（机械制造及其自动化专业论文）基于切屑卷曲、流出的麻花钻螺旋槽形优化方法的探索研究.pdf

基于切屑卷曲、流向的麻花钻螺旋槽形优化方法的探索研究 摘要 麻花钻是一种应用广泛、用量极大的孔加工刀具，孔加工是最常用的材料切 除方法之一，其工序量达总加工工序量的2 0 4 0 ，随着大量新型材料的广泛 使用，使得麻花钻排屑困难的问题更为突出。当前在处理麻花钻排屑困难问题上 主要采用增大螺旋角、加大容屑槽的断面积等方法。但是，这些方法都只是定性 的，没有将多个因素综合起来考虑。 本文提出了一种排屑顺畅的麻花钻刃形的设计方案：主要从切屑的卷曲、流 向两个方向考虑，按照切屑流向尽量在进给剖面内以及切屑的流出速度变化尽可 能的小，建立了螺旋槽的发生线( 即主切削刃) 的求解流程。 为了便于分析，沿切削刃方向将其分解为若干个微单元刀具( 各段近似看成 直线) ，假设钻头上各个微单元刀具切削近似为斜角自由切削，每一把微单元刀具 相当于一把微车刀进行切削。 关键词：麻花钻；切屑流向；数学模型；螺旋槽：设计 基于切屑卷曲、流向的麻花钻螺旋槽形优化方法的探索研究 a b s t r a c t t w i s td r i l li so n eo ft h em o r ee x t e n s i v e l yu s e dc u t t i n gt o o l s d r i l l i n gp r o c e s si so n e o ft h em o s tu s e dp r o c e s s e sf o rm a t e r i a lr e m o v a l t h ea m o u n to fd r i l l i n gp r o c e d u r ei su p t o2 0 - 4 0 o ft o t a lm e c h a n i c a lm a c h i n i n gp r o c e d u r e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m a t e r i a lt e c h n o l o g y , m o r ec o o c c r u sf o rt h ed r i l l i n gc h i pc o n t r o la l ep a i dt h a nb e f o r e a t t h ep r e s e n tt i m e ，t h en o r m a lu s e da p p r o a c h e sf o rd r i l l i n gc h i pc o n t r o la r et oi n c r e a s et h e s p i r a la n g l ea n de n l a r g et h ea r e ao ft h et w i s td r i l lc r o s ss e c t i o na r eq u a l i t i v e i nt h i sp a p e r ，an e wi d e ao ft h es p i r a lf l u t ed e s i g no ft w i s td r i l lb a s e do nt h e c h i p f l o w i n gs m o o t h l yw a ss u g g e s t e db yc o n s i d e r i n gc h i p - f l o w i n gd i r e c t i o na n dl a t e r a l c u f f i n g t h ee q u a t i o n sf o rc a l c u l a t i n gw e r eg i v e n t h ef l o wc h a r ta b o u tt h ec a l c u l a t i o n o ft h ec u a i n ge d g ew a se s t a b l i s h e ds oa st om a k et h ec h i p f l o w i n gd i r e c t i o ni nt h ef e e d p l a n ea n dm a k et h ed i f f e r e n c eo ff l o w i n gv e l o c i t ym i n i m u ma sm u c ha sp o s s i b l e f o rt h ec o n v e n i e n c e ，s u p p o s et h em a i nc u t t i n ge d g ec o n s i s t so fc o u n t l e s ss h o r tl i n e s e g m e n ta n dt h ec u t t i n go fe a c hs e g m e n ti sf r e eo r t h o g n n a l ，s oe a c hs e g m e n tc a l lb e l o o k e da sam i c r os i n g l ep o i n tc u t t i n gt 0 0 1 k e yw o r d s ：t w i s td r i l l ；c h i p f l o w i n g ；m a t h e m a t i c a lm o d e l i n g ；s p i r a lf l u t e ；d e s i g n l i 、 基于切屑卷曲、流向的麻花钻螺旋槽形优化方法的探索研究 1 1 麻花钻筒述 第1 章绪论 麻花钻是一种应用广泛、用量极大的孔加工刀具，从它发明至今已有一百多 年历史，根据c i r p 调查，在机械行业孔加工约占机械加工总时间的2 2 睇】，而 在某些机械行业中钻孔工序可占总工序量的3 0 4 0 3 j 。