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一种新型钻头及其刃磨技术的研究

周志雄  
【摘要】: 孔加工是最常用的材料切除方法之一,根据行业的不同,其工序量达总加工工序量的 20~40%。所以,钻削加工技术(钻头、制造钻头的工艺及设备、钻削机理与钻削工艺) 一直是机械加工领域倍受人们研究的重要课题。 常用的钻头是锥面钻尖及普通螺旋面钻尖的麻花钻,但这些钻尖后刀面的加工机床刃 磨运动关系较复杂,不便于准确控制钻尖的几何参数,因此,到目前为止,这两类麻花钻 的几何参数仍规定有一个较大的误差变化范围。同时,随着高新技术产品的发展和需要, 微孔(特别是精密微孔)的应用场合也越来越多。由于微孔尺寸小,要精确地制造微孔加 工用的钻头是很困难的。而对现有的微钻头而言,国内外都使用平面钻尖,但平面钻尖存 在一系列缺陷。为此,本课题就是要研究一种新型的钻头、新型钻头的刃磨技术及其刃磨 装置,这种钻头刃磨时的运动关系简单、既能够精确地控制刃磨参数,又能够克服平面钻 尖的一系列缺陷;这种新型钻头既适用于普通钻头,更适用于微孔加工的微钻头。本课题 是国家自然科学基金资助项目(59775068)的一部分。论文着重在以下方面进行了研究: 1.回顾钻头及其刃磨技术的发展历程,评述几种常用钻尖后刀面的刃磨方法,总结微 孔钻削技术的发展及其特点,分析并指出平面钻尖存在的一系列缺陷,提出研究运用于微 型钻的新型钻头的必要性和可行性。 2.钻尖是钻头承担切削的最重要的部分,对钻头的研究主要是对钻尖的研究。针对 常用钻尖所存在的问题,从钻尖刃磨原理及其运动关系的分析入手,提出一种全新的钻头, 即非共轴螺旋面钻尖的钻头。建立了新型钻尖后刀面及螺旋槽的数学模型,阐述了求解这 些数学模型的过程和方法,如何精确并唯一地求解出钻尖的刃磨参数。 3.要刃磨出新型钻尖,就要开发出新型钻尖的刃磨设备。如何使设计制造出的刃磨 设备结构最合理、运动关系是简单、制造成本最低,这是我们要考虑的一个重要问题。为 解决这个问题,就要对刃磨参数的敏感性进行分析。对刃磨参数的敏感性分析主要是找出 哪一些刃磨参数对几何参数最敏感,以便于对最敏感的参数加以控制。从而达到简化刃磨 运动关系、简化机床结构的目的,同时也为新型钻尖刃磨机床的设计和控制提供可靠的理 论依据。本文的第三章就是为此而构思的。 4.对新型钻尖的几何参数进行了分析,建立了一系列几何参数的数学模型,这就可 以定量地求出几何参数的数值,从理论上分析新型钻尖几何角度分布的合理性,这有助于 对钻尖的参数进行分析和精确控制。同时,对各几何参数的分布都用曲线或曲面来表示, 湖南大学机械制造及其自动化博士学位毕业论文 摘 要 以增强其可视性。 5.横刃对钻头的切削性能影响很大。首先,钻头人钻时横刃起着定心的作用,从而 影响到所钻孔的形状、位置和尺寸精度;其次,横刃产生的轴向力约占钻削轴向力的 50.60%,从而,影响到钻头的寿命;因此,要对钻头横刃的廓形、几何角度的分布进行分 析。为了提高钻头的钻削性能,还应该对钻头的横刃进行修磨。横刃修磨的方法有多种, 但由于微钻头本身尺寸小,因此,以往的横刃修磨法都不适合于修磨微钻头的横刃,需要 寻找一种切实可行的简便方法。本文从建立横刃修磨的数学模型入手,针对微型钻头的特 点,提出了更适合于修磨微型钻头横刃的方法。对横刃的几何参数进行了分析,提出了横 刃锋角的新概念。作者认为:横刃锋角可以用作衡量钻尖处的特性。 6.研究并开发了新型钻尖的CAD与仿真系统。所建立的一系列数学模型是很复杂的, 求解它们是一件很困难的事,而且要对不同设计参数的结果进行比较,其计算工作量很大。 为此,本文建立了新型钻头的CAD与仿真系统,其目的是将所有的数学模型程序化,将计 算结果可视化,这就可以有效地解决数学模型求解的难题,简化计算工作量,提高设计精 度、可靠性和工作效率,为新型钻尖的计算机设计和仿真提供手段。 7.根据所建立的数学模型及其计算与仿真的结果,实际加工出了新型钻头的螺旋槽, 并设计制造出了新型钻尖的实验刃磨装置,刃磨出了新型钻头,修磨出了新型钻尖的横刃, 实测结果与理论和仿真结果很好地相符。这一方面从实践证明所建立的钻尖的一系列数学 模型、理论分析及CAD与仿真系统的正确性;另一方面也可以从实践证明新型钻头的刃磨 方法、刃磨原理及其运动关系的正确性:同时,也为进一步开发新型钻头的实用型刃磨机 床打下基础。本论文的第七章描述了所开发的新型钻尖实验用刃磨装置。 吕.对钻尖的入钻过程(主要是钻尖在入钻过程中产生的漂移)进行了分析和实验研究, 这对微孔钻削的研究有着重要的意义。 研究表明:传统螺旋面钻头(共轴螺旋面钻头)和锥面钻头,其刃磨运动关系复杂, 机床结构复杂,调整困难,刃磨时机床的运动坐标数多,参数难以控制,因此,虽然这两 类钻头在实践.中被广泛采用,但由于在技术上存在上述这些难度,所以就不能经济地、精 确地、高效


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