（机械设计及理论专业论文）螺旋面钻尖计算机辅助设计及其刃磨技术的研究.pdf

at h e s i si nm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n 删嬲 h e l i c a ld r i up o i n tc o m p u t e r - a i d e dd e s i g na n d t e c h n o l o g yo fg r i n d i n g b y l ix i n y o u s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz o up i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 l，- ，- j，。jj 本人声明，所呈交 得的研究成果除加以标 写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。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。 学位论文作者签名：李施反 。 日期：矿吕- 。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校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。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日： 、 一 ， 东北大学硕士学位论文 摘要 螺旋面钻尖计算机辅助设计及其刃磨技术的研究 摘要 据统计，在美国的汽车制造业，机械加工中钻孔工序的比重约占5 0 ；而在 飞机制造业，钻孔工序所占的比重则更高。但是广泛使用的锥面麻花钻的切削性 能并不理想，人们一直致力于对其结构和刃磨方法进行改进；先后提出了2 0 0 多 种互不相同的钻头形状，以改善其切削性能。 螺旋面后刀面钻尖的研究和使用，在很大程度上提高了钻头性能和改善了钻 削质量。螺旋面钻尖在靠近钻心处具有比普通钻尖更大的后角，横刃为”s ”形，所 以具有较好的定心性，钻孔时切入稳定，轴向力小，排屑能力好，并且所钻孔径 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替代铰孔工序。 本课题是基于对s d 系列刃磨机刃磨原理的研究，来研究螺旋面后刀面钻尖 刃磨过程及钻尖的钻削性能。s d 系列刃磨机是一种新型的螺旋面后刀面钻尖磨 床，这种刃磨机床结构精简、易于操作，可随时调整各个刃磨参数来控制刃磨过 程，达到修磨出理想螺旋面钻尖的目的。 建立钻头的数学模型是对钻头进行几何设计、制造、切削性能分析和对钻削 过程进行建模的基础，本课题所做的工作也不例外。首先，根据刃磨原理建立s d 系列刃磨机刃磨过程的数学模型，找出刃磨参数与设计参数之间的关系，得到设 计参数的表达式；再通过改变刃磨参数得到设计参数的变化规律。 如今，计算机辅助设计发展的非常迅速，许多三维绘图软件都具备标准件库， 一些非标准件也有相应的建模模块，这对于相关人员的工作和学习无疑是个很大 的帮助。钻尖三维模型的建立在三维设计软件中还没有自己的模块，所以绘制起 来非常不方便；本课题在对钻尖研究和分析的基础上，用p r o e n g i n e e r 自身携带 的二次开发工具p r o t o o l k i t ，在p r o e n g i n e e r 中添加了钻头绘制模块，完成了 p r o e n g i n e e r 的二次开发。 随着c a d 技术在各行业中普及并迅速转化成现实生产力，许多领域内的系 统开发成了热门话题。针对这一现状，本课题开发了一种螺旋面后刀面钻尖仿真 系统。该系统包含了关于螺旋面钻尖大部分性能方面的设计和研究：三维建模、 刃磨过程仿真、钻削力分析等，这些都是建立在s d 系列螺旋面钻尖刃磨机床及 其刃磨原理上的。 理论上，螺旋面钻尖钻削性能在许多方面都优于普通麻花钻钻尖，这就需要 从钻削实验中来验证，本课题也做了普通钻尖与螺旋面钻尖钻削性能比较试验。 i i y 东北大学硕士学位论文摘要 首先，利用s d 系列刃磨机修磨普通钻尖得到螺旋面钻尖；然后，在普通摇臂钻 床上进行钻削试验。为了更具有说服力，本课题分别钻削了三种不同的材料，记 录出口撕裂数值进行比较。结果证明：在不同的转速和进给量下，普通钻尖钻削 的出口撕裂值都要比螺旋面钻尖的撕裂值大，钻孔质量没有螺旋面钻尖高。 s d 系列刃磨机结构简单、刚性较好、易于操作，具有较高刃磨精度；螺旋 面钻尖钻削性能好，钻孔质量高，是钻削加工比较理想的刀具。本课题对 p r o e n g i n e e r 的开发和仿真系统的制作，也使钻尖的使用和修磨向专业化、实用 化和用户化方向发展。 