各国钻头生产量约占刀 具产量的6 0 左右，我国每年生产钻头用高速钢约占刀具生产用高速钢的7 0 以 上1 4 】，八十年代我国直柄麻花钻出口占全部刀具总出口值的6 9 1 1 5 1 。在机械加工 中，尤其在汽车与航空等孔加工占重要比重的制造业中，钻头占相当重要地位。 由于麻花钻结构复杂，切削条件恶劣，钻孔技术发展迟缓，但随着自动化技术， 加工中心的迅速发展对麻花钻的研究越来越受到重视。 麻花钻貌似简单，但它的形状复杂，对同一把钻头而言，几何角度与钻头结 构参数之间的关系非常复杂；从数学的角度来讲，其数学模型非常复杂，对于非 专业研究人员来说，要完全掌握还有些困难；从制造角度来看，钻头最关键的是 钻尖前刀面的加工和后刀面的刃磨。因此，数学建模分析方法是钻头常用的研究 方法。 。 1 2 麻花钻存在的问题及其解决方法 由于钻孔加工的特点以及加工环境的复杂性，使麻花钻表现出很多的问题， 想要解决其存在的问题，必须深入研究麻花钻的结构和钻孔加工的特点，在此基 础上加以改进。 1 2 1 钻孔加工的特点 孔加工技术在制造领域内占有十分重要的地位。孔加工是金属切削加工中最 重要的工序之一。在自动化生产线中，孔加工决定着生产周期的长短。为了更加 深入的了解孔加工技术，我们需要研究钻孔加工与其它机械加工方法的差别，总 的来说其有如下特点1 6 】： 贵卅i 大学硕卜学位论文 1 基于切屑卷曲、流向的麻花钻螺旋槽形优化方法的探索研究 1 、半封闭式切削 钻削时钻头不仅要钻入工件切下切屑，还要把这些切屑从钻头的刃沟里排出 来，钻头前端是工件实体，切削部分埋在工件内，切屑在螺旋槽内卷曲，切屑的 排出、切削液的进入只能从钻头的后部在加工过程中，钻头切削部分处于半封闭 状态。 2 、切削刃锋利程度差异很大 普通钻头有两条主切削刃和一条横刃，主切削刃上钻头的前角在靠近钻芯部 分为负，在外缘转点处为正，可达+ 3 0 。左右，主切削刃切削状态差异很大，靠近 钻芯部分较“钝”，外缘部分“锋利”。钻头的横刃部分为大负前角，在进给力的 作用下，像楔子一样硬挤工件，尽管横刃相对于主刃很短，材料的切除量也小得 多，但横刃的这种硬挤的特点使钻削过程产生的切削力主要来自横刃。 3 、钻孔加工刀具( 钻头) 有效截面小 在钻削加工过程中，要求切屑不停的沿螺旋槽排出，并且伴随着大量切削热 的产生，也要不断的注入切削液。因此，麻花钻往往是在一根细长杆上沿轴向加 工出大截面积的螺旋槽前刀面来满足排屑和切削液进入的需要。在钻削加工时， 易使刀具产生扭曲变形，大大降低了麻花钻的刚性。 4 、加工过程中受力状态不好 钻削时，钻头要进入到工件，就需要钻头外悬伸( 除夹持部分) 比较长，又 由于在钻孔加工中，产生很大的轴向力和扭矩再加上钻头刚性差，使得钻头在加 工过程中轴向稳定性不好。 由于钻孔加工具有这些特点，又由于孔加工在切削加工中的比例很大，因此 钻头的结构设计、钻头制造技术、钻头刃磨技术、钻削机理、钻削工艺、钻削设 备等有关研究是一个长期的课题。 1 2 2 孔加工技术面临的挑战与现状 当代科学技术的飞速发展给孔加工技术带来了挑战。首先，随着科学技术发 展对制造业要求的不断提高，特别是随着现代汽车行业和航空航天业的发展，对 孔加工的数量和质量要求大幅上升【7 l 。 其次，随着机械制造向高速、高效、高精度和自动化方向的迅速发展以及各 贵州夫学硕卜学位论文2 基于切屑卷曲、流向的麻花钻螺旋槽形优化方法的探索研究 种难加工材料，如复合材料、高温合金、钛合金、记忆合金等的出现和广泛使用， 对钻孔的效率、孔加工质量、钻头的使用寿命等提出了更高的要求【引。 第三，由于高速加工技术的发展和数控加工中心的广泛使用，对钻头提出了 更高的技术要求，普通麻花钻的钻削效率、钻削精度和钻削稳定性等方面已越来 越不能满足制造技术发展的需要了p j 。 以上这些问题急需相应的加工方法予以解决。具有不同形状和参数的新型钻 头，将担当解决这些问题的主要角色。提高钻削加工效率的研究一直受到世界各 国的重视，人们提出了多种麻花钻的特殊刃磨方法以改进钻头的切削性能。 1 2 3 麻花钻存在的问题及改进措施 1 、麻花钻在结构上存在的问题 麻花钻作为最常用的孔加工刀具，本身结构存在着许多不合理之处，妨碍了 其切削性能的进一步提高。长期以来，钻头的形状和参数几乎没有随着生产的需 要得到规范化的修正，许多先进钻型并没有在生产中推广应用，传统的麻花钻一 直在被沿用。而当代科技的飞速发展，对孔加工的质量、效率提出了更高的要求， 这迫切需要解决目前钻削加工效率较低的问题。