（机械制造及其自动化专业论文）高精度微孔加工刀具的研究.pdf

附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中己明确注明和引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的 内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：孑口、辁 日期：7 汐l 磅年月日 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。 本人授权东华大学可以将本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和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 ， 不保密 学位论文作者签名：孙脏 指导教师签名： 日期： 口j 獐= ；月驴日 弦朴 日期：驴7 7 年f 月够日 东华大学硕士学位论文 摘要 高精度微孔加工刀具的研究 摘要 喷丝板是化纤生产中的核心部件，喷丝板的高精度和高质量是 保证良好纺丝工艺及纤维成品质量的关键因素。就喷丝板而言，其 最为精密的部分就是“微孔”，喷丝板微孔的孔型、结构和精度都将 直接影响成形纤维的外形、直径和物理机械性能。因此喷丝板微孔 刀具的质量对于喷丝板生产厂家至关重要。 本文系统地剖析了目前国内外微孔刀具的研究现状，尤其是应 用在喷丝板上的微孔刀具，着重对微孔加工起到核心作用的扁钻做 了全面、深入的研究。文章首先对扁钻钻头结构进行分析，在其钻 头几何尺寸的设计上应用了一种新的设计方法，通过d e f o r m 一3 d 软件模拟与正交实验相结合的办法，以轴向力( f z ) 和扭矩( m ) 作为评 价指标设计扁钻。在此基础上，通过钻削实验验证设计结果，将实 际加工结果与软件模拟结果相比较，得出扁钻的优化设计结构。 其次，文章对扁钻的磨削加工过程工艺参数进行了研究。对扁 钻的不对称性进行分析，提出了一种新的磨削工艺，发挥出了高精 度磨床的功能，对于提高扁钻的一致性以及扁钻的优化设计提供了 强大的理论支持。此外，实验发现扁钻的前刀面的粗糙度对加工有 比较明显的影响，在实验基础上选择了性价比最好的砂轮。 然后，本文创造性地设计了一种专门用于喷丝板微孔刀具检测 的光、机、电一体化的全自动检测设备。该检测仪通过运动控制 卡、四轴联动精密平台以及电机等设计了检测仪的运动系统，并根 据刀具的位置偏差进行刀具的自动走位；利用图像采集卡、c c d 、 工业镜头和光源等设计了喷丝板微孔刀具检测仪的图像采集系统； 并设计了微孔刀具工作状况的检测软件。对各种不同种类的喷丝板 微孔刀具的实际检测实验表明，该控制系统具有运行可靠、系统稳 定、检测速度高的优点，检测长度精度可达士11 t m ，检测角度精度可 达士o 5 0 。喷丝板微孔刀具检测仪可以在实际生产中代替人工检测， 东华大学硕士学位论文摘要 大大缓解了检测人员的工作压力，提高了检测效率和检测精度，保 证了微孔刀具的质量和一致性。 最后，本文提出了利用d e f o r m 3 d 软件模拟和切削实验相结 合的方式，对扁钻的切削参数进行优化，从而提高扁钻的加工性 能。本文提出可以将气动式定位装置与冲针加工相结合的方法运用 在扁钻切削加工过程中，完成扁钻的精准定位，试验证明方法是切 实可行的。 关键词：喷丝板，微孔，扁钻，d e f o r m 3 d ，正交试验，检测系统， 钻削工艺 东华大学硕士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c ho nm i c r o h o l ed r i l l sw i t hh i g h a c c u r a c y a b s t r a c t s p i n n e r e tp l a t ei st h ec o r ec o m p o n e n ti nt h em a n u f a c t u r eo fc h e m i c a lf i b e r s p i n n e r e tp l a t e w i t hh i g l lq u a l i t ya n da c c u r a c yi st h ed o m i n a n tf a c t o rg u a r a n t e e i n gt h ef m es p i n n i n gp r o c e s sa n d t h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c e df i b e r i nt e r m so fs p i n n e r e tp l a t e ，t h em o s tp r e c i s ec o m p o n e n ti s “m i c r o h o l e t h ep a t t e r n ，s t r u c t u r ea n da c c u r a c yo ft h e m i c r o - h o l e ”w i l la f f e c tt h ea p p e a r a n c e 。 