（机械制造及其自动化专业论文）一种新型钻头及其刃磨技术的研究.pdf

塑堕查兰! ! 塑型堕墨茎! 垫些堕主兰竺望些堡苎塑塞一 摘要 i 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 2 0 ，4 0 。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，y 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( 5 9 7 7 5 0 6 8 ) 的一部分。f 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，提出研究适用于微 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、运动关系最简单、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， 1 塑塑奎堂垫堕型堕垦茎鱼垫些堡主兰鱼兰些笙茎塑：! ! 一 以增强其可视性。 5 横刃对钻头的切削性能影响很大。首先，钻头入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 5 0 6 0 ，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窘。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c a d 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c a d 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c a d 与仿真系统的正确性：另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。 8 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， 这对微孔钴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l 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、高效地在微钻头上实现；平面钻尖既适用于普通钻头，也适用于微型钻头，但平面 钻尖存在着一系列缺陷；而所研究的新型钻头( 非共轴螺旋面钻头) 其几何参数分布合理， 刃磨运动关系简单，调整方便，在技术上容易实现，因此较适用于微型钻头，同时，也适 用于普通钻头。 关键词： 新型钻头非共轴螺旋面数学模型刃磨技术几何特性 2 塑壹查兰盟塑! ! 堕墨苎! 垫些堕主堂篁望些鲨苎 塑墨一 a b s t r a c t h o l ed r i l l i n gi so n eo ft h em o s tu s e dm e t h o d sf o rm a t e r i a lm a c h i n i n g d r i l l i n gs e q u e n c e a m o u n ti s u pt o2 0 4 0 o ft o t a lm a c h i n i n gs e q u e n c e s t h e r e f o r e ，d r i l l i n gt e c h n o l o g y ( d r i l l ， t e c h n o l o g ya n de q u i p m e n tf o rd r i l lm a n u f a c t u r i n g ) i si m p o r t a n tr e s e a r c hp r o j e c ti nm a c h i n i n g a r e a c o m m o n l yu s e dd r i l l s a r et h e s ew h i c ha r ew i t hc o n i c a lf l a n ks u r f a c ea n ds p i r a lf l a n k s u r f a c e b u tt h eg r i n d i n gm o t i o n so ft h em a c h i n et o o l sa r ev e r yc o m p l e xf o rt h ef l a n ks u r f a c eo f t h e s ed r i l l s ，w h i c hc a n te x a c t l yc o n t r o lg e o m e t r i cp a r a m e t e r so ft h ed r i l lp o i n t s u pt on o w , t h e p a r a m e t e r s o ft h e s et w ok i n d so fd r i l l sa r es t i l la l l o w e dt ov a r yi naw i d ea l l o w a n c e s i m u l t a n e o u s l y , w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n df l e c e s s i t y o fh i g ha n dn e wt e c h n o l o g y , m i c r oh o l e ( e s p e c i a l l yp r e c i s i o nm i c r o - h o l e ) i su s e d m o r ea n dm o r ei np r o d u c t s f o rt h es i z eo fm i c r o h o l ei s s m a l l ，i ti sv e r yd i f f i c u l te x a c t l yt om a k et h ed r i l lf o rm i c r o - h o l e f o re x i s t i n gm i c r o - d r i l l ，p l a n a r p o i n t i sc o m m o n l yu s e da th o m ea n da b r o a d ，b u tw h i c hh a sas e r i e so fs