其存在的很多问题，如下： ( 1 ) 沿主切削刃各点前角值差别悬殊( + 3 铲一3 俨) ，导致各点的切削条件 差别很大。 ( 2 ) 横刃长，横刃前角为大负前角( 一5 铲6 舻) ，因此，横刃的切削条件很 不利，在切削时发生强烈的挤压，从而产生较大的轴向力； ( 3 ) 主刃与副刃相交处为尖点，散热条件差，易磨损； ( 4 ) 刃带后角为零，加上该点的切削速度又高，刃带与孔壁产生摩擦，加快 棱带磨损； ( 5 ) 两条主刃很长，切屑宽，各点切屑流出速度相差很大，切屑产生强烈的 侧向卷曲，导致排屑不顺畅，也使切削液难以进入切削区。 2 、国内外麻花钻改进情况的综述 也正是由于麻花钻结构上存在上述缺点，从而限制了麻花钻只能作为一种粗 加工刀具，而且耐用度不高。针对以上问题，要完全消除缺陷是困难的，主要从 贵州大学硕士学位论文 基于切屑卷曲、流向的麻花钻螺旋槽形优化方法的探索研究 以下三方面改进【8 ，1 0 i ： ( 1 ) 刀具材料和涂层技术方面的发展 近年来，加工材料的品种不断增多和各种新材料的广泛使用，要求刀具材料 具有更高的硬度、耐磨性、强度和韧性。近年来出现的各种新型刀具材料，在钻 头制造上已经得到广泛的使用。各种刀具材料的性能都有显著提高，形成了每种 刀具材料既有独特的优势和使用范围又相互取代补充的格局，使切削加工的各领 域、备工序的效率和总体水平有显著的提高。 高速钢钻头采用表顽处理，如蒸气、氮化和硫化处理，可降低刃沟表面的摩 擦系数，有利于切屑的形成、排屑和提高表面硬度，从而提高钻头耐用度；硬质 合金由于有较好的切屑性能，也被广泛地应用于钻头制造。另外，由于陶瓷材料 抗粘性好，不易形成积屑瘤，高温硬度高，耐磨性好，陶瓷和金属陶瓷材料也被 用于制造钻头，可以提高钻削精度和钻头耐用度。但是，陶瓷和金属陶瓷韧性较 差，使陶瓷等材料的使用受到一定限制。 ( 2 ) 改进钻头结构 新材料、新工艺的使用没有改变钻头结构的不合理性。尽管结构改进的方法 很多，但都只是在一定程度上改善了钻削性能：钻头的刃磨改进也仅仅是部分地 改善了某些结构的不合理性，但导致了刃磨机床夹具复杂化，刃磨效率降低，成 本高。因此对钻头进行广泛而深入地研究，将对整个机械加工工业产生极大的影 响。 近百年来，普通麻花钻阻碍着钻头切削性能的大幅度提高。国内外研究者对 钻头结构的改进做了大量的工作，研制了许多新型钻头。比如我国研制的四刃钻， 它有四条切削刃，其中两条径向主切削刃担任钻孔，另外两条刃担任扩孔，其实 质是种钻扩复合刀具，其扩孔余量由外缘倒角的大小来控制；联邦德国b i l z 公 司和i l i x 公司的整体硬质合金三刃钻，它有三条主切削刃，三条芯刃和一个钻尖 的三刃麻花钻。它在钻孔时定心准，不产生扭转振动、刚性好，轴向力小，钻头 变形小，加工出来的孔圆且直f l 】。 ( 3 ) 钻头刃形的改进 在钻头使用时，通过改进刃形来提高钻头的切削性能是十分重要的。近几十 年来，国内外科技工作者在这方面做了大量工作，效果十分显著。目前，已在生 贵卅i 夫学颂i 。学位论文 基于切屑卷曲、流向的麻花钻螺旋槽形优化方法的探索研究 产中使用的新钻型就不下百余种 1 2 , 1 3 】。 国外的钻型研究发展比较快，尤其是新钻型的推广方面优于我国。近年来在 日本出现了多种高性能钻头。如o s g 公司的e x g d r 钻，s u m i t o m o 公司的m u l t i 钻头，h o s o i 机床公司的h o s o i 钻头等。这些钻型都大大地改善了钻削状况，其中 h o s o i 钻头是改善横刃切削条件的一种新钻型，钻尖顶端类似于球头铣刀在球头顶 端部分的螺旋状圆弧刃，用它来取代横刃，此外钻沟变窄，使钻体刚性增加，钻 芯厚达0 3 3 1 ) ，允许大进给量钻削加工。试验结果表面，h o s o i 钻尖比传统钻尖的 进给量可增大5 至1 0 倍，钻头耐用度提高4 至1 0 倍，在此情况下钻出孔的精度 和孔壁光洁度仍比普通钻孔高。 美国一家公司提出了螺旋钻头( h e l i c a l ) ，这种钻头是采用螺旋面刃磨法得到 的。它可以在靠近钻芯处得到较大的后角，并使横刃的前角增大，横刃为“s ”形， 因此定心好，切入稳定，切削轴向力较小，具有比较好的排屑能力，并且所钻的 孔径与钻头的直径很接近，钻孔质量较好，在某些情况下甚至可以部分代替铰孔 工序，但钻头强度较弱，不适于钻削高强度材料。 还有一种s e 型钻头，该种钻头的主要特征是具有强有力的“s ”形切削刃。 s e 型钻头的横刃与主切削刃相接处为圆弧过渡，不但消除了可能出现的应力集中 现象，同时也保证了切屑的顺利流动。这种特殊的切削刃也可实现前角在刃长方 向上的很小变化，从而有效地改善了切削条件和减小了轴向力。s e 钻头切削刃一 般都经过倒棱和修圆，使刃口强度得到提高，磨损也趋于一致，保证钻头具有较 长且稳定的寿命。s e 钻头的另一个特征是中心区的后角逐渐增大，这对横刃处的 切削、排屑以及冷却都有好处。s e 钻头的槽形和螺旋角采用优化设计，排屑性能 大为提高，并使切屑始终绕向钻芯，而很少与孔壁摩擦，从而保证获得良好的表 面质量。 再t e 如群钻，又称为倪志福钻头，是倪志福同志于1 9 5 3 年研究成功的一种先 进钻型，它是在普通麻花钻基础上进行合理修磨而创新的钻型 3 1 。