“Chip-guide drilling”——一种全新的高效、不间断钻孔方法

《CIRP Annals》：“Chip-guide drilling” – a new high-efficiency non-stop drilling method

　　林坂武宏|明里光|斎藤勝久|澄山直樹|李京基|坂本英二
日本爱知县名古屋市千种区古市町，名古屋大学工学研究生院，邮编464-8603

**摘要**
在钻削过程中，切屑堵塞是一个主要障碍。为了抑制这一问题，人们采用了啄切式运动或高压冷却液等技术。然而，这些方法存在缺点：前者效率低且能耗高，后者则需要更高的能量来处理深孔。本文提出了一种新的高效连续钻削方法，通过引导槽生成直线型/连续型切屑来抑制切屑堵塞。此外，由于这些切屑的存在，钻头的螺旋槽体积可以减小，从而提高钻头强度，进一步提升钻削效率。实验验证了该方法在加工铝/铜合金材料上的有效性。

**1. 引言**
近年来，对零件钻孔的需求显著增加[1]。例如，燃油喷射部件中的共轨孔径相对于其深度来说非常深。为此，人们使用了较大长径比（L/D）的螺旋钻头（例如6[1]），但这会导致切屑堵塞[2]。由于切屑堵塞会降低孔的精度并可能导致钻头断裂，因此必须加以抑制。需要注意的是，单边切削技术[3]和BTA技术[4]适用于深孔，但它们需要专门的设备；前者还存在加工效率低的问题，而后者由于其设计特点主要适用于较大直径的孔[1]。因此，对螺旋钻头的使用需求持续增长。

**2. 切屑堵塞的成因与抑制方法**
与大多数切削过程一样，钻削过程中产生的切屑具有复杂的三维形态，这是由于切屑同时受到上下卷曲力的影响。关于上卷曲现象，已有多种理论解释[5,6]。一种主流观点认为，上卷曲是由切削刃上的法向力或摩擦力产生的弯矩引起的[5]。至于下卷曲，则是由于切削刃沿径向的速度差异造成的[7]。这些复杂的/断裂的切屑是导致堵塞的主要原因[2]。

为了解决切屑堵塞问题，文献和实践中提出了多种技术。最常见的方法包括机床伺服驱动的啄切运动[8,9]和高压冷却液[7,10]（例如8 MPa[11]）。前者通过钻头的往复运动使切屑从螺旋槽中排出；后者则通过钻头油孔喷射高压液体帮助排屑。这两种方法在一定程度上有效，但效果受条件限制（如后退距离和压力值）。啄切运动会降低钻削效率，而高压冷却液能耗较高，因此需要更高效的方法。

本研究提出了一种名为“导向槽钻削”的新方法，通过在切削刃上制造导向槽来生成直线型/连续型切屑，从而抑制堵塞。这种技术最初用于车削以实现连续排屑[12]，现在被应用于钻削过程：
- （a）导向槽用于钻削过程中的切屑堵塞抑制；
- （b）从切屑截面面积二阶矩的角度解释了上卷曲的抑制机制；
- （c）研究了新的槽几何形状对下卷曲的抑制效果。如果能够生成直线型/连续型切屑，切屑会沿螺旋槽排出，从而实现高效连续钻削，无需高压冷却液。此外，这些切屑还能减小螺旋槽体积，增加钻头厚度，进而提高钻头强度，允许采用更高的进给速率，进一步提高效率。这一方法与现有研究趋势不同，后者主要依赖于刀具几何形状和/或钻削参数（尤其是进给量）来强制打断切屑[13]（包括可转位钻头的碎屑装置[14]），但事实证明这些断裂的切屑正是堵塞的根源。因此，本研究的目标是生成连续型切屑。

**3. 实验验证**
为了验证该方法的有效性，对铝/铜合金材料进行了车削和钻削实验。
**3.1. 车削实验**
导向槽的概念最初由作者之一提出，用于车削过程中的连续排屑[12,16]。车削中的上卷曲机制与钻削类似，但下卷曲主要是由于切削区材料侧向流动造成的[17]（如图1左侧所示）。导向槽设置于切削刃上（如图1右侧所示），引导切屑沿其方向移动。下卷曲的抑制机制可能源于槽壁的法向力，而上卷曲的抑制机制仍不明确。过去的研究通过改变槽深度、间距和凹角来探究最佳槽几何形状，结果表明导向槽对车削切屑的抑制效果较为稳定[12,16]。