h o r t c o m i n g sf o rd r i l l i n g s o ，t h i sp r o j e c ti st os t u d y ak i n do f n e w d r i l l ，t h eg r i n d i n gt e c h n o l o g ya n dd e v i c eo f n e wd r i l l ，f o r w h i c ht h em o t i o no f g r i n d i n gm a c h i n ei ss i m p l e ，t h eg r i n d i n gp a r a m e t e r sc a nb ee x a c t l yc o n t r 0 1 t h i sn e w t y p eo f d r i l lc a no v e r c o m es h o r t c o m i n g so f p l a n a rd r i l lp o i n t ，i ss u i t e dt oc o m m o nd r i l l ， a n da l s os u i t e dt om i c r o d r i l l i ti st h u sc l e a rt h a tt h er e s e a r c ho f t h ep r o j e c th a ss t r o n gt h e o r ya n d a p p l i c a t i o ns i g n i f i c a n c e t h ec o n t e n ti sp a r t o ft h ep r o j e c t ( 5 9 7 7 5 0 6 8 ) f i n a n c i a ls u p p o r t e db y n s f c ( n a t i o n a l n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ) t h et h e s i ss t u d yo nt h ef o l l o w i n ga r e a ： 1 d e v e l o p i n gh i s t o r yo f d r i l la n d i t sg r i n d i n gt e c h n o l o g ya r er e v i e w e d g r i n d i n gm e t h o d s o ff l a n ks t t r f a c e so fs e v e r a lc o m m o n l yu s e dd r i l l p o i n ta r ed i s c u s s e d d e v e l o p i n gs t a t e sa n d c h a r a c t e r i s t i c so f d r i l l i n gt e c h n o l o g yo f m i c r o h o l ea r es u m m a r i z e d s o m es h o r t c o m i n g so f p l a n a r d r i l l p o i n ta r ea n a l y z e da n dp o i n t e d o u t t h en e c e s s i t ya n d f e a s i b i l i t y f o r r e s e a r c h i n gn e w m i c r o - d r i l la r ep r o p o s e d 2 d r i l lp o i n ti st h em o s ti m p o r t a n tp a r to f ad r i l lf o rd r i l l i n g t or e s e a r c ho f d r i l li sm a i n l y t or e s e a r c ho fi t sp o i n t a c c o r d i n gt ot h es h o r t c o m i n g so fc o m m o nu s e dp o i n t s ，t os t a r tw i t h a n a l y s i so f g r i n d i n gp r i n c i p l ea n d i t sm o t i o n r e l a t i o n ，an e wk i n do f d r i l l ，w h i c hi sc a l l e da sh e l i c a l p o i n td r i l l ，i sa d v a n c e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so f n e wh e l i c a lp o i n ta n df l u t eo ft h ed r i l la r e a d v a n c e d t h ep r o c e s sa n da p p r o a c h e sh o wt os o l v et h e s em a t h e m a t i c a lm o d e l sa n dh o wt og e t e x a c tg r i n d i n gp a r a m e t e r sa r ed i s c u s s e d 3 t og r i n dt h en e wd i l lp o i n ti ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pg r i n d i n gm a c h i n eo f t h en e w p o i n t i t i sa ni m p o r t a n tp r o b l e mh o wt om a k et h es t r u c t u r eo ft h en e wg r i n d i n gm a c h i n eb em o s t 3 塑塑查兰塑壁型堕墨茎! 垫些堡圭兰垡兰些堕苎 一一一塑! ! 