它具有切削抗力 小、切削温度低、排屑断屑性能好、刀具寿命长等系列优点，因而在生产中具 有十分广泛的应用前景。 州大学硕卜学位论文 基于切屑卷曲、流向的麻花钻螺旋槽形优化方法的探索研究 1 3 麻花钻的排屑 自有钻头以来，钻削加工过程中的排屑问题就存在，现在随着新型材料的广泛 使用，排屑困难问题表现的尤为强烈。 1 , 3 1 麻花钻排屑困难带来的危害 在正常情况下，切削所产生切屑会比较顺利的被排出。但是，当麻花钻在加 工塑性材料时，切屑将卷成圆锥螺卷形，断屑比较困难。排屑就成为人们关注的 主要问题，如果处理不好，这将对孑t ；b l l 工产生很大的危害，主要表现在以下几个 方面 1 0 】： ( 1 ) 当切屑不能顺利排出时，切屑很快堵塞在容屑槽内，这将使切削阻力迅 速增大，进而使切削不能继续进行，甚至会扭断钻头； ( 2 ) 切屑卷曲不紧凑，占空间较大，冷却液不能及时进入加工区域，使钻头 冷却效果受到很大影响； ( 3 ) 切屑不能顺利排出，切屑上的热量不能迁移，切削产生的热量大量从高 温区向刀刃传导，再加上切屑和工件内壁摩擦产生的热，这些摩擦产生的热量和 刀具切削热传导的结果，使刀具耐用度急剧下降； ( 4 ) 在钻头的温度升高的同时，热效应也将使工件产生很大的加工内应力； ( 5 ) 排屑不畅，将会导致切屑在螺旋槽内堵塞，在钻头转动作用下，对已加 工表面造成破坏，特别是用钻头进行精加工的时候。 1 3 2 麻花钻排屑问题的研究现状 针对麻花钻的排屑问题所产生的危害及原因，要解决它可以从以下方面考虑 1 1 0 a 4 ： ( 1 ) 适当增大前角( 钻头螺旋角) ，使切屑在前面流动时摩擦力减少，从而减 少单位时间内摩擦发生的热量。 ( 2 ) 加大容屑槽断面积，使切屑不易堵塞，有利于切屑排出。 ( 3 ) 改善钻头外缘和钻芯前角变化悬殊状况，使切屑不易变成锥形，使排 屑通畅。 贵州大学硕 一学位论迎 6 基于切屑卷曲、流向的麻花钻螺旋槽形优化方法的探索研究 ( 4 ) 增厚钻芯，提高钻头刚性，使钻头在切削中在轴向切削力的作用下不 易弯曲，从而减少钻头和工件内壁的摩擦热量的产生，使深孔钻削顺利进行，同 时也提高了孔的精度和降低孔的粗糙度。 ( 5 ) 设计新型的容屑槽截形，以改善切屑的形成和排屑。 ( 6 ) 采用新材料和表面处理工艺， 提高刀具材料表面硬度，从而提高刀具 的耐用度。 从以上几个方面出发，国内外相继研究出很多具有新型槽形的钻头：如中国 的大螺旋角深孔麻花钻、德国的g f l 0 0 钻头、日本的渔津深孔钻、美国的蜗旋钻、 他们的容屑槽形截形是抛物线【1 0 l ，这样在钻削过程中，切屑从前刀面流动时受到 容屑槽的阻挡较小，增大了切屑的卷曲半径i 前苏联的强力钻头、d s w 精加工钻 头，他们的容屑槽截形是圆弧“1 0 l 。但是，目前所有的对于麻花钻排屑的研究都 是定性的，没有将多个因素综合起来考虑，因此，只能是在一定程度上缓解了排 屑困难，这个问题仍然是在麻花钻切削加工中的一个颇为引入关注的问题。 1 3 3 解决麻花钻排屑问题的意义 探索解决麻花钻排屑困难问题具有重大的意义：首先，提高了排屑能力，切 屑变形所需的能量减小，提高加工效率；其次，切削中产生的切削热有8 0 9 0 在主切削刃上，随着切屑的顺利排出，切削温度也相应地降低，可提高刀具的耐 用度，延长钻头寿命；第三，排屑顺畅后，切削液能够到达切削区，帮助降低切 削温度，减少刀具的磨损；第四，提高被加工工件的质量，不论对于精加工还是 粗加工而言，都能够减少工件的内应力；第五，刀具的磨损减少，在相同耐用度 下，材料的切除量增加，降低了钻削加工的成本。 1 4 本课题的内容与目的 本文针对麻花钻排屑困难这一问题，通过分析切屑的自然运动、切屑的变形， 建立与麻花钻的结构参数之间的联系，提出了排屑顺畅的约束条件，然后通过理 论分析，寻求适合切屑排出的麻花钻螺旋槽形。 研究过程中，以微分刀刃法建立麻花钻的刃形，为了排除各段刀刃的排屑干 涉问题，假定切削过程是斜角自由切削，通过对切削和排屑的理论研究，考虑与 贵卅f 人学硕卜学位论史 7 麻花钻排屑相关的两个重要因素“流屑方向”与“切屑的卷曲”并以此建立了对 于麻花钻结构的约束条件，用于分析已有的刃形或寻找理想的刃线。 第2 章麻花钻结构分析 麻花钻从结构上可分为工作部分、柄部、颈部。工作部分是麻花钻的主要部 分，又分为切削部分和导向部分。切削部分承担主要的切削工作；导向部分在切 削部分切入工件后起保持进给方向的作用，同时还是切削部分的备用部分。 普通标准麻花钻有两条主切削刃、一条横刃( 从钻削机理和横刃的形成角度 应该是对称的两段) 、两条副切削刃( 圆柱圆周上两条棱带的棱边) 1 4 o 在使用普通麻花钻钻孔时，切屑是由钻头的两个主切削刃与顶端横刃的旋转 运动形成的。虽然横刃对于钻头来说很重要，其最先接触被加工工件，起定心作 用；其次，其产生的轴向力约占钻削轴向力的5 0 6 0 t 3 1 ，但是由于其切削是挤 压，对螺旋切屑的形成和排出影响很小。因此本文将不予考虑横刃对切屑的影响 作用。 2 1 麻花钻主切削刃的分析 主切削刃是螺旋槽( 前刀面) 与钻头后刀面的交线所形成的刃口，因此，刃 形不仅与前刀面有关还与刃磨方法有关。