻头参数设计上加强了钻头的定心,改善了切削过程的定位。

2.1 专机加工现场

图5、图6所示为老式的专机加工现场,为卧式专机,排屑情况不好,外冷却情况较差。经现场调研,被加工孔底部有毛刺,对下两道工序的铰孔及压销的影响较大。被加工孔的深度较深(25-30mm),切削到孔底部时颤振产生较大的扭矩。
图5 加工现场(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图6 加工现场(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

被加工孔的深度有时会超过5倍径深、无内冷,所以分3-4段进行加工。
现场专机使用钻头是没有内冷的硬质合金钻头,所采用的切削方式也分两种:一种是钻头在间断切削时不完全退出孔口,这种切削的优点在于,再次切削时同心度较好。但不足之处在于,钻尖不能冷却,产生的切屑有时不能完全排出孔口,造成较多的切屑缠绕在钻头根部。
另一种切削方式是,在切削过程中钻头完全退出孔口,再次切削时重新进入,该切削方式的优点在于,钻尖处能充分冷却、切屑能够完全排出孔口。不足之处在于,钻头在后续工部切削时中心不能完全重合,加工孔位椭圆孔,影响后续工序钻头。
切削过程钻头不完全退出孔口引起的缠屑如图7所示。由于数次加工不同心,引起的钻头单边刃带加速磨损的如图8所示。
图7 钻头缠屑(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图8 钻头磨损(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

对于钻头的缠屑解决方案,由于现场机床调整切削参数较困难(专机具体原因),只能通过改变钻头的槽型达到断屑目的,改善排屑情况,避免钻头断裂。
改变槽型使切削过程中切屑的变形量增大,形成相对厚而短的切屑,有利于钻头在不完全退出孔口切削时改善排屑情况。钻头槽型改善前后的模拟槽型如图9和图10所示。
图9 槽型模拟(改善前)(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图10 槽型模拟(改善后)(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

改善后的槽型加大了切屑形成时的变形,形成较为容易排出的切屑,通过改善排屑情况,最终提高了钻头寿命。经过现场试用,提高钻头寿命的1.3-1.5倍。
对于钻头刃带磨损快的解决方案:采取了进一步改善钻尖的设计参数,在保证钻头刚性前提下,加强钻头的定心功能。
改善后的钻尖降低了原来钻头在不正常磨损直接折断的情况。经过现场试用,原来钻头由于非正常磨损直接断裂的将近20%降低到10%以内。

2.2 内冷加工现场

对于内冷数控的机床来说,主要问题是钻头断屑。由于加工孔的深度较深,将近10倍径。内冷钻头的切削方式采取连续切削,产生的切屑缠绕钻头柄部,解决方式主要通过调整钻头切削参数,改变切屑变形,使之顺利排出,达到提高钻头寿命的目的。图11、图12为内冷钻头加工现场。
图11 加工现场(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图12 加工现场(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

对于内冷数控机床使用的内冷钻头的改善,可在钻削深孔前先加工引导孔工序,提高孔精度和钻头寿命。但是由于受机床夹头的限制,机床不能再增加夹头,只能直接在轴上钻削深孔。

2.3 试验分析

由于专机加工条件不好,外冷却设备差,卧式加工排屑情况不好、加工孔较深、间断性加工、对中性不好,增加了钻头在钻削过程中的断裂风险。
通过改进设计参数后,改善钻头的定心、调整切削参数,切削情况明显改善,比原来的钻头寿命提高将近1.5倍。此外,可选择更为适当的钻头涂层,进一步提高钻头寿命。

3 小结

  1. 针对主要磨损为单边磨损的情况,在断屑条件不好、现场机床调整切削参数较困难的条件下,通过改变钻头的槽型和改善钻头定心,达到断屑的目的。
  2. 针对钻头在实际加工时切削参数不匹配的情况,做出适当调整,明显改善了钻孔质量,孔口无毛刺。
  3. 切削参数的调整不仅解决了内冷钻头切削过程中的长屑缠刀,也解决了钻头磨损较快的问题。
  4. 下一步建议增加引导孔的工序使钻孔的质量、垂直度、以及钻头的寿命有更进一步的提高。更换和改善钻头涂层,也会提高钻头寿命。
本文作者:上海工具厂有限公司 符国建
原载:《工具技术》2017年第7期
上载于:2017-9-20 17:17:42

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