一 r e a s o n a b l e t h em o t i o nr e l a t i o nb es i m p l e s ta n dt h em a n u f a c t u r i n gc o s tb el o w e s t t os o l v et h i s p r o b l e m ，i ti sn e c e s s a r yt oa n a l y z es e n s i t i v i t yo f g r i n d i n gp a r a m e t e r s f o ra n a l y z i n gs e n s i t i v i t yo f g r i n d i n gp a r a m e t e r si t i sm a i n l yt of i n dw h i c hg r i n d i n gp a r a m e t e r sa r es e n s i t i v et og e o m e t r i c d a r a m e t e r so ft h ed r i l l s ot h a tt h em o s ts e n s i t i v ep a r a m e t e r sa r ec o n t r o l l e d t h e n ，t h ea i m s i m p l i f y i n gm o t i o nr e l a t i o na n ds t r u c t u r eo f t h eg r i n d i n gm a c h i n ec a l lb er e a c h e da tt h es a m e t i m e ，t h e o r e t i c a lb a s i sc a nb ep r o v i d e df o rd e s i g na n dc o n t r o lo fg r i n d i n gm a c h i n e o fh e l i c a ld r i l l p o i n t t h et h i r dc h a p t e r o f t h et h e s i si sd e s i g n e df o rt h i sr e a s o n 4 a f t e r a n a l y z i n gg e o m e t r i cp a r a m e t e r s o fn e wd r i l l p o i n t a n d d e v e l o p i n g t h e i r m a t h e m a t i cm o d e l s ，t h en u m e r i c a lv a l u e so fg e o m e t r i cp a r a m e t e r sc a l lb eq u a n t i t a t i v e l yg o t t o a n a l y z ed i s t r i b u t i o nr e a s o n a b i l i t yo fg e o m e t r i ca n g l e so ft h en e wd r i l lp o i n t ，i t i s h e l p f u l t o a n a l y z ea n de x a c t l yc o n t r o lt h ep a r a m e t e r so f d r i l lp o i n t s i m u l t a n e o u s l y , i ti sr e a s o n a b l et h a tt h e d i s t r i b u t i o no f g e o m e t r i cp a r a m e t e r si s s h o w ni nc h i v el i n eo rc h i v es u r f a c es o ，a l lt h ec h a n g e s a n dd i s t r i b u t i o no f g e o m e t r i cp a r a m e t e r sa r es h o w ni nf i g u r e s ，w h i c hc a ne n h a n c et h ev i s i b i l i t y 5 c h i s e le d g eo f d r i l li n f l u e n c e si t sd r i l l i n gp e r f o r m a n c e f i r s t l y , c h i s e le d g eh a sc e n t e r i n g f u n c t i o nd u r i n ge n t e r i n gp r o c e s s ，w h i c hi n f l u e n c e sd r i l l e dh o l es h a p ep r e c i s i o n ，l o c a t i o np r e c i s i o n a n dd i m e n s i o np r e c i s i o n s e c o n d l y , a x i a lf o r c ep r o d u c e db yc h i s e le d g ei sa b o u t5 0 - 6 0 o ft o t a l a x i a l d r i l l i n gf o r c e ，w h i c h i n f l u e n c ed r i l l l i f e s o ，i ti s n e c e s s a r y t o a n a l y z e c o n t o u ra n d d i s t r i b u t i o no fg e o m e t r i ca n g l e so ft h ec h i s e le d g e t or a i s ed r i l l i n gp e r f o r m a n c eo fd r i l l ，t h e c h i s e le d g en e e d st ob ed r e s s e d t h e r ea r em a n yk i n d so fd r e s s i n gm e t h o d so fc h i s e le d g e b u t ， b e c a u s et h ed i m e n s i o no fm i c r o - d r i l li sv e r ys m a l l ，a l lt h ed r e s s i n gm e t h o d so r d i n a r i l yu s e di n c o