孔加工刀具的設計是一個需對許多技術難題進行相互協調的復雜過程。SecoCarboloy公司(位于美國密歇根州Warren)鉆削產品經理GoranMelin說,“往往是某一方面的技術難題得到解決,必然會在另一方面產生新問題。”這些需要協調的諸多方面,通常包括刀具使用壽命、加工精度和加工過程的穩定性等。刀具設計師需要不斷地在這些問題的矛盾變化中找出最佳的解決方案。

從SecoCarboloy公司最新生產的PerfoMax機夾式鉆頭系列產品的設計過程,可看出以上的認識是正確的。通過對許多技術難題進行相互協調,設計出的新型機加式鉆頭,大大擴展了加工范圍。

在新型機夾式鉆頭設計中經歷了一個這樣的協調過程:在許多用于孔加工刀具的選擇中,機夾式鉆頭通常是低成本加工的較好解決方案。據Melin先生介紹,機夾式鉆頭一般將刀片設計出四個切削刃,它可以根據加工材料不同,選擇不同材料和幾何形狀的刀片。通常情況下,鉆頭刀體有更換40-50次刀片的使用壽命。所以,與整體式和焊接式鉆頭以及可換頭部的硬質合金鉆頭相比,極大地減少了每個鉆頭的生產成本。

然而,一般情況下,使用機夾式鉆頭鉆孔的用戶,都希望有一個較寬的加工公差,Melin先生說。因為高效率鉆頭通常都設計成一種不對稱的切削刃。機夾式鉆頭使用兩個刀片的結構時,一個刀片通過刀具中心,另一個刀片從內延伸出至整個直徑。刀具的外徑處刀片,由于切削速度高,能有效地切除很大余量,而刀具中心處刀片的切削速度等于零,不能參加切削,因此在鉆頭上實際只主要在進給方向作用一個很不均勻的軸向切削力。其結果,由于徑向切削力不足,摩擦阻力太大,引起刀體的彎曲變形。

“在鉆頭進入整個切削之前,你能感覺到不穩定狀態,”Melin先生說。“鉆頭越長,其加工狀態越不穩定。”所以在使用加長鉆頭時,用戶在孔加工開始(約1mm),應把進給速度減小到切削手冊推薦值的30-50%。進入全部切削時,用切削手冊推薦值加工。這一建議,確實是很不合理的。因為在編程軟件中,一般選用標準切削用量,而不能為某一個特殊的進給量,另外采用手工重新匯編加工程序。加之加長鉆頭只用于極個別的情況,所以一般只有選用標準鉆頭的切削用量。但這樣作的結果,將降低零件加工精度和生產效率。

通過分析比較,麻花鉆和整體硬質合金鉆頭,均有兩個切削刃,能在加工中平衡地分離切屑,促使切屑容易排除和提高鉆頭切削速度。而機夾式鉆頭(如前所述)主要是一個切削刃進行切削(指包括有機械夾緊過程中人為造成裝配誤差因素存在),且只有遠離刀具中心的刀片,才能有效地切除許多金屬。這將限制了切屑的有效排除和進給速度的提高。但是它不會產生很大的摩擦力,因為它沒有麻花鉆頭特有的較寬刃帶。所以能在高切削速度下加工(相對麻花鉆)。但遺憾的是,在使用機夾式鉆頭長度超過4倍直徑,尤其在選擇大進給量切削時,鉆頭的變形就成為需要主要解決的技術難題。因為這些原因,機夾式鉆頭多被用于擴孔和尺寸公差要求在0.008英寸的半精加工場合。所以說,使用機夾式鉆頭能達到用戶期望的經濟性加工,但它不能進行更高精度的加工。
為了克服以上限制因素,SecoCarboloy公司工程師在設計新型機夾式鉆頭中,著重進行了以下五方面的改進工作:

為防止高速、高進給速度切削時產生的彎曲變形,盡可能加大鉆體直徑,以保留更多的金屬材料(針對機夾式鉆頭原刀體外圓與鉆頭外徑間空隙太大的通用結構)。

刀片全部設計成剛性好的長方體結構,在鉆體上銑出相應尺寸的深槽形狀。因為將刀片設計成90°的圓角,強度、剛度都好(針對機夾式鉆頭原刀片多為三角形、正方形、厚度不大結構和機械式螺絲夾緊等因素綜合作用下的剛性很差)。

鉆頭設計有兩個冷卻液通入孔和兩個有足夠空間的稍帶傾斜的排屑槽。以使鉆頭切削區得到足夠的降溫冷卻和有效排屑,還有減少切屑瘤,延長鉆頭使用壽命和降低加工零件的表面粗糙度。

鉆頭表面設計有一高耐磨涂覆層,以防止將粹屑粘接在刀體表面和延長鉆頭使用壽命。

將鉆頭設計成在高硬度,細晶粒基體上涂覆能在高切削速度下切削的新型涂覆層,能用于加工各種材料制成的零件。

Melin先生說,新設計的機夾式鉆頭的剛性提高、冷卻散熱效果好、鉆頭的排屑性能和切削穩定性大大增強。所以能在許多加工中,提高生產效率和零件加工精度。包括能對深孔零件、在剛性較差的夾具上加工和對薄壁零件加工等。加之原來固有的低加工成本優點,因而很受用戶青睞。

目前新型機夾式鉆頭生產的規格有0.594-2.375英寸的直徑范圍,鉆削深度為2-5倍直徑。鉆頭柄部按標準生產出各種規格,包括有四個平面的用于車床的通用型柄部等。
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