克服“跑偏”现象的新型钻头

所有的钻头在加工时都会出现跑偏现象。尽管这种有害现象在高速钢钻头上表现得更为典型但在使用整体硬质合金钻头时同样会因为跑偏而影响孔的圆度、直线度和圆柱度(虽然程度较轻)。

所有的钻头在加工时都会出现跑偏现象。尽管这种有害现象在高速钢钻头上表现得更为典型但在使用整体硬质合金钻头时同样会因为跑偏而影响孔的圆度、直线度和圆柱度(虽然程度较轻)。引起钻头跑偏的同样的力还会缩短刀具寿命尤其是在钻削加工用于制造航空、能源等行业零部件的难加工材料、特殊材料和贵重工件材料(如Inconel合金、Waspaloy高温镍基合金、双相不锈钢等)时清况更为严重。快速磨损加快了刀具的崩刃并使钻头在发生崩刃后再钻削1～2个孔就会突然失效从而造成机床停机延长了关键零件的加工时间。表 在试验条件下钻削双相不锈钢的钻头性能对比性能指标Y-Tech钻头常规整体硬质合金钻头圆度(µm)1352圆柱度(µm)19117直线度(µm)2023平行度(µm)2036倾斜度(µm)433

由于材料、人工和机床的成本很高航空、能源和其他重要行业迫切需要能保证加工安全性、刀具寿命一致性(包括新钻头和修磨过的钻头)和被加工孔质量的钻头。由肯纳金属公司开发的新型Y-Tech钻头就能满足这种需求。该公司重新权衡了整体硬质合金钻头的技术性能，采用了一种独特的钻型设计——角度不对称的切削刃和三条棱带。

设计这种新型钻头的基本理念是，具有两个对称切削刃和两条棱带的常规钻头在钻入工件时会产生一定程度的跑偏。尽管横刃钻尖具有使钻头对中的功能，但仍然难以避免跑偏现象的发生。影响钻头正确对中能力的主要几何形状因素包括横刃斜角、横刃修磨和钻尖角以及对钻头进行精加工时的磨削精度。

由于钻削加工时，钻尖中心的切削速度为零，沿着横刃长度上的切削速度也很低，因此钻尖是将该处的工件材料推挤开直至主切削刃切入工件。虽然对钻尖几何形状的精确调整可以改善钻头对中性，但其代价是会降低横刃强度。与此相反强度高的横刃对中性较差、轴向推力较大但可以承受较高的进给率。

德国达姆斯塔特大学生产管理技术和加工技术研究所(PTW)最近的研究表明，当横刃钻入工件时会形成一个内凹的椭圆，它会使钻头以类似于钟摆运动的方式进行摆动。钻头会钻出一个三角形的孔；随着钻头继续进行由横刃引起的摆动，钻头顶部会形成三角形钻尖。

这种切削运动再加上进给率，与螺旋插补加工稍微有些相似，在整个钻削过程中，钻头的棱带通常会跟随横刃的引导。其结果是钻出来的孔圆度和圆住度都很差而且有时还会明显偏离中心线。

由于每个切削刃的切削力都不相等，因此当它们随钻头摆动时，每个切削刃都处在略微不同的平面上。在钻头磨制加工中产生的几何形状偏差(如切削刃钝化程度不相等和对称性误差)也会引起非对称的切削力。

拉伸强度很高的工件材料会使上述问题变得更加严重。然而，航空、能源、食品加工和医疗行业却非常需要用这些材料制造的零部件。在切削加工此类材料时，机床操作者必须降低进给率，从而延长了在钻头主切削刃切入工件之前横刃将工件材料推挤开的时间。这就进一步加剧了横刃的磨损，而横刃的这种剧烈磨损又进一步削弱了钻头在后续加工中的对中能力，从而会不断加大钻头的摆动。

在加工具有高拉伸强度的工件材料时，冷作硬化和材料弹性会增大切削力，从而增大钻头跑偏的风险。其结果是在此类材料上加工出的孔圆度误差变得更大。

在钻削高拉伸强度工件材料时，典型的刀具磨损形式包括横刃崩刃、切削刃崩刃(通常在钻头退刀时发生)以及切削刃下面的棱带崩刃。所有这些磨损都会减少钻头的可重磨次数、缩短钻头寿命和降低刀具的总价值。

其他影响钻孔质量的因素还包括钻头的夹持、机床的刚性和夹具性能等。不过这些因素都很难校正由横刃引起的误差。

平衡是指一种均衡的状态。尽管常规钻头采用了对称设计，但却容易在切削中产生并保持难以控市的非平衡切削力。而Y-Tech钻头从美学设计到钻削过程的可控功能，重新定义了平衡的概念。

这种新钻头采用了非对称设计。两个沏削刃之一在钻头中心线上面的角度是不对称的。这个略微超前的切削刃产生了一个过载的单向切削力。抵消这一切削力的是该超前切削刃后面的一条导向棱带。这一受控切削力的方向正好与导向棱带的反作用力对准，从而可确保钻头在整个切削过程中保持相同的刀具直径。任何潜在的横向切削力则由两条按传统方式设置的棱带来承受。

为了最大限度地减小跑偏和摆动现象，Y-Tech钻头的横刃能够有效地实现自定心，并且从横刃过渡到切削刃的时间也比较短。此外这种钻头非常适合酒常在加工高温合金时采用的低进给率钻削，因为经过轻度或中度钝化处理的切削刃可确保钻头在切削中不会造成冷作硬化。

由于Y-Tech钻头消除了摆动现象不仅提高了孔的质量而月减小了横刃、切削刃和钻头顶部的磨损从而显著提高了刀具寿命。一家涡轮发电机制造商用该钻头切削ASTM A 681 D3(DIN X21OCr12)工件材料时刀具寿命提高了60%并且消除了由孔形误差(如螺旋形和顶部崩刃)引起的钻头退刀破损。

钻头在钻入工件时都具有跑偏倾向。但通过对传统技术理念的革新就能显著提高钻头的钻孔质量(见右表)而这对于关键零部件的钻削加工至关重要。