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采用高速鋼直柄麻花鉆鉆削微小孔(?1mm以下)時(shí)，折斷是鉆頭破壞的主要形式。由于鉆頭折斷是突然發(fā)生的，事先難以預(yù)測(cè)，而折斷了的鉆頭頭部往往卡在未完成的孔中，很難取出，給生產(chǎn)造成了許多麻煩，也使自動(dòng)化鉆削微小孔難以實(shí)現(xiàn)。在鉆削過程中，鉆頭受到扭轉(zhuǎn)、彎曲和壓縮等三種載荷的組合作用，對(duì)鉆頭折斷斷口和受力情況進(jìn)行研究，可以弄清鉆頭折斷原因及各項(xiàng)載荷在鉆頭折斷中所起的作用，從而采取必要措施，防止鉆頭突然折斷。例如，應(yīng)用鉆削測(cè)力儀對(duì)造成鉆頭折斷的主要載荷進(jìn)行在線檢測(cè)，當(dāng)該項(xiàng)載荷增大到一定數(shù)值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，使鉆頭退回，以避免鉆頭折斷和鉆削質(zhì)量下降。
1 鉆頭斷口觀測(cè)與分析
對(duì)微細(xì)鉆頭折斷斷口進(jìn)行顯微放大觀察發(fā)現(xiàn)，絕大部分?jǐn)嗫诙及l(fā)生在鉆頭螺旋槽中部到根部之間，距切削刃較遠(yuǎn)。對(duì)著螺旋槽方向看，斷口截面外法線與鉆頭軸線的夾角大約在40°～50°之間。圖1為?0.34mm的高速鋼直柄麻花鉆在鉆削18Cr2Ni4WA低碳合金鋼時(shí)的折斷斷口SEM照片。
根據(jù)彈性力學(xué)及金屬材料強(qiáng)度理論，非圓截面桿件自由扭轉(zhuǎn)時(shí)，橫截面上尖角處剪應(yīng)力等于零，凹槽處剪應(yīng)力最大(即危險(xiǎn)點(diǎn))，桿件橫截面即為最大剪應(yīng)力所在截面；剪應(yīng)力最大點(diǎn)處的最大正應(yīng)力所在截面為危險(xiǎn)截面，該截面與最大剪應(yīng)力所在截面之間的夾角為45°。因此，鉆頭受扭矩作用時(shí)最大剪應(yīng)力發(fā)生在螺旋槽底部的橫截面上，最大正應(yīng)力所在的截面與鉆頭橫截面之間的夾角為45°。由于實(shí)測(cè)鉆頭斷口截面與鉆頭受扭轉(zhuǎn)載荷作用時(shí)的危險(xiǎn)截面方向基本一致，可以斷定，扭轉(zhuǎn)載荷過大是鉆頭折斷的最主要原因。
2.鉆頭分別受扭、彎、壓載荷作用時(shí)的斷口實(shí)測(cè)與分析
為了驗(yàn)證以上分析的正確性，對(duì)?0.34mm的高速鋼直柄麻花鉆分別按照理想的扭轉(zhuǎn)、彎曲、壓縮三種方式加載直至鉆頭破壞，將其破壞斷口與鉆削破壞斷口進(jìn)行比較。
鉆頭受純彎曲載荷作用時(shí)，最大正應(yīng)力發(fā)生于橫截面上，鉆頭斷口應(yīng)與鉆頭橫截面方向一致，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合(見圖2)。
鉆頭受壓縮載荷作用時(shí)，將發(fā)生剪切破壞，斷口應(yīng)該是最大剪應(yīng)力所在截面，它與鉆頭橫截面呈約45°夾角。與受扭轉(zhuǎn)載荷作用不同的是斷口方位是隨機(jī)的，與螺旋槽的位置無(wú)關(guān)，在與橫截面呈45°夾角的任意位置均可發(fā)生，在這一系列斜截面上剪應(yīng)力值相等。實(shí)測(cè)壓縮斷口截面與橫截面成45°夾角(見圖3)，與上述分析一致。
圖4為鉆頭受純扭轉(zhuǎn)載荷作用時(shí)的破壞斷口，與圖1所示的鉆頭在鉆削過程中折斷的斷口方位基本一致。扭轉(zhuǎn)破壞斷口有一個(gè)突出的特點(diǎn)，即對(duì)著鉆頭螺旋槽看時(shí)，斷口截面與橫截面成45°夾角，這也正是剪應(yīng)力最大點(diǎn)處的最大正應(yīng)力所在截面的方位。
3 微細(xì)鉆頭折斷原因分析
微細(xì)鉆頭使用壽命的分散性很大，仍以?0.34mm的高速鋼麻花鉆鉆削18Cr2Ni4WA低碳合金鋼為例，當(dāng)孔深為2mm時(shí)，鉆頭壽命約在10～80mm之間。使用顯微放大鏡對(duì)鉆頭切削刃進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，部分壽命較高的鉆頭折斷前其后刀面有較明顯的磨鈍痕跡，而部分鉆頭在切削刃尚無(wú)明顯磨鈍痕跡的情況下就折斷了，另有小部分鉆頭由于鉆頭材料內(nèi)部有缺陷或是切削刃刃磨角度誤差較大，其使用壽命尚不及10mm?？梢?，鉆削過程中的一些隨機(jī)因素對(duì)鉆頭使用壽命影響很大。
在正常鉆削過程中各項(xiàng)載荷都在鉆頭的承載能力之內(nèi)，而當(dāng)鉆削扭矩突然波動(dòng)、超過其承載能力時(shí)，鉆頭便會(huì)折斷。微細(xì)鉆頭鉆芯厚度相對(duì)較大，鉆芯厚度與鉆頭直徑之比約為0.3～0.4(普通直徑的鉆頭在0.2以下)，使得螺旋槽較淺，容屑、排屑能力較低，加之液體具有表面張力，切削液很難進(jìn)入微小孔內(nèi)，極易造成切屑堵塞，使鉆削扭矩突然增大而使鉆頭折斷。
可見，切屑堵塞、切削刃磨損導(dǎo)致鉆削扭矩過大和鉆頭制造缺陷是微細(xì)麻花鉆折斷的主要原因。因此，在將微細(xì)鉆頭用于鉆削加工前，應(yīng)先對(duì)切削刃刃磨角度進(jìn)行檢測(cè)，剔除偏差過大的鉆頭；應(yīng)用鉆削測(cè)力儀進(jìn)行鉆削力在線檢測(cè)時(shí)，應(yīng)以鉆削扭矩作為檢測(cè)、控制指標(biāo)。