m m o nd r i l lb e f o r ei sn o ts u i t a b l et od r e s s i n gm i c r o - d r i l la n daf e a s i b l es i m p l ed r e s s i n gm e a n s m u s tb ef o u n do u t t os t a r tw i t hs e t t i n gu pt h ed r e s s i n gm a t h e m a t i cm o d e lo fc h i s e le d g ei nt h i s t h e s i sa n di na c c o r d a n c ew i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fm i c r o - d r i l l ，ad r e s s i n gm e t h o ds u i t a b l et o c h i s e le d g eo fm i c r o d r i l li sp r o p o s e d t oa n a l y z eg e o m e t r yp a r a m e t e r so fc h i s e le d g e ，an e w c o n c e p t - - - p o i n ta n g l eo f t h e c h i s e le d g e i sp u tf o r w a r d t h ea u t h o rt h i n k st h a tt h ep o i n ta n g l eo f t h ec h i s e le d g ec a nb eu s e dt om e a s u r et h ec h a r a c t e r i s t i c so fd r i l lp o i n t 6 c a da n ds i m u l a t i n gs y s t e mo f t h en e wd r i l lp o i n ti sd e v e l o p e d t h em a t h e m a t i cm o d e l s o f t h en e wd r i l la r ev e r yc o m p l e x t os o l v et h e mi sa l s ov e r yd i f f i c u l t ，a n dt oc o m p a r et h er e s u l t s o fd i f f e r e n td e s i g np a r a m e t e r st h ea c c o u n t i n ga m o u n ti s v e r yl a r g e s o ，c a da n ds i m u l a t i n g s y s t e mo f t h en e w d r i l la r es e t u l ；, o f w h i c ht h ea i mm a k e sa l lm a t h e m a t i cm o d e l sb ep r o g r a m m e d ， t h ec a l c u l a t i n gr e s u l t sb es h o w ni nf i g u r e t h e nt h ed i f f i c u l tp r o b l e m s o l v i n gm a t h e m a t i cm o d e l s c a nb ee f f e c t i v e l yo v e r c o m e ，c a l c u l a t i n gw o r kc a nb es i m p l i f i e d ，a n dd e s i g np r e c i s i o n ，r e l i a b i l i t y 4 塑塑奎兰塑塑型堕墨墨! 垫些堡主兰垡兰、业堡奎一 塑l 兰一 a n dw o r k i n ge f f i c i e n c yc a nb er a i s e d ，w h i c hp r o v i d e sm e a n sf o rc o m p u t e rd e s i g na n ds i m u l a t i o n o f t h en e wd r i l lp o i n t 7 a c c o r d i n gt o t h em a t h e m a t i cm o d e l sa n dt h er e s u l t so fc a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o n ， e x d e r i m e n t a lg r i n d i n gd e v i c ef o rn e wd r i l lp o i n ti sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d ，t h e nt h en e w d r i l l d o i n ti sg r o u n d o n eh a n dw h i c hc a np r a c t i c a l l yp r o v et h ec o r r e c t n e s so fm a t h e m a t i cm o d e l s ， t h e o r e t i ca n a l y s i s ，c a da n ds i m u l a t i n gs y s t e mo fn e wd r i l lp o i n t o nt h eo t h e rh a n dw h i c h c a n p r a c t i c a l l yp r o v et h e c o r r e c t n e s so f g r i n d i n gm e t h o d ，g r i n d i n gp r i n c i p l ea n di t sm o t i o nr e l a t i o na t t h es a m et i m e ，i tb u i l tt h eb a s i so ff u r t h e rd e v e l o p i n gr e a lg r i n d i n gm a c h i n e