麻花钻几何参数对不锈钢钻削性能影响的研究*

高兴军，邹 平，闫鹏飞，李 萍

(1.东北大学机械工程与自动化学院，沈阳 110004;2.辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁 抚顺 113001)

0 引言

随着航空、航天、石油、化工、冶金、食品、环保、汽车等工业的蓬勃发展，不锈钢材料已得到广泛地应用，生产实践中，钻削是十分常见的不锈钢加工方法［1］。不锈钢属于难加工材料，其特殊的材料性能使其加工效率比较低下，加工成本较大。因此研究不锈钢的钻削性能，提高不锈钢钻削加工效率具有重要的意义，同时也为其它难加工材料的研究提供借鉴。随着高速加工技术的发展，切削加工效率不断提高，对麻花钻的性能，特别是钻削稳定性和可靠性，提出了更高的要求。除钻头材料性质外，钻头结构及几何参数尺寸是影响麻花钻性能的关键因素［2］。目前，关于钻头研究主要集中于钻头制造工艺、钻削过程控制、钻削磨损机理等方面［3-4］，而对于钻头几何结构参数与钻削性能关系的研究则较少。本文采用ProE和Deform-3D软件分析了影响麻花钻钻削性能关键的几何参数，主要研究麻花钻横刃和顶角2φ对不锈钢钻削过程中切削力、扭矩、刀具磨损的影响。

1 横刃对钻削性能的影响

研究横刃主要是研究横刃长短和横刃形状对钻削性能的影响。钻削中的轴向力大约有50%是由横刃处产生的［5］，为减少横刃引起轴向力增大这个不良的影响，对加工不锈钢用钻头，其横刃应该经过修磨。

1.1 缩短横刃长度

将横刃的长度缩短，用Pro/E的麻花钻模型，如图1所示。将其导入到Deform-3D软件，进行有限元分析，切削参数选择 d=6mm，n=500rpm，f=0.06mm/rev，得到轴向力和扭矩曲线图，其中纵坐标分别为轴向力(Z Load)和扭矩(Torque)，单位是N和N·mm;横坐标是位移(Stroke)，单位是mm，如图2和图3所示。

将得到缩短横刃与标准麻花钻的轴向力数据进行对比，缩短横刃的轴向力明显小于标准麻花钻的轴向力。因此，可以采用在横刃两端开切屑槽的方法，将横刃缩短，以减小钻削过程的轴向力。

1.2 “S”形横刃

普通麻花钻横刃长、负前角很大、定心不好，基于此人们设计了一种新型钻尖即螺旋面钻尖［6-7］，其横刃为“S”形，利用ProE建立的螺旋面钻尖并导入到Deform-3D软件，以此研究横刃为“S”刃的螺旋面麻花钻切削力、扭矩以及后刀面的磨损情况，选择钻削用量d=6mm，n=500rpm，f=0.06mm/rev，经过仿真得到轴向力、扭矩的曲线图，如图4和图5所示。

将所得到的轴向力、扭矩数据与标准麻花钻进行对比，如表1所示，可知轴向力和扭矩都减小。通过螺旋面钻尖后刀面磨损深度等值线图可以看到钻头的磨损情况，如图6所示，将螺旋面钻尖后刀面磨损深度与普通麻花的磨损深度进行对比，如图7，由图可知，螺旋面麻花钻钻尖磨损深度明显减小。

表1 轴向力与扭矩对比

2 顶角对不锈钢钻削性能的影响

顶角2φ影响到主切削刃的长度、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、切削力中轴向力与扭矩的比例、切屑形成与排屑情况。由此可见，顶角是一个十分重要而且变化范围很大的角度。通常情况，一般选用钻尖顶角2φ=118°的钻头，但实际加工时，需根据工件材料、排屑情况及工件的几何形状来正确选择［8］。基于 Pro/E 分别建立顶角2φ 为118°、128°及138°麻花钻，将不同顶角的麻花钻三维模型导入Deform-3D软件进行有限元分析，选择钻削参数为d=6mm，n=500rpm，f=0.06mm/rev，顶角2φ为128°和138°麻花钻轴向力和扭矩曲线图如图8、9、10和11所示。

将顶角2φ为118°、128°及138°的麻花钻轴向力和扭矩的仿真，数据进行比较，如表2所示。由表可知，随着顶角的增加，轴向力增加，而扭矩减小。从刚性角度来考虑，普通标准麻花钻顶角2φ=118°时，扭矩大，钻头比较容易折断。尤其是对于小直径钻头来说，减小扭矩要比减小轴向力更有重要的作用。

表2 不同顶角的轴向力与扭矩对比

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。钻削加工中，随着顶角的增大，切削厚度增大，切削过程中的带状切屑有向节状切屑过度的趋势，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°，切削的流向vc在钻头中心线方向的分速度vn=vcsinφ，随着半顶角φ的增大，vn增大。当2φ=118°时，分速度vn小，切屑相对来说容易阻塞;当2φ=138°时，vn更大，切屑更容易沿着螺旋槽方向滑移，并迅速排出空外［9］，因此选择较大的钻尖顶角比较有利。在钻削不锈钢时，可以适当增大顶角，以提高钻头的寿命和强度。

图11 顶角138°的扭矩位移曲线图

3 结束语

通过改变普通麻花钻的横刃和顶角，得到麻花钻的几何参数对不锈钢钻削性能的影响关系。研究表明，当缩短横刃时其轴向力明显小于标准麻花钻的轴向力;在采用“S”形螺旋面钻尖时其轴向力和扭矩都将减小，且螺旋面麻花钻钻尖磨损深度明显减小;在钻削不锈钢时，随着顶角的增加，轴向力增加，扭矩减小，而切屑也更容易沿着螺旋槽方向滑移并迅速排出空外，在钻削过程中就能够可以适当增大顶角，以提高钻头的寿命和强度。

［1］周雪峰，方峰，蒋建清.基于数理统计的麻花钻几何参数优化研究［J］. 工具技术，2008，42(11):29-31.

［2］王西彬，雷红.麻花钻磨损特性的研究［J］.工具技术，1999，33(8):11-14.

［3］熊良山，师汉民，陈永洁.钻头与钻削研究的历史、现状与发展趋势［J］. 工具技术，2005，39(8):11-14.

［4］Chyan H C，Ehmann K F.Curved helical drill-points for microhole drilling.Proc.Instn.Mech.Engrs.Part B:Journal of Engi-neering Manufacture，2002(216):61-75.

［5］蔡运飞.图解普通麻花钻与倪志福钻头［M］.北京:机械工业出版社，2008.

［6］吕彦明，陈五一.复杂螺旋面钻尖刃磨原理及实现［J］.中国机械工程，2000，11(3):292-294.

［7］陈友东，江洪道.一种新型螺旋面钻尖数学模型［J］.机械设计，2000，17(8):25-28.

［8］张朋.麻花钻头几何角度的选用及对切削的影响［J］.机械工程师，2007(12):147-147.

［9］马国亮，曹秋霞.麻花钻尖顶角对钻削加工的影响［J］.河南机电高等专科学校学报，2002，10(2):39-40.