在工作过程中主切削刃担负着主要切削 的重任，因此对钻头而言主切削刃是非常重要的。 对于普通标准麻花钻来讲，当实际锋角与设计锋角相同时，切削刃形为直线； 当实际锋角与设计锋角不相等时，切削刃形为一条空间曲线。有研究表明【1 4 1 ，在 前角相同的条件下，曲线( 凸形或凹形) 切削刃比直线切削刃要消耗较多的切削 功率，会产生较大的切削转矩。刃形对麻花钻的切削性能有很大的影响，研究合 理的刃形是麻花钻改进的根本。 2 1 1 麻花钻刃磨理论的发展 在五十年代，美国的d eg a l l o w a y 最先提出锥面刃磨的概念，并较细致地研 究了锥面刃磨的原理，但对横刃部分的分析比较粗略，有一定误差，关于横刃斜 贵州人学硕十学位论业8 基于切屑卷曲、流向的麻花钻螺旋槽形优化方法的探索研究 角的公式也是近似的【”1 。到了七十年代，各种钻型和刃磨方式的数学模型研究受 到各国的重视。1 9 7 1 年，s f u j i i l l 6 , 1 7 】应用计算机辅助对锥面刃磨的钻尖进行了分 析，研究了圆锥面参数对钻尖结构参数、后刀面形状及横刃的影响，应用计算机 对钻尖进行了优化设计。1 9 7 3 年澳大利亚的e j a a m a r c g o l l 8 】对圆锥面刃磨理论 进一步分析，首先提出了尾隙角的概念，并以此作为辅助条件，实现了由钻尖结 构参数求刃磨参数的解析过程，同时还提出了临界圆锥角的概念。这时圆锥面刃 磨的理论己基本成熟，只是关于尾隙角的研究有待深入。 对钻头后刀面数学模型的研究以二次曲面较多，因为一次曲面( 即平面) 模 型简单，后角分布不太合理，后来的研究，发现平面刃磨极易产生侧后干涉( 即 尾隙角小于零) 的现象，而三次或更高次的曲面，由于形状复杂、刃磨运动复杂， 实用的意义不很大，研究的较少。1 9 7 9 年，w d t s a i l l 9 , 2 0 j 将传统的二次曲面后刀 面方程统一在个参数方程，进行了研究。采用的曲面主要有圆锥面、双曲面、 椭球面。明确了参数和曲面的关系、参数坐标的物理意义。研究了刃磨参数对结 构参数的影响规律。 螺旋面后刀面钻尖，在5 0 年代就有应用，深入研究其数学模型是在1 9 9 3 年， 北京航空航天大学的张伟在其博士论文里研究了螺旋面后刀面钻头的结构参数 【2 1 1 ，包括钻头的顶角、结构后角、横刃斜角及横刃上的前角和后角，分析了螺旋 面刃磨参数与钻头结构参数的关系。我校何林教授提出了平面包络钻头后刀面刃 磨理论，成功解决了制约四刃钻扩刃部分后刀面后翘问题和钻头后刀面后部后翘 的问题，本质上讲，该方法后刀面的形成是由平面与后刀面的接触线作螺旋运动 形成，同时该方法是刃磨后刀面时唯一能控制横刃长度的方法，也存在钻尖较弱 的弱点 2 2 , 2 3 j 。 自7 0 年起，美国威斯康星大学的s m w u 教授领导的研究小组对钻尖的数学 模型、钻尖结构参数、钻尖设计、钻尖刃磨机械进行了系列的研究。除上面提到 的s f u j i i 和w d t s a i 的研究外，还发表了一系列有关钻尖数学模型分析及计算机 辅助钻尖几何形状分析和钻型设计的成果。同时s m w u 教授领导的课题组还对群 钻、s p l i t 钻尖等先进钻型进行了数学分析，发表了一系列文章。 针对传统的锥面、圆柱面、椭圆形、双曲线形等钻尖形状，国内外科研工作者 发表了许多文章，研究其成形原理和数学模型。1 9 8 2 年1 月北京永定机械厂群钻 贵州人学硕卜学位论殳 基于切屑卷曲、流向的麻花钻螺旋槽形优化方法的探索研究 小组总结整理了多年来群钻方面的研究成果和国内外有关的文献，出版了钻头方 面的专著群钻一书。 目前，机械制造、飞机宇航制造业飞速发展，对新型钻头以及钻头的刃磨质量 都提出了更高的要求，钻头的需求量也不断增加。为此世界各国研究人员在对钻 尖数学模型深入分析的基础上，围绕钻尖的自动化数控刃磨技术和钻尖数控刃磨 机的研制，进行了卓有成效的工作。 2 1 2 麻花钻主切削刃几何角度分析 1 、主切削刃的主偏角分析 主切削刃的主偏角k 的定义为：主切削刃在选定点基面上的投影与钻头进给 方向之间的夹角。基面为过钻轴与主切削上一点的平面，主切削刃上的每一点对 应一个不同的基面，所以主切削刃在每个基面中的投影也不相同。对于同一钻头， 进给方向都与钻轴平行，因此，主切削刃上每一点的主偏角不等。 主偏角k ，影响切屑流出的方向和切屑的卷曲，主偏角加大，切屑比较平直； 主偏角还影响到切削厚度和切削宽度的比例以及钻削力的分配；它还影响在该点 正交平面的方位，因而影响到该点的前角值。所以研究在钻头切削刃上各点主偏 角的分布对于研究切屑的卷曲有其实际意义【2 4 】。 2 、主切削刃的刃倾角分析 对于标准麻花钻主切削刃不通过钻头轴线，也不在基面内，形成了主刃刃倾 角a 。刃倾角是在切削平面内主切削刃与基面的夹角，由于主切削刃上各点的基 面与切削平面位置不同，因而各点的刃倾角也是不相同。 刃倾角是影响切削过程的一个重要角度，它对切屑的卷曲情况，切屑流出方 向和实际工作前角的大小以及刀尖处的强度和散热能力等有重要影响。 3 、主切削刃的前角分析 主切削刃前角儿是指在主切削刃上任一点的正交平面内前刀面与基面问的夹 角。