干钻削加工的特点及应用场景分析

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：图4-38所示为用AQUA钻头和涂层硬质合金钻头高速干钻削碳钢S50C时的情况对比，AQUA钻头加工孔的数量是涂层硬质合金钻头的四倍以上。当干钻削铝合金时，上述三个因素对刀具使用寿命和加工表面粗糙度的影响，可通过正交试验进行分析。表4-13 主轴转速和进给量图4-41 每种钻头所加工孔的表面粗糙度值试验中每钻削10个孔后，将切屑收集起来以便观察分析和比较。

钻削加工时钻头处在半封闭的空间中，钻削产生的热量也聚集于此，同时切屑也必须从孔中排出，因此，不使用切削液的干钻削就显得更为困难。日本不二越公司对干钻削进行了研究，开发出了专门用于干钻削加工的AQUA钻头系列。AQUA是一种蓝绿色涂层，它是以TiAlN涂层为基础，在其上再涂覆一层润滑性能优异的表层。钻削时，这种涂层具有与切削液相当的润滑作用，再与特殊设计的排屑槽相匹配，使此种钻头获得了十分优异的切削性能。

图4-38所示为用AQUA钻头和涂层硬质合金钻头高速干钻削碳钢S50C（185HBW）时的情况对比，AQUA钻头加工孔的数量是涂层硬质合金钻头的四倍以上。

图4-38 高速干钻削碳钢

干钻削铝合金显得更为困难。为了寻找适宜的干钻削条件，有人对铝合金AlSi6Cu3的干钻削进行试验，并观察了干钻削时的一些现象。下面就对干钻削试验过程及现象进行简单的分析。

（1）积屑瘤的产生干钻削铝合金AlSi6Cu3时，仅仅在钻削了几个孔后，在切削刃附近就产生了严重的积屑瘤，如图4-39a所示。分析标准钻头钻削时切屑的流速，如图4-39b所示，切屑流动速度从钻心向外切削刃逐渐增大，整个主切削刃上产生宽而薄的带状切屑向钻心方向卷曲，受到螺旋槽及端面的阻挡，因而形成积屑瘤。由于较大切屑不能及时排出，因而形成大量的热量聚积，这样，切屑就粘在容屑槽中，使钻头失去切削能力，如图4-40所示。

图4-39 切削刃附近的积屑瘤

a）积屑瘤 b）切屑流速

图4-40 钻削铝合金AlSi6Cu3时切屑的堵塞

（2）干钻削钻头几何参数的确定排屑是否流畅是干钻削的关键问题。影响切屑排出的因素主要有螺旋槽的形状、螺旋角、切屑的初始流动方向和钻削时产生的热量。这些因素与钻头的几何参数有关，这些参数包括螺旋角、钻尖角和后角。一般分析认为，大螺旋角可改善切屑排除状况，同时由于前角增大，减小了钻削时产生的热量；大的钻尖角会改善切屑的初始流动方向，并使容屑空间增大，可减少积屑瘤的形成；大的后角减少了钻头后刀面与工件之间的摩擦，因而也减小了热量的产生。

当干钻削铝合金时，上述三个因素对刀具使用寿命和加工表面粗糙度的影响，可通过正交试验进行分析。设钻削速度和进给量不变，三个因素均为两水平，分别记录钻头所加工孔的数量和测量孔的表面粗糙度数值，其结果如表4-11、表4-12和图4-41所示。

表4-11 几何参数和切削条件水平

由试验结果可见，大螺旋角和大钻尖角钻头的使用寿命较长，而所有试验条件对表面粗糙度的影响不大。

为了进行干钻削，可对钻头进行修磨，以改变其切削角度并磨出分屑槽，各种群钻就是这种理念的实践。

表4-12 每种钻头所加工的孔的数量

（3）干钻削加工条件分析改善切屑排除的另一种方法是改变切削参数，使切屑形状变成小而轻的，以利于方便地排出。切屑形状的变化主要取决于切削速度和进给量。在其他条件不变的情况下，改变主轴转速和进给量进行试验，可以观察切屑形状的变化，如表4-13和图4-42所示。