d i a m e t e ra n dp h y s i c a l m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ep r o d u c e df i b e rd i r e c t l y t h u s ，t h eq u a l i t yo f m i c r o h o l ed r i l li sc r u c i a lt os p i n n e r e tp l a t em a n u f a c t u r e r s t h i ss t u d ys y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e dt h ec u r r e n tr e s e a r c h e so nm i c r o - h o l ed r i l l sb o t ha t h o m ea n da b r o a d ，e s p e c i a l l yc o n c e r n i n ga b o u tt h em i c r o - h o l ed r i l l sa p p l i e di ns p i n n e r e tp l a t ea n d e m p h a s i z i n go ns p a d ed r i l l sw h i c hp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nm i c r o h o l ed r i l l i n gp r o c e s s f i r s t l y , t h ea n a l y s i so fd r i l lb i to fs p a d ed r i l l sw a st a k e no u t c o m b i n a t i o no fs i m u l a t i o nw i t l lt h es o f t w a r e o fd e f o r m - 3 d ，ap o w e r f u lp r o c e s ss i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tt e c h n i q u e ，a n d o r t h o g o n a le x p e r i m e n t sw e r ea p p l i e di nt h ed e s i g no fg e o m e t r i cd i m e n s i o n i n go fs p a d ed r i l l s t h r u s tf o r c e ( f z ) a n dt o r q u e ( m ) w e r es e ta si n d i c a t o r st oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo f s p a d ed r i l l s o nb a s i so ft h ea b o v et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，d r i l l i n ge x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e d t h er e s u l t so f s o f t w a r es i m u l a t i o na n da c t u a ld r i l l i n ge x p e r i m e n t sw e r ec o m p a r e dt oo b t a i nt h eo p t i m i z e dd e s i g n o fs p a d ed r i l ls t r u c t u r e s s e c o n d l y , t h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r si nt h eg r i n d i n gp r o c e s so fs p a d ed r i l l sw e r ea l s o s t u d i e di np r e s e n tr e s e a r c h t h ea s y m m e t r yo fs p a d ed r i l l sw a sc o n s i d e r e d an o v e lg r i n d i n g p r o c e s sw