钻削毛刺形成机理及其控制技术研究

钻削毛刺形成机理及其控制技术研究

石贵峰 1，黄 娟 1，裴宏杰 1，王贵成 1，2

（1.江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013；2.南通理工学院，江苏 南通 226002）

摘 要：建立了钻削加工中进给方向毛刺的形成模型，并对钻削加工过程中出现的毛刺类型进行了归类和分析，指出影响进给方向毛刺形成与变化的主要因素。通过钻削加工试验与相应的理论分析，系统揭示出毛刺出现、形成及变化发展的基本规律，进而开发出工件叠加钻削法、钻削用量优选法、钻头参数优化法、钻头结构优改法和工件终端部材料强化法等一系列减少和抑制钻削进给方向毛刺的技术和方法，为进一步提高钻削效率和钻削加工质量开辟了新路径。

关键词：钻削加工；进给方向毛刺；形成机理；控制毛刺技术

1 引言

精密切削、柔性制造系统（FMS）和自动化金属切削加工中，常常会在工件的边、角、棱和终端部等部位出现切削毛刺，往往需要安排去毛刺工艺才能完成零件孔加工的整个过程。它们严重影响了工件的形位精度与尺寸精度，使工件的使用寿命大大缩短，机械加工效率也因此降低。近年来，国内外机械工程领域的工程师和学者们已经开始研究切削毛刺的形成机理和去毛刺技术，并取得了一些可观的研究成果，这为机械制造技术的发展起了很大的推动作用[1-8]。

根据切削运动-刀具切削刃毛刺分类体系[9]，钻削加工所产生的切削毛刺可以分为两大类：切入进给方向毛刺和切出进给方向毛刺。通常情况下，切入进给方向毛刺的尺寸比较小，而切出进给方向毛刺（简称为进给方向毛刺）的尺寸相对较大，去除工作也很困难，这往往成为后续加工工艺的障碍。为此，研究以钻削加工为基础，对钻削毛刺的分类、形成机理和主要影响因素进行了试验研究和理论分析，为减少和抑制钻削加工中的切出进给方向毛刺提供了理论基础和预测模型。

2 钻削毛刺的形成模型

钻削加工过程中，假定被加工工件材料均匀一致，使用标准麻花钻，钻头不存在几何偏心，钻头主切削刃上对应点的几何参数相同，并且钻削过程中钻头没有磨损，工件的装夹与定位也没有误差，则可以建立的切出进给方向毛刺的生成模型，如图1所示。图中，钻孔直径do（mm），钻削进给量f（mm/r-1），钻头顶角2φ。在钻削加工进给方向上，工件终端部材料在轴向推力Fx的作用下产生变形。假设与刀具主切削刃接触的工件上某一点的挠曲变形量为 δx，则：

（a）当δx=0时，钻头从接触工件开始，逐渐接近工件终端表面，但并没有对终端面造成影响，此时钻削过程正常进行；

（b）0＜δx＜acx（acx为麻花钻主切削刃上某一点的未变形切屑厚度，acx=af·sinφ）时，切屑的横截面积随着δx的增加而减小，并且逐渐集中在麻花钻主切削刃和副切削刃的交点。此时轴向推力Fx逐渐增加，钻削过程仍然继续进行；

（c）当δx＞acx x时，工件部分材料脱离切屑，在Fx的作用下受到挤压而逐渐倾斜，最终附在加工孔的周围形成毛刺。这便是进给方向毛刺出现、形成与变化发展的整个过程。

图1 进给方向毛刺的形成模型
Fig.1 The Forming Model of the Feed-Direction Burr in Drilling

3 影响钻削毛刺的主要因素

毛刺形成于钻削加工过程。钻削加工中，钻头几何参数、工件材料、工件终端部形态、切削用量和冷却润滑条件等直接影响钻削加工的质量和效率，钻削毛刺形成与控制因果图，如图2所示。可见，影响毛刺形成与变化的因素较多，它们互相影响、相互制约。钻削加工毛刺的尺寸及形态取决于各影响因素的综合作用结果，所以需要探讨各个因素的影响程度和规律。为系统揭示钻削加工毛刺出现、形成及变化发展的基本规律，进行了如下的试验研究和理论分析。

图2 钻削毛刺形成的因果控制图
Fig.2 The Causality Diagram of the Drilling Burr Formation

4 试验条件和测试方法

试验中使用的钻床型号是立式钻床Z5140，钻头选择高速钢普通麻花钻，直径为20mm，采用乳剂液作为切削液。试验中选用的工件材料有四种：H68黄铜、20#钢、45#钢和HT15-33铸铁，金属板厚度为（15～20）mm，其中以H68黄铜作为基本试验材料。工件材料的物理机械性能和试验中的钻削条件，如表1和表2所示。

表1 工件材料的物理机械性能
Tab.1 Mechanical Property of the Workpiece Materials

工件材料 机械性能抗拉强度σb（kg/mm2）延伸率ψ（%）硬度（HB）H68 32 55 54 HT15-33 20 170-190 20# 42 25 143 45# 65 16 210

