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通用钻头的持续优化和发展

发布日期:2020-04-30 作者: 点击:

通用钻头的持续优化和发展

1.钻头的种类

实体上用钻头钻孔称钻削,Z常用的钻头是麻花钻。麻花钻的特点是有两条像麻花一样的螺旋槽用于排屑,螺旋槽与钻头顶角锥面交线构成承担主要切削作用的主刀刃,槽的侧边刃带构成副刀刃,在加工中起导向支承和修光作用。其Z常用的材料是高速钢、硬质合金。硬质合金制钻头有整体式、焊接式和可转位刀片刀头式三种。一般情况下高速钢钻头硬度、刚性较低,适应切削速度约在30m/min以下,进给量约0.25mm/r,其价格低廉,韧性高,故适合在刚性转速较低的机床,如一般的钻、车、铣床上使用,其孔径范围较广,约为φ0.2φ75mm,可钻孔深度常以深度L和直径D之比表示,可达L/D=10,加工尺寸精度在IT11级以下。整体硬质合金钻头的直径范围常为φ0.1φ20mm,焊接硬质合金钻头直径范围常为φ8φ40mm,其切削速度一般为100m/min左右,远高于高速钢钻头,进给量也比高速钢钻头略高,外部供切削液的硬质合金钻头比高速钢钻头切削效率约高35倍,内部供切削液的可高510倍,装硬质合金可转位刀片钻头主要用于中等尺寸孔的加工(约φ20φ56mm),效益可高出高速钢钻头3倍,硬质合金钻头加工精度可达IT11级以上甚至可达IT9级左右。一般结构的各种钻头直径范围与可钻削深度L/D范围可参考图1

 

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硬质合金钻头为发挥其高效能,适宜在数控机床、加工中心等先进高效机床上使用。高速钢钻头在这些机床上虽可使用,但未发挥先进机床效能。一般来说,当重视加工效率、加工精度、钻头寿命及加工批量大时,在数控机床和加工中心上钻孔,使用硬质合金钻头。单件小批量生产时,特别要考虑加工中韧性、希望刀具费用尽量低时,可使用高速钢钻头。

以上这几种钻头,如可以钻削大部分工件材料如碳钢、铸铁、不锈钢、有色金属及合金钢等,则称为通用钻头。只可高效经济地适合某类材料,某种零件特定加工要求的钻头称专用钻头。为了满足日益增长的高效益、高质量及环保等要求,通用钻头和专用钻头也在原有麻花钻结构形状的基础上不断地改进发展。

2.麻花钻概述

麻花钻的结构虽既能钻入加工又能排屑,应用广泛,但又存在若干固有问题,如前端的螺旋槽面构成了钻头的前刀面,顶角锥面构成了后刀面,这两个面的交线就是主刀刃,它较长、切屑宽,承受切削力大,难以顺利排屑。主刀刃上各点因所处半径不同,切削速度也各不相同。由于主刀刃的前刀面不是平面而是螺旋空间曲面,故主刀刃各点的前角不等(见图2)。近钻芯处前角约为﹣30°,难以切削,外圆处的主切削刃则约为+30°的大前角,虽锋利但刃口强度较差,该处切削速度Z高,热量集中温度高,易损伤,可知主刀刃上各点实际切削条件与状况也各不相同。一般钻头导向只靠两条刃带,导向性能不足,且刃带处副后角为“零”,该处切削速度Z大,切削热高、易磨损。此外,为排屑做的螺旋槽,虽然做得越宽越深排屑越好,但为保证钻头自身强度,必需要有一定钻芯厚度,这样在钻头顶部不得不做出一定宽度的横刃,横刃处的前角为负,甚至达到-63°~-54°,不能切削,实际只能是强行对工件刮擦、挤压,并且因为它存在使钻头难以定心钻入,钻孔时轴向阻力的60%~70%是由横刃部分造成,这也影响其加工质量和使用寿命。