关键词：螺旋面钻尖；s d 系列刃磨机； 数学模型；二次开发；仿真系统； 钻削实验 ， 1 l j 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t h e l i c a ld r i l lp o i n tc o m p u t e r - a i d e dd e s i g na n d t e c h n o l o g yo fg r i n d i n g a bs t r a c t a c c o r d i n gt os t a t i s t i c ，i nt h e6 e l do fa u t o m o b i l em a n u f a c t u r i n gi nu n i t es t a t e s ， d r i l l i n ga c c o u n t sf o rn f t yp e r c e n to fm a c h i n i n g ；a n dm o r ei na e r o p l a n em 2 u l u f a c t u r i n g b u tt h ed r i l l i n gc a p a b i l i t yo fc o n i c a ld r i l li s n ti d e a l ，p e o p l eh a v ea l w a y sb e e nt r y i n gt o i m p r o v et h ec o n f i g u r a t i o na n dm e a n s o fm o d i f y i n g ；i nt h ep a s t ，m o r et h a nt 、0 h u n d r e dk i n d so fd r i l l c o n 矗g u r a t i o nh a sc o m eo u t ，i m p r o v i n gt h ec u t t i n gc a p a b i l i t y t h es t u d ya n da p p l i c a t i o no fh e l i c a ld r i uh a si m p r o v e dt h ed r i l l i n gc a p a b i l i t y o fd r i l la n dd r i l l i n gq u a l i t y t h e “s ”s h a p ec h i s e le d g eh a sal o w e rn e g a t i v er a k ea n g l e t h a nac o n v e n t i o n a lc h i s e le d g e h e l i c a ld r i up o i n th a sa n s ”c o n t o u rw i t har a d i u s e d c r o w nc h i s e lt h a tr e d u c e st h et h r u s tf o r c ea n dm a k et h ed r i u ss e l f 二c e n t e r i n g ，a c h i e v i n g h o l ew i t he x a c ts i z e ，a n ds o m e t i m e sr e a m i n gc a nb er e p l a c e d d “l l i n gc a p a b i l i t ya n dg r i n d i n go fc o n i c a ld r i l l c a nb es t u d i e dt h r o u g h m o d i f y i n gt h e o r yo fs dg r i n d e r s dg r i n d e ri san e wt y p eo fh e l i c a ld r i l lp o i n tg r i n d e r ， w h i c hi s ，w i t hs i m p l ef r a m e w o r k ，o p e r a t e de a s i l y ，a n dg a i n e di d e a ld r i l lp o i n te a s i l y b ya d ju s t i n gp a r a m e t e r s m a t h e m a t i c a lm o d e l i st h eb a s i co fd e s i g n ，m a n u f a c t u r i n g ，a n a l y s i sa n dd r i l l i n g ， t h es t u d yo fh e l i c a ld r i l lp o i n ti sn o ta ne x c e p t i o n f i r s t l y w es h o u l de s t a b l i s h g r i n d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e lo fs dg r i n d e r b yw h i c hw ec a no b t a i nt h e r e l a t i o n b e t w e e nd e s i g n i n g - p a r a m e t e r sa n d g “n d i n g - p a r a m e t e r s ， a n dt h e nr e c e i v i n gt h e e x p r e s s i o no fd e s i g n i n g p a r a m e t e r s n o w a d a y sc a dh a sa d v