麻花钻结构参数及刃磨方法的研究毕业论文钻头部分

分类号姆T气硕士学位论文题目麻花钻结构参数及刃磨方法的研究密级英文并列题目RESEARCHOFTHE珊ISTDRIMSSTNLCTUREPARAMETERSANDSHARPENINGMETHODS研究生时林专业机械设计及理论研究方向现代制造技术师傅蔡安副教授学位授予日期T答辩委员会主席江南大学地址无锡市江南大学蠡湖校区二00六年五月摘要中文摘要FL加工技术是机械加工领域中的一项重要技术，也是当今机械加工中大有可为的应用技术。麻花钻诞生至今已有百余年的历史，但在机械加工中，目前它仍然是应用最广泛的7L加工刀具。钻孑L的工作量约占机械加工的三分之一，耗资十分惊人。近年来，麻花钻的研究工作愈来愈得到国内外专家、学者及政府有关研究部门的重视。本文主要对以下几个方面进行了研究在分析麻花钻前刀面性质的基础上建立了麻花钻螺旋前刀面的数学模型、探讨了在麻花钻磨损或破损的情况下重新修磨出直线刃的方法、在分析麻花钻前角的基础上建立了麻花钻主切削刃的优化方程、提出了传统麻花钻分屑槽存在的缺点并提出了改进方法且建立了分屑槽的数学模型、在分析传统麻花钻后刀面刃磨方法优缺点的基础上提出了一种后刀面的刃磨新方法一螺旋锥而刃磨法，并建立了在此刃磨方法下后刀面及圆周后角的数学模型，本文还对原有的锥面刃磨法提出了另一种数学模型，只要三个刃磨参数即可确定锥面后刀面，变导程螺旋面刃磨法虽然已经提出，但还没有建立相关数学模型，本文建立了其数学模型、用三维设计软件PROE建立了麻花钻的前刀面模型并用UG建立了其实体模型，提出了用这两个三维模型测量出后刀面在某一刃磨参数下的各个角度值的方法且提出了用三维软件优化刃磨参数的方法。关键词麻花钻、后刀面、数学模型、三维模型III江南大学士学位论文ABSTRACTHOLEPROCESSINGTECHNJQUEISANIMPONANTTECHNOLOGYINMACHINJNGNELD，ITSALSOANAPPLJCABLETECHNOLOGYOFHAVINGBD曲TPMSPECTSNOWADAYSINMACHININGTHETWISTDRILLHASAHISTORYOFMOREIHALL100YEARSSINCEITHASBEENJNVENTED，BULITISSIILLLHEMOSTEXTENSIVEAPPLIEDPROCESSINGCUTTJNGTOOIINMACHININGNEARLY13WORKLOADOFLHEMACHININGISHOLEPROCESSING，THECOS“SVEFYLA瑶E1NRECENTYEARSIBERESEARCHOFTHETWJSTDRILLHASBEENPAIDMOREANDMOREAITENTIONBYDOMESIICANDINTEMATIONALEXPENS，THERELEVANTSCHOLARANDDEPARTMENTOFTHEGOVEMMENTTHISPAPERHASCARRIEDOUTTHERESEARCHMAJNLYFORSOMEFOLLOWJNGASPECTS0NTILEBASJSOFANALYSISIHECHARACIERISTICOFTHETWJSTDNULSRAKEFACE，THEMATHEMATICALMODELOFIHELWISTDRILLSSPIRAIRAKEFACEHASBEENESIABLISHED；T1LEMELHODOFRESHARPENINGLHESLRAI曲TMAJORCUILINGEDGEINCONDITJONSIHATTHETWISTDRI儿HAVEBEENABRASEDORDILAPIDATEDHASBEENDISCUSSED；ONIHEBASISOFANALYSISTHEWISIDRJLISNKEANGLE，THEOPTIMIZEDF0聊ULAOFIHETWJSIDRILLSMAJORCUTTINGEDGEHASBEENESTABLISHED；ONLHEBASISOFANALYSISLBESHORTCOMINGOFLHETRADIIIONALMISLDRMSCHIPSPL“GROOVE，IHEJMPR0VEMENTMETHODHASBEENPUTFORWARDANDTHEMATHEMAIICALMODELHASBEENESLABLISHED；ONTHEBASISOFANALYSISTHEADVANTAGEANDSHONCOMINGOFTHESHARPENINGMEIHODOFTHETRADITIONALTWISTDRILLSNANK，ANEWSHARPENINGMETHODOFTHENANKHE】ICALCONESHARPENINGMETHODHASBEENPUTFORWARD，THEMATHEMATICALMODELOFTHENANKANDCIRCUMFERENTIALCLEARANCEANGLEHASBEENESTAB“SHEDUNDERTHISSHARPENINGMETHOD，ANEWKINDOFMATHEMATICALMODELOFLHEORIGINALCONESHARPENINGMETHODHASBEENPULFORWARD，THECONICALNANKOFTHETWISTDRILLCANBEDECIDEDONLYBYTHREESHARPENINGPARAMETERS，THEVAABLELEADHELJCALSHARPENINGMELHODHASBEENPUTFORWARDALREADY，BUTTHERELATEDMATHEMATICSMODELHASNTBEENESLAB】ISHEDYET，AND“HASBEENESTABLISHEDINTHJSPAPER；THESHAPEMODELOFTHETWISI“RAKEFACEHASBEENESLAB】JSHEDBYTHREEDJMENSIONALDESIGNSONWAREPME，ANDTHESOLJDMODELOFTHE1WISTDRILLHASBEENESTABLISHEDBYLHREEDIMENSIONALDESIGNSOFLWAREUQTHEMELHODOFMEASUREIHEANGLESAFLERLHEFLANKFACEHASBEENSHARPENEDUNDERACERTAINSH8RPENINGPARAMETERSBYUSINGTHETWO【HREEDJMENSIONALMODELHASBEENPUTFORWARD，THEMETHODOFOPIIMIZETHESHARPENINGPARAMETERSBYUSINGLHREEDIMENSJONALDESJGNSONWAREPROEHASBEENPUIF01WARDLOOKEYWORDSTWJSTDRILL、NANK、MATHEMATICALMODEL、LHREEDIMENSJONALMODEJ独创性声明本人声明所星交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文巾特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。0，签名翻主挞日期力彩年G月Y日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。签名日主拯翱虢得撅日期20。占年占月7目第一章绪论第一章绪论11研究麻花钻结构参数及刃磨方法的意义孔加工是机械制造中最重要的加工工种，钻IL的工作量约占机械加工的三分之一，耗资十分惊人【1】。麻花钻诞生至今已有百余年的历史，但目前它仍然是应用最广泛的IL加工刀具。传统的麻花钻的几何形状存在着很多缺点，这些缺陷常使麻花钻磨损快，严重影响着钻孔效率与己加工表面质量。因此，对麻花钻结构参数的研究越来越得到大家的重视传统的麻花钻重磨靠手工刃磨，难度大，精度差，而机械刃磨又缺乏充分的理论指导，在数学模型的研究及建立3【5】方面研究的还不是很充分，所以限制了它的发展速度，因此，对麻花钻刃磨方法的研究7L具有重要的意义。随着数控技术的发展，产品的生产制造也经历了从手工操作到机器自动化加工的转变，而数控技术的应用，又离不开数学模型的建立，由于传统的麻花钻刃磨都是采用手工刃磨，因此过去对麻花钻数学模型的研究较少，这严重制约了麻花钻在数控刃磨方面的应用。近年来，随高效加工、自动化生产、加工中心、高强度高硬度金属材料、复合材料及涂层材料等日益得到较为广泛的应用，对麻花钻的钻削效率、钻削精度及钻削的稳定性等方面提出了更一高的要求，而通过手工刃磨的麻花钻是无法满足这样的要求的，因此，麻花钻数控刃磨的应用越来越重要，麻花钻的数控化研究【8】19L【LO|工作愈来愈得到国内外专家、学者、及政府有关研究部门的重视。国内外的专家学者也掀起了研究麻花钻数学模型的的热潮，虽然取得了一定的成果，但由于起步完，在这方面还是很不充分和完善。本文中，通过对麻花钻的研究，建立麻花钻的各个部分的数学模型，给数控刃摩提供了一定理论支持。由于计算机及微处理机的愈来愈广泛的应用，使得计算机对钻头进行数学分析成为可能【1L】【12】【13J114J。三维软件的产生，给机械没计带来了革命性的发展，现己应用在机械设计及分析的方方面面。本文中，用三维没计软件PROE及UG建立了麻花钻在某一刃磨参数下的三维模型，使之在视觉上更加直观，并且通过三维没计软件自身具有的强大分析功能，测量出在该刃磨参数下得到的各个角度值，从而分析出在这个刃磨参数下得到角度值是否合理。并且，可以通过三维软件具有的分析优化功能，对相关刃摩参数进行一定的优化，使之得到较为合理的刃磨参数以及在这个刃磨参数下得到较合理的刃磨角度值。本研究工作的意义，总的来说可以归纳为以下几点1分析研究已有麻花钻的结构参数及刃磨方法的情况2建立较完善的麻花钻结构参数的数学模型；3建立麻花钻各几何参数新的刃磨方法及刃磨方法的改进建议；4为机械刃磨或数控刃磨提供一定的论论依据；5对麻花钻重磨后的几何参数进行模拟检测；6对今后麻花钻的结构改进提供一定的理论依据江南大学士学位论文7充分利用计算机技术，建立麻花钻三维模型，并为其它刃磨方法下三维模型的建立提供了参考。12标准麻花钻的组成如图11所示，麻花钻有三部分组成尾部、颈部和工作部分。1尾部一钻头上供装卡用的部分，并用来传递钻孔所需的动力包括扭矩和轴向力；2颈部一一位于工作部分与尾部之间，是在磨钻尾时供砂轮退刀用；3工作部分一一又分切削部分和导向部分。