标准麻花钻的主切削刃前角越靠近钻芯越小，且为负值；越靠近钻头外缘越 大，且为正，由钻芯到钻头外缘逐渐增加，变化范围是一3 俨+ 3 0 q 【2 5 】。 麻花钻主切削刃前角的大小最主要决定于螺旋角度的大小，它在切屑流出前 贵州大学硕h 学位论殳 1 0 基于切屑卷曲、流向的麻花钻螺旋槽形优化方法的探索研究 刀面的过程中影响切屑的卷曲和流出方向，也影响到钻头的强度。 2 1 3 主切削刃的刃形 主切削刃的形状与具体的前刀面与后刀面的刃磨方法有关，但不管前刀面如 何形成，也不管后刀面采取何种刃磨方法，主切削刃始终是后刀面与前刀面的数 学模型的交线。 1 、直线刃 标准麻花钻的主切削刃为一条刃，其结构相对来说比较简单，麻花钻几何角 度关系式的推导相对容易，也较常见。由于几何关系比较直观，从几何的角度也 利于标准麻花钻的研究。二十世纪五十年代，g a l l o w a y 提出了直线刃钻头锥面刃 磨概念，并对之进行了较为完整的数学研究。他通过分析主刃附加的几何角度， 给出后角的定义及测量方法，导出了直线主刃的螺旋槽形的方程。 2 、弧线刃 在实际加工使用中，大部分为弧线刃。弧线刃的刀具比直线刃有很多改进的 地方，比如：耐用度高，对于不同材料，耐用度可以提高2 1 2 倍；单位刃长负 荷小，外缘不会应力集中，散热性好等等【2 6 1 。 3 、螺旋形刀刃 可以改变切屑的流向，使切屑沿着螺旋槽流出，起到散热、减少切削阻力、 防止切屑擦伤已加工表面等作用。同时，螺旋角使刀具的实际切削前角增大，可 改善切削刃的锋利程度。因此，采用螺旋线形刀刃曲线可使刀具的切削性能改善。 2 2 螺旋槽部分 螺旋槽是钻头的重要组成部分。螺旋槽起着容屑、排屑及控制切屑流向的作 用，螺旋槽靠近钻尖的工作部分构成了钻头的前刀面，它与后刀面相交而形成主 切削刃。可见，它对钻头的切削作用有很大的影响。 2 2 1 麻花钻螺旋槽的重要性 在当今的汽车制造行业中，孔加工占的比重可达6 0 以上【4 1 ，并且许多零部件 贵州大学硕十学位论空 基于切屑卷曲、流向的麻花钻螺旋槽形优化方法的探索研究 都采用各种新型材料来制造。化工产品为了防锈、防腐蚀用不锈钢制造；在航空 工业中为了适应高温、高压、高速的工作条件，大量采用不锈钢、耐热合金钢、 高温合金和钛合金等材料；航空航天宇航飞行器为减轻重量，采用强度高的复合 材料等。这些材料在满足了产品技术要求的同时，由于成分、组织复杂，机械物 理性能各异，对它们进行加工时，尤其是钻削加工，增添了困难。 在钻削加工难加工材料时具有导热性差、高温强度高、硬度高、活性大、断 屑困难以及加工硬化趋势强等特点，切削温度和切削力比普通钢高几倍，粘刀和 崩刃现象普遍，造成刀具耐用度低，工件加工质量差。解决这些难加工材料钻削 加工问题的途径，除采用新的刀具材料、特种加工方法和采用新钻型外，优化刀 具螺旋槽的槽形、螺旋槽的几何参数和螺旋槽的加工精度以及改善刀具的螺旋槽 的容屑排屑是一种行之有效的方法。 在当今制造业中常用的钻头截形有很多种，其中比较典型的有圆弧刃背型、 菱形等前角型、增大钻心型、菱形直线刃型、传统截型。通过对各种截形钻头进 行磨损实验分析，可知，刀具螺旋槽截形对刀具的使用寿命和切削性能有着显著 的影响，比较好的截型可以大大降低切削时的扭矩，防止钻削时刀具扭曲变形， 从而提高了刀具的钻削排屑性能。 综上所述，钻头螺旋槽槽型对钻头强度、刚度和排屑有极大的影响1 2 ”。 一方面，为了能够进行切削工作，钻头必须具有足够的强度和刚度，即钻头 的截面面积应足够大且按最佳的形态进行分布，以便工作时的应力应变值远低于 钻头材料的许用值，并避免产生应力集中； 另一方面，为了切屑能够顺利排出，要求钻头有尽量大的螺旋槽容屑空间， 这必然会削弱钻头的强度和刚度。因此，合理的优化螺旋槽槽型和截面形状、截 面大小以及提高螺旋槽的加工精度，以保证最大强度、刚度和最佳排屑状态，是 钻头结构设计的关键。 2 2 2 麻花钻螺旋槽的设计 槽形是麻花钻设计的核心，它决定刃口的形状，容屑和排屑的难易程度，并 直接影响切削性能。历来的设计是用图解法，工作量大而精度不高。 对螺旋槽的研究可以从两个方面入手【2 8 , 2 9 ：第一个方面是已知刀具廓形而求解 贵州人学颀卜学位论殳 1 2 基于切屑卷曲、流向的麻花钻螺旋槽形优化方法的探索研究 在给定条件下可获得的螺旋槽截形；第二个方面是已知螺旋槽截形而求解刀具廓 形；前者称为正问题，后者称为反问题。求解这类问题也要进行复杂的数学运算， 相对而言，求解正问题要容易一些。 传统的回转刀具刀刃的设计方法是先建立特殊刀刃模型，然后再了解该模型 的螺旋特性，这种设计方法的缺点是设计效率低，求解最佳解比较困难。通过从 统一的螺旋线模型中来提取满足刀刃要求的特殊曲线的设计方法，可方便的建立 多种方案供比较和选择，从而可得到最理想的刀刃曲线。因此，采用统一模型进 行刀具设计，可提高设计效率和质量。 本文在前人研究的基础上，力图建立切屑卷曲和流出与刀刃曲线之间的关系 模型，为将来开展螺旋槽曲面设计提供一种新的思路。 2 2 3 麻花钻螺旋槽的加工 自有钻头以来，就有螺旋槽的加工问题。但有关螺旋槽槽形及其加工方面的 研究分析为数不多。