a sd e s i g n e dt of u l l ya m p l i f yt h ef u n c t i o no fg r i n d i n gm a c h i n ew i t hh i 【g h a c c u r a c y i t p r o v i d e ds t r o n gt h e o r e t i c a ls u p p o r tf o ri m p r o v i n gt h ec o n s i s t e n c ya n do p t i m i z e dd e s i g no fs p a d e d r i l l s i na d d i t i o n ，i tw a so b s e r v e dt h a tt h er o u g h n e s so fr a k ef a c eo fs p a d ed r i l l sh a so b v i o u s 1 1 1 东华大学硕士学位论文 i n f l u e n c eo nt h ed r i l l i n gp r o c e s s e s g r i n d i n gw h e e lw a ss e l e c t e dd u et ot h ec o s tp e r f o r m a n c eu p o n t h er e s u l t so fa c t u a le x p e r i m e r i t s t h e n ，as e to fa u t o m a t i ct e s te q u i p m e n tw i t ho p t i c a l ，m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a l i n t e g r a t i o n ，s p e c i a l l yu s e df o rm i c r o - h o l ed r i l l so fs p i n n e r e tp l a t et e s tw a sd e s i g n e dc r e a t i v e l y t h e m o t o rs y s t e mo ft h i se q u i p m e n tw a sd e s i g n e dw i t hm o t i o nc o n t r o lc a r d ，f o u rs h a f tl i n k a g e p r e c i s i o np l a t f o r ma n dm o t o r , a u t o m a t i cd i s l o c a t i o nw a st a k e no u ta c c o r d i n gt o t h ep o s i t i o n a l d e v i a t i o no ft h ed r i l l s ；i m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e mw a sd e s i g n e db yt h ee m p l o y m e n to fi m a g e c a p t u r ec a r d ，c c d ，i n d u s t r i a ll e n sa n dl i g h ts o u r c e ；a n da l s ot h et e s t i n gs o f t w a r eo fm i c r o - h o l e d r i l l i n gp r o c e s sw a sd e s i g n e d t h ea c t u a lt e s to fv a r i o u ss p i n n e r e tp l a t em i c r o d r i l l si n d i c a t e dt h a t t h i sc o n t r o ls y s t e mw a sr e l i a b l e s t a b l ea n df a s t t h ea c c u r a c yo ft h et e s tw a s 士ll a i na n d 士0 5 。