切削部分担负主要的切削工作。导向部分是在钻孔时起引导钻头的作用，同时还是切削部分的后备部分。这种钻头之所以叫“麻花钻”，就因为它的外形象根“麻花”。在它的工作部分开有两条螺旋槽，槽的作用是容纳和排除切削，钻削时，切削沿着槽面不断流出，冷却润滑液则沿着槽面流入。它的导向部分外缘有棱边，是狭窄的圆柱面近似的，这样既减少了孔壁与钻头问的摩擦，还能起到引导钻头方向的作用【15J。13标准麻花钻切削部分的组成前面一一即螺旋槽表面，是切屑沿着流出的表面。这表面在钻头热处理前、后大多经过抛光。主后面一一位于工作部分的端部，是与工件加工表面孔底相对的表面，其形状由刃磨方法决定，可以是螺旋面、锥面或平面；而用手工刃磨时，则一般是曲面。副后面一一即钻头的棱边或刃带，是与工件已加工表面孔壁相对的表面。主切削刃一前面与主后面的交线，它担负主要切削任务。副切削刃一前面与副后面的交线。横刃一一两主后面的交线。外缘尖一一主切削刃和副切削刃的交接处称为外缘尖即刀尖。钻心尖一一横刃和钻轴的交点。由此可见，麻花钻有六个刀面、五条刃、三个尖组成。第一章绪论滩寒耍一可，塑L啊一誓篁一忑签妥封耋；40一一蔓盟X咝一一J、L玎二0湛。JI_L“14麻花钻的结构参数翔】I啐盹销舯嗤4一JJ一“4J”，6一甜I刊7博出臻。二U，I盼坪帅P一饯许仃一”带带TA硅。L皇_一捂_钉_F_LK、啊G詹。蹦“，嶂泓PR，知R”F；H“，电，PL确酶睹如麻花钻的结构参数是指钻头在制造过程中控制的参数，它们是决定钻头几何形状的独立参数。麻花钻的结构参数分为尺寸参数和角度参数两种。141尺寸参数1钻头直径D。2钻心厚度K2R。普通麻花钻的钻心厚度通常如表11所列，或取2R。O2D0。钻削难加工材料的专J；|钻头，可增大钻心厚度到2R。02504扎硬质合金钻心厚度取2R。O25O27K表11麻花钻钻心厚度C】。251251512LJ802RC028O2D。，O2015D。0145O125D。3横刃长度B江南大学士学位论文修磨两主刃后刀面时会自然形成横刃B。横刃的切削条件最差，对轴向力、钻削温度及钻削质量的影响较大，为改善钻削条件，使用时一般都要修短横刃长度，修短后的横刃长度用B。表示。4其它参数棱边宽度B。，和棱边高度C。一般B。取O2O26MM，C。取O112咖，棱边倒锥为003O12唧100MM，大钻头取大值。D。2中。，两主刃相对于刀具实体呈凹形；若2中2中。，两主刃相对于刀具实体呈凸形。3螺旋角B通常所说的螺旋角是指钻头外圆柱面与螺旋槽表面的交线上任意点的切线与钻轴的夹角，钻头螺旋角B的大小，由螺旋槽的导程P和钻头半径R。所决定。即喀卢孕11由于钻头任意半径各点螺旋槽的导程相等，因此，钻刃不同半径的螺旋角是不相等的。即卵X2惫卵“屯式中卢。一钻头任意半径的螺旋角，度；R，一主刃任意点半径，MM。4横刃斜角在钻头端视图内，横刃与主切削刃的或与两主切削刃平行对称且过钻轴中心的对称平面的央角。横刃斜角是在刃磨两后刀面时自然形成的。当后角增大时，横刃斜角要减小，且横刃长度增加。因此，可根据横刃斜角的大小判断横刃的锋利程度，即刃磨时可以用检验V角大小的方法来控制横刃后角口。的大小，近似地把横刃附近的后刀面看作是平面，横刃4第一章绪论斜角与横刃后角的关系式为式中A。一一横刃后角，度；一横刃斜角，度中。一一原始半锋角，度。C喀NSINV馏O15本课题论文国内外研究情况13由于麻花钻在机械加工中的重要性，对麻花钻的研究，国内外的专家学者一直没有中断过。近年来，随高效加工、自动化生产、加工中心、高强度高硬度金属材料、复合材料及涂层材料等日益得到较为广泛的应用，对麻花钻的钻削效率、钻削精度及钻削的稳定性等方面提出了更高的要求，麻花钻的研究工作愈来愈得到国内外专家、学者、及政府有关研究部门的重视。特别是随着数控技术的发展，麻花钻数控刃磨的应用越来越广泛，麻花钻的数控化研究工作愈来愈得到国内外专家、学者、及政府有关研究部门的重视。国内外的专家学者也掀起了研究麻花钻数学模型的的热潮，取得了一定的成果，如陈壁光、GALLOWAY、SMWU、MAFNGELSO等人提出了以二次曲面作为钻头后刀面数学模型的理论13J等。但由于这方面研究的起步晚，因此还是很不充分和完善。当前国内外主要研究的方向是钻削方法及钻削辅具如振动钻削、微小孔钻削、切削液的输送方法等；钻头结构的研究如四刃钻、三刃钻、无横刃钻、硬质合金可转位浅孔钻、等前角钻及蜗杆钻等；刀具材料及钻头的表面处理如高性能高速钢、硬质合金、表面涂层、氮化和硫化等表面处理钻头刃形和刃磨方法的研究如群钻及类似群钻的刃形、手工刃磨法、刃磨夹具及多维数控刃磨机等麻花钻几何参数间的数学数学关系及计算机辅助设计如各刀面的数学模型、麻花钻结构设计的CAD、机械刃磨的数学模型等；钻削机理及监测技术的研究如钻削过程、钻削的稳定性及钻削过程的监测等|LJ。16本学位论文研究内容综述麻花钻的前刀面一螺旋槽表面，是切屑沿着流出的表面。在麻花钻钻削过程中，各切削刃及前、后刀面会出现磨损或破损的情况，或者为了适应不同的加工材料，要改变某些角度或钻头的形式，这时就要求对麻花钻进行修磨，比较常见的就是对麻花钻后刀面进行修磨。