可转位浅孔钻螺旋内冷孔的加工工艺

2022-10-12孟漪姚佳维

工具技术 2022年7期

孟漪，姚佳维

上海工具厂有限公司

1 引言

随着对产品精度以及加工效率要求的提高，传统孔加工刀具高速钢麻花钻的市场逐步萎缩，高速高效孔加工刀具将取代传统刀具。可转位浅孔钻(以下简称“浅孔钻”)采用硬质合金刀片切削，可加工较高硬度材料，刀片装拆方便，排屑和冷却润滑性能大大优于传统麻花钻，适宜在加工中心上高速切削[1-3]。

目前，市场上能生产带螺旋槽内冷孔的浅孔钻厂家不多，一些生产厂家采用预制带螺旋内冷孔的棒料来形成螺旋内冷孔，此方法适用于一定批量的标准产品生产，不适用于小批量的非标定制产品。本文通过研究螺旋槽内冷孔的加工工艺，采用高频加热扭制成型的方法加工带螺旋槽的浅孔钻内冷孔，主要用于小批量非标定制的浅孔钻生产。

2 浅孔钻螺旋槽内冷孔方案设计

浅孔钻钻削过程中的金属切除率较大，在设计时通常会在刀杆底部的回转中心开两个冷却液内冷孔，用于满足向切削加工区域输送冷却液的需求。在钻头高速切削时，油或切削液流过，起到冷却刀具、冲走切屑和降低刀具切削温度的作用[4-6]。所设计的螺旋槽内冷孔浅孔钻结构见图1，主要由刀杆、刀片与螺钉三部分组成，刀杆上的两个内冷孔为螺旋型式。

图1 可转位浅孔钻结构

螺旋内冷的主要优点是出水均匀，其内冷孔的螺旋角贴合刀杆的螺旋角，能保证刀杆强度[7，8]，尤其在长径比较大的刀杆上，这种内冷孔结构不容易破坏刀杆，可以确保浅孔钻在加工时的出水压力与出水效果。

如图2所示，由于螺旋槽浅孔钻的容屑槽采用非对称结构，因此两内冷孔的设计位置不对称。同时，应根据刀杆直径规格选取合适的内冷孔直径，如果内冷孔直径太小，在扭制成型加工过程中容易引起内冷孔变形，导致孔径变小或堵塞内冷孔，造成出水不畅；如果内冷孔直径太大，又会导致后续铣槽加工破坏刀杆，造成切削时刀杆表面漏冷却液，使刀杆顶端出水压力不够，影响刀片冷却。因此，必须根据刀杆容屑槽的截形来确定内冷孔的加工位置与加工大小，(见图2)。

图2 可转位浅孔钻内冷孔位置

3 浅孔钻螺旋槽内冷孔加工工艺

受公司高速钢扭制麻花钻加工工艺的启发，以扭制工艺进行螺旋槽内冷孔加工。通过扭制方法，形成带螺旋内冷孔的浅孔钻刀杆，其加工工艺流程为：切断胚料—车加工—铣槽—打内冷孔—扭转成螺旋体—校直—车胚及割工艺头—热处理—铣槽及精加工—表面处理。

在整个浅孔钻刀杆加工工艺中，扭制工艺是加工难点，本文主要针对扭制加工工艺进行研究，其主要加工过程为：将已打好两个内冷孔(直孔)的毛坯通过高频感应加热装置加热，瞬间达到特定温度后将毛坯送入保温炉保温，保温一定时间后将毛坯装入扭槽机，经过机床上预先装好的上下扭轮进行扭制，使刀杆在变形的同时产生旋转，最终形成带有一定螺旋角的内冷孔。

在加工过程中需注意以下几点：

(1)加热温度的控制

可转位浅孔钻刀杆材料一般采用40Cr或9SiCr之类的高强度合金钢，刀具热处理硬度一般不低于45HRC。由于浅孔钻的钻削速度较高，在钻削时形成的扭矩与切削力比普通整体麻花钻高许多，若刀杆抗弯强度不好，则容易引起刀杆变形甚至折断。公司在制造浅孔钻刀杆时采用40Cr材料，通常高速钢麻花钻在扭制时加热温度控制在1100℃左右，由于合金钢和高速钢材料热学性能的差异性，通过多次试验后，40Cr材料刀具的扭制温度建议控制在700℃±25℃。

(2)扭轮与工艺槽的配合

在浅孔钻刀杆扭制前，需在已经车削好的刀杆上用球头铣刀铣两条槽(见图3)，预先在机床的上下180°方向装好两个扭轮，在刀杆扭制时，上下两个扭轮会卡入预先铣好的两条工艺槽中，通过机床旋转带动刀杆扭制(见图4)。

图3 刀杆粗坯

图4 浅孔钻刀杆与扭轮的安装配合

工艺槽的铣削深度需考虑与上下扭轮的配合，由于刀杆要预先加热再扭制，加热后刀杆会产生热膨胀，如果工艺槽铣得太浅，容易导致扭制时扭轮与刀杆卡死，这样会引起刀杆螺旋角变化，甚至引起刀杆整体弯曲变形，导致内冷孔被压坏或受压变形，使螺旋内冷孔堵塞，从而影响刀杆成品的出水压力，甚至不会出水；如果两条工艺槽铣得太深，会影响后续的精加工。

螺旋槽可转位浅孔钻具有特殊结构，其两条容屑槽部分采用螺旋型式，但刀片槽附近的沟槽均采用直槽形式(见图1)，两条工艺槽的铣制工艺主要用于扭制螺旋内冷孔。扭制后，内冷孔变成需要的螺旋型式，而两条直槽也变形成螺旋型式，考虑到后续热处理后对刀杆成品的精加工，工艺槽铣制太深会导致前端刀片槽的直槽部分精加工铣削余量不够，无法把已扭制成螺旋型式的刀片槽通过铣削加工成直槽型式，从而破坏刀杆的成品质量。因此，工艺槽铣削深度的合理选择是保证螺旋内冷孔扭制成功的关键，工艺槽的深度直接影响刀杆的扭制与成品精加工的质量。

4 螺旋槽内冷浅孔钻试验

采用规格为φ25的刀杆进行切削试验，内冷孔为螺旋型，内冷孔直径为2.5mm，刀片型号SPMT07T308。机床选用主轴带内冷的DMG加工中心，具体试验方案见表1。

表1 试验方案

4.1 方案一分析

方案一：主轴转速为1600r/min，每转进给量为0.14mm/z。切削过程中机床较为平稳，刀杆出水顺畅，且有轻微尖叫声，出屑情况良好，无铁屑缠绕在刀杆上，且铁屑为碎屑状。被加工孔表面粗糙度良好，且被加工孔的底部中心无明显凸出的杆状物。连续切削5个孔后进行测量，被加工孔的孔径控制在24.99～25.02mm之间。加工铁屑与被加工孔见图5和图6。

图5 被加工铁屑

图6 被加工件

4.2 方案二分析

方案二：主轴转速为2000r/min，每转进给量为0.12mm/z。切削过程中机床较为平稳，切削时有轻微尖叫声，出屑情况良好，无铁屑缠绕在刀杆上，且铁屑为碎屑状。被加工孔表面粗糙度良好且底部中心无明显凸出的杆状物，连续切削5个孔后进行测量，被加工孔的孔径控制在24.99～25.02mm之间。加工铁屑与被加工孔见图7和图8。