小10硬质合金(YG6)钻头高速钻削灰铸铁(HT200)工件探析

引言

随着科学技术的发展,机械制造业也在突飞猛进,要在机械制造业获得较好的收益,除了加工的零件精度达到要求外,提高加工效率也很重要。对于需要加工孔的零件,在保证孔的位置精度及尺寸精度的前提下,要尽可能提高加工效率,使其获得效益的最大化。在材料为灰铸铁(HT200)的零件上加工直径为小10、深为15mm的多孔(如图1所示的零件)。该零件要加工等直径和等深度的多孔,并有位置精度及尺寸精度的要求,孔的位置精度可以由数控钻床的程序保证,孔的尺寸精度用小10的钻头来满足要求,那么如何才能提高加工效率就成为一个重要的问题。

1刀具、工件的特性和高速钻削的转速

1.1硬质合金(YG6)钻头的特性

硬质合金(YG6)钻头硬度高(达90HRA,相当于72HRC),耐磨性好,耐高温性能好(能耐800~1000C的高温),化学稳定性和热稳定性好。其化学成分、物理和力学性能如表1所示。

另外,硬质合金(YG6)材料的钻头切削速度比高速钢高4~10倍,耐用度比高速钢高几倍到几十倍,但硬质合金(YG6)材料的钻头整体制造复杂,故在高速钻削时采用硬质合金(YG6)镶嵌式钻花。

1.2灰铸铁(HT200)的加工性能

灰铸铁(HT200)的组织由片状石墨和铁基体组成,其具有良好的耐磨性能、消振性能、切削性能和抗压性能,最低抗拉强度为200MPa。灰铸铁(HT200)为脆性材料,因抗拉强度低,钻削时未经塑性变形就在钻削力作用下脆断,故切屑为不规则的碎块状。

1.3高速钻削的转速

高速钻削是指在比常规钻削速度高出很多的情况下进行的钻削加工。钻削的切削速度(单位为m/min)可由以下公式计算:

式中,d为钻头直径(mm):u为主轴转速(r/min)。

钻头的直径为10mm,切削速度由主轴的转速来决定。常规钻削时,主轴转速要根据刀具磨损、工件材料、加工精度、润滑等情况来确定,一般控制在100~1000r/min。对于高速钻削,主轴转速在常规转速的10倍以上,就按10000r/min来分析主轴转速。

2影响小10硬质合金(YG6)钻头高速钻削灰铸铁工件的因素

小10硬质合金(YG6)钻头高速钻削灰铸铁(HT200)工件时,切削力、切削温度及排屑等对钻头的耐用度及工件的加工质量有影响。

2.1高速钻削时切削力对钻头的影响

在高速钻削时,切削力主要与切削速度、进给速度有关。切削力随切削速度的增大而增加,但随着切削速度的进一步提高(主轴转速达10000r/min以上),切削惯性力增大,其增加幅度比剪切力减少幅度小很多,故在高速范围内,切削速度的提高最终导致切削力的降低[2]:另外,切削力随进给速度的增大而增加,切削力的增大会使刀具的耐用度降低,如果切削力进一步增大还会使钻头崩刃。用小10硬质合金(YG6)钻头高速钻削灰铸铁(HT200)工件时,要对主轴转速和进给速度加以控制,来保证切削力不对钻头有不利的影响。

2.2高速钻削时切削温度对钻头的影响

用小10硬质合金(YG6)钻头高速钻削灰铸铁(HT200)工件时,切削温度主要与切削速度有关。随着切削速度的提高,开始切削温度升高很快,但达到一定速度后,切削温度的升高逐渐放缓,甚至很少升高。另外,切削速度越高,被切屑带走的热量越多,切屑温度升高得多而钻头温度升高得少。