然而，我们在对麻花钻后刀面进行修磨之后，其主刀刃为前刀面和后刀面的交线，如果没有前刀面方程，我们就无法求出修磨后主刀刃的方程，也就无法求出沿主刀刃上各点处的后角的大小，因此，必须要建立起前刀面的方程。经翻阅相关资料，虽然有些文中给出了前刀面的方程，但并未指出是在一个什么样的坐标系下建立的方程，也没有给出前刀面方程的推导过程，而且各种资料中的I狮刀面方程不尽一致。为此，本文在研究麻花钻前刀面的性质“”后，E江南大学士学位论文建立了麻花钻前刀面的数学模型。麻花钻在钻削加工过程中各切削刃及前、后刀面会出现磨损或破损的情况，或者为了适应不同的加工材料，要改变某些角度或钻头的形式，这时就要求对麻花钻进行修磨。标准直线主刀刃的麻花钻，其外缘点螺旋角B300，顶角2M1180，在对标准直线主刀刃麻花钻的后刀面刃磨时，需要保证刃磨后的主刀刃仍然是直线刃，因为相对于直线刃，曲线刃的长度变长，主刃上各点的切削速度及方向差异更大，使切屑卷曲拉扯更加严重排屑更加困难，切屑占据的空间体积更大，使润滑液更不易流入。为此，在采用锥面刃磨法时要保证直线刃与砂轮母线重合“，在采用螺旋面刃磨法时，要使直线刃绕钻头轴线做螺旋运动“。但是，在现有的理论中，都是建立在直线刃已经存在的情况下，来保证刃磨后的主刀刃仍然为直线，然而，在实际情况下，麻花钻的主刀刃在钻削加工过程中，会出现磨损或破损，如图41所示，在修磨时要将整条直线刃修磨掉，重新修磨出一条新的主刀刃，然而如何保证重新修磨出的主刀刃仍然是直线刃呢在现有的理论中较少提到，为此提出了在标准麻花钻直线主刀刃磨损或破损的情况下，重新修磨出直线主刀刃的方法。麻花钻刃磨方法的不同，对它的切削性能及耐用度有较大的影响。普通的麻花钻，由于其主刀刃长，切屑宽，并且切削刃上各点的切削速度及方向差异很大，使切屑卷曲拉扯严重，排屑困难，并且切屑产生宽而松的螺卷，占据了较大的空间体积，使润滑液不易流入，针对上述缺点，通常采取在麻花钻上磨分屑槽的办法120】，但是传统的分屑槽刃磨方法存在着一些缺点，这影响了钻头的切削性能和耐用度，为此，提出了一种新的分屑槽刃磨方法，提高了钻头的切削性能和耐用度。麻花钻的后角值规定在圆柱剖面内测量，并要求刃磨时将主切削刃上各点的后角磨得大小不等，即外缘处后角较小，越接近钻芷后角越大【211。在已经提出的后刀面刃磨方法中，比较理想的有锥面刃磨法【22】【驯【“】和变导程螺旋面刃磨法119】。本文对原有的锥面刃磨法提出了另一种数学模型，只要三个刃磨参数即可确定锥面。变导程螺旋面刃磨法虽然已经提出，但还没有建立相关数学模型，本文建立了其数学模型。本文还提出了一种新的刃磨方法螺旋锥面刃磨法，该方法刃磨出的钻头后角分布合理，而刃磨机构及调整更加简单，易于实现机械刃磨，因此具有较高的实用价值。原始锋角2九1180、切削刃平直的标准麻花钻，主切削刃上各点的前角是不相等的，从外缘到钻心处，前角约由300减到300瞄】。由于加工材料的不同，对麻花钻前角大小的要求是不一样的，在对某些材料钻削时，要求麻花钻的前角尽可能的大，那么，如何爿能找到使前角达到最大值的主刀刃方程呢现有的资料中没有相关的研究。查阅资料可以知道，当麻花钻的制造参数一定时，即保证直线刃的原始锋角2九、螺旋角M和钻心厚度2R0确定，亦即前面螺旋槽的形状固定了，则主切削刃上各点的前角Y，只与浚点的位置R。R的主偏角妒。有关1261。本文通过找出在切削刃上各点前角K达到最大值时的主偏角竹的方法，建立了主刀刃达到最大前角的方程。6第一苹绪论麻花钻是使用十分普遍的孔加工刀具，其后刀面能否合理刃磨对钻孔加工有较大影响。为了改进后刀面刃磨参数，提高钻头使用性能，采用了目前最先进的三维参数化设计软件PROE，对标准直线刃麻花钻B300，2中1180锥面刃磨法后刀面进行了分析研究。文中，由麻花钻的两个结构参数变量确定了其螺旋前刀面，由三个刃磨后刀面的刃磨参数变量确定了麻花钻的锥面后刀面，打开此模型后，可通过输入这五个参数变量，在屏幕上自动生成麻花钻的螺旋前刀面和锥面后刀面，然后利用PROE软件提供的测量工具，测量出在不同结构参数和刃磨参数下各切削刃上的各种角度值，完全替代了传统的手工计算，另外，锥面刃磨法存在翘尾现象，这在手工计算时很难发现，往往要到钻头刃磨出来以后才能发现，而利用三维模型可直观的分析是否存在翘尾现象。同时，利用三维参数化设计软件UG建立了麻花钻后刀面在某一刃磨参数下的实体模型，并可通过此实体模型分析麻花钻在这个刃磨参数下刃磨后的各个角度值。江南大学十学位论文21引言第二章螺旋前刀面方程的推导麻花钻的前刀面一一即螺旋槽表面，是切屑沿着流出的表面。切削刃上任一点的前角是这一点的基面与前而或前面的切平面之间的夹角。”。在麻花钻钻削过程中，各切削刃及前、后刀面会出现磨损或破损的情况，或者为了适麻不同的加工材料，要改变某些角度或钻头的形式，这时就要求对麻花钻进行修磨，比较常见的就是对麻花钻后刀而进行修磨。然而，我们在对麻花钻后刀面进行修磨之后，其土刀刃为前刀面和后刀面的交线，如果没有前刀面方程，我们就无法求出修磨后主刀刃的方程，也就无法求出沿主刀刃上各点处的后角的大小，因此，必须要建立起前刀面的方程。