表4-13 主轴转速和进给量

图4-41 每种钻头所加工孔的表面粗糙度值

试验中每钻削10个孔后，将切屑收集起来以便观察分析和比较。当进给量由大向小变化时，切屑从厚重向轻薄变化，其形状变化非常明显。细小切屑的数量也随着进给量的增加而迅速增加，这些细小切屑沉积在切削刃附近，极易形成积屑瘤，如图4-42a所示。进给量最小时，切削刃附近只有轻微的切屑沉积，如图4-42d所示。所有这些表明，切削参数的改变是改善切屑排除状况，提高钻头寿命的方法之一。

（4）亚干钻削和气体低温冷却钻削的比较从上述试验结果得知，用大螺旋角、大钻尖角和小进给量，可以提高干钻削加工铝合金钻头的使用寿命，但是这种改善是非常有限的。因为切屑的沉积、粘结在螺旋槽中和生成积屑瘤等问题都未得到解决。采用亚干中最小润滑钻削（MQL，Minimal Quantity of Lubrication）或气体低温冷却（AC，Air Coolant）及两者组合的方法MQLAC进行铝合金的钻削加工，可显著改善上述情况，如图4-43所示。

图4-42 不同钻削条件下的切屑沉积

a）主轴转速800r/min b）主轴转速1500r/min c）主轴转速3000r/min d）主轴转速6000r/min

图4-43 MQLAC方法试验装置

冷却空气输送系统可参照旋风管理论来设计。压缩空气沿切向送入加工系统，通过一个旋风管转换成两路低压空气流，一路热气流，一路冷气流。热气流在一热空气交换器中流动和交换；冷气流通过一柔性管指向钻尖处，驱散钻削过程中产生的热量。通过降低切削温度，来减轻或消除积屑瘤和切屑的粘结问题。

MQL方法的目的在于改善钻头螺旋槽的润滑性能。切削液可以防止微小切屑沉积和粘结在螺旋槽表面，保持螺旋槽表面光滑，以利于切屑的排出和防止积屑瘤的产生。采用甘油三酸酯、丙烯乙二醇酯类等切削液，借助于压缩空气将切削液雾化，并吹到钻尖处。切削液使用量为0.1～0.3mL/min。

钻削试验的主轴转速为3000r/min，进给量为0.19mm/r。不同钻削条件下的钻削孔数、钻头状况及钻孔表面粗糙度见图4-44和表4-14。

图4-44 不同钻削条件下的钻头状况

a）冷却空气（加工29个孔后） b）最小润滑（加工55个孔后） c）冷却空气＋最小润滑（加工80个孔后） d）湿切削（加工80个孔后）

表4-14 不同钻削条件下加工的孔的表面质量

钻削试验中，干钻削、冷却空气钻削和最小润滑（0.12mL/min）钻削的钻孔数量分别为8个、29个和55个。钻头的失效方式都是由于切屑粘结在螺旋面而排屑不畅、并生成积屑瘤所致。当切削液的使用量增加到0.3mL/min时，可钻削80个孔。这说明切削液数量多可以减小摩擦，降低钻削过程中产生的热量，抑制了积屑瘤的产生，提高了钻头的使用寿命。将最小润滑方法和冷却空气方法结合使用，钻削过程中产生的热量很快地被冷却空气带走，积屑瘤得到了明显抑制。这种钻削状态与湿式钻削相同，钻头使用寿命得到明显提高。但以上方法加工的孔表面质量皆不如湿式钻削好。

从上述试验和分析结果得知，干钻削铝合金时，必须使钻头螺旋槽表面保持平整、光滑，以减小积屑瘤形成的可能（已讨论过的各种涂层钻头正是适应这样的要求而制作的）；设计或选择合理的钻头几何参数，如螺旋角、钻尖角及切削刃形状，可改善切屑形成的状态，有利于切屑的排出，减少切削热量等，但这种改善是有限的；通过合理地选择钻削用量（钻削速度、进给量），改善排屑情况可能更方便和有更好的效果。总之，干钻削铝合金最有效的方法是采用亚干钻削加工。

干钻削加工的特点及应用场景分析

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