自润滑圆弧截面麻花钻及其加工方法

□ 贾建军 □ 李艳豪

西安工业大学 机电工程学院 西安 710032

目前，麻花钻的结构尺寸与切削参数不能随加工材料的改变而变化，所以刀具容屑槽结构不合理时，卷屑与断屑就会受到影响，尤其对于塑性金属的加工，不但会对加工表面质量造成影响，刀具切削性能降低，而且还会对加工设备和操作人员造成伤害［1-2］。

笔者通过改变切削刀具的结构尺寸并添加自润滑复合材料［3］，使刀具在干切削的情况下进行自润滑，控制切屑的卷曲半径进行卷屑，使润滑槽能够分屑和断屑，并根据不同加工材料，改变切削刀具钻芯强度和容屑空间，这些措施将会大大提高刀具的切削性能及加工质量［4-5］。

在干切削状况下，摩擦与切削热会造成刀具的快速磨损，甚至折断刀具，为改善切削条件，大多数情况采用冷却液，但采用冷却液增加了成本，而且会造成环境污染。采用合理的润滑槽技术可以有效减小切削加工过程中的摩擦，达到分屑和断屑的目的。另外，切削中具有的自润滑功能对提高切削效率、减小刀具磨损、改善加工表面质量具有十分重要的实际意义［7］。

1 扩孔钻标准容屑槽形

麻花钻标准截形如图1所示，其结构参数由直径d、钻芯厚度 k、横刃斜角 40～60°、刃瓣宽 B、刃带宽 f、副刀刃后刀面间隙直径q、螺旋角β等组成。此标准麻花钻槽型不能针对不同的材料而进行结构的改变［8-9］。加工硬度高的铸铁材料时，前角大会造成崩刃，钻芯小会使刀具强度不够造成折断；加工硬度低的塑性金属时，前角和容屑空间小还会导致黏刀和堵屑等现象，并影响表面质量，造成切削性能不理想［10］。

2 麻花钻结构的改进

笔者设计的自润滑圆弧截面钻结构尺寸包括公称外径D、钻芯直径D1、刃带宽f、切削圆弧半径r1、卷屑圆弧半径r2、齿背圆弧半径r3、切削圆弧上的润滑槽U。

▲图1 标准麻花钻结构参数

切削圆弧的大小控制切削刃的直线度和前角，其取值根据被加工材料的硬度不同进行选取，切削圆弧根据被加工孔的大小开有一个以上的润滑槽，不但用于干切削时添加润滑材料，而且还能起到分屑与断屑作用。切削圆弧与卷屑圆弧光滑相切，卷屑圆弧与齿背圆弧光滑相切；卷屑圆弧和齿背圆弧与钻芯直径相切，润滑槽与齿背一次成形，既简便了加工工艺，又增大了容屑空间。两条容屑槽需要采用凸缘交错的两把铣刀加工，每把铣刀有一个以上的凸缘，两把槽铣刀上的凸缘位置交错设计；铣削时，将切削圆弧的两个起点与钻芯直径圆弧圆心构成的直线调整在水平位置，槽铣刀的中点与钻芯直径圆弧圆心构成的直线调整到垂直位置［11］。

如图2所示，根据公称外径以及被加工材料的硬度大小，选取切削圆弧半径，硬度高的取大值，硬度小的取小值；其取值范围为：

D≤r1＜∞

钻芯直径取值范围为：

0.3 D≤D1≤0.6D

切削圆弧的圆心坐标（x1，y1）为：

卷屑圆弧的半径为：

卷屑圆弧的圆心坐标（x2，y2）为：

卷屑圆弧与齿背圆弧的切点坐标（x4，y4）为：

齿背圆弧与自润滑圆弧截面麻花钻公称外径的交点（x5，y5）为：

联立下列方程可解出圆心坐标（x3，y3）和齿背圆弧半径：

钻芯直径的大小可以依据不同的加工材料进行调整，切削圆弧、卷屑圆弧、齿背圆弧的两两相切，以及切削刃部分增加的润滑槽，不但减小了切削摩擦力、改善散热条件，而且提高了刀具耐用度及分屑、断屑和容屑的需要。

图3为自润滑圆弧截面钻槽铣刀的结构图，槽铣刀外径为Φ，齿槽角为ψ，全齿高为H，齿数为Z，槽底圆弧为R，内孔直径为d1，键槽宽为a，键槽高为t。槽铣刀宽度B依据螺旋槽尺寸确定，铣刀刃形根据容屑槽螺旋角β、槽铣刀外径以及螺旋槽结构尺寸确定。