i n l e n g ma n da n g l e ，r e s p e c t i v e l y t h ea u t o m a t i ct e s te q u i p m e n to fm i c r o d r i l li ns p i n n e r e tp l a t ec a n t a k ep l a c eo fm a n u a lt e s t ，w h i c hc o u l dr e l i e v et h es t r e s so ft e s t i n gp e r s o n n e la n dr e s u l ti nh i g h e r t e s te f f i c i e n c ya n da c c u r a c y t h e r e f o r e ，t h eq u a l i t ya n dc o n s i s t e n c yo fm i c r o - h o l ed r i l l sw a s g u a r a n t e e d f i n a l l y , t h ec u t t i n gp a r a m e t e r so fs p a d ed r i l l si nm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sw e r eo p t i m i z e d b yt h ee m p l o y m e n to fc o m b i n a t i o no fd e f o r m 一3 ds i m u l a t i o na n dc u t t i n ge x p e r i m e n t s ，t h u s ， r e s u l t i n gi ni m p r o v e dp r o c e s s i n ga b i l i t i e so fs p a d ed r i l l s i na d d i t i o n ，i tw a ss u g g e s t e dt h a tt h e c o m b i n a t i o no fp n e u m a t i cp o s i t i o n i n gd e v i c ea n db l u n tn e e d l ep r o c e s s i n gw o u l dl e a dt op r e c i s e p o s i t i o n i n gi ns p a d ed r i l lc u t t i n gp r o c e s s e x p e r i m e n t sc e r t i f i e dt h a tt h i sm e t h o d w a sf e a s i b l e s u nq u a n ( m a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n ) s u p e r v i s e db yc h e nb i n g b i n g k e yw o r d s ：s p i n n e r e tp l a t e ，m i c r o h o l e ，s p a d ed r i l l ，d e f o r m 一3 d ，o r t h o g o n a l e x p e r i m e n t s ，t e s ts y s t e m ，c u t t i n gp r o c e s s 东华大学硕士学位论文 目录 目录 摘要一i a b s t r a c t i i i 1 绪论1 1 1 研究意义1 1 2 研究内容5 2喷丝板微孔的刀具设计7 2 1 微细扁钻的结构7 2 2 扁钻的钻削过程的仿真模拟9 2 3 扁钻钻削的正交实验1 6 2 4 钻孔试验l9 2 5 本章小结2 1 3喷丝板微孔刀具的磨削加工一2 3 3 1 扁钻的不对称性分析2 3 3 2 扁钻的磨削加工2 4 3 3 扁钻磨削优化2 6 3 4 本章小结2 7 4 喷丝板微孔刀具的检测2 9 4 1 检测原理2 9 4 2 硬件结构2 9 4 3 软件构思3 0 4 4 软件设计3 3 4 5 界面设计及系统功能4 0 4 6 检测系统整体结构4 3 4 7 应用4 4 4 8 本章小结4 5 5 喷丝板微孔刀具的使用4 8 5 1 钻削理论的研究4 8 5 2 基于d e f o r m 3 d 的切削要素影响分析5 0 5 3 微孔加工5 3 5 4 本章小结5 6 6总结与展望5 8 6 1 总结5 8 6 2 展望5 9 参考文献6 0 攻读硕士期间发表的论文6 3 致谢6 4 东华大学硕士学位论文 目录 2 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究意义 1 绪论 1 1 1 引言 化纤用喷丝板是化学纤维生产的关键零部件，其作用是将精确计量后的纺丝 熔体通过喷丝板上的喷丝孔喷挤出来，从而形成一定粗细和质地细密的纤维【l 】。 喷丝板上最为精密的部分就是喷丝板的喷丝孔，在宏观上它影响纤维的纵、横向 截面形状；在微观或显微观上，它影响到纤维的结构和性能。因此喷丝孔的加工 精度，是保证纤维形状和性能的关键因素。 一般而言喷丝板的外形多为圆盘形，但依据不同的纺丝工艺要求其外形也有 矩形和椭圆形等多种类型。无论哪种类型的喷丝板都由大量的喷丝孔组成，每块 喷丝板上喷丝孔的数量少则几个、几十个，多则成千上万，大量的喷丝孔会根据 冷却方式的不同采取不同的排列方式，其排列方式一般为：同心圆分布、菱形分 布、并列形分布等【2 】。