7.4 套筒类零件加工的刀具

    7.4.1钻削用刀具

    (齿轮, 齿轮箱, 汽车齿轮, gears, gearboxes 1)麻花钻

    钻削在孔加工中占有相当大的比重。麻花钻是钻孔的主要刀具。它可在实心材料上钻孔,也可用来扩孔。尤其是加工 630mm 以下的孔,麻花钻是主要的加工刀具。

    齿轮, 齿轮箱, 汽车齿轮, gears, gearboxes 1) 麻花钻的结构 标准高速钢麻花钻由工作部分、颈部及柄部 3 部分组成,如 图 7.5a 所示。工作部分又分为切削部分和导向部分,分别担负切削和引导的工作。为增加钻头的刚度和强度,工作部分的钻芯直径朝柄部方向递增。刀柄是钻头的夹持部分,有直柄和锥柄两种。前者用于小直径钻头,后者用于大直径钻头。颈部用于磨锥柄时砂轮的退刀。麻花钻钻头切削部分可看成是由两把镗刀组成的。它有两个前刀面、两个后刀面、两个副后刀面、两个主切削刃、两个副切削刃和一个横刃,如图 7.5b 所示。

    2) 麻花钻的几何角度 主要几何角度如 图 7.6 所示。

    ① 螺旋角 麻花钻螺旋槽上最外缘的螺旋线展开成直线后与麻花钻轴线之间的夹角。

    麻花钻不同直径处的螺旋角不同,外径处螺旋角最大,越近中心螺旋角越小。螺旋角不仅影响排屑,而且影响切削刃强度,标准麻花钻的螺旋角 =18 o ~30 o ,大直径取大值。螺旋角 的方向一般为右旋。

    ②顶角(锋角) 2 ф 麻花钻两主切削刃在与它们平行的面上的投影的夹角称为顶角。顶角越小,主切削刃越长,单位切削刃上负荷越小,轴向力小,定心作用较好,刀尖角 ε r 增加,有利于散热和提高刀具耐用度;顶角越小,麻花钻强度减小,变形增大,扭矩增大,容易折断麻花钻,因此,应根据工件材料的强度和硬度来刃磨合理的顶角。加工钢和铸铁的标准麻花钻取 2ф=118 o 。

    ③主偏角 κ rm 主切削刃选定点m的切线在基面上的投影与进给方向的夹角称为主偏角。麻花钻的基面是过主切削刃选定点包含麻花钻轴线的平面。由于麻花钻主切削刃不通过轴线,主切削刃上各点基面不同,各点主偏角也不相同。当顶角磨出后,各点主偏角也就确定了。

    ④前角 γ om 它是 主剖面 O-O 内前刀面和基面间的夹角。麻花钻主切削刃上各点前角是变化的,麻花钻外圆处,前角最大,约为 30 o ,接近麻花钻中心,靠近横刃处约为 -30 o 。

    ⑤ 后角 α fm 麻花钻主切削刃上选定点的后角,是通过该点柱剖面中的进给后角 α fm 来表示的。柱剖面是通过主切削刃上选定点 m,作与麻花钻轴线平行的直线,该直线绕麻花钻轴线旋转所形成的圆柱面。α fm 沿主切削刃也是变化的。名义后角是指麻花钻外圆处后角 α,通常取 8 o ~ 10 o ,横刃处后角取 20 o ~ 25 o 。

    ⑥横刃角度 横刃角度Ψ是在端面投影中和主切削刃间的夹角。当麻花钻后刀面磨成后,Ψ自然形成。一般Ψ=50 o ~ 55 o 。

    横刃前角 γ Ψ 是在横刃剖面中前刀面与基面间夹角,标准顶角时,γ Ψ =-(54 o ~ 60 o )。

    横刃后角α Ψ 是在横刃剖面中后刀面与切削平面间夹角, α Ψ ≈ 90 o -∣R Ψ ︱。

    3) 麻花钻的修磨 由于麻花钻的结构所限,使它存在着许多缺点。如前角变化太大,外缘处为 +30 o ,靠近钻芯处为 - 30 o ,横刃前角在 - 55 o 左右,副后角为零,加剧了钻头和孔壁的摩擦;主切削刃太长,切屑太宽,排屑困难;横刃太长,定心困难,轴向力大等。为改善其切削性能,需对麻花钻进行修磨。主要修磨方法有:

    ① 修磨横刃 麻花钻上横刃的切削情况最差。为了改善钻削条件,修磨横刃极为重要。常用的横刃修磨方法有:横刃磨短法、前角修磨法和综合修磨法。由于麻花钻横刃是影响钻削条件的主要因素,横刃太长,增大钻削轴向力,故减小其参与切削的工作长度,可以显著地降低钻削时的轴向力,尤其对大直径钻头和加大钻芯直径大钻头更为有效。由于这种修磨方法简便,效果较好,所以直径在 12mm 以上的钻头都采用这种横刃磨短法。由于麻花钻的特殊结构,将钻芯处的前刀面磨去一些后,其横刃前角可以增加一些,从而可使切削条件改善一些。横刃磨短法和前角修磨法同时使用称为综合修磨法。

    ② 修磨双重顶角 钻头外圆处的切削速度最大,而该处又是主、副切削刃的交点,刀尖角较小,散热差,容易磨损。为了提高钻头的耐用度,将该转角处修磨出 2 Ф =70o ~ 75 o 双重顶角 ( 图 7.9) 。经修磨后的钻头,在接近钻头外圆处的切削厚度减小,切削刃长度增加,单位切削刃长度的负荷减轻;顶角减小,轴向力下降;刀尖角加大,散热条件改善,因而可提高钻头的耐用度和加工表面质量。但钻削很软的材料时,为避免切屑太薄和扭矩增大,一般不宜采用这种方法。

    ③ 修磨前刀面 修磨前刀面的目的主要是改变前角的大小和前刀面的形式,以适应加工材料的要求。在加工脆性材料 ( 如青铜、黄铜、铸铁,夹布胶木等 ) 时,由于这些材料的抗拉强度较低,呈崩碎切屑,为了增加切削刃强度,避免崩刃现象,可将靠近外圆处的前刀面磨平一些以减小前角。

    ④ 开分屑槽 当钻削韧性材料或尺寸较大时,切屑宽而长,排屑困难,为便于排屑和减轻钻头负荷,可在两个主切削刃的后刀面上交错磨出分屑槽 ( 图 7.8) ,将宽的切屑分割成窄的切屑。

图 7.8 磨出分屑槽

    ⑤ 修磨刃带 因钻头的侧后角为零度,在钻削孔径超过 12mm 无硬皮的韧性材料时,可在刃带上磨出 6 o ~ 8 o 的副后角,如图 7.9 所示。钻头经修磨刃带后,可减少磨损和提高耐用度。从上面的修磨方法可以看出,改善麻花钻的结构,既可以根据具体工作条件对麻花钻进的修磨,也可以在设计和制造钻头时即考虑如何改进钻头的切削部分形状,以提高其切削性能,群钻就是在长期的钻孔实践中,经过不断总结经验综合运用了麻花钻的各种修磨方法而制成的 1 种效果较好的钻头,其形式可根据工件材料和工艺要求的不同而变化。

    (2)深孔钻

    深孔钻的按其结构特点可分为外排屑深孔钻、内排屑深孔钻、喷吸钻和套料钻。

图 7.9 修磨刃带

    外排屑深孔钻以单面刃的应用较多。单面刃外排屑深孔钻最早用于加工枪管,故又名枪钻。枪钻的结构较简单如图 7.10 ,它由切削部分和钻杆部分所组成。工作时,高压切削液 ( 约为 3.5 ~ 10MPa) 由钻杆后端的中心孔注入,经月牙形孔和切削部分的进油小孔到达切削区,然后迫使切屑随同切削液由 120 o 的 V 形槽和工件孔壁间的空间排出。因切屑是在深孔钻的外部排出,故称外排屑。这种排屑方法无需专门辅具,排屑空间亦较大。但钻头刚性和加工质量会受到一定的影响,因此适合于加工孔径 2 ~ 20mm 、表面粗糙度 Ra3.2 ~ 0.8 ,公差 IT8 ~ ITl0 级,长径比大于 100 的深孔。