f o rn e wd r i l lp o i n t i t i st h u sc l e a rt h a ti ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pt h ee x p e r i m e n t a lg r i n d i n gd e v i c ef o rt h en e wd r i l lp o i n t t h ed e v e l o p e de x p e r i m e n t a lg r i n d i n gd e v i c ef o rn e wd r i l li sd e s c r i b e di nc h a p t e rs e v e ni nt h i s t h e s i s 8 a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n ，t h eg r o o v eo fn e wd r i l l i sm a c h i n e d t h en e wd r i l lp o i n ti s g r o u n d w i t h d e v e l o p e de x p e r i m e n t a lg r i n d i n g d e v i c e c o r r e c t n e s so fg e o m e t r i cp a r a m e t e r s a n a l y s i so fg r o o v ea n dd r i l lp o i n tc a nb et e s t e da n dv e r i f i e do nm e a s u r i n gg e o m e t r i ca n g l e s f o r t h i s i d e a ，g e o m e t r i ca n g l e s o fg r o u n dd r i l l p o i n t s h a v e b e e nm e a s u r e d s i m u l t a n e o u s l y , t h e c h a r a c t e r i s t i c so fn e wd r i l l p o i n tc a n b e a n a l y z e d t o a n a l y z e a n dr e s e a r c h d r i l l i n g i n i t i a l p e n e t r a t i o n ( e s p e c i a l l yw a n d e r i n gm o t i o no fd r i l lp o i n ti n i n i t i a lp e n e t r a t i o n ) i th a si m p o r t a n t m e a n i n g f o rt h er e s e a r c h i n go nn e wd r i l lp o i n t i ti sc l e a rt h a tc o n v e n t i o n a ls p i r a ld r i l la n dc o n i c a ld r i l la r ec h a r a c t e r i s t i c sw i t hm o t i o n r e l a t i o nc o m p l e x ，s t r u c t u r eo f g r i n d i n gm a c h i n e c o m p l e x ，r e s e t t i n gd i f f i c u l t ，a tl e a s tt h r e em o v i n g c o o r d i n a t e so f g r i n d i n gm a c h i n ew o r k i n gt o g e t h e rw h e nw o r k i n g ，p a r a m e t e r sd i f f i c u l tt oc o n t r 0 1 a l t h o u g h ，t h e s et w od r i l l s a r e w i d e l ya d o p t e d i n p r a c t i c e ，t h e r e a r es om u c hd i f f i c u l t i e si n t e c h n o l o g ym e n t i o n e da b o v e ，t h e s et e c h n o l o g yc a n n o tb er e a l i z e de c o n o m i c a l l y , p r e c i s e l ya n d e f f i c i e n t l yo nm i c r o d r i l l p l a n a rd r i l lp o i n ti ss u i t a b l et oc o m m o n d r i l la l s om i c r o d r i l l ，b u ti th a s as e r i e so fs h o r t c o m i n g s t h en e wr e s e a r c h e d s p i r a l d r i l li sc h a r a c t e r i s t i c sw i t h g e o m e t r i c p a r a m e t e r sd i s t r i b u t i o nr e a s o n a b l e ，m o v i n gr e l a t i o no f g r i n d i n gs i m p l e ，r e s e r i n gc o n v e n i e n t l ya n d e a s y1 0r e a l i z a t i o ni nt e c h n o l o g y , s oi t i sa b s o l u t e l ys u i t a b l et om i c r o - d r i l la n da l s os u i t a b l et o c o m m o nd l l k e yw o r d s ：h e l l c a l ，n e wd r i l l ，m a t h e m a t i c a lm o d d l ，g r i n d i n g ，c h a r a c t e r i s t i c s 5 塑堕查兰坐塑型丝壁苎! 