a n c e do b v i o u s l y ，a n dm a n yp l o ts o f t w a r eh a v es t a n d a r d l i b r a r y h e l p i n gc o r r e l a t e dp e r s o n n e lg r e a t l y b u t ，d r i l l i n gd i d n th a v et h e i rm o d u l e ， i n c o n v e n i e n tt od r a wm o d e l s ot h i sa r t i c l ee x p l o i t sad r i l im o d u l ei np r o e n g i n e e r w i t hp r o t o o l k i t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc a di np r o d u c t i v i t y ，s y s t e me x p l o i t a t i o nh a v eb e c o m e ah e a t e dd i s c u s s i o ni nm a n yf i e l d s ，a n dt h e nt h i sa r t i c l ee x p l o i t sah e li c a ld r i l ls y s t e m ， w h i c hi n c l u d e se s t a b l i s h i n g - m o d u i e ，e m u l a t i o n ，c u t t i n g f o r c ea n ds oo n ，b a s e do ns d g r i n d e r 【33 1 i v o p e r a t e da n dt h e nt h ed r i l l i n gq u a l i t yh a sb e e nc o m p a r e db e t w e e nh e l i c a ld r i l lp o i n t a n d o r d i n a r yd r i l lp o i n t s dg r i n d e rh a ss i n l p l e 矗a m ea n db e t t e r t e n a c i t y ；b e i n go p e r a t e de a s i ly 、肼t h d r i l l i n gc a p a b i l i t ya n dd r i l l i n gq u a l i t y ，h e l i c a ld r i l lp o i n ti sai d e a lk i n do fd r i l l i n gt 0 0 1 t h e e x p l o i t a t i o n o f p r o e n g i n e e r h a sm a d eh e l i c a l d r i l l p o i n t t u mi n t o s p e c i a l i z a t i o n ，p r a c t i c a l i t ya n dc u s t o m i z a t i o n k e yw o r d s ：h e l i c a ld r i l lp o i n t ；s dg r i n d e r ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ； e x p l o i t a t i o n ； e m u l a t i o n a ls y s t e m ； p r o t o o l k i t ； d r i l l i n ge x p e r i m e n t v 卅 j 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i v 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 钻头的发展及改进2 1 2 1 钻头发展概况2 1 2 2 钻头切削部分修磨型式的改进2 1 2 3 钻头材料和结构的改进2 1 3 螺旋面刃磨法介绍3 1 3 1 成型砂轮刃磨3 1 3 2 砂轮端面刃磨4 1 3 3 砂轮外圆刃磨：4 1 4 新型螺旋面刃磨机介绍5 1 5 麻花钻发展中存在的问题“6 1 6 课题来源及主要研究内容7 1 6 1 课题来源7 1 6 2 主要研究内容7 1 7 本章小结7 第二章螺旋面钻尖数学模型8 2 1 新型螺旋面钻尖刃磨原理8 2 2 螺旋面钻尖后刀面的数学模型8 2 3 螺旋面钻尖前刀面的数学模型1 1 2 4 使用顶角与刃磨参数的关系1 2 2 4 1 使用顶角数学模型1 2 2 4 2 刃磨参数对使用顶角的影响曲线图1 5 2 5 结构圆周后角与刃磨参数的关系1 5 2 5 1 结构圆周后角数学模型1 5 2 5 2 刃磨参数对圆周后角的影响曲线图1 8 v i 东北大学硕士学位论文目录 2 6 横刃斜角与刃磨参数的关系1 9 2 6 1 横刃斜角沙数学模型1 9 2 6 2 刃磨参数对横刃斜角的影响曲线图2 0 2 7 后刀面尾隙角与刃磨参数的关系2 