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针对麻花钻的缺点,业内人士一直在设法改进。20世纪60年代,我国工人对高速钢麻花钻的主刀刃前、后刀面及横刃进行修磨,开槽分屑使加工时轴向力转矩分别减少了35%~50%和10%~30%。大大提高了钻孔效率,针对不同被加工材料还有多种不同的修磨形状,修磨这样的形状比较困难,所以还研发了数控群钻磨床。

3.新材料、新涂层、新性能

时代的进步要求生产效率越来越高,高速钢麻花钻固有结构形状和材料本身性能已不能满足需要。能进行高速切削的硬质合金钻头已得到普遍使用,由于硬质合金硬度(1 310~1 880HV)远高于高速钢(880~910HV),难以施以群钻似的刃磨,为消除麻花钻的缺点,各大公司进行了各种新的结构设计并不断优化材料与涂层。首先,为了弥补硬质合金韧性的不足和提高其综合机械性能,材料从一般的硬质合金普遍改用了超微粒硬质合金,涂层由一般的TiN改为普遍采用(Ai,Ti)N系等的复合氮化物,近年来又由于先进科学技术如CAE等计算机技术不断发展,可以精确模拟钻削时的应力、应变和温度分布场,切屑卷曲和切离等,再加上CAD/CAM技术、模具制造技术、粉末冶金技术、五轴联动加工和刃磨技术等的飞快进步,设计制造出合理的螺旋槽、前后刀面和主副刀刃等形状结构。如三菱公司推出的Wstar系列牌号为MWE/MWS的外冷/内冷钻头,此系列钻头由于螺旋槽曲面的重新设计,使构成的主刀刃由直线形变成凹形和凸形贴近钻芯的改为凹刃,使原来形成的负前角变成正前角,提高了该处的切削锋利性。在近外圆侧的主刀刃则设计为凸形,原来该处正前角过大,刀刃强度低,使之适当减少,从而提高了该处切削刃的强度。凹凸刃的结构还使宽的切屑分段易排出,切削力也得以减少。又对钻头顶角的锥面进行X形修磨,即磨出三重后角使横刃宽度为“零”,使轴向力大大减少。配合修磨出的三重后角使定心方便。

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MWE/MWS钻头不需预钻导孔,直接可以钻入。又设计全新的螺旋槽形,由大小两部分曲率组成,小曲率半径处使切屑卷曲,大曲率半径处使切屑易于排出。新槽形按CAE进行强度计算,与以往整体硬质合金钻头相比,其弯曲刚度提高了20%,扭转刚度提高了30%。钻头的2个内冷却液孔不降低这两方面的刚性。Wstar系列除采用微粒硬质合金提高韧性和强度外,还以Miracle技术涂敷(Al,Ti)N涂层,硬度达2 800HV,氧化开始温度达840℃,切削加工中总动力减少15%。它不但能顺利钻削钢、铸铁及合金钢,且能钻削不锈钢、耐热合金及钛合金等难加工材料。在此基础上进一步改进,开发出钻孔深度可达L=30D的长钻头、可转位刀片钻头和可更换刀头的钻头。德国MAPAL MILLER公司的MEGA-ECU-DRILL系列也作了类似改进,涂层采用(Al,Ti)N涂层和钻削专用性能优异的MxF涂层等。还开发出钻孔深达L=30D的钻头,Z小直径甚至仅为1.0mm。其几款钻头由于合理的结构,优异的涂层使切屑迅速从切削区排出,不集聚热量,而且可以不用切削液,实现干式切削,成为了有利于环保的绿色钻头。