经翻阅相关资料，虽然有些文中给出了前刀面的方程，但并未指出是在一个什么样的坐标系下建立的方程，也没有给出前刀面方程的推导过程，而且各种资料中的前刀而方程不尽致。为此，本文在研究麻花钻前刀面的性质后，建立了麻花钻前刀面的数学模型。22前刀面的数学建模麻花钻前刀面如图21所示，这个前刀面足一个螺旋面，是由过直线刃上一系列等螺距的螺旋线组成。图21麻花钻前刀面根据这个原理，建立了其数学模型，其过程如R图22中相关符号的说明R麻花钻的半径“直线刃上任一点的、卜径第二章螺旋前刀面方程的推导RC一麻花钻的半钻厚I直线刃的全长O坐标系。与O直线饶Z轴的夹角H坐标系0与0问沿Z轴方向的距离T1在直线刃上取的一个长度比例系数，OT11T2在螺旋线上取的一个长度比例系数，OT2L由三角函数可得化SIN59012RC2R2所以LR2一RC2SIN590在直线刃上取一长度比例点A，如图22，过点A有一条螺旋线，其半径为MNSIN5902RC2俗蕊WI，R薄、岁、一F飞鬈Z一彳I少L崔七1米SN59LL米SN59212223图22前刀面方程推导示意图为便于观察，把坐标系反过来画，如图22。直线刃上各点的导程不变，为PZ2RTAN30024在螺旋线上耿一长度比例点A，则，在0坐标系下，A，点的坐标为RXCOSF2木T2，RX丰SIN2丰术T2，PZ木T225此螺旋线可视为在O坐标系内，先饶Z轴转一OO，再沿Z轴F方向平移II。K几卅，|攀训。降【Z心F2一日奠中H也F1SIN59。2，C2疗90。_ARCT。墨型23结论在研究麻花钻前刀面性质的基础上，建立了麻花钻前刀面的数学方程，有了这个前刀面的数学方程，我们在对麻花钻主后刀面进行修磨后，可以通过联立前、后刀面的方程的方法求出后刀面经过修磨后的麻花钻主切削刃的数学方程，从而进一步求出麻花钻经过修磨后的各个角度值。第三章麻花钻后刀面刃磨方法的研究31引言第三章麻花钻后刀面刃磨方法的研究麻花钻的主后刀面位于工作部分的端部，是与工件加工表面孔底相对的表面，其形状由刃磨方法决定。麻花钻在钻削时，钻头前锥的刀刃全部参加切削，后刀面不断地与切屑和工件相接触，产生剧烈摩擦，同时接触内温度和压力又很高，其后刀面的磨损较为严重，这也是钻头磨损的主要形式I，8】。麻花钻的后角值规定在圆柱剖面内测量，并要求刃磨时将主切削刃上各点的后角磨得大小不等，即外缘处后角较小，越接近钻芯后角越大口”，这样可使各点的楔角大小大致差不多，同时还能增大横刃的前角和后角。常用的麻花钻刃磨方法有锥面刃磨法、螺旋面刃磨法、平面刃磨法、圆柱面刃磨法等。采用平面刃磨法和圆柱面刃磨法时，刃磨机构调整方便，易于实现自动化刃磨，但刃磨出的钻头寿命不高；锥面刃磨法始于本世纪初【2”，它是由GALLOWAY建立起来的1301，ARLLLAREGO【31】【”】【331对其做了进一步研究，这种方法应用最为广泛，该方法刃磨后沿钻头主刃的后角分布较为合理，可较好的兼顾横刃前、后角和钻芯强度，缺点是刃磨机构复杂，调整繁琐【19】；此外，锥面刃磨法还有一个很大的缺点如果刃磨参数选得不当，常常会出现后刀面的尾部向上翘起的翘尾现象12，这种翘尾有时还翘得很高，当翘到一定程度后，用这种钻头钻孔时，钻头后刀面的尾端就直接顶在了孑L底，从而使钻头无法进行钻削，因此，在麻花钻的锥面刃磨中，必须减小或克服这种翘尾现象，但在选择刃磨参数时往往不能发现，等到了刃磨出来后刁可发现是否存在翘尾现象。为了解决这种现象，有文章提出采用新型锥面刃磨法【2”，就是在使用锥面刃磨法时，让钻头附加一个逆时针旋转角度参数，这样虽然能解决翘尾现象，但刃磨后的直线刃为曲线刃，这增加了切削变形的程度，降低了刀具酬用度。为解决翘尾现象，本文提出了一种新的刃磨方法变螺旋锥面刃磨法，这种方法很好的解决了锥面刃磨法存在的“翘尾”现象，且刃磨出的钻头其圆周后角可在较大范围内变化，以适合不容材料的钻削加工。同时，本文也提出了锥面刃磨法的另一种数学模型，这种数学模型适合对锥面进行三维的建模，因此可通过对不同刃磨参数进行三维建模，直观的去分析是否存在着翘尾现象；变导程螺旋面刃磨法虽然已经提出，但还没有建立相关数学模型，本文建立了其数学模型。江南大学士学位论文32后刀面的刃磨321变导程螺旋面刃磨法的数学建模变导程螺旋面刃磨法的后刀面的形成如图31。设麻花钻半径为R，半钻厚为R。图31变导程螺旋面刃磨法后刀面坐标系原点O为两主刀刃在过钻头轴线且平行于两主刀刃的平面上投影的交点。Z为钻头轴线。点A为直线刃的延长线与另一侧直线刃在空间的交点。点B为直线刃的外缘点。在刃磨时，直线刃AB绕Z轴转动，点A和点B分别沿半径为R和R的螺旋线作螺旋运动。设点A每转过一个弧度，沿Z轴下降P1，点B每转过一个弧度，沿Z轴下降P3，P1，P3的值用来控制点A和点B处的后角值，应使P1P3，以防止点A处的后角过大1。在直线刃AB的上任取一点C，在AB的端面投影上取一长度比例系数T0T1。则由上可知，点C每转过一弧度，其沿Z轴的下降值为P2TP3一P1。钻头坐标系如图31所示。C点的坐标为F孵，_R，等3_1当点C绕Z轴转过E弧度后，其坐标变为ZCOS口一SIN口LY|L。