精密圓周平底盲孔刀具改進

鑽平底盲孔對機械加工來說是比較困難的，尤其是孔底平面度要求高的場合。在實際加工過程中，受切削刃平直與頂角的限制，易造成盲孔底部平面度超差。本文通過設計、數值優化，製造盲孔刀具加工參數，設計出適用的刀具，滿足精密平底盲孔的加工要求。

1.問題的提出

　　如圖1所示，管材外圓鑽孔要求的盲孔孔徑、深度及尺寸精度一般，平面度要求0.08mm，原材料為合金調質鋼管32CrMo4（σb≥1000MPa，硬度為260～300HBW），L=1.2～5.3m，每米鑽孔數量16～20個，年需求量為50000m左右（鑽孔量80萬～100萬個）。

2.工藝條件分析

　　現有數控四工位專用鑽機，控制系統為FANUC Oimate－MD，四台水平放置的伺服鑽削動力頭可同時對向鑽孔，主軸安裝刀孔BT50，剛性充足。管材通過滾道傳輸到鑽削腔內，V形對中鉗口夾緊，鑽削頭動作鑽孔。

3.改進前的工藝方案

　　（1）第一套方案。鑽孔刀具使用32麻花鑽，在鑽機上鑽削。購置的標準麻花鑽由於尺寸較長，頂角175º在鑽盲孔時出現振動、折斷、振紋及壽命不高等弊端，為此將麻花鑽截去切削部長度的2/3，發現振動減小明顯，但鑽頭使用壽命急劇減短，平均鑽孔40個，便需重新刃磨，頂角175º不滿足平面度要求。頂角修磨為平角時，鑽頭定心功能極差，無法鑽削，故而放棄。

　　（2）第二套方案。使用整體硬質合金32直柄鍵槽銑刀，該銑刀由於切削刃過中心，可以滿足心部不出現凸台，鑽孔后的平面度0.10mm接近要求，但存在銑削工件時剛接觸刀具就出現晃動，原因是橫切削刃與管外壁接觸面較長且周期變化（管外壁是圓弧），缺少定心，造成鑽削時損壞切削刃與刃尖，使用壽命大大降低，故而放棄。

4.刀具設計分析

　　設計精密盲孔平底刀具應滿足以下幾點要求：

　　（1）刀具的壽命要高，單支刀具的鑽孔量不低於50000個孔。考慮刀具製造成本與壽命，刀片與刀體分體結構經濟性好，刀片磨損后可以轉位與更換，簡單方便（見圖2、圖3）。

　　（2）根據公式計算，雙刃刀片在鑽削時的軸向力F=4770N，轉矩T=40.161N•m，鑽削動力頭轉速（變頻調速）n=1 000r/min，功率5.5kW，由此可以導出

P=Tn/9 550=40.161×1 000/9 550=4.2kW＜5.5kW（滿足）

式中，P表示鑽削條件下的功率消耗（kW）；T表示轉矩（N•m）；n表示轉速（r/min）。

　　（3）刀具的受力分析。刀柄受力分佈情況如圖4所示，機夾刀桿鑽盲孔主要承受軸向力，心部切削速度為零，呈擠壓狀態，為此應對心部刃進行強化處理。利用刀尖圓弧過渡處理，心部切削刃跨越中心0.5mm，並改善切削條件。

　　刀具應力、位移變形分析如圖5所示。從表1、表2可以得知：應力最大值為1.45498×108MPa，遠遠小於刀具製作使用的合金調質鋼42CrMo的抗拉強度（σb≥1.100×109MPa）。材料行為為線性，與Hooke定律相符。誘導位移很小，載荷可忽略剛性變化。位移最大變形量0.0402mm對產品ϕ 32+0.50 0mm的影響甚微，可以忽略不計。

　　（４）產品的盲孔底部平面度要求。平底錯刃刀具鑽削時，對刀具的受力是有益的，刀具外緣處的切削刃負責孔壁成形，心部刀具切削條件較差，中心圓弧過渡刃刀片負責清根。心部切削刃高出外緣切削刃0.03mm，鑽圓弧孔壁時起到定心作用（見圖6），一方面因直徑小、線速度較低，對切削刃的衝擊較小，剛與工件接觸時面積較小，不產生振動；另一方面心部刃切入后，適時定心因外部刃切入而產生的偏斜。

　　（５）刀片的形狀及其選擇。經過多次選型試用，對鑽孔數量、孔徑、刀具磨損、刀尖半徑及表面粗糙度進行驗證（見表3、圖7）。最終選用住友WDXT094008刀片。

　　（６）合理地選擇鑽削用量。選擇鑽削用量時，應合理地組合切削速度和進給量值，如圖8所示，在一定條件下存在一個不產生破損的安全工作區域，在安全區域內能保證合金平底盲鑽正常工作，由圖8可知，若選擇較低的切削速度和較小的進給量，易產生低速性破損。而選擇高的鑽削速度和大的進給量時，會產生高速性破損。最佳的切削用量是：進給量0.15mm/r，鑽速800r/min，實際切削速度80.4m/min。

5.使用效果

　　（1）製造的刀具如圖9所示。

　　（2）平底盲孔工作效果如圖10所示。

6.結語

　　目前，精密圓周平底盲孔刀具已經在生產線上順利鑽孔220萬個，用戶對平底盲孔質量非常滿意。通過對底部刃的平直化設計，可以獲得近似平面的底部形狀，一次加工滿足高精度平面度的要求。通過探索新型成形刀具的設計、製造及使用等相關參數，提高生產效率和產品質量，降低加工成本等，新技術工裝因素顯現出獨特的優勢。

　　參考文獻：

[1] 陸劍中，孫家寧. 金屬切削原理與刀具[M]. 北京：機械工業出版社，1990.

（本文發表在《金屬加工（冷加工）》雜誌2016年第９期，作者單位：山東北方民爆器材有限公司）