正因为螺旋槽与主切削刃密切相关，且还影响主切削刃的角 度分布，因此应该将螺旋槽与后刀面联系起来进行分析。 在过去机械制造行业中，主要使用的是高速钢刀具，而这些刀具螺旋槽的加 工大多数是通过铣削法、轧制法、挤压法和搓制法成形，而在当今刀具制造业中， 刀具螺旋槽的加工广泛采用铣削和磨削，利用盘状铣刀或砂轮，或者指状铣刀等 成型刀具进行加工。螺旋槽的形状取决于采用的刀具形状及机床设置参数，不同 的刀具形状及机床设计参数，可以获得不同的螺旋槽形状。 随着计算机的发展，人们利用c a d 方法对螺旋槽及其加工进行了研究。1 9 7 3 年，f r i e d m a n 和m e r s t e r 提出一种适应于盘状刀具加工情形的c a d 方法f 3 0 l 。该方 法将盘状刀具看成由许许多多极薄的、半径各异的刀片组成。八十年代中期，发 起了另一种螺旋槽加工的c a d 方法，这种方法建立了刀具表面和所加工的螺旋槽 表面接触曲线的数学模型。1 9 8 5 年，a g u l l o - - b a t l l e 等人【3 1 l 对麻花钻螺旋槽加工用 铣刀和砂轮的设计进行了研究。但由于在钻头螺旋槽的转点处存在数值跳变，在 刀具相应位置存在间断处，所以不能得到唯一的刀具形状，他们运用样条插值解 决了上述问题。1 9 9 0 年，e h m a r m l 3 2 】提出了根据螺旋槽截形求解刀具廓形的一种解 析解法，并指出了“底挖”现象产生的原因；s h e t h 和m a l k i n i ”悃与a g u l l o - - b a t l l e 贵州人学硕_ 学位论文 1 3 基于切屑卷曲、流向的麻花钻螺旋槽形优化方法的探索研究 等人相同的方法研究了正问题和反问题，他们还分析了与加工参数( 如切深、进 给量、接触弧长等等) 有关的一些动态特性。1 9 9 2 年，v o r u g a n t i 等人f 3 4 j 提出了在 正问题中，刀具几何形状与所得螺旋槽形状相互共轭的假想，在原理上，所有这 些方法都与接触曲线的数学模型研究方法基本相同。 由此可见，以上这些研究成果为钻头螺旋槽加工c a d 系统的开发，提供了理 论依据，为螺旋槽及其加工的研究作出了很大的贡献。 2 2 4 麻花钻螺旋槽的结构分析 普通麻花钻的螺旋槽在数学上被描述为与钻芯圆柱始终相切的直线为母线作 螺旋运动所形成的螺旋面。 一般来讲，同一钻头沿轴线方向的螺旋角是相同的。研究表明，螺旋角越大， 则前角越大，能使切削轻快，降低转矩和轴向力，且有利于排屑。因此，较大的 螺旋角可提高耐用度。但若螺旋角过大，则将削减切削刃的强度，散热条件也会 变差，易产生崩刃，同时，增加排屑路径，也会增加排屑阻力。 螺旋槽与主切削刃密切相关，且还影响主切削刃的角度分布，进而影响麻花 钻的切削性能。 贵卅1 大学硕卜学位论史 基于切屑卷曲、流向的麻花钻螺旋槽形优化方法的探索研究 第3 章麻花钻排屑顺畅的探讨 麻花钻切削机理非常复杂，由于主切削刃上各点的刃倾角不同，其切肖4 过程 不是直角切削。显然钻头主切削刃上每点是斜角切削但不是自由切削，为了便于 分析，沿切4 刃方向将其分解为若干个微单元刀具( 各段近似看成直线) ，假设钻 头上各个微单元刀具切削近似为斜角自由切削。上述假设使得对于麻花钻钻削过 程的研究直接简化成了车削的简单拟合，每一把微单元刀具相当于一把微车刀进 行切削。 3 1 切屑的流动方向 切屑流动方向是确定切屑空间运动的重要因素之一，它影响着所形成切屑的 形态。它还改变断屑槽的有效槽宽，从而改变切屑的卷曲半径，所以对切屑控制 有重大的作用。切屑的流动方向还影响着刀具的实际工作前角，从而影响切削力 的大小以及各个切削分力之间的比例关系，进一步影响刀具的耐用度。因此，它 也是金属切削理论要研究的重要课题之一。 3 1 1 流屑角的定义 切屑流动方向可用流屑角来表示。对于流屑角度有两种不同的定义。 一种是认为流屑角是切屑在前刀面上的流动方向与主刀刃法线之间的夹角。 对于每一个给定刀刃，其在前刀面上的法线也就是刀刃的主剖面与前刀面交线的 切线。显而易见，这样定义的流屑角更加的直观，便于测量；将其与刀具的几何 参数建立联系，便于进行理论研究； 另一种认为流屑角是在前刀面内切屑的流出方向与刀屑分离线的垂线之间的 夹角。这样定义的流屑角虽便于分析切屑的运动规律，却不便于测量，因为刀一 屑分离线的精确位置是很难测定的。而且更难将切屑的流动方向与刀具的几何角 度建立联系。 虽然刀一屑分离线的准确位置很难确定，但是通常情况下它又近似平行与主 刀刃，所以一般不严格区分这两种流屑角的概念。在进行研究的时候，通常利用 第二种方法的定义来理解，直接采用第一种方法进行测量和计算。 责仆【久学颐 肇付论史1 5 基于切屑卷曲、流向的麻花钻螺旋槽形优化方法的探索研究 3 1 2 流屑角的规律 长期以来人们对流屑角规律进行了大量研究，提出了许多种确定流屑角的方 法。 1 、斯坦布勒法则 斯坦布勒( s t a b l e r ) 研究了斜角自由切削时切屑运动规律，提出了著名的“斯坦布 勒法则”1 3 5 】，具体表达式为： 妒 = c z , ( 3 1 ) 其中：c 为材料常数。这个法则完全是建立在实验基础之上的，不能给出机理 性的解释。但其优点是简单明了，在斜角自由切削条件下近似反映了流屑角的大 小。 