J。臼COS口【纠【OOF。月2一，2一RF4尺2一R2培590F、厅IR二7COS疗RSJN口LFS压【7TSINPRTCOS口FR2一R2增590因为在旋转过程中，点C沿轴Z还有一个下降量为TP3一P18O32第三章麻花钻后刀面刃磨方法的研究所以，当直线刃沿Z轴转过。弧度之后，相应的，C点转到CL点，其坐标为FJCOS臼RSIN目，F。J再SINPRCOS口即螺旋面方程为生二笋TP3一P1。33XF4I耳COS臼RSIN口YF，I可SIN口一RCOSPZ三掣FP3一P1口。信590一”“将此方程饶麻花钻轴线旋转1800即可求出另一侧后刀面方程，为一F再COSPRSIN日Y一FJ酉SIN口RCOS口Z掣FP3一P】P培590一”7。C点圆周后角O，。【圳的计算点C的半径为R2F2R2一R2点C的导程为PTP3P12丌则C点的后角【351为TS。“I2RC27；J；器322螺旋锥面刃磨法的数学建模343536373_8螺旋锥面如图32。I殳麻花钻半径为R，半钻厚为R。点A为直线刃的延长线与另一侧直线刃在空问的交点。点B为直线刃的外缘点。坐标系原点O为BA延长线上的一点，设0AL，点D为AB延长线上的一点，设BDK，T为钻头的轴线，Z轴与T平行。在刃磨时，0D绕Z轴作旋转运动，并且，设每转过一度，DD与Z轴的兴角减小N度。这样就建立了两个刃磨参数L、N。在OD上任取一长度比例点C，并取长度比例系数TOL1。所以，C点的坐标为江南大学士学位论文SIN59。KSIN59。两4R，。，L二；二KCOS59。4R39SLNY。肚“等手似CO|誉褂医I褂圈FCOS日COS614一COS疗SIN6B1LSIN口COS鲫爿一SIN口SIN州BL310SJN甜爿COS洲4BL14第三章麻花钻后刀面刃磨方法的研究FZ一COS口COS6LV4爿COS口SIN161曰2L4SIN590Y一SIN臼COSI皇4爿SIN口SIN61B2R312LZSIN刮、，44COS6BC点圆周后角的计算，其方法为过C点作一个以T轴为轴线的圆柱面，分别求出圆柱面和后刀面在该点的法向量FL和F2，则圆柱面与后刀面的交线在该点的切向量F3为F3F1F2。在过C点且与轴T垂直的平面内，作一个圆心在轴线T上，且过C点的圆，然后求出该圆在点C的切向量F4。则所求点的圆周后角值1为A，ARCCOS璺二丝313A，C28。8I；JF。砜313具体步骤如下。，7、一L少汰幽33求C点吲蒯后角不惹图求F1由三角函数关系，可求出H为LSIN590KSIN590R2一，28F一SIN590圆柱半径R为JRHR2圆柱轴线上各点的坐标为SIN590，R，Z153一143一】53一16江南大学士学位论文O一上SIN59。2_，一R2日2R2317F1陋，一R，O】318由后刀面方程可以看出似2工口，F【ZZ即F2【罢，罢，一1】3201一S砷C。S爿4詈一C础SIN洲爿JV詈C。S口C。S詈尝陆。1慨唧小批、S；N心N4B警一C。S口C。SB84罢一C。S心N詈尝、。帆戚邯以1_SIN口C。S鲋爿一C。S心N酬爿JVSINPSIN鲋口一C。S臼C。S洲B。娑PCOSCSINS叭删棚。一卜刚SINC雾COSS。悻。一SIN口C。SC甜V，爿；箩一C。SPSINC岔，4爿；孑C。S口C。SC刮V，詈告；，。、DYDYDFDYSMSIN甜。曰票一COS日C。STBT警一C。S心N等罢。DYDYDFDVOSIN8C。S6T爿一C。S口SIN6T爿VSIN口SJN6占一C。SPC。S6；B，芸旦卜COSCSINSN删删。再卜刚SJNC手删COSS，。第三章麻花钻后刀面刃磨方法的研究化简后即为。JC。S日COS州爿“N口SIN洲爿JVC。S日SIN酬B“N口C。S州4曰罢326卜COSCSINSN删。一卜MSINC雾COSS，。后刀面第二个方程两边对Y求导，得化简后即为LCOS口C。S州爿“N心N吖TT|VC。S心N纠T口“N口C。S州B】娑卜COS刚INSNN再卜MSJNC州雾“细渤。愕咿328兮DL一SINPCOS6爿一COS日SIN6I4SJNPSIN6BCOSPCOS68口4D2_COS觚S州H删N59。MIN590厅7C。S侧州“等乒根COS59。D3COS口COS甜爿一SIN口SIN创4爿。JVCOS疗SIN甜4口一SIN臼COS创BD4_SINS州堋N590心N590厅7_SIN挑IN州“等乒“COS59。令L_DL。塑D2里AXAXOD1塑D2T里AYAYOD3塑D4旦AXDX1D3塑D4旦D日D4缸D1D4一D2D3MD3篓们3叼4329A口D27AVD28D3一D14D4MDLAVD1。D4一D24D37巧P以一缸叫一西甜一缸一哪坦M叫哪PM甜帕里缸叫胪一打叫W哪咖吖口文痂胁塑缸吲一缸兰、H吖州口畎瞄峙L刍功P以一砂叱百P一妙吖等|宝们咖帕塑吵Q茎塑妙胪胪一一啪瞄Q帕塑砂咄舻翌秒哪一删啷心卜哪江南大学士学位论文1；工SIN590KSIN59。而E2三型墨二三_K1COS59。SIN592由后刀面方程知求解上述方程，得罢COS吖JV爿罢SIN甜TEL兰一SIN鲋占JVT警C。