带内冷却钻铰一体刀具的研制

孙成建，张 昆，李晓峰

（1.沈阳飞机工业（集团）有限公司，辽宁 沈阳110034；2.沈阳航天新乐有限责任公司，辽宁 沈阳110034）

为解决镶齿类合金刀具刀片在高速切削时刀片过烧易脱落的问题，使得合金刀具在准5 mm以下小直径的制造有新突破，因此采用整体硬质合金材料制造钻铰复合刀具。

此钻铰一体复合刀具兼具了钻头与铰刀的双重加工能力，既有钻头的加工效率又有铰刀的加工精度。用来加工钛合金材料零件起到了事半功倍的效果，极具推广价值。

1 制造钻铰一体复合刀具的意义

为了改善刀具的质量，提高刀具对钛合金零件的加工能力，研制了准4 mm及以下小直径整体硬质合金钻铰复合刀具，填补了镶嵌式合金刀具在小直径范围为内的空白，并且提高刀具的加工效率和延长刀具的使用寿命，提高孔加工的同轴度及圆度。

2 钻铰复合刀具的设计

2.1 刀具材料的选择

选用厦门金鹭硬质合金厂生产的GU20硬度HRa91.8，带两个30°螺旋内冷却孔的硬质合金棒。

2.2 刀具切削参数的选择

2.2.1 螺旋角ω

螺旋角ω是指钻头外圆柱面展开，螺旋线与轴线之间的夹角。ω角不仅决定刀具的前角，而且影响排屑。考虑被加工材料的切削能力及ω的几何角度特性，复合刀具的螺旋角选择为35°。

2.2.2 不等分螺旋槽

复合刀具选择183.5°与176.5°的不等分螺旋槽，一边钻孔，一边铰孔，螺旋槽底为R1.3的R型槽底，增加了排屑的能力，宽刃背起到了支撑的作用，提高了刀具在切削过程中的稳定性。

2.2.3 顶角2ψ

为了使刀具刀尖与被加工材料由一点接触向顶角大的圆锥面过度，迅速增大刀具与被加工材料的接触面积，提高刀具的定心性，刀具的顶角为140°。

3 钻铰一体复合刀具的加工难点

针对钛合金的材料性能，对钻铰复合刀具的钻头部分的螺旋角、螺旋槽形状、前角、后角等刀具几何参数作以改进，并且需要用数控磨床加工刀具的刃部型面，而且需要该复合刀具钻孔铰孔一步完成，因此，对钻头的横刃修磨提出了更高的要求。

钛合金的变形系数小于或接近于1，切削变形系数小，切屑在前刀面上滑动摩擦的路程大大增大，加速了刀具的磨损。合金棒料带螺旋内冷却孔给加工带来了更大的难点，在进行加工前需要数控模拟刀具的走刀形式，测量模拟后刀具形状的尺寸，并且要计算出砂轮的入刀点。

4 复合刀具的加工

编制正确、科学的加工工艺，可以降低成本，提高生产效率。为了节约钛合金的加工时间，提高刀具的加工效率，研制钻铰复合一体的硬质合金刀具，可采用粗精加工一次完成。复合刀具在加工钛合金时，一边进行切削加工一边进行已加工孔表面的光度修磨工作，起到了钻头、铰刀多步骤协作加工的作用。

4.1 砂轮参数的选择的依据

加工硬质合金棒料，选用1A1、4F1、11V9金刚石砂轮来加工复合刀具，其线速度为25 m/s。选取此种速度加工出来的刀具，其表面光洁度好，砂轮的磨损程度最小。

考虑到施力博格机床的性能及硬质合金的加工特点，被加工材料的转速选定为300 rpm，砂轮的切削深度0.5 mm，通过线速度公式并且参考机床的加工能力，参考实际情况最后选定砂轮的线速度为25 m/s。

4.2 砂轮入刀点的确定

选择一个合理的砂轮入刀点，有效地避让开合金棒的内冷却孔，使得刀具的走刀形式在符合自身螺旋沟槽的条件下，又符合合金棒的螺旋曲线。

在选择入刀点时，要考虑到砂轮的摆角范围，夹持工件A轴的旋转角度，当砂轮的偏摆角度一旦定下来后，砂轮就只能沿着自身轴线作圆周运动，要再次调整砂轮切削的入刀点只能依靠转动A轴旋转角度来实现。