近年来三菱公司又对Wstar系列钻头进行了改进,新的牌号为weiMVE/MVS,其涂层牌号改用耐磨性好、通用性好,且除含铝、钛还含铬的多层复合氮化物的DP1020,硬度提高到2900HV,耐氧化温度提高到1 100℃,涂层的外表面采用Zero-μ表面处理技术,使刀刃刀尖等部位非常平滑,摩擦力大大减少,并防止了膜层龟裂,实现了稳定加工。同时对MWE/MWS原有的波形刃进一步优化,在保持原来切屑处理性优异的同时,增强了刃部的刚性。另外,将原来的圆形内冷却液孔改为采用TRI-cooling技术的三角形孔,这种独创的孔形可提高切削液流速,迅速带走切削热,用它与原来的MZE/MZS和其他若干名牌钻头以同样切削条件对碳钢、合金钢、不锈钢、铸铁用外冷、内冷、MQL润滑加工后进行比较,MVE/MVS的寿命均有不同程度的提高。

4.增加双重刃带提高平衡导向修光性能

图4所示为MVS型钻头头部的结构,从中还可见新修磨法将横刃修磨去掉,使轴向力减少,并使前面的排屑空间扩大。新设计的槽形使芯部与螺旋角也实现了Z佳化,钻头强度提高,可进一步实现高效深孔加工。此外,一般麻花钻副刀刃数少,平衡导向修光性能不足,MVS/MVE另加双重刃带,从而提高了这方面的性能,也提高了加工精度和表面质量。图5所示为MAPAL和MILLER公司研发的几种钻头,他们也对螺旋槽和前后刀面刀刃进行了创新的改进,并特别注意了在刃背上增加副刀刃,如MEGA-QUADRO系列钻头具有4条作为副刀刃的刃带,提高了导向性、加工稳定性、钻孔的直线性和圆度,加工精度达到IT8。其GIGA系列钻头同样也做出4条刃带,增加了导向和支承作用,但分布有所不同,还增加了2条副螺旋槽,可以更多更好地排屑,加工粗糙度和不同心度仅为普通钻孔的1/3。其MEGA-DRILL-REANER钻铰刀有46条刃带,作为修光刃还起到铰削作用,一次进给甚至可达到7级精度。

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5.三刃钻提高导向性及稳定性

MAPAL及MILLER公司不仅在钻头刃背上多做出刃带,还设计制造出三刃钻。即不仅增加副刀刃数,主刀刃也增加了(见图6),主刀刃新的特殊刃形有助于可靠定心和切入,导向性及稳定性提高。刃数增多,螺旋槽也增多,切屑变得细碎,易排出。槽多了可以做得浅些,使芯部粗壮,刚性提高,进给速度还可增大,断续孔及出口为斜面的孔也可以加工,加工精度和表面质量提高。其三刃钻除通用型外,还有专门适用于钢加工的和高速钢制的。高速钢制三刃钻比一般二刃钻进给速度可高50%,寿命增加了4倍。还有经济适用的可换刀头的三刃钻头。

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OSG公司的三刃钻(见图7)除刀刃设计为能细小分断切屑的波状刃外,为了降低切削温度,加速切屑排除适当增大排屑槽,并采用纳米级的复合EgiAs涂层,硬度达到3200HV,氧化开始温度达到1 100℃。在国内试验,用它钻铸铁HT250气缸体上14mm盲孔,切削速度为100m/min时,二刃钻进给量0.15mm/r,三刃钻为0.25mm/r,每分钟进给速度分别为702mm/min和1 170mm/min。可见效率提高许多。实际加工中,寿命也得到提高,三刃钻可加工5 600个孔,二刃钻只可加工4 800个孔,重磨后,三刃钻的可加工数仍高于二刃钻。

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6.结语

   以上介绍了通用麻花钻近年来发展的几个典型实例。各大公司都具有各自的特点,除通用钻头不断在发展外,专门高效加工钢、铁、不锈钢、铝合金、淬硬钢及复合材料的专用钻头等也在发展。也更具体针对指定材料的性能特点,对硬质钻头的涂层、刃形、刃数、槽形、槽数、螺旋角、顶角、冷却液孔形、孔数及流向控制等多方面进行改进设计,所研制出的新专用钻头也在不断地推出,持续发展。

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