微织构麻花钻的设计制备及钻削性能研究

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针对麻花钻在钻削过程中存在摩擦磨损严重、钻削温度高等问题,本文提出了全新的微织构麻花钻的概念及设计思路。利用有限元法分析了微织构对麻花钻Mises应力分布的影响。采用激光加工方法,制备了不同形状的微织构麻花钻。通过钻削试验,研究了微织构麻花钻的钻削性能。提出了五种不同结构形状的微织构,分别为:与麻花钻主切削刃平行的微织构(T-PX)、与麻花钻主切削刃夹角为45度的斜纹状微织构(T-XW)、与麻花钻主切削刃垂直的微织构(T-CZ)、椭圆状微织构(T-TY)、微孔状微织构(T-WK)。通过有限元方法分析计算了五种微织构麻花钻钻尖处的Mises应力值,结果表明,T-TY麻花钻、T-XW麻花钻和T-WK麻花钻钻尖处的应力集中较小。分析了微织构结构参数对麻花钻钻尖处Mises应力分布状态的影响,得出了最佳的微织构结构参数。其中T-TY麻花钻微织构的最佳结构参数为:微织构距离主切削刃300μm,椭圆圈数为三圈,槽宽为80μm,槽深为50μm,微织构间距为200μm;T-XW麻花钻微织构的最佳结构参数为:微织构距离主切削刃300μm,槽宽为100μm,槽深为50μm,微织构间距为200μm;T-WK麻花钻微织构的最佳结构参数:微织构距离主切削刃300μm,槽宽为50μm,槽深为50μm,微织构间距为200μm。采用激光加工的方法,制备了不同结构形状的微织构麻花钻。研究了激光加工参数(激光加工功率、激光加工频率、激光扫描速度、激光扫描次数)对微织构尺寸和表面形貌的影响,分析得出了制备这三种微织构的合理加工参数范围。试验表明:微织构的深度随着激光加工功率的增大而增大,随着激光扫描速度的增大而减小,随着激光加工频率的增大呈现先增大后减小的趋势,随着激光扫描次数的增大而增大。微织构的槽宽随着激光加工功率的增大而增大,随着扫描速度、激光频率和扫描次数的增大变化不大。综合分析微织构的尺寸和表面形貌,选择制备条纹状微织构麻花钻(T-XW)的工艺参数为:激光加工功率为12W,激光加工频率为30Hz,激光扫描速度为120mm/s,激光扫描次数为1次。制备微孔状微织构麻花钻(T-WK)的工艺参数为:激光加工功率为9W,激光加工频率为30Hz,激光扫描速度为120mm/s,激光扫描次数为1次。制备椭圆状微织构麻花钻(T-TY)的工艺参数为:激光加工功率为15W,激光加工频率为40Hz,激光扫描速度为100mm/s,激光扫描次数为3次。根据激光加工微织构的最优工艺参数,制备出了T-XW、T-WK和T-TY微织构麻花钻。将制备出的T-XW、T-WK和T-TY微织构麻花钻与传统的无织构麻花钻(WT)进行干钻削对比试验。试验表明,与传统的无织构麻花钻相比,T-XW、T-WK和T-TY微织构麻花钻的钻削力、钻削温度和麻花钻磨损均显著降低,钻屑长度也有所减小。其中T-XW麻花钻的钻削性能最好,约降低钻削力17%-31%;降低钻削温度19%-21%。微织构麻花钻能够有效的降低麻花钻的粘结磨损;表面微织构能够在整个钻削过程中起到减摩、断屑作用。分析认为微织构的存在,阻碍了切屑流动,促使切屑发生二次变形,使切屑更易折断,从而能有效的减小钻削过程中的摩擦磨损;切屑折断后更有利于切屑排出,带走切削热,有利于降低钻削温度。
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