试验前，为避免工件材料本身表面缺陷的干扰，对试验中所有工件材料的终端部表面进行过粗略打磨。试验中，使用千分表（测量精度为0.01mm）测量毛刺高度H，使用工具显微镜（测量精度为0.01mm）测量毛刺根部厚度B。在试验观测基础上，对切出进给方向毛刺的形态进行了分类。

表2 钻削条件
Tab.2 The Drilling Condition

表中：“—”—标准试验参数

切削速度ν/（m·min-1）9.46；20.4；31.4进给量f/（mm·r-1）0.056；0.112；0.224；0.315顶角2φ/（°）110；118；130螺旋角β/（°）20；30；40

5 试验结果与分析

5.1 毛刺形态及特征

试验中观测得到的进给方向毛刺形态可以分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种类型，如图3所示。其特征如下：

Ⅰ型毛刺：毛刺向工件终端部的里面凹陷，称作亏缺，或称负毛刺。一般情况下，此类毛刺的高度H和厚度B都非常小（H＜0，B＜0）。Ⅰ型毛刺对工件精度和性能的影响不是很大，但对工件的定位精度和装配精度等会很容易造成影响。但它一旦形成，就很难再对加工孔凹陷进行弥补。

Ⅱ型毛刺：毛刺凸出加工孔，附在孔的周围。此类毛刺高度H＜d/2，毛刺厚度B＞0。Ⅱ型毛刺对工件精度和性能有一定的影响，当工件加工精度要求更高时，Ⅱ型毛刺不得不去除，虽然去毛刺的工时相对比较短，但这也会降低钻削加工的生产率和增加工件的加工成本。

Ⅲ型毛刺：此类毛刺跟Ⅱ型毛刺一样，凸出工件终端面，附在加工孔周围。但Ⅲ型毛刺的尺寸比前二者都大，是钻削加工中毛刺尺寸最大的，H≈d/2且B非常大。通常情况，Ⅲ型毛刺都必须去除，并且去除此类毛刺的工时很长，去除工作也比较复杂。大部分情况中，它都成为降低生产率和增加工件加工成本的主要因素之一。所以，在实际生产线的孔钻削工艺中，应尽量避免此类毛刺的形成。

图3 钻削中毛刺的基本形态
Fig.3 Forms of the Feed-Direction Burr in Drilling

这三类毛刺在所有钻削中都会产生，所以发展一种高效的钻削技术，对毛刺形成的机理研究就显得非常重要。

5.2 切削速度v的影响

切削速度v改变后，所测得毛刺高度及其根部厚度的数值，如表3所示。可以看出，随着钻削速度v的增加，毛刺尺寸逐渐减小。这是由于钻削速度增加后，钻削区温度随之逐渐增加，导致工件材质软化，钻削力降低。所以工件终端材料的变形量就会相应减小，毛刺尺寸也就随之变小。

表3 不同钻削条件下的毛刺尺寸
Tab.3 The Burr Size Under Different Drilling Conditions

钻削条件 毛刺高度H（mm）根部厚度B（mm）切削速度ν/（m·min-1）9.46 2.8 2.5 20.4 2.2 1.4 31.4 1.8 1.1进给量f/（mm·r-1）0.056 1.9 0.4 0.112 2.2 1.5 0.224 2.7 1.7 0.315 3.1 2.7顶角 2φ /（°）110 1.5 1.0 118 2.5 1.6 130 10.2 3.2螺旋角 β /（°）20 2.8 2.4 30 2.2 1.4 40 2.3 0.8

5.3 进给量f的影响

进给量f改变后，所测得毛刺高度及其根部厚度的数值，如表3所示。随着进给量f的增加，毛刺尺寸也逐渐增加。这是由于进给量f增加后，轴向推力Fex变大，工件终端被切削材料的变形量增加，从而使得毛刺尺寸变大。

5.4 顶角2φ的影响

顶角2φ改变后，所测得毛刺高度及其根部厚度的数值如表3所示。随着顶角2φ的增加，毛刺尺寸迅速变大。这是由于钻头的顶角2φ增加后，切屑厚度增加、切屑宽度减小，使得钻削扭矩M与切向力Fz减小、轴向进给分力Fx增加，终端面被切削材料的变形量增加，从而使得毛刺尺寸快速变大。

5.5 螺旋角β的影响

螺旋角β改变后，所测得毛刺高度及其根部厚度的数值，如表3所示。随着螺旋角β的增加，毛刺尺寸逐渐减小。这是因为钻头的螺旋角β增大后，其实际工作前角也随之变大，使得切屑流更加顺畅；并且螺旋角β增加后，钻削扭矩M和轴向进给分力Fx也随之快速减小，所以毛刺尺寸变小。

5.6 工件材料的影响

在标准钻削条件下，钻削加工H68、20#、45#和HT15-33钢的试验结果，如图4所示。当钻削加工HT15-33钢时，I类毛刺生成；当钻削加工20#钢、45#钢和H68黄铜时，Ⅱ类毛刺生成。这是由各种工件材料机械性能（延伸率和抗拉强度）的差异所造成的。也即是说，延伸率高的材料，其毛刺尺寸较大。