4.3 复合刀具的加工方法

4.3.1 金刚石砂轮的型号选择

复合刀具螺旋沟槽槽底R为1.3 mm，不能一次加工完全，故选择1A1和4F1(R0.75)两种砂轮协作加工。槽底R1.3需要4F1两次磨制完成加工。1A1具有P面和F面，刃部开槽需要选择F面进行粗开槽，再由4F1修磨出螺旋沟槽的底部R。切削角需要修磨两侧选择11V9。

4.3.2 砂轮参数的选择

（1）砂轮的摆角只有与复合刀具的螺旋角一致才可以加工出图纸要求的螺旋沟槽。

（2）砂轮直径：准50 mm。

（3）线速度：25 m/s。

（4）砂轮摆角（与刀具螺旋角一致）为35°。

4.3.3 探测砂轮

在加工刀具时先选择砂轮的型号、砂轮直径，测砂轮与中心距离，采用探测棒探测砂轮加工面与回转轴距离，当砂轮贴合标准探测棒时，机床控制面板上自动显示距离数值，记录机床坐标的A0点，此点做为以后加工的加工原点。

4.3.4 刀具参数的设置

根据图纸选择数控磨床控制面板上的刀具参数，在刀具加工的主界面内输入：齿数2，钻尖角140°，前角0°，后角输入14.5°，刃长选项输入25mm，槽深输入1.3 mm，钻铰复合刀具的实心直径输入为准0.96 mm，在开槽界面内输入不等螺旋槽角度183.5°与176.3°。

4.3.5 加工步骤与方法

由于刀具的刃部直径比较小，加工时易出现问题，从工艺安排及被加工材料性能入手，提出了刀具加工的方法。

（1）磨刃部直径

刀具的直径为准5.9因此选择毛料直径为准6的合金棒材；刃部直径是准4，选用1A1磨外圆，A轴300 mm/min。

（2）开槽

选用1A1 T=10型号砂轮的开槽面面加工刀具的端面；选用4F1 R=0.75型号砂轮修磨刀具螺旋沟槽槽底R。由于刀具具有不等分螺旋槽，在选择开槽角度及砂轮每次的入刀点选择都需要特别注意。

（3）磨刃背刃带

选择1A1 T=10型号砂轮的修磨面修磨刀具的刃背。刀具在钻头的刃背f=0.3上又接连一个支撑刃带f=0.8，只起到支撑的作用不参与切削，磨削时要注意区分。

（4）磨切削角

选择1A1 T=10型号砂轮的开槽面加工切削角，磨削刀具顶角2ψ时，一定过刀具的中心，保持两侧切削刃长度均等，刀具在切削钛合金时，两侧切削刃同时受力，在加工孔时稳定不易发生钻偏现象，保证加工出孔的同轴度与圆度。

（5）磨横刃

修磨刀具的横刃选择11V9 70°型号碗型砂轮磨刀具横刃。横刃对刀具的影响比较大，直接影响到刀具的定心性及导向性，用数控磨可以很好地控制横刃的过刀具中心对称及横刃长度的对称。

（6）切削数字模拟

在所有的刀具几何参数、砂轮型号及切削参数都设置好后，还需要进行刀具的切削模拟，等模拟显示成品刀具的三维形状后，可以观测模拟三维图形的完整与否再修改各个参数的设置。如果有修改，再进行模拟，直到完全符合要求为止。

（7）模拟通过加工

模拟成功后就可以进行加工了，送生产处试验检测，再次对所选择格刀具参数进行优化，弥补机器自动选择带来的偏差。检测完全合格后就可以进行大批量的生产了。同时，在刀具加工时保证冷却油的充分供给。

5 结束语

此刀具的优点在于加工效率高，采用内冷却形式，排屑效果好，加工孔的精度高能到到H7以上，采用整体硬质合金材料大大提高了刀具孔的数量及质量；节约加工成本，提高了钛合金材料的可加工性能及加工质量，发挥了专用于加工钛合金材料刀具的优越性。采用数控磨床加工很好的控制了产品的一致性及可换性。

[1]航空工艺装备设计手册编写组.航空工艺装备设计手册-量具设计[M].北京：国防工业出版社，1979.

[2]航空工艺装备设计手册编写组.航空工艺装备设计手册-刀具设计[M].北京：国防工业出版社，1979.

[3]袁哲俊，等.金属切削刀具[M].上海：上海科学技术出版社，1992.