内锥面刃磨麻花钻工艺试验研究

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图1 内锥面刃磨原理

一、内锥面刃磨麻花钻原理

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1. 内锥面刃磨原理 $ m. J- _9 j7 X5 D& m+ A$ X
   内锥面刃磨法是刃磨麻花钻的一种新方法，刃磨原理如图1所示，砂轮修成内锥面，钻头放在砂轮的内锥面上磨削，形成麻花钻的圆锥面后刀面。刃磨钻头时通过修整砂轮半锥角d，调整轴间角q、锥顶距A、偏距e、附加旋转角b，可使钻头得到所需的后角a、横刃斜角y和顶角2F。 6 Y$ F( Q- F8 d) f: j+ g& n* V# s, f
   根据王忠魁、何宁、戴俊平所著《麻花钻内锥面刃磨法》，为使钻头刃磨后得到合理的主切削刃外缘后角a、横刃斜角y和顶角2F，考虑到砂轮的结构及刃磨中钻头与砂轮不得干涉等约束条件，对刃磨参数进行了优化，表1列出了d₀=F5～20mm 范围内部分麻花钻的优化刃磨参数。 9 V. e2 l5 M' `* W' z: J6 z4 U6 h/ @( q) w, X2 d; [: @% v9 r: M4 \: z" B6 _: ~; k8 k# F4 b- {2 ~1 r/ ~% \9 M: [( B( w/ L) f8 ~5 }3 X8 E* R; ]" J9 U( ^; s' y( H2 F" T8 E/ Z( \6 C# A- A3 L" x1 Q1 L9 Q8 F1 N0 o! Z' J1 d. l; v% T% |6 v) s8 I) e: O' r2 F) S# H4 b4 V$ R# a& F& f1 O/ m/ i7 ~2 J0 }+ f4 k f; V# a5 A2 r" g5 H% X# Z- {7 U4 E, W' J: x2 p1 U$ W" k& h" j) J9 y5 b# D( w/ W$ t- F b0 G7 m! l X6 g& e+ \, {( d( }; l/ S& b R4 f& J* w+ v1 H4 u, |( a

   表1 部分麻花钻的优化刃磨参数

   钻头直径d0 (mm)	优化刃磨参数					标准麻花钻要求的角度
   	d	q	A	e	b	外缘后角a	横刃斜角y	顶角2F
   F5	29°	30°	8	1	16°	11°～14°	50°～55°	118°
   F10			12.5	2.1	13°	11°～14°
   F15			16	2.4	10°	9°～12°
   F20			22.2	3.2	11°	9°～12°

2. 内锥面刃磨特点 7 z+ @$ P7 }; m
   传统的外锥面刃磨法，是通过一个摆动夹具形成麻花钻的锥面后刀面，刃磨设备有专用的钻头刃磨机床和经改装的外圆磨床两种。专用和改装的设备结构尺寸较大，钻头的几何角度与刃磨参数之间没有定量的函数关系，刃磨参数的调整控制多凭操作工人的经验和技艺，难以保证刃磨各种钻头的质量及其稳定性。内锥面刃磨法，由砂轮的内锥面代替了摆动夹具，可使机床结构简单，尺寸小，调整方便;采用优化的刃磨参数，可刃磨出高质量的麻花钻。

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二、调整方法及工艺试验

1. 调整方法
   

   图2 机床调整原理

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   根据内锥面刃磨原理，在M6020工具磨床上按照图2所示调整机床。将砂轮粘结在接头上，通过接头装在砂轮主轴上，在机床工作台的左端装上回转工作台，回转工作台上安装分度头，分度头上安装三爪卡盘。刃磨参数的调整:通过调整回转工作台的转角使三爪卡盘的轴线与工作台纵向进给方向夹角为F，转动砂轮架调整砂轮主轴轴线位置，使砂轮内锥面的母线与机床工作台纵向进给方向一致，砂轮主轴轴线与三爪卡盘轴线的夹角为q，修正砂轮半锥角d，升降砂轮架使砂轮轴线与三爪卡盘轴线等高。
   * A' s& G5 \" N9 w
2. 修磨内锥面及试磨
   在三爪卡盘上装夹金刚笔，启动砂轮横向进刀，纵向往复进给修磨内锥面，通过测量内锥面大端口径D控制内锥面的大小。修完内锥面，将砂轮主轴轴线相对三爪卡盘轴线升高偏距e。
   麻花钻主切削刃处于水平位置时装夹在三爪卡盘上，为保证装夹定位可靠，先将麻花钻装在弹性套内。调整分度头使麻花钻附加转动角度b后锁紧，主切削刃外缘点对在砂轮端面上，纵向移动工作台调整L 值保证锥顶距A，如图3所示。
   : b; _. a) e9 C8 \! f" U4 L; G1 Q6 A) E3 ]/ j3 F9 S6 {' g