表1 1 列出的是喷丝孔及其导孔的加工技术要求，对于某 些特殊用途的喷丝板，不但要满足表1 1 所示的工艺要求，而且还要保证额外的 特殊精度要求。 表1 - 1 喷丝板的技术要求2 1 直径( m m ) 长径比孔径误差孔壁粗糙度 垂直圆柱形导孔 1 6 2 5 8郢0 51 1 q _ f f l i 也1 6 倾斜圆柱形导孔 1 6 2 5 芝8郢0 5m m 比1 6 纺丝组件导流孔q 5 1 0 1 6 郢0 51 1 1 1 1 1 r z l 6 微细圆形喷丝孔 如32 5 4 郢0 0 2n l r f l r 2 0 4 如图1 1 所示，喷丝板上的孔道分为三类：靠近出料面端的喷丝微孔称为喷 丝孔，也叫微孔；喷丝孔靠近进料面的引流孔称为导孔；导孔与微孔之间的连接 部分，称为底孔。本文研究圆柱形微孔的加工刀具。 图1 - 1 喷丝孔道结构 东华大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 2 现有微孔加工技术 微孔加工技术一般可以分为两类：机械加工和特种加工。其中机械加工有机 械钻削、磨削、铰削、冲孔加工等；特种加工有激光加工、电火花加工、电解加 工、超声d n - f 、复合加工等。上述加工方法都已运用于喷丝板的圆形微孔加工。 相对而言，机械加工成本小、对材料的适用性强，而特种加工精度高、设备昂贵， 因此在能满足需要的情况下，机械加工仍是目前主要的加工方法。1 3 1 一【8 】 表1 - 2 微孔加工方法 粗加工 精加工 机械加工特种加工机械加工特种加工 钻孔( 麻花钻) 电火花加工电子束加工镗孔 扁钻和其他钻 电化学加工离子束加工铰孔电抛光 冲孔 化学铣加工激光加工珩孔化学铣 立铣孔 超声波加工电成形加工研孔磨料喷射加工 水喷射加工辐射腐蚀加工滚珠挤光磨料流加工 空心铣 磨料喷射加工刮孔 特种加工技术作为现代机械制造技术中的一个重要组成部分，由于其自身的 一些特点，在针对孔形复杂的喷丝孔以及难加工材料上微孔的加工上体现了独特 的优势。例如：利用激光加工技术几乎可以在目前所有材料上面加工微孔。虽然 各种特种加工方法在一定范围内能起到十分有效的作用，但针对加工奥氏体不锈 钢圆形喷丝孔却达不到用微型钻头钻孔的质量水平。激光和电子束适用于各种难 加工材料的加工，但加工出的孔孔身锥度过大，且孔口易产生毛刺，排屑也很困 难。电火花加工虽然不必加工中心孔和去毛刺，但因其受放电间隙及电极损耗等 因素的影响，孔的圆度、垂直度和孔径精度都较差，且单孔加工的时间比较长【2 j 。 通过以上的对比可知，在喷丝板g 口- r _ 中特种加工方法适用于复杂孔形加工， 而圆柱形导孔和圆形喷丝孔应采用钻削加工方法。表1 2 是特种加工技术及机械 加工技术在微孔加工领域的对比。 东华大学硕士学位论文第一章绪论 表1 - 2 微孔加工技术对比1 8 h i 1 6 】 、优点不足 不受工件材料限制放电间隙及电极损耗 电火花加工可在斜面加工孔孔口圆度较差 加工过程中库仑力小加工时间较长 不需要加工刀具加工成本高 特种加工 激光加工不受切削力影响排削困难 不受加工材料限制微孔锥度大易产生毛刺 不受加工材料限制工具阴极制造比较复杂 电解加工生产效率高加工精度不高 加工表面无残余应力与变形对辅助加工装置有腐蚀 生产效率高钻头入钻机理复杂 钻削加工 加工精度高 排削困难 自动化程度好有毛刺 生产效率高 铰孔加工 加工精度高 只能作为后续工艺 自动化程度好 刀具制作困难 机械加工 尺寸精度高 主轴必须有很高转速 磨削加工形状精度好不易加工微孔( d 郢4 0 m m ) 表面粗糙度低加工冷却困难 加工效率高加工材料受限 冲微孔加工成本低加工微孔时受凸模刚度、强度限 微孔尺寸稳定制，导向性差 1 1 3 微孔加工刀具简介 1 1 3 1 钻削加工 最早使用钻头加工微孔是在钟表制造行业中。常用的微钻头有的为直线型， 但大多数为阶梯型。阶梯型钻头加粗钻柄后可增强刚性，能防止切削部分摆动， 且便于制造和装夹。在进行微孔加工时，由于钻尖的振动对钻孔精度和钻头寿命 有直接影响，因此在加工直径0 2m m 以下的微孔时，均采用装夹精度高、刚度 较高的阶梯钻头。微钻头按其形状也可分为扁钻、半圆钻、麻花钻和金刚石微型 钻头等【5 | 。 1 1 3 2 铰削加工 通过钻削加工得到的微孔，往往达不到需要的圆度、圆柱度及表面光洁度。 在这种情况下，相比较成本过高的内圆磨削及精镗加工，铰削是理想的精加工方 法。铰削根据刀具自身的精度及导向性进行加工的，不需要昂贵的机床，也不需 要太注意刀具和工件的安装。铰削余量小，精铰时约为o 0 1 o 0 3m m ，具有较 东华大学硕士学位论文第一章绪论 薄的铰削厚度是铰削的特征。铰孔以较小的孔作为加工对象，孔的精度可达h 6 h 8 级左右。 1 1 3 3 冲孑l 加工 冲孔n - v 在工作时，挤压杆仅作直线运动，不作旋转运动。挤压加工是一种 较为先进的无屑光整加工方法。挤压机床只需一般的液压压力机即可，挤压杆的 结构简单、易于设计和使用。