**3.2. 钻削实验**
为了验证导向槽对切屑堵塞和效率提升的效果，对铝/铜合金材料进行了车削和钻削实验。
- **车削实验**：通过激光共聚焦显微镜（Keyence Corp. VK-X1100/X1000）观察了导向槽对上卷曲的抑制效果（见图2）。实验使用LS型车床（Okuma Corp.）。
- 实验中发现，大振幅的导向槽能有效抑制上卷曲（见图3）。
- 另一项实验研究了高压冷却液（8 MPa）的效果（见图3）。
- **钻削实验**：探讨了导向槽对下卷曲的抑制效果。
- 在钻削过程中，由于径向速度分布不均（外圈速度最高、中心速度为零），切屑容易发生下卷曲。本研究通过特殊设计的槽几何形状来抑制这种下卷曲。

**4. 结论与未来方向**
研究表明，大振幅导向槽对上卷曲的抑制效果显著；特定槽几何形状有助于生成连续型切屑，从而实现高效连续钻削，无需高压冷却液。此外，这些切屑还能减小螺旋槽体积，提高钻头强度，允许采用更高进给速率。这一方法代表了研究趋势的转变，以往的研究更多关注通过刀具几何形状和钻削参数（尤其是进给量）来强制打断切屑[13]。由于连续型切屑才是高效钻削的关键，因此本研究致力于实现这一目标。部分研究通过在切削刃上设置凹槽来减小切屑的上下卷曲[15]，但本文重点是如何更积极地生成连续型切屑。实验结果验证了导向槽的有效性，并提出了未来研究方向。如图所示，使用平型工具时可以观察到强烈的侧向（和向上的）卷曲现象，导致产生三维形状的切屑，其中侧向卷曲的曲率等于管道半径的倒数。另一方面，锯齿型工具能够成功地将形状传递到切屑上，切屑几乎沿直线方向流动；即使面对强烈的侧向卷曲，由于较大的速度差，这些槽也表现出良好的效果。下载：下载高分辨率图片（409KB）下载：下载全尺寸图片

图4. 侧向卷曲抑制的结果。

3. 切屑堵塞抑制与高效连续钻孔的验证
在加工中心（MILLAC415V，Okuma Corp.）上进行了钻孔实验，以研究切屑堵塞抑制和高效连续钻孔的效果。实验装置的照片如图5左侧所示，实验条件如下表2所示。使用的是直径为8.03毫米的双槽扭曲钻（WDO-PLT，OSG Corp.），工件材料为铝合金（7075，AISI）和铜合金。需要注意的是，内外径位置之间的速度差比基础实验中的更大，这应该会产生极端的侧向卷曲。本文比较了两种类型的钻头（原始钻头和改良钻头），图5右侧展示了带有导向槽的改良钻头的刃面外观示例。由于作者发现激光会削弱切削刃的强度，因此这些槽是通过磨削工艺制造的。尽管这些槽大致呈倾斜的U形，但它们仍然能够有效抵抗侧向卷曲。使用测力计（9272，Kistler Instrumente AG）来测量切削力，以判断是否发生切屑堵塞，并收集排出的切屑进行外观对比。下载：下载高分辨率图片（332KB）下载：下载全尺寸图片

图5. （左）钻孔实验装置；（右）钻头刃面上的导向槽微观图像。

表2. 钻孔实验的条件。

| 工件 | 材料 | 工具 | 材料 |
|----------------|-----------------|-----------------|-----------------|
| 铝合金（7075硬铝，AISI） | 涂层硬质合金 | 使用/设计的钻头 |
| 铜合金（黄铜） | | 原始钻头（直径8.03毫米，OSG Corp.） |
| | （与（i）相同，但带有导向槽，见图5） |
| | 改良钻头（同样直径，带有导向槽） |

| 切削条件 | | |
|----------------|-----------------|-----------------|
| 切削速度 | 80.7 m/min（外圆周） | |
| 进给率 | （铝合金）0.225 mm/转 | （铜合金）0.180–0.225 mm/转，递增0.0225 mm/转 |
| 孔深 | 40 mm | |
| 冷却液 | 干式 |