图 7.10 外排屑深孔钻工作原理

    2) 内排屑深孔钻 内排屑深孔钻一般由钻头和钻杆用螺纹连接组成。工作时,高压切削液 ( 约 2 ~ 6MPa) 由钻杆外圆和工件孔壁间的空隙注入,切屑随同切削液由钻杆的中心孔排出,故名内排屑。工作原理如 图 7.11b 所示。内排屑深孔钻一般用于加工们 5~120mm 、长径比小于 100 、表面粗糙度 ,公差 IT6~IT9 级的深孔。由于钻杆为圆形,刚性较好,且切屑不与工件孔壁摩擦,故生产率和加工质量均较外排屑的有所提高。

    内排屑深孔钻中以错齿的结构较为典型。 图 7.11a 是硬质合金可转位式错齿内排屑深孔钻的结构简图,它目前已较好地用于加工孔径 60mm 以上的深孔。这种深孔钻的刀齿分布特点是:它共有 3 个刀齿,排列在不同的圆周上,因而没有横刃,降低了轴向力。不平衡的圆周力和径向力有圆周上的导向块承受。由于刀齿交错排列,可是切屑分段,排屑方便。不同位置的刀齿可根据切削条件的不同,选用不同牌号的硬质合金,以适应对刀片强度和耐磨性等的要求:外刀齿可选用耐磨性较好的 YW2 或 YT15, 而中心齿可选用韧性较好的 YG8 。切削刃的切削角度可以通过刀齿在刀体上的适当安装而获得。外圆上的导向块可用耐磨性较好的 YW2 制造。为了提高钻杆的强度和刚度,以及尽可能增大钻杆的内孔直径以便于排屑,钻杆和钻头的连接一般采用细牙矩形螺纹。钻杆材料选用强度较好的合金钢管或结构钢管,经热处理制造而成。

    (3) 扩孔钻

    扩孔钻的形式如 图 7.12 。扩孔钻的结构与麻花钻相比有以下特点: ① 刚性较好。由于扩孔的切深小,切屑少,扩孔钻的容屑槽浅而窄,钻芯比较粗壮,增加了工作部分的刚性。 ② 导向性较好.扩孔钻有 3~4 个刀齿,刀齿周边的棱边数增多,导向作用相应增强。 ③ 切削条件较好。扩孔钻无横刃,只有切削刃的外缘部分参加切削,切削轻快,可用较大的进给量,生产率较高;又因切屑少,排屑顺利,不不易刮伤已加工表面。

    因此,扩孔与钻孔相比,精度较高,表面粗糙度较低。且可在一定程度上校正钻孔的轴线偏斜,适用于扩孔的机床与钻孔相同。

    (4)铰刀

    铰刀是一精度较高的多刃刀具,有 6 ~ 12 条刀齿( 图 7.13 )。其工作部分由引导锥、切部分、校准部分组成。引导锥是铰刀开始进入孔内时的导向部分。切削部分担任主要的切削工作,其切削锥角 2 φ较小,一般为 3 °~ 15 °。因此铰削时定心好、切屑薄。校准部分对孔壁起修光作用,校准部分的棱边 b a1 起定向、修光孔壁和便于测量铰刀直径的作用。工作部分的后半段有倒锥,以减小铰刀与孔壁的摩擦。铰刀的前角一般为零度,粗铰钢料时可取 5 °~ 10 °。常用铰刀( 如图 7.14 )。

    与钻孔、扩孔一样,只要工件与刀具之间有相对的旋转运动和轴向进给运动,就可进行铰削加工。因此,车床、钻床、镗床和铣床都可完成铰孔作业。

    铰削适合于加工钢、铸铁和有色金属材料,但不能加工硬度过高的材料(如淬火钢、冷硬铸铁等)。