2.3高速钻削时的排屑

高速钻削时,由于切削速度较大,单位时间内切屑的数量就较多,排屑就成为一个重要的问题。排屑不畅会影响刀具的使用寿命,严重时会使钻头磨损或折断,同时也会影响工件的表面质量。通常切屑的类型(带状切屑、锯齿形切屑、节状切屑、崩碎切屑)对排屑有一定的影响。用小10硬质合金(YG6)钻头高速钻削灰铸铁(HT200)工件时,工件为脆性材料,灰铸铁(HT200)的塑性很小,抗拉强度也很低,钻削时未经塑性变形就在拉应力作用下脆断,故产生的切屑是崩碎切屑,切屑呈不规则的碎块状,表面凹凸不平。

3小31硬质合金(0YG)钻头高速钻削灰铸铁工件的一些处理措施

用小10硬质合金(YG6)钻头高速钻削灰铸铁(HT200)工件时,切削力、切削温度及排屑对钻头的磨损及使用寿命和工件的表面质量都有影响。因此要对钻头、切削温度及排屑加以控制,来保证钻头的正常使用和得到表面质量较好的工件。

3.3调整小31硬质合金(0YG)钻头的几何参数

用小10硬质合金(YG6)钻头高速钻削灰铸铁(HT200)工件时,切削力及切削温度逐渐降低而趋于平稳,排屑变得困难。在高速钻削时,要对钻头的几何参数进行调整。钻头的几何参数主要有螺旋角、顶角、主偏角、前角、后角等,其中螺旋角、顶角对钻头的强度及排屑影响较大。螺旋角(8)是指钻头螺旋槽上最外缘的螺旋线展开成直线后与钻头轴线之间的夹角。螺旋角不仅影响排屑,而且影响切削刃强度。标准钻头的螺旋角8=l8О~38О,在高速钻削时,磨钻头螺旋角至35О左右(图2)有利于排屑且保证刀具强度。顶角是指钻头的两条切削刃在它们平行的平面上投影的夹角。顶角越小,主切削刃越长,单位切削刃上负荷便越轻,但顶角过小,则钻头强度减弱,扭矩增大,钻头易折断。在高速钻削时,顶角磨至l20О(图2)有利于散热和提高刀具耐用度。

3.2钻头开分屑槽

用小10硬质合金(YG6)钻头高速钻削灰铸铁(HT200)工件时,钻削速度快,排屑量大,排屑变得困难,而且切屑与工件表面产生较大摩擦,易刮伤已加工表面,并且可能阻塞在容屑槽中卡死钻头,因此,排屑问题是高速钻削首先需要解决的问题。为了更好地排屑,在钻头上磨出分屑槽(图3)。

图3分屑槽

3.3采用高压冷却液

钻削时如不加冷却液时,工件吸收的热量约占52.5%,钻头约占l4.5%,切屑约占28%,而介质约占5%。用小10硬质合金(YG6)钻头高速钻削灰铸铁(HT200)工件时,虽然所产生的切削温度随切削速度的增加提高不大,但排屑与工件摩擦会导致温度的提高。普通的冷却方式虽然可以起到冷却作用,但对钻头的使用寿命不利,也对排屑不利。为了更好地冷却、顺利地排屑和延长钻头的使用寿命,应采用高压冷却液。高压冷却液是指压力达到8MPa以上、流量约达5L/min的冷却液。高压冷却液可以使硬质合金(YG6)钻头高速钻削灰铸铁(HT200)工件时,更好地排出切屑,获得更长和更稳定的刀具寿命,确保良好的冷却液流动,让钻削过程更安全。

6结语

用小10硬质合金(YG6)钻头高速钻削灰铸铁(HT200)工件时,切削力、切削温度、排屑等对钻头有较大的影响,但可以通过控制进给速度、调整钻头的几何角度、开排屑槽及采用切削冷却液等方法来降低切削力、切削温度,改善排屑,从而保证钻头的耐用性,本文通过试验得以验证。采用本文所述方法,用小10硬质合金(YG6)钻头高速钻削灰铸铁(HT200)工件,可以使工件的表面质量大幅提高,也提高了钻削机加工的效率,进而提高了钻削加工的经济利益。