制造时，对挤压杆的表面粗糙度值要求较小，但形 状误差要求控制得很严【5 】。冲孔加工具有以下特点：一、生产效率高，在大批量 生产时，其生产成本比钻削小孔的成本低得多；二、凸模磨损慢、寿命长，加工 出的小孔尺寸稳定，但在一定板厚下，其冲孔的直径小于某一定值时，由于小凸 模的强度和刚度的限制而无法冲孔【引。 1 1 3 4 微孔刀具 微型钻头加工出的孔具有良好的几何精度和形位精度，并且特种加工设备比 较昂贵，所以目前机械钻削加工微孔技术的应用仍然比较广泛。只要孔的直径在 o 0 2m m 以上且工件材料的硬度允许，采用微型钻头加工在多数情况下是最佳加 工方法，尤其是精度要求很高的大长径比微孔，只有钻削加工才能完成钻孔。表 1 3 为各种微孔加工使用的切削刀具。 表l - 3 各种微孔加工刀具 钻孔麻花钻、扁钻、半圆钻 精加工铰刀、冲针 1 1 4 国内外现状 在大长径比及超大长径比的喷丝板加工中采用高速钢钻头，因为此时的孔偏 斜是根本无法避免的，而微小的偏斜都会造成硬质合金钻头的折断。高速钢钻头 可以承受较大的冲击韧性、切削力和复杂的切削状态引起的弯曲变形。而硬质合 金微细钻头更适用于长径比较小的喷丝孔钻削加工，但前提是必须满足主轴转速 条件。目前硬质合金钻头已经大量应用于喷丝板的加工，国内的喷丝板厂家已经 可以在主轴转速1 2 0 0 0r m i n 的高速钻床上加工出0 0 0 9m m 的喷丝孔。目前， 针对于微孔的钻削加工研究很大程度上仅限于工艺方法的研究，而针对于微小型 钻头几何尺寸以及钻头磨削加工过程工艺参数影响的研究都还是不充分的。由于 缺乏这方面的研究探索导致目前国内外的微小型钻头生产都依赖普通钻头的生 产经验以及依据大量实验数据总结得出工艺参数。喷丝板加工中微细钻头使用量 很大，国外钻头一旦折断就可能报废。此外，采用迸料面加工，钻头悬长过大。 以0 3m m 钻头为例，一般的进口钻头工作部分长度不超过1 0m n l ，无法满足 进料面钻削加工工艺。 4 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 米曾榜教授在1 9 8 8 年机械工业出版社出版的小孔加工【1 7 中，比较全面 的介绍了加工直径小于11 1 1 1 1 1 微孔的各种工艺方法。h c c h y a n 等【1 8 】指出针对于 微孔的钻削加工必须同时考虑到微小钻头的钻削加工过程以及微小型钻头的钻 削加工能力两方面的因素。张明等【ls 】通过对微细高速钢麻花钻破坏断口进行显 微分析，对导致钻头折断的主要原因进行了研究。林经德【2 0 】分析了微孔钻头的 折断机理，对钻头折断的根源进行了研究，认为钻削扭矩和轴向力在钻削加工达 到一定深度后急剧增加是钻头折断的主要原因。贾居祥等【2 l 】从加工角度认出发， 认为钻头钻刃顶角误差、主轴、钻夹头和装夹的误差及材料特性等原因会导致钻 头折断。杨兆军等1 2 2 】认为微小钻头刚度过低、入钻位置易偏斜、加工过程排屑 困难、钻削轴向力大导致了钻头的折断。大量文献【2 3 】【3 1 】对钻头采取特殊加工工 艺，对振动钻削进行了深入研究，从理论和实验两方面对振动钻削进行了分析。 这种工艺改善了微孔加工刀具的工艺性能，对微孔的加工质量起到了极大的促进 作用。文献p r 2 j - 【37 】运用先进检测技术，对微孔加工进行实时监测，实现了切削力 的实时监测、识别与控制，从而有效减小了切削力，避免了钻头折断，延长了钻 头的使用寿命。文献( 3 8 - 4 5 1 运用有限元方法，通过a n s y s 、a b a q u s 等分析软 件，对微孔刀具进行仿真模拟。 文献【4 6 j 采用新的磨削方法，超声振动磨削的方法生产出了直径0 0 11m l n 的 硬质合金铣刀。s a n d i al a b s t 4 7 1 利用聚焦离子束加工生产出了直径0 2 5m m 的5 刃硬质合金铣刀，并用它加工出了深宽都为2 5g m 的微槽。f a n g 等【4 8 】通过有限 元与实验相结合的方法研究了微径硬质合金铣刀几何形状对加工能力的影响，发 现半圆形刀齿比三角形或者传统的2 刃铣刀加工效果要好。 1 2 研究内容 本课题将对喷丝板微孔加工用的刀具进行研究，其主要研究内容包括： ( 1 ) 扁钻的结构设计：对扁钻钻头结构进行分析，应用一种新的设计方法在 其钻头几何尺寸的设计上，以此来改变微小型钻头生产都依赖普通钻头的生产 经验以及依据大量实验数据总结得出的工艺参数的现状。 ( 2 ) 扁钻的磨削工艺研究：对扁钻的磨削加工过程工艺参数进行研究，提出 一种新的磨削工艺，发挥出高精度磨床的功能，对于提高扁钻的一致性以及扁 钻的优化设计提供强大的技术支持。 ( 3 )微孔刀具的自动化检测研究：提出一种专门用于喷丝板微孑l 刀具检测的 光、机、电一体化的全自动检测设备。该检测设备可以在实际生产中代替人工 检测，缓解检测人员的工作压力，提高了检测效率和检测精度，保证微孔刀具 的质量和一致性。 ( 4 )扁钻的切削工艺研究：利用d e f o r m 3 d 软件模拟和切削实验相结合的 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 方式，对扁钻的切削参数进行优化，提高扁钻的加工舯l - r - 厶匕厅匕。另外，在扁钻切削 加工过程中，提出能完成扁钻的精准定位的新方法。 6 东华大学硕士学位论文第二章喷丝板微孔刀具的设计 2 喷丝板微孑l 的刀具设计 喷丝板的喷丝微孔的加工特点是孔径小且加工精度高，但是发现其长径比并 不是很大，经验表明微细喷丝孔长径比一般在2 5 ：1 左右。因此，此时的微细麻 花钻头由于本身的结构限制，刚度已经不能满足加工的需求。扁钻往往用于硬度 不高精度不高的孔的加工过程中，而喷丝孔的加工精度高，并且喷丝板的原材料 硬度都高于普通扁钻的加工适用范围，是否可以利用扁钻加工喷丝板喷孔以及如 何设计微细扁钻便是这一部分研究的主要内容。 2 1 微细扁钻的结构 如图2 - 1 所示，扁钻切削部分磨成一个扁平体，主切削刃磨出锋角、后刀面 相交形成横刃。 1 ) 前刀面。扁钻的前刀面是两个平面，是切屑流经的表面，起排屑作用。 2 ) 后刀面。后刀面( 两个) 与加工表面相对，位于钻头前端，同样是两个平面。 后了 曲 图2 - 1 扁钻切削部分结构 3 ) 主切削刃。主切削刃( 两条) 是前刀面与后刀面的交线，扁钻的主切削刃是 直线，担负着主要的切削工作。 4 ) 副切削刃。副切削刃( 两条) 是同样也是切削棱边边缘的直线，通过观察扁 钻的几何形状在真正的利用扁钻加工的过程中副切削刃根本起不到切削作用。 5 ) 横刃。扁钻的横刃是一条直线，是两个( 主) 后刀面的交线，位于钻头的最 前端。 7 东华大学硕士学位论文 第二章喷丝板微孔刀具的设计 y 、 r 一。 图2 - 2 扁钻的几何尺寸 如图2 - 2 所示，可以用钻头直径d 0 ，前角y ，顶角2 ，横刃厚度b ，横刃斜 角甲，工作长度l 等参数来描述标准扁钻的几何形状【1 6 】，主要参数的意义和作 用为： 前角丫：前角越大，钻头切削刃越锋利、切削轻快、扭矩和轴向力也小，但 前角过大，会使钻头刃口处强度削弱。增大前角可以减少切削热的产生，使切削 温度不致于太高，但是前角过大会使刀尖散热体积减小，切削温度反而升高。减 东华大学硕士学位论文第二章喷丝板微孔刀具的设计 小前角可改善散热条件，切削温度降低，但是前角过小，切削变形严重，切削热 量不易散掉。钻削加工微孔时前角不易过大，由于影响微孔实际加工主要是扭矩 和轴向力，而排削和散热的问题可以通过加工工艺改善 顶( 锋) 角2 ：在两条主切削刃平行的平面内，测量两条主切削刃在该平面 内投影间的夹角，该值大小直接影响主切削刃的长度、钻头前角、切削厚度、切 削宽度、切屑流出方向和孔的扩张量。顶角增大，前角也增大，切屑容易排出， 但同时定心差，影响扩张量增加；顶角变小，则切削厚度减薄、切削宽度加长， 切屑卷曲成螺旋的程度厉害，因此合理选择顶角大小很重要。表2 1 为推荐采用 的合理顶角设计数值【4 9 1 ，从表中看出：一般加工不锈钢微孔时，设计顶角为 1 2 5 0 1 5 0 0 ，而本文的后续实验也表明，加工喷丝板的扁钻采用1 3 5 0 的锋角值， 正好符合该设计范围。 表2 - 1 顶( 峰) 角的选择 定义和推荐的合理数值 材料铸铁、青铜硬铸铁有色金属塑料 不锈钢 2 9 0 0 1 0 0 01 2 0 0 1 2 5 01 3 0 0 1 4 0 08 0 0 9 0 01 2 5 0 1 5 0 0 横刃厚度b ：横刃厚度是扁钻工作部分的重要结构参数，它的大小直接影响 扁钻的强度，横刃愈厚，强度愈好。但是同时，切削刃离开孔中心的距离愈大， 前刀面离开被加工孔的中心位置也愈远，造成扁钻的切削性能不好，工作情况恶 化。 横刃斜角甲：横刃斜角是横刃与主切削刃在垂直于钻轴的端面内的投影所夹 的锐角。甲的大小直接影响着近钻心处的后角大小，也就是决定了横刃的长短。 甲大，假如差不多等于9 0 。，也就是说横刃几乎垂直于主切削刃，则横刃后角变 得很小或者几乎等于零，横刃处的负前角，其绝对值变得很大，这时横刃的“挤 刮”很厉害，甚至会钻不下去。但是甲也不能取得太小，虽然甲小，后角加大， 但横刃长度增加，使钻心部位的切削条件恶化。可见，横刃斜角太大或太小都不 好。 2 2 扁钻的钻削过程的仿真模拟 金属切削过程是一个高度的动态性、非线性过程，涉及材料学、力学、热学 及摩擦学等相关知识。切削力、切削温度和刀具磨损是反映切削过程的主要指标。 以前通常通过试验和解析的手段来研究切削过程，往往耗时、耗力、成本高，难 以精确测量切削力、应力应变、温度场分布等关键数据。近年来，随着计算机性 能和运算速度的迅速提高、有限元技术自身的不断完善以及有限元与其他技术的 结合，使得有限元法在求解非线性和多场耦合问题方面的强大功能已经日益显 9 东华大学硕士学位论文第二章喷丝板微孔刀具的设计 现。利用有限元仿真，工程技术人员可以比较精确地预测切削力、切削温度等参 数，其研究成本低，周期短，能为企业提高生产效率提供有效的手段【5 u j - 【5 2 j 。