垫些壁主堂些兰些堡兰兰二皇墨! l 第一章绪论 孔加工是最常用的材料切除方法之一，根据c i r p 调查，在机械行业钻孔加工约占切削 加工总时间的2 2 左右“，而在某些机械行业中钻孔工序可占总工序量的3 0 4 0 1 ，而 在柔性工具加工中心上，钻削加工工序约占总加工时间的3 0 “3 5 1 4l 。所以，钻t i m h 3 ：- 直 是切削加工领域倍受人们研究的重要课题。 多少年以来，人们对各种钻头以及各种孔加工刀具进行了广泛的研究，根据不同的加 工材料，研究发明了各种不同的钻型，不断地对钻削机理进行了研究，但主要集中在尺寸 较大的钻头。其中，最典型的是普通麻花钻。 随着人们对基础理论研究的深入，对科学研究成果的应用以及新的工程材料的发展和 应用，机械产品也从过去傻大粗的状况向小尺寸和高精度方向发展，近年来，又涌现出了 不同种类的微型机械。因此，机械产品或者高新技术产品中孔的尺寸也在减小、精度在不 断提高。许多高新技术产品都广泛地用到了微孔( 孔径c o 5 m m ) 、或者是深微孔( 孔径 ( o 5 m m ，长径比大于1 0 ) ，如：电子产品、大容量计算机、厚的多层印制电路板、光纤通 讯用的光缆接头、纺织行业的喷丝头、汽车及飞机发动机的燃料喷嘴、空气轴承、钟表、 照相机及精密仪器零件等i5 , 6 , 7 , 8 】。但是，微孔的直径大小影响着产品的结构尺寸( 如1 9 8 5 年至1 9 8 6 年，印刷电路板中直径为o 3 8 04 8 r a m 的微孔就增加了4 2 ，而o 3 6 m m 的微孔 增加了4 0 ，因而同样大小的电路板上较以前可以安装更多的电子元器件，这就大大减小 了结构尺寸) ；微孔的加工效率影响着产品的生产效益和经济效益( 例如一块大型计算机的 主板上可有数万个深微孔，其加工效率直接影响计算机的成本) ：微孔的加工质量( 如孔的 圆度、孔轴线的直线度、孔壁的粗糙度等) 影响着产品的使用性能( 如对喷丝头而言，微 孔的加工质量影响着丝线的通过及纺织品的质量：燃料喷嘴的微孔加工质量直接影响发动 机的燃烧效率等) 。所以说，微孔的加工在某种程度上阻碍了高新技术产品的发展。可见， 如何适应高新技术的发展要求，经济高效地加工出合格的精密微孔或精密深微孔便是一个 极为重要的研究课题。 本章主要是介绍钻削技术的发展、微孔钻削技术的发展及其特点、微钻头的研究现状 与刃磨方法、以及现有微钻头所存在的主要问题。同时也介绍了本研究的目的、意义与课 题来源。 塑塑! ：堂坐塑型垫垄茎! 垫! ! 堡主兰垡兰、业堡苎 笙二翌箜! l 1 1 钻孔加工的特点 与其它加工方法不同，钻孔加工有其自身的特点：1 ) 半封闭式切削，钻削时钻头不仅 要钻进工件切下切屑，还要把这些切屑从钻头的刃沟里排出来，它三面受阻，“网开半面”， 因此，具有“排屑”与“受阻”的矛盾：2 ) 工作状态变化剧烈，刀刃各点的切削速度由高 到零，刃口由锐刃快切到像楔子硬挤，因此，具有“快切”与“硬挤”的矛盾。3 ) 钻孔加 工刀具( 钻头) 比较特殊，它是一根细长杆，且上面还开了螺旋槽，其有效截面就更小；4 ) 加工过程中受力状况不好，钻头除夹持部分外，悬伸比较长，因此，钻头刚性差，纵向稳 定性不好。这就是它与车、铣、磨等其它切削方法的最大差异。由于钻孔加工具有这些特 点又由于_ 于l 2 3 1 3 工在切削加工中的比例很大这就使得人们长期以来把钻头、钻削机理、 钻削l 艺、钻削设备等作为重要的课题进行研究。 1 2 钻头及其刃磨技术发展的历史回顾 1 2 1 钻头及其刃磨技术的发展筒况 钻削加工是最古老也是应用最广的机械加工方法之一，其加工效率高、经济性好。用 于钻削加工的刀具钻头，就是种经济实用、适应性强的工具。历经一百余年的发展， 虽然其基本形状变化不大，但据不完全统计，全世界己衍变出了2 0 0 多种钻型。倪志福等 同志发明的新钻型群钴，就是众多新钻型中的佼佼者。尽管如此，普通麻花钴仍是使用 晟广泛的钻头。而且实际生产中用得最多的还是锥面钻尖的钻头。 麻花钻貌似简单，但它的形状复杂：对同一根钻头而言，其几何角度的变化范围很大： 从数学的角度来讲，其数学模型非常复杂，以致于难以为人们所了解和掌握；从制造角度 来看，钻头最关键的是钻尖后刀面和前刀面的加工，因此，钻头在很大程度上受其后刀面 和前刀面加工方法的制约，一种新钻型的诞生往往伴随着一种新的刃磨方法的产生。 只有将数学的分析方法用于钻头的研究，人们才可能对钻头及其刃磨方法有较深入的 认识，新的钻型也会孕育而生。 早在十九世纪七十年代麻花钻就已采用锥面刃磨技术，但直到二十世纪五十年代， g a l l o w a y 才提出直线刃钻头锥面刃磨概念并对之进行较为完整的数学研究【”。他分析了主 刃附近的几何形状，给出了后角的定义及其测量方法，导出了产生直线主刃的钻沟螺旋槽 湖南大学机械制造及其自动化博士学位毕业论文 第一章绪论 的方程，以及主刃上任意点的前角、后角的方程，但所给出的横刃斜角的计算式取决于钻 尖的其它几何参数，而不是独立变量，因此钻尖后刀面的形状不是唯一的。 1 9 5 8 年，美国辛辛纳提( c i n c i n n a t i ) 铣床公司的h a n s e r n s t 等人提出了一种螺旋面钻 尖【”1 ，我们称之为普通螺旋面钻尖或共轴螺旋面钻尖，他主要是针对普通麻花钻横刃长、 有很大的副前角而造成的轴向力大和定心不好的缺点而设计的新钻型，文中阐述了它的刃 磨方法，简单分析了这种钻尖的几何角度。但是这种钻尖的后刀面只有部分是螺旋面，而 靠近钻，d 处为复杂的曲面，刃磨时需要三个坐标的联动及砂轮刃边的参与及精确定位，机 床结构及刃磨工艺复杂。 1 9 7 0 年，s f u j i i ，me d e v r i e s 和s m w u 等人在钻尖优化方面进行了研究【“，”j ，他 们使用“截平面法”将钻尖三维空间曲面后刀面化为二维平面曲线进行研究，从而使分析 过程大大简化。 1 9 7 2 年，e j a a r m o r e g o 和a r o t e n b e r g 发表了三篇关于直线刃麻花钻锥面磨削 法的文章3 ”j ，分析总结了前人的研究结果，指出锥面磨削法的钻尖有四个独立的刃磨 参数，而给出的钻尖几何参数只有三个，因此，既不能唯一确定后刀面的形状，又不能根 据钻尖几何参数获得唯一的刃磨参数，进而提出了用钻尖后刀面尾隙角作为补充几何参数 以便获得唯一的后刀面，从理论上指出了刃磨参数求解的唯