加工容屑槽时，将切削圆弧的两个起点与钻芯直径圆弧圆心构成的直线调整到水平位置，槽铣刀的中点与钻芯直径圆弧圆心构成的直线调整到垂直位置。如图4所示，其中，槽铣刀中心与圆弧截面钻中心的距离是拟合槽铣刀刃形的重要参数，由于有根切现象，槽铣刀刃形与螺旋槽形不一致，导致设计槽铣刀刃形非常困难。如果要精确加工出自润滑圆弧截面钻容屑槽形，必须根据槽铣刀刃形与容屑槽法向截面相切接触的条件，即它们的公法线矢量与相对运动速度矢量垂直，根据此特性可得槽铣刀与容屑槽的接触条件方程，以此可拟合出槽铣刀刃形坐标点，槽铣刀刃形的拟合必须依据坐标变换的结构尺寸进行。

在干切削以及深孔加工时，刀具的堵屑、摩擦严重，为了改善切削条件，在切削刃上开出润滑槽，以便能够进行分屑、断屑和排屑，减少干切削情况下的摩擦，提高刀具的切削性能。自润滑圆弧截面钻润滑槽数根据被加工孔径大小决定，两容屑槽中切削圆弧上的润滑槽必须交错排列，所以，两个容屑槽需要两把槽铣刀分别加工。

3 应用实例

▲图2 自润滑圆弧截面钻法面剖视图

▲图3 自润滑圆弧截面钻容屑槽铣刀

▲图4 自润滑圆弧截面钻加工示意图

▲图5 D=25 mm的自润滑圆弧截面钻法剖面尺寸

▲图6 槽铣刀刃形坐标点

▲图7 拟合出的槽铣刀刃形

▲图8 加工3条润滑槽的带凸缘槽铣刀刃形示意图

▲图9 加工2条润滑槽的带凸缘槽铣刀刃形示意图

设自润滑圆弧截面钻的公称外径D=25 mm，容屑槽螺旋角β=38°，钻芯直径D1取0.5D，刃带宽f=2.5 mm，加工材料为45号钢。根据自润滑圆弧截面钻结构尺寸，计算3段相切圆弧的圆心坐标点和半径（另外3段相切圆弧与钻芯直径对称）。

r1=D=25 mm

切削圆弧的圆心坐标（x1，y1）为：

卷屑圆弧半径为：

将r1、r2和D的数值代入式（3），求得卷屑圆弧的圆心坐标（x2，y2）为：

同理，求得卷屑圆弧与齿背圆弧的切点坐标（x4，y4）为：

同理，求得齿背圆弧的圆心坐标（x3，y3）为：

同理，求得齿背圆弧与自润滑圆弧截面钻公称外径的交点（x5，y5）为：

联立下列方程可解出圆心坐标（x3，y3）和齿背圆弧半径：

得：r3=10 mm

图5为公称外径D=25 mm的自润滑圆弧截面钻法剖面刃形尺寸。

若槽铣刀外径为100 mm，刀具轴线与铣刀轴线的距离A=50 mm，导程T=πD/tanβ，根据螺旋面接触方程计算的槽铣刀刃形坐标点见表1。

利用计算机绘制出的槽铣刀刃形坐标点如图6所示。应用数值拟合方法对槽铣刀刃形坐标点进行拟合，如图7所示，此即为加工D=25 mm的圆弧截面钻的槽铣刀刃形；在第一把槽铣刀切削圆弧上做出3个R=0.2 mm的凸缘，示意图如图8所示，在第二把槽铣刀切削圆弧上做出2个R=0.2 mm的凸缘，示意图如图9所示，凸缘位置必须交错设计。

4 结论

（1）此麻花钻的容屑槽空间大；容屑槽、齿背与润滑槽可一次加工成形，可根据不同被加工材料进行钻芯直径、刃带、切削圆弧的选取。

（2）切削圆弧、卷屑圆弧、齿背圆弧两两相切便于卷屑、排屑及减少加工应力。

（3）比普通麻花钻强度高，排屑量大，切屑易分屑与断屑；适用于干切削和长径比大的深孔加工。

表1 D=25 mm的自润滑圆弧截面钻槽铣刀刃形坐标点/mm

（4）切削刃处开有一个以上的润滑槽，可用于添加润滑材料，切削时，在无冷却液的情况下可减少摩擦及切削热，提高了生产效率、减少了环境污染。

（5）应用多项式拟合出的槽铣刀刃形精度高，方便快捷。

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［11］贾建军,王洪喜,陈晓东.一种自润滑麻花钻及其加工方法［P］.中国专利：CN1029220110A,2013-02-13.