   图3 钻头与砂轮的尺寸关系

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   D、d、A、L、F、d₀之间的关系如下: % k4 r# v3 z, }A=DsinF/2sind-LsinF-d₀/2
   启动砂轮，横向进给刃磨后刀面，当磨完一个后刀面，记下刻度值退刀，麻花钻转动180°后锁紧，磨削另一后刀面进给至上次刻度值，退刀磨削完毕。
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3. 试验参数及试磨结果 9 l0 B* S! B0 l3 U1 ~1 }2 s9 n, G+ n* J
   试磨钻头直径d₀=F2mm～F20mm，钻头刃部材料为高速钢，砂轮型号GB80ZR1A·P60×45×6，砂轮转速n=2800r/min。选择麻花钻对应的刃磨参数进行试磨，在工具显微镜上测量试磨钻头的各个角度，其值如表2所示。 & b0 r8 r# [: G' }( z2 G! X X9 v" e- B# f1 \$ R3 s6 e/ z7 e( b' }; X0 }" c$ y. {& w J' o, W8 L5 T! a3 v" C' V- O/ ~4 N; B5 i+ p+ {; F& [; w; v' J9 q/ m5 R D- }! H* }. J; `1 @: X2 I2 p& i* ]* L' E! y- H1 ?! E, ~4 U, r( z7 A& L- w$ h; v# t! \; z6 v. r, P) F1 M# Z4 O: F- N' J' ]4 y! z0 e3 F* y; G) v F# {& {7 \# m" F, b0 y5 l$ |5 g1 j' z V/ J1 \5 d0 u! g* v) j# R4 y p- W3 i& R0 A Z9 A) U. N. J1 k) F- V6 Q' h+ V, G% w9 G0 d# W% K9 n9 g* O. C. w+ i. ^7 G/ B) u5 G: |% K2 r6 c7 m# j9 E* R$ A- N+ ] M* c7 |" {7 Y" ^; V! B( z. @ `0 s3 F* O( W! \% ^# h0 n. a) |9 l8 l2 d3 C6 e) K) u8 Q! C {9 y' [0 }9 X( ^! ^( y5 }3 V# j9 e( C( x: i4 u: t8 o1 Q! q: W" l: m& s/ f- G' e' l: B4 S" V. t0 s; [! v: l2 c4 {' \% V; m- f# z: r, _5 t6 c2 H) F/ v7 C. q9 ~- }+ M# D4 q! L! d: [- i9 w: G5 J/ c2 w# ^6 o" _9 Z. X3 B( |

   表2 麻花钻各角度的理论计算值和实测值

   钻头直径 mm	测量后角a		理论计算 后角a	横刃斜角y		顶角2F 4 M3 V0 r9 o$ z		切削刃对工作部分轴 线的斜向跳动 mm
   	a1	a2		测量值	计算值	测量值	计算值
   F5.8	12°13'	12°25'	13°55'	53°20'	53°08'	117°31'	117°36'	0.05
   F6.8	12°57'	13°04'	13°51'	53°10'	53°02'	117°42'	117°30'	0.05
   F7.9	13°11'	13°20'	13°52'	52°17'	53°17'	117°30'	117°21'	0.10
   F10.5	12°44'	12°40'	13°55'	51°04'	50°07'	117°40'	117°50'	0.09
   F19	11°37'	11°25'	13°51'	53°26'	53°32'	118°19'	117°20'	0.14