图4 工件材料的影响
Fig.4 Effect of the Workpiece Material

6 抑制和减少钻削毛刺的方法

6.1 工件叠加钻削法

钻削加工过程中，工件终端部（钻头出口）材料的支承刚度是毛刺出现、形成与变化发展的主导因素之一。将工件叠加起来，可以增加终端部材料的有效支承刚度，如图5所示。工件叠加后，毛刺尺寸的变化，如图5所示。可以看出，钻削工件（1）和工件（2）时形成的毛刺要比钻削工件（3）的更小。这是由于工件叠加起来以后，工件（1）和工件（2）终端部材料的有效支承刚度得到提高，从而使得毛刺尺寸变小。

图5 工件叠加钻削法及工件叠加后的毛刺尺寸变化
Fig.5 Overlap Method of the Workpiece and the Burr Size Changing

6.2 钻削用量优选法

从表3可以看出，随着钻削速度v的增加和钻削进给量f的降低，毛刺尺寸逐渐减小。所以，根据特定的钻削条件和孔质量需求，尽可能优先选择较大的切削速度v和较低的进给量f（如表3所示），可以降低轴向力Fx和毛刺尺寸的大小，从而使切削效率得到提高、切削质量得到保障。

6.3 钻头参数优化法

从表3可以看出，随着钻头螺旋角β的增加和顶角2φ的减小，毛刺尺寸逐渐减小。所以，在钻削加工中一些可允许的情况下优化钻头的几何参数，选择较小的顶角2φ和较大的螺旋角β，可以达到减小和控制毛刺尺寸与形态的效果。

6.4 钻头结构优改法

优改后的钻头及相应的试验观测数据，如图6所示。使用钻头（a）和钻头（b）后，毛刺的根部厚度B降低了（25～33）%，但毛刺高度H几乎没有变化。这是因为改善钻头后，切削热的散发变得更快，切削刃的工作长度得到增加，钻头主切削刃的切削力和轴向推力Fx也减小了。另外，钻头主切削刃和副切削刃的转角ε增加了，使得轴向力减小，从而工件终端材料的变形量减小，毛刺尺寸变小。

图6 优改后的钻头结构及其试验结果
Fig.6 The Drill Type Improved and the Burr Size Changing

6.5 工件终端部材料强化法

工件材料机械性能之间的差异会造成钻削毛刺的尺寸大小不同，如图4所示。而通过强化工件终端部的材料，可以改变钻头出口部位材料表面的机械性能，从而可以达到减小和控制钻削毛刺的效果。比如通过敲击或喷丸来增加终端部材料的硬度；通过喷涂化学材料来减小工件终端部材料的延伸率等。

7 结论

通过对钻削毛刺出现、形成及变化发展的理论分析与相应的试验研究，所得初步结论如下：（1）钻削加工过程中出现的进给方向毛刺主要有三种类型：Ⅰ型毛刺、Ⅱ型毛刺与Ⅲ型毛刺。（2）钻削毛刺出现与形成的主要影响因素有：工件材料、工件终端部的形态、钻削用量以及钻头的机构与几何参数等。（3）可以采用工件叠加钻削法、钻削用量优选法、钻头参数优化法、钻头结构优改法和工件终端部材料强化法等技术和方法，来减少和控制钻削毛刺形态，使其尺寸降到最低，从而使钻削效率得到提高、钻削质量得到保障。

参考文献

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Forming Principle and Controlling Technology of Burrs in Drilling

SHIGui-feng1，HUANGJuan1，PEIHong-jie1，WANGGui-cheng1，2
（1.School of Mechanical Engineering，Jiangsu University，Jiangsu Zhenjiang 212013，China；2.Nantong Institute of Technology，Jiangsu Nantong 226002，China）

Abstract：This paper presents a new model for formation of the feed-direction burr in drilling process，and the drilling burrs types are classified and analyzed.Then the main factors affecting the feed-direction burr formation in drilling are pointed out.On the basis of the experiment and theoretical analysis，the forming and changing process of burr is uncovered.Furthermore，a diverse range of measures to restrain and decrease the drilling burr have been advanced，such as overlapping workpiece，selecting drilling parameters，adjusting drill geometry，improving drill type and so on，which opens up a new path to promote the drilling efficiency and quality.

Key Words：Drilling；Feed-Direction Burr；Forming Mechanism；Burr-Controlling Technology

中图分类号：TH16

文献标识码：A

文章编号：1001-3997（2017）12-0112-04

来稿日期：2017-06-18

基金项目：国家自然科学基金项目（51075192）

作者简介：石贵峰，（1988-），男，河北张家口人，硕士研究生，主要研究方向：金属切削毛刺；

王贵成，（1955-），男，吉林公主岭人，博士研究生，教授，博士生导师，主要研究方向：金属切削毛刺形成及控制技术等