2 、科尔威尔( c o l w e u ) 近似方法【3 6 】 科尔威尔用切削刃弦( c u t t i n ge d g ec h o r d ) 的概念来确定主副刀刃同时参加切 削时的切屑流动方向，科尔威尔认为切屑应垂直于切削刃弦流出。这种思想很容易 用图解法来确定切屑流动方向。但是这种方法完全忽略了工件材料对流屑角的影响， 因此在某些场合会产生较大的误差。 3 、经验公式法 有文献中报道，在给定工件材料为4 5 钢，进给量和切削速度分别为0 2 m m a 、 8 0 m m i n 的前提下，通过改变刃倾角九得到妒。与a p 7 ；的关系曲线，基于大量实验 结果进而分析得出如下计算流屑角的经验公式： 审l 一3 3 3 7e f np+33+c九s(3-2) 其中：以为刀尖圆弧半径；a 。背吃刀量；c 材料系数。该文献提供了一个方 便的计算方法，但是，它忽视了进给量、前角和主偏角等因素对流屑角的重要影 响，因而使该公式的适应范围受到了很大的限制。 不管对于哪一种定义，都有其各自的优缺点，我们在使用的时候要根据自己 的实际情况来选择合适的来进行计算。 我们将麻花钻的主切削刃微段化，对于每段微刀刃都可以近似看成斜角切 削，并假定其为自由切削的前提下，斯坦布勒法则的条件完全满足：而且斯坦布 贵州大学硕l 学位论殳 基于切屑卷曲、流向的麻花钻螺旋槽形优化方法的探索研究 勒法则的关系简明、与刀具的重要几何角度刃倾角有直接的关系，有利于我们的 计算、分析。 3 1 3 流屑角的理论解释 切屑为何沿某方向而不沿其它方向流出必有其内在原因。对此，目前主要有 以下三中见解： 1 、最大前角理论 有些文献认为切屑应该沿前刀面上具有最大前角的方向流出。按照这一理论虽 然可以方便地根据几何角度来确定流屑角，但是它没有考虑前刀面的摩擦情况和其 他切削条件对切削过程的复杂影响，因此与实际情况相差甚远。如果，y = 0 。而 a 。- 0 0 时，最大前角方向就是主刀刃方向，而事实上切屑并不会沿这一方向流出， 即不会出现流屑角妒。；9 0 。的情况。 2 、最小切削能理论 文献m 认为切屑力图沿着受阻最小的方向，即消耗总切削能量为最小的方向流 出。这一理论从原理上讲是正确的，也易于为人们所接受，可是实施起来却遇到很 大的困难。因为很难准确地建立切削能和诸变量之间的函数关系，现在仍没有令人 满意的切削方程式。对这一理论的正确实施将有赖于对人们切削过程的更为深刻的 了解。 3 、局部切屑流出方向理论 在实际切削时，主、副刀刃之间常磨出一段圆弧过渡刃或直线过渡刃，各段刀 刃切下的切屑在流出时会发生相互制约的现象，最终以一个整体流出前刀面，情况 十分复杂。这一理论认为，沿宽度方向各小段切屑都具有垂直于它所相对的局部切 削刃而流出的趋势，并假定这种趋势的强度正比于局部的切削厚度。这一理论提供 了用图解法确定切屑流出方向的基础，但是这种作图法要花费很多时间。如果假定 这种趋势的强度正比于各小段局部切削刃的长度，则可用矢量合成方法推导出科尔 威尔近似方法。由于这一理论完全没有考虑工件材料对流屑角的影响，常导致预报 值与实际值的偏差【3 8 】。 贵州人学硕卜学位论文 1 7 基于切屑卷曲、流向的麻花钻螺旋槽形优化方法的探索研究 3 1 4 麻花钻切屑流向分析 对于麻花钻而言，理想的切屑是能够按照螺旋线的切线方向流出，因此，可 、 用他们的角度大小来衡量切屑流向的好坏( 夹角小排屑顺畅，夹角大排屑困难) ， 并以此为依据假设每一点的流屑方向在进给剖面内，或尽可能在进给剖面内，就 能够使切屑在螺旋槽内螺旋输送。鉴于其角度计算困难，我们选取螺旋线切线所 在的进给剖面与切屑流向之间的角度还衡量。若要使切屑排出顺畅，流屑方向与 进给剖面的夹角要尽可能的小，使切屑在螺旋槽内螺旋输送。 首先我们要建立流屑矢量，使其与刀具的几何角度关联起来。这将有利于将 他们之间的联系之间应用到刀刃的改进过程中【3 9 1 。 图3 1 是切屑流向分析示意图。 y 图3 1 切屑流向图 面 刀面 图中，0 为刀刃上的任意选定点，o - 玛y ，z ，为参考坐标系，x 3 轴与进给运动方 向一致，z 3 轴与切削速度方向一致，y 3 轴垂直于屯、屯。有关角度说明如下( 阎 兴，2 0 0 0 ) ： 疋一主偏角 贵卅i 大学硕i 。学位论文 基于切屑卷曲、流向的麻花钻螺旋槽形优化方法的探索研究 九主刃刃倾角 妒。一主刃流屑角 一流屑方向的前角 主刃o a 的单元向量为： b 一( c o s a , c o s k ，c o s a ，s i n k ，一s i n a , ) r 主刃主剖面与主刃前刀面交线的单位向量为 p 。一( 一c o s ? 。s i n k , c o s g 。c o s k ，一s i n r 。尸 主刃前刀面的法向单位矢量为： g 昌 b x p 。 1 主刃前刀面内主刃单位法矢为 + q x b 1 扣丽。而i 丽 流屑方向的单位向量为： t a n 九c o s k ，一t a n y 。s i n k ， t a n 九。s i n k ，+ t a n7o c o s k ， 1 一s i n k _ , 一九s t a n s l n t a n y ，c