铝合金钻孔时的切削力和收集到的切屑分别如图6(a)和图7所示。可以看出，原始钻头和改进钻头的切削力几乎相同，同时在车削实验中也证实扭矩（主要作用力）也几乎相同[12]；两种钻头之间的热量/能量变化不大。从急剧上升的切削力可以判断发生了切屑堵塞，导致切屑被挤压破碎并滞留在切屑槽中。图中还展示了堵塞发生前的切屑情况，可以推测这些三维卷曲的碎屑是造成堵塞的原因。相比之下，改良方法成功抑制了切屑堵塞，实现了至少两倍深度的无堵塞连续钻孔。换句话说，使用改良方法可以使用直径更大（L/D比更高）的钻头而不会发生堵塞。改良钻头产生的切屑呈直线状且连续，尽管由于连续性较强，部分切屑会缠绕在钻头上；该方法验证了切屑堵塞抑制和高效连续钻孔的效果，且无需使用高压冷却液。需要注意的是，最后切削力的轻微增加是由于缠绕在工件上的切屑被推挤所致。为防止切屑缠绕，可以采用向下长进给和向上微小进给的组合动作来分离切屑，这与传统的啄式钻孔不同；这样效率仅略有下降。图7右下角展示了该方法产生的切屑，可以看出切屑已成功分离。下载：下载高分辨率图片（208KB）下载：下载全尺寸图片

图6. 铝合金钻孔时的测量切削力。

图7. 铜合金钻孔时的测量切削力。

从图6(b)可以看出，改良方法成功抑制了切屑堵塞。此外，由于工件具有一定的脆性，切屑会自然沿流动方向分离，这意味着根据工件材质的不同，无缠绕的切屑可以自然排出。总之，该方案已经得到验证。

4. 结论
本文提出了一种新的高效连续钻孔方法——“切屑导向钻孔”，通过导向槽生成直线状且连续的切屑来抑制切屑堵塞。这种方法消除了低效率的啄式进给和耗能高的高压冷却液的必要性，具有很高的效率。此外，可以减小切屑槽的体积，从而增加刀身的厚度和强度；进给率也可以相应提高。通过基础车削实验验证了钻孔过程中侧向卷曲的抑制效果，发现这一机制可以用弯曲的切屑刚性来解释。针对侧向卷曲的抑制，使用了壁面近乎垂直的槽来对抗强烈的侧向卷曲。进一步进行的钻孔实验表明，该方法在不使用啄式进给或高压冷却液的情况下，也能有效抑制铝合金和铜合金的切屑堵塞，证明了改良钻头的有效性。同时，该方法产生的切屑呈直线状且连续，进一步验证了该方案的可行性。通过增加刀身厚度和进给率，该方法有潜力进一步提高效率，这将是未来研究的方向。下一步将测试钢材和耐热合金等材料，探索更多适用材料的应用可能性，可能会结合使用标准冷却液或高压冷却液以降低切削温度并改善切屑处理效果。此外，还将研究如何解决切屑缠绕问题，以拓展应用范围，例如深孔钻孔。

CRedI作者贡献声明：
林隆弘（Hayasaka Takehiro，贡献2项）：写作 - 审稿与编辑、撰写初稿、可视化、验证、软件应用、资源管理、方法论研究、资金筹集、数据分析、数据整理、概念化。
明辉晓 (Akari Hikaru)：写作 - 初始草稿、验证、软件应用、研究、数据分析、数据整理。
斋藤胜久 (Saito Katsuhisa)：可视化、验证、资源管理、研究、资金筹集。
住宫直树 (Sumiya Naoki)：资源管理、研究、资金筹集。
李京基 (Lee Kyungki)：写作 - 审稿与编辑、研究。
岛本英二 (Shamoto Eiji，贡献1项）：写作 - 审稿与编辑、撰写初稿、可视化、验证、监督、资源管理、方法论研究、资金筹集、数据分析、数据整理、概念化。