目 前，金属切削有限元分析软件，如a b a q u s 、d e f o r m 、a n s y s 、t h i r d w a v e 等，都 提供了良好的前处理、求解和后处理功能。 d e f o r m 3 d 是s f t c ( s c i e n t i f i cf o r m i n gt e c h n o l o g i e sc o r p o r a t i o n ) 公司开发的 基于有限元分析的工艺仿真软件，针对复杂的金属成形过程，能够分析各种成形、 热处理工艺，对加工过程中因工件材料、刀具材料、刀具结构、切削工艺参数不 同引起的切削温度、应力应变、切削磨损等因素进行分析，是正确选择刀具材料、 刀具结构和切削工艺参数以及进行材料加工性分析的依据【53 l 。因此，利用 d e f o r m 3 d 软件作为平台，对扁钻钻削不锈钢的过程进行有限元仿真，分析主 切削力和扭矩的变化规律并同理论计算值进行对比分析，以验证采用 d e f o r m 3 d 仿真不锈钢微孔钻削过程的可信度。 2 2 1 扁钻三维模型的建立 进行模拟的第一步是要建立工件和刀具的几何模型。由于d e f o r m 3 d 软 件本身没有完善的三维建模功能，本章需要模拟的扁钻结构d e f o r m 3 d 并不 能建模。因此，需要运用三维软件进行刀具的建模，建模完成之后将扁钻模型转 为“s t l ”格式的文件，再导入d e f o r m 3 d 的前处理模块。类似扁钻钻削不 锈钢的有限元仿真运算量比较大，计算一个案例需要耗费很长的时间，因此为了 减小运算量，提高运算效率，三维模型的结构可以进行必要的简化。 根据正交实验设计，建立9 种结构参数不同的刀具，直径0 2 5m l t l ；工件为 圆柱体直径0 8n l l y l ，厚度0 6i i l r n 。模型由p r o e 软件绘出。由于在钻削是只有 钻心部分参与切削，因此所构建的三维模型不需钻柄部分，只要将钻体绘出即可。 图2 3 是简化后的钻头三维模型。 1 0 东华大学硕士学位论文第二章喷丝板微孔刀具的设计 图2 3 钻头的三维模型 2 2 2 模型的网格划分及边界条件设置 由于扁钻钻削不锈钢这样的有限元仿真运算量比较大，计算一个案例需要耗 费很长的时间。因此为了提高效率、节省计算机资源，模拟过程只需要模拟扁钻 钻削达到稳定状态即可。在钻削过程中，金属变形很大，其中弹性变形远远小于 塑性变形。因此在设置工件模型材料属性时，将工件材料模型设为塑性体，这对 模拟结果的影响很小。并且由于弹塑性模型的运算量要远远大于塑性模型的运算 量，工件设置为塑性体可以节省模拟时间。因此，将工件设置为热刚塑性模型， 刀具设置为刚体，同时设置热传递。 d e f o r m 3 d 本身具有网格自动划分功能，但是通过d e f o r m 3 d 对工件 及刀具进行网格划分只能得到四面体单元。因此如果想得到其它类型的网格单 元，可以运用m e s h 3 d 这类专业网格划分软件进行网格划分，然后再将网格划 分好的模型导入d e f o r m 3 d 。为了提高运算速度、节省计算机资源，在网格划 分时可采用网格局部细分功能，将扁钻切削区域附近的网格划分的比其他地方细 一些，这样可以减少运算量，而对计算结果的影响也不大。另外，d e f o r m 3 d 软件在运算过程中具有网格自动划分功能，可以防止在切削模拟过程中网格畸变 程度过大，从而保证切削过程能够持续进行。【5 4 】在本模拟中，刀具网格类型为 相对网格类型，其单元总数为8 0 0 0 个，s i z er a d i o 为4 。工件网格类型为绝对网 格类型，网格最小尺寸为o 0 6m m ，其单元总数为2 7 0 4 0 个，并且对工件材料中 欲切除部分附近的网格进行细分，最小单元边长为0 1 5m l t l ，采用网格自动划分 东华大学硕士学位论文第二章喷丝板微孔刀具的设计 功能。在边界条件的设置中，需要固定工件。因此将工件侧面与底面的速度在x 、 y 、z 方向上设为0 ，如图2 _ 4 所示。 图2 - 4 网格划分之后的有限元模型 2 2 3 刀具和工件特性参数设置 物体的内部关系的目的是定义仿真过程中不同的相互作用。设刀具为主动， 工件为从动。 表2 2 列出了刀具和工件的基本特性。 表2 - 2 刀具和工件的特性参数 参数工件扁钻 几何参数直径0 8m m ，厚0 6m m 圆柱直径0 2 5t o n i 材料 1 c r l 8 n i 9 t i 硬质合金 导热系数 4 5n s m m 4 5n s m m 初始温度 2 0 2 0 模型类型塑性塑性 摩擦因子 0 50 5 摩擦类型 剪切摩擦 剪切摩擦 2 2 4 模拟参数设置 在仿真模拟过程中，计算步长是一个非常重要的参数。软件d e f o r m 3 d 拥有两种计算步长方式，分别是通过时间或刀具行程来进行确定步长。对于一般 变形问题，通过行程来计算步长