S甜TE2T罢魄唧以帆船C。S爿“NB譬SIN饿C。SE2拦考C呶吖，T爿T号“N，SET考“N，B詈C。S，EZ考P。C。S洲TJVT爿一SIN洲TBJV罢SIN刎E1C。S州T2罢将塑、兰、塑、旦代入上面方程，即可求出后刀面法向量F2，为弧DX时哪N2降割3SZ求F3圆柱面与后刀面的交线的切向量F3为F3F1F2333求F4过点C且圆心在钻头轴线上的圆的切向量F4，为F4R，H，0】334求出后角“，C，为。心。鲁；葛335。，C28。8II。嗣333直线刃上圆周后角的控制，其方法为在直线刃上任取两点，一般取最外缘点和靠近钻芯处某点，分别给定个我们所希望得到的后角值AL和O2。分别求出这两点处的长度比例值T和T。，由题意可知，这两点处。均为O。将OL、TL、O，和O2、T2、O分别代入方程1中，可得一组方程甜一舭甜一妙沿一以掳一M把一沾汜一翘甜一打西一妙泓一MM一甜以一M把一叫阳一缸阳一妙把一汜一弛一打弛一砂第三章麻花钻后刀面刃磨方法的研究求解此方程组，即可求得能得到O1、和A2所需的一组刃磨参数L、N。图34是在PROE中通过三维建模后，测出的圆周后角在主刀刃上的变化曲线图。R15，R1875，NO10，L30，从图中可以看出，其圆周后角从外缘点的120左右逐渐增加到内缘点的290左右。如果想要取得较大的后角值，只要增大N的值即可实现。F，“|；。I7。，I，HL一R图34麻花钻后角在直线刃上的变化曲线图323锥面刃磨法的数学建模锥面刃磨法后刀面的形成如图35。点A为直线刃的延长线与另一侧直线刃在空问的交点。点B为直线刃的外缘点。坐标系原点O为BA延长线上的一点，设OAL，以0点为原点建立坐标系如图35。圆锥后刀面可看成是轴线在过直线刃AB且平行于另一侧直线刃的平面内，且母线通过AB的圆锥绕向量爿曰转过。度后得到，这样能保证刃磨后主刀刃仍为直线刃。圆锥半顶角为O。这样，就建立了三个刃磨参数L、A、O。由图35可得出圆锥未绕爿B旋转时的方程为愁一一一江南大学士学位论文图35锥面刃磨法示意图S259一PX2一Z22SIN259一日KZY2O337圆锥绕面转过N度可看成是圆锥绕Y轴转310，然后绕X轴转A度，然后再绕Y轴转310得到。其旋转矩阵为R五RY_3L。JRJ川。尺Y。LOFCOS一310LSIN一310雠M纛COS2310SJN2310COS口一SIN310SIN“COS310SIN310SIN310COS310COS口1LSIN口SJN310COSASINACOS310I338LSIN310COS3101一COSACOS310SIN乜SIN2310COS2310COSAI33结论麻花钻后刀面磨损是麻花钻钻削加工时的主要磨损形式，因此，能否对麻花钻后刀面进行合理刃磨对麻花钻的使用寿命有极大的影响。本文中麻花钻后刀面采用的刃磨方法，均能得到直线主刀刃，且所得到的后角分布都比较合理，尤其是提出的新刃磨方法螺旋锥面刃磨法，该方法刃磨出的钻头后角分布合理，而刃磨机构及调整更加简单，易于实现机械刃磨，值得推广应用。IL叫RRO0OK“出O10州I1M。瞄SCO10第四章标准麻花钻修磨直线刃方法的研究41引言第四章标准麻花钻修磨直线刃方法的研究麻花钻是孔加工刀具中应用最普遍的一种刀具，由于其在钻削加工过程中各切削刃及前、后刀面会出现磨损或破损的情况，或者为了适应不同的加工材料，要改变某些角度或钻头的形式，这时就要求对麻花钻进行修磨。标准直线主刀刃的麻花钻，其外缘点螺旋角B300，顶角2中1180136】，在对标准直线主刀刃麻花钻的后刀面刃磨时，常需要保证刃磨后的主刀刃仍然是直线刃，因为相对于直线刃，曲线刃的长度变长，主刃上各点的切削速度及方向差异更大，使切屑卷曲拉扯更加F”重排屑更加困难，切屑占据的空间体积更大，使润滑液更不易流入。为此，在采用锥面刃磨法时要保证直线刃与砂轮母线重合，在采用螺旋面刃磨法时，要使直线刃绕钻头轴线做螺旋运动。但是，在现有的理论中，都是建立在直线刃已经存在的情况下，来保证刃磨后的主刀刃仍然为直线，然而，在实际情况下，麻花钻的主刀刃在钻削F|【L工过程中，会出现磨损或破损，如图41所示，在修磨时要将整条直线刃修磨掉，重新修磨出一条新的主刀刃，然而如何保证重新修磨出的主刀刃仍然是直线刃呢在现有的理论中较少提到，为此提出了在标准麻花钻直线主刀刃磨损或破损的情况下，重新修磨出直线主刀刃的方法。图41麻花钻磨损示意图42直线主刀刃数学模型的建立发麻花钻的半径为R，半钻厚为RC。江南大学士学位论文图42钻头坐标系的建立因为原来的直线刃已磨损，为此，取外缘螺旋线上一点A作为重新修磨出的直线刃的外缘点，建立一个钻头坐标系，如图42和图43所示，在钻头坐标系中，点A的坐标为XA，Y。，ZA，取点的位置视主刀刃磨损的情况而定，其原则为使修磨掉的金属尽量少。过点A作一个与钻芯圆柱体相切的平面P，如图43所示，其中，直线AB为P平面与钻头前刀面的交线，这条交线就是我们要找的那条直线主刀刃，T为平面P与钻芯圆柱体的切线，由标准麻花钻的性质可以知道直线AB与切线T间的夹角为590。图43麻花钻端面视图和P平面视图根据图43所示，由数学关系，可求出B点的坐标为RC锄眠SIN。