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低碳钢的钻削加工

来源：信息中心　时间：2009-2-1 10:39:55

低碳钢的低成本、易于成形及机械加工的特点使其被相当广泛地运用于汽车零部件的制造如液压变速器、车架和悬挂部件等，但低碳钢的固有特性也造成一些加工困难，使用可转位钻头钻削低碳钢就是其中之一。
低碳钢钻削的常见问题
当加工轴类低碳钢材料时，如何处理延展性所带来的加工困难是一大问题。首先，在加工低碳钢材料时产生的连续带状切屑不易折断；其次，低碳钢材料的粘着性导致切屑粘在刀片上，而且低碳钢材料的硬度通常不一致。这些特性综合在一起常常导致切屑控制问题，甚至导致工序控制困难。
钻削时的排屑十分关键，如果不能很好地控制，将会影响工序的控制，如影响加工孔径、圆度及表面粗糙度的质量，并且还会损伤工件和刀具，甚至导致刀具突然失效。
使用可转位钻头钻削低碳钢材料比传统麻花钻更需注意加工过程中的参数。如果刀片使用理想的锋利切削刃，在加工时会因不能承受切削力而很容易破碎。另一方面，还应考虑对刀片进行涂层来防止切屑的粘着。从刀具设计的角度来说，刀片的切削刃不能制造得像高速钢或整体硬质合金钻头的切削刃那样锋利。但是因为锋利的切削刃是成功钻削低碳钢的关键，所以刀片应该尽可能的锋利。
尽管存在这些问题，可转位钻头仍然是加工低碳钢的最佳选择。尤其当加工直径大于Φ19mm时，使用整体刀具的成本非常昂贵。使用可转位钻头时，选择正确的刀具几何参数和切削参数是解决切屑问题的关键。
正确的刀具几何参数
通常情况下，加工短碎屑材料的钻头如合金或4140钢钻头并不适用于钻削低碳钢。原因在于，这些钻头的切削刃都有一个比较大的T型平面，这个平面在切削较硬材料时起到了保护作用，同时也使得断屑槽的宽度和深度不够。
通常，切削低碳钢产生的切屑趋向于沿刀具前面直线排出，这是因为传统断屑槽的宽度和深度不够，在切屑流过时没有起到应有的作用，故不能有效地控制排屑。要让切削得以正常地进行，就应该设法使切屑变成易于排出的紧密螺旋状。所以，与加工低延展性材料的钻头相比，应设计更锋利的切削刃来切削低碳钢，而且断屑槽应较宽且深。使用一个更锋利的切削刃，可以在切屑流出时通过切削刃上较大的剪切角将其引导进入切屑槽，而更宽更深的切屑槽在切屑进入后就能很好地控制切屑的形态。
有时，采用适当几何形状的刀片就可以解决钻削低碳钢时产生的切屑控制问题。但是，在更多的时候，还应该考虑钻体的情况。
螺旋槽的形态、深度及螺旋角应设计成能有效将切屑排出。比如，直槽钻头通常情况下工作效率很低，而且槽应该能和刀片有效地配合工作。为了达到最好的工作效率，每个槽都应具备排出不同刀片或刀片不同切削位置切削时产生切屑的能力。由于刀片中心和周边切削产生的切屑不相同，就意味着钻头的切削槽应具有不同的形态。
刀片安装到钻体上后产生的前角也会影响切屑地排出。加工低碳钢材料时，如果使用正前角就能很好地帮助切屑导入切削槽，所以这个参数很重要。然而大多数的可转位钻头都采用了零前角。这是由于传统加工中形成零前角很容易，而形成正前角较困难。但是现在由于有了多轴加工中心，能够很容易地加工出正前角。
合理的切削参数
当加工低延展性材料如合金钢时，增加进给量常常能提高对切屑的控制。反之，在加工低碳钢和其它高延展性材料时，要提高对切屑的控制就要减小进给量。高进给速度会产生较厚的切屑，这样的切屑很难弯曲，因而不易控制。
要让延展性材料的切屑能够很好控制，就应该使进给量低于合金钢这样低延展性材料的数值。基于材料的含碳量和几何性能等因素的影响，这个数值应该减少一半或更多。
同时，切削速度应该增加50%或更多，增加的量取决于含碳量。这样做将提高切削区域的温度，进而软化切屑达到更易控制切屑的目的。
冷却液的压力和流量在钻削中同样起着重要的作用。许多现代化的机床现在都会装备高压冷却系统80bar或更高，通常情况下，高冷却液压力能极大地帮助低碳钢切屑的排出。
这就有了一个疑问，提高切削区域的温度能更好的控制切屑，在高速切削时增加了冷却液的流量和压力是否会抵消掉这种高温控制切屑的好处呢？事实上，恰恰相反，在冷却液抵达切削区域之前就已经因为高温的影响而汽化了，这时的冷却液流入工作区域帮助了切屑从加工孔中排出。
应用实例
一家生产车辆液压缸的大型公司，以前在加工低碳钢时产生的切屑非常长，导致了加工孔的精度不高和刀具寿命很低。为解决该问题，公司选用了针对延展性材料设计的钻头几何形状，改善了切屑的排出，刀具寿命从以前的钻削长度约89m增加到现在约165m，允许切削速度从1422m/min提高到1930m/min，总的生产效率提高了77%。
另一家为生产卡车和重型设备悬挂零件厂商提供服务的转包商，他们钻削的低碳钢产品质量很不稳定，原因是材料的硬度每批次差别极大，有时甚至同一批材料也会不同。如被加工孔的公差为±0.10mm，加工时使用挤压钻头，且在钻头凹部用了垫片。但是，这样仍然不能保证得到一致的孔径。而且，机床的速度被限制在了3000r/min，妨碍了工序的最优化。为解决这些问题，公司选择了低碳钢用几何形状钻头。钻头特点是切削刃锋利，刃带更窄，断屑槽宽且深。新刀具收到了理想的效果，可以增加50%的切削速度，且切屑可以很好的控制，而且不需使用垫片就可以保证孔的公差要求。
摘自《工具展望》许刚译

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