   测量角度值与优化理论计算值一致，其误差均在行业标准±2°的公差范围内，切削刃对工作部分轴线的斜向圆跳动也均符合国家标准要求。所刃磨的麻花钻后角、顶角、横刃斜角、切削刃对工作部分轴线的斜向跳动都合格。但在磨削工艺试验中存在砂轮不锋利且磨损较快，磨削效率低，钻头发热大易烧伤等问题。

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三、试验分析

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1. 试验结论
   经在M6020工具磨床上工艺试验，对所刃磨的麻花钻各角度的测量和理论计算值对比分析，结合国家标准和行业标准对麻花钻的要求，得出以下结论:内锥面法刃磨麻花钻原理正确，刃磨工艺方法及参数调整方案合理可行，为麻花钻内锥面刃磨法的广泛应用奠定了基础。
2. 存在问题分析 ; ?& w1 K/ F* q+ B0 N
   1. 切削速度
      砂轮转速为n，麻花钻切削刃外缘B点对应的砂轮口径D_B(见图3)，D_B的计算公式: D_B=2sind(A+d₀/2)/sinF
      B点的切削速度:VB=npD_B/60000
      
      表3列出了麻花钻切削刃外缘点的切削速度。可以看出，切削速度V_B较小，钻心处的切削速度更小，且随着钻头直径的减小，D_B减小，则V_B更小。 4 e6 n" w/ K( k+ O8 _: v1 v2 T: g+ e7 M' T4 b' B0 |" F: e N4 N5 B9 d) l4 ?5 h3 a5 X* y Y& k, ]' Z& t3 j0 S6 a; ~. x9 r) i( o$ O9 ]+ R0 x5 F5 h R- @+ z- ^, i7 A! x7 X/ ~$ `6 l0 p& g- h7 B f# R4 ^9 D( T8 `- F) x1 g% Z4 N) @! Z7 o( I* c9 Y& P/ P) N' ]7 G* p- W$ [( }, z4 b' k( u# M6 e; h+ ~6 O8 n/ x

      表3 麻花钻切削刃外缘点的切削速度

      钻头直径0 mm	砂轮转速n r/min	砂轮口径DB mm	切削速度VB m/s	手册推荐切削速度 m/s
      F5	2800	8.73	1.28	15～25
      F10		15.37	2.25
      F15		19.53	2.86
      F20		26.76	3.92

      切削速度低是砂轮磨削时切削不锋利，磨削效率低，易磨损的主要原因。同时，由于砂轮的内锥面结构，切屑不易排除，造成砂轮堵塞，使砂轮变钝。内锥面刃磨，砂轮口径受到刃磨参数的制约，砂轮的径向尺寸小，只能通过提高砂轮的转速来提高线速度。试验中通过变频器调速，将砂轮电机转速提高到8000r/min，砂轮的切削性能明显改善。
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   2. 砂轮选择
      在选择砂轮时，应注意考虑内锥面磨削不易排屑，内锥面的修磨及修磨后应有较长的使用时间等因素。经过对砂轮的磨料、结合剂、组织、粒度等选择和试验，内锥面刃磨砂轮应比一般刃磨刀具砂轮硬度大、粒度大、组织松。选择内锥面金刚石砂轮，不需要修磨内锥面且切削性能好。
   3. 磨削散热 & {0 T% n. }, k. w2 i
      内锥面刃磨麻花钻是由砂轮的锥面形成钻头的后刀面，属于成形磨削。钻头与砂轮面接触，摩擦大，磨削发热大，干磨削钻头易烧伤。采用乳化液喷射冷却磨削，可有效解决磨削散热问题，刃磨出合格的钻头，同时喷射的冷却液有利于切屑的排除。

四、结论

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内锥面法刃磨麻花钻工艺方法正确，参数调整方案可行;内锥面法适合刃磨中等直径尺寸的钻头，钻头直径较小时，A值较小，刃磨口径较小，很难满足切削速度的要求，钻头直径较大时，接触面积大，磨削面积大，磨削效率低，发热大;内锥面法刃磨应注意砂轮的选择和冷却液的使用。