譬4110当主刀刃磨损量较大时，要修磨掉的金属较多，此时，A点的X坐标为负值，根据数学关系，求出的。值为目90。一A眦OS竺一ARCCOS生尺R20当主刀刃磨损量较小时，要修磨掉的金属较少，此时，A点的X坐标为正值即图43中的A，点，根据数学关系，求出的。值为口90。一ARCC。S等ARCC。S姿43尺R。则直线主刀刃AB的方群为22J，萨第四章标准麻花钻修磨直线刃方法的研究兰二垄二匕RCCOS口一XRCSIN口一匕一三二墨一QJ；J。；JT959。44这样，就得到了直线主刀刃的数学模型，能在修磨后刀面的时候，重新修磨出直线主刀刃。43结论在标准麻花钻直线主刀刃磨损或破损的情况下，找到了过外缘螺旋线上任一点唯一的一条直线主刀刃，并建立了其数学模型，为机械修磨出直线主刀刃提供了理论上的指导。江南大学士学位论文51引言第五章主切削刃曲线优化的研究原始锋角2九1180、切削刃平直的标准麻花钻，主切削刃上各点的前角是不相等的，从外缘到钻心处，前角约由300减到300。由于加工材料的不同，对麻花钻前角大小的要求是不一样的，在对某些材料钻削时，要求麻花钻的前角尽可能的大，那么，如何才能找到使前角达到最大值的主刀刃方程呢现有的资料中没有相关的研究。查阅资料1151可以知道，当麻花钻的制造参数一定时，即保证直线刃的原始锋角2九、螺旋角和钻心厚度2R0确定，亦即前面螺旋槽的形状固定了，则主切削刃上各点的前角Y。只与该点的位置R的主偏角吼有关。本文通过找出在切削刃上各点前角N达到最大值时的主偏角竹。的方法，建立了主刀刃达到最大前角的方程。52标准麻花钻前角的分布标准麻花钻主切削刃上各点的前角Y，可用下述公式计算|16FGY。；华生一培A。COS吼SLN垆，还有TGM。SJNK鱼R，喀妒，喀妒OCOSAH式中Y，一一切削刃上任一点的前角度51525354第五章主切削刃曲线优化的研究甜，一一该点的螺旋角度一一钻头的螺旋角度；妒，一一该点的主偏角度；2九一一钻头的原始锋角度；A。一一该点的端面刃倾角读；R。一一该点的位置半径毫米；R或D一一钻头的半径或直径毫米2“或D一一钻头的钻心厚度毫米。用上述公式计算和通过实际测量，表明原始锋角2九1180、切削刃平直的标准麻花钻，主切削刃上各点的前角是不相等的，而且变化极大，从外缘到钻心处，前角约由300减到300，如图51。靠近钻心处的前角是负前角，在拿起钻头观察时应该注意两点第一，越靠近钻心，切削刃上各点的螺旋角，越是逐渐减小可参看公式2，也就是晚，钻头的前面向尾柄倾斜的角度小了。第二，越靠近钻心，切削刃上该点的基面位置的角度改变越大，也就是说该点的端面刃倾角L越大。靠近钻心处的基面已经切入到螺旋槽即钻头里面里面，自然前角变成负值，蜘L图52。同样，从上面的公式3中也可以看出，切削刃上的点越靠里，因为螺旋角，减江南大学士学位论文图51标准麻花钻的前角分布图52钻心部分的前角小，而端面刃倾角A。增大，则前后两项相减所得的差数就越小，当靠近钻心时甚至变成负值了。靠近钻心处前角为负值，切削形成的条件很坏，切削抗力大；而另方面，外缘处的前角很大，显得刃口薄，使切削热不易传导，加速磨损，而且削弱了强度。这是标准麻花钻这种26第五苹主切削刃曲线优化的研冗结构所决定的基本不足之处。横刃处是很大的负前角一54600，切削条件更差，完全是在工件上挤刮，造成很大的轴向抗力，磨钝很快一般可以看到磨圆或磨秃了，并且使钻孔精度不容易保证。根据试验结果表明，当标准麻花钻钻孔不深、排削顺利时，钻头的轴向抗力有4555集中在横刃上，扭矩约有310来自横刃，如表51。表51标准麻花钻钻削力的组成切削力组成主切削力横刃摩擦轴向力4050455538扭矩8090310512应该特别指出的，是这组公式只能适用于使用锋角与原始锋角相符22九1180、切削刃平直的条件下。53麻花钻前角计算的一般公式在不修磨麻花钻前面螺旋面的条件下，钻工根据各种材料的需要，改变了切削刃的刃磨形状，则相应改变了各点的主偏角吼和端面刃倾角。此时各点的前角Y，的一般公式如下瞎Y。喀IN吼鲨笔挚C。S吼55QR一RI或采用下述简化形式培Y，爿SIN蛾口56这里爿目辔。1竺竺竺兰扣嫡雨培MX2专蟾M式中Y，一切削刃上任一点的前角度57F58159江南大学士学位论文，一一该点的螺旋角度；M一钻头的螺旋角度妒。一一该点的主偏角度2九一一钻头的原始锋角度；R，一一该点的位置半径毫米；R或D一一钻头的半径或直径毫米2RN或D一一钻头的钻心厚度毫米。公式6适用于进行具体运算，对于标准麻花钻可进一步简化为式3公式7则适用于定性地分析问题。进一步分析7、8、9等式，可以作出以下几个判断第一，当麻花钻的制造参数一定时，即保证直线刃的原始锋角2九、螺旋角和钻心厚度2厂0确定，亦即前面螺旋槽的形状固定了，则主切削刃上各点的前角儿只与该点的位置R的主偏角毂有关。例如，当麻花钻的原始锋角2九1180一1200，螺旋角甜300，钻心厚度D015D或，0O15R时，则计算前角的一般公式8、9可简化为增Y。爿SIN吼日爿廖唾焉臼喀一1R23一O15厂I_一警一叭S2510511第二，主偏角的改变对前角的影响很大，在主切削刃上各点主偏角