l 2 7 1 刃磨参数与后刀面尾隙角的关系一2 l 2 7 2 刃磨参数对尾隙角的影响曲线图2 2 2 8 本章小结2 3 第三章螺旋面钻尖刃磨系统界面开发2 4 3 1c a d 系统背景及设计介绍2 4 3 1 1c a d 系统介绍2 4 3 1 2 程序编制语言2 5 3 1 3 系统的需求分析及设计2 6 3 2 钻尖系统开发2 7 3 2 1 服务设置2 7 3 2 2 系统主界面2 7 3 2 3 模型建立对话框2 8 3 2 4 刃磨仿真与分析界面2 9 3 2 5 结果分析界面3 0 3 3 本章小结3 1 第四章螺旋面钻尖参数化设计3 2 4 1 基于p r o t o o l k i t 二次开发的基础知识3 2 4 2 二次开发的基本过程介绍3 2 4 2 1 编写源文件3 2 4 2 2 程序的编译和连接3 3 4 2 3 应用程序的注册3 3 4 2 4 运行应用程序3 3 4 3 菜单与对话框设计3 3 4 3 1 菜单的添加3 3 4 3 2 对话框的设计3 4 4 3 3 程序源文件的编写3 4 4 4 螺旋面钻尖创建过程3 5 4 4 1 刀具螺旋线生成原理3 5 4 4 2 在p r o e 中建立参数关系模型3 5 v i i 东北大学硕士学位论文 目录 4 4 3 创建钻头参数化实体模型3 6 4 5 参数化设计的实现“3 7 4 5 1 编译连接生成可执行文件3 7 4 5 2 应用程序的注册和运行3 9 4 5 3 钻头参数化建模4 0 4 6 本章小结4 3 第五章钻削试验4 4 5 1 孔出口缺陷钻削试验4 4 5 1 1 试验意义4 4 5 1 2 试验方法介绍4 4 5 1 3 钻孔出口缺陷的分析4 5 5 2 试验数据记录及处理4 8 5 2 1 普通钻尖与螺旋面钻尖钻孔撕裂值的比较4 8 5 2 2 进给量f 对撕裂值三的影响5 3 5 2 3 转速n 对撕裂值的影响5 5 5 3 本章小结5 7 第六章结论与建议，5 8 6 1 结论5 8 6 2 建议5 8 参考文献5 9 致谢6 2 v i i i - 一l ， 东北大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论弟一早珀 了匕 钻削是生产过程中常用的加工方法，是金属切削加工中最重要的工序之一， 约占所有金属切削加工工序的三分之一。从古时候起，人们就对钻削进行了研究。 最初将金属棒的端头磨尖锐，并使其一边旋转一边加压，便可在工件上钻孔，这 种最初的钻孔工具被称为锥子。到了近代发现，由于单纯尖锐的棒子不可能在硬 金属上钻孔，所以要在圆柱形的金属上开出两个螺旋槽，并在它的尖端磨出两条 切削刃，这就具备了麻花钻最初的原型。到今天为止，钻削加工地工具已有很多 种，麻花钻、深孔钻、扁钻、中心钻、复合钻、以及目前最先进的群钻等都是比 较常用的。标准麻花钻由三大部分组成，其构造如图1 1 所示： 棱边 图1 1 麻花钻结构图 f i g 1 1t w i s td r i l lp o i n tc h a n 工作部分是钻头的主要部分，它分为切削部分和导向部分。切削部分担负切 削工作，进行切削的是钻尖的切削刃；导向部分主要由螺旋槽构成，在螺旋槽的 切削刃上磨出的刃带起钻头的导向作用，螺旋槽起排出切屑的作用。颈部位工作 部分和尾部之间，磨尾部时供砂轮退刀用，又是钻头打标一记的地方。尾部足钻 头上的央持部分，并用来传递动力，两后刀面的交线形成横刃。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 钻头的发展及改进 1 2 1 钻头发展概况 麻花钻是一种形状较复杂的双刀槽孔加工刀具。自它诞生以来的百余年中， 虽说结构形状变化不大，但结构参数却在逐步完善，刀具材料也在不断改进，尤 其是高速钢麻花钻的出现，使它在钻实心孔中至今仍成为应用最广的刀具。在某 些行业机械加工中钻孔工序可占总工序量的3 0 到4 0 。资料还表明，美国企业 每年消耗钻头2 5 亿支，9 8 为直径2 0 毫米以内的钻头。据不完全统计，1 9 8 5 年我国生产麻花钻年产量已达1 5 亿支，占整个刀具产量的一半以上，1 9 8 9 年出 口曾达1 9 5 亿支1 4 9 。 1 2 2 钻头切削部分修磨型式的改进 在生产中通过修磨的方法，改变钻头切削刃形状和几何角度，实际效果十分 显著。广大工人和科技人员在生产实践中，根据钻孔中的具体矛盾，对钻型进行 了极其丰富多采的革新和创造，取得了很多成果。为了提高普通麻花钻的切削能 力，一般要熟练地掌握一些基本单元的刃磨方法；而实际上各种实用、有效的钻 型正是这些基本刃磨单元的灵活运用与合理组合。从这个角度来说，人们根据钻 孔条件的不同，可以有针对性地组合出许许多多行之有效的钻型。 ( 1 ) 通过改变刃形，可以改变各点的刃偏角来加大前角；或改善各点切削负荷 的分布使切削厚度向钻芯逐渐增大；或加强外缘转点的刀尖角，改善散热条件； ( 2 ) 通过修磨钻头的前面，可以改变前角和刃倾角，以满足不同的要求； ( 3 ) 麻花钻横刃是工作情况最差的部位之一。因此通过修磨，改善横刃，也 是一项重要的措施； 1 2 3 钻头材料和结构的改进 由于加工材料的品种不断增多，钻孔作为粗加工工序着力于对刀具提出了更 高要求，首先要求刀具材料具有更高的硬度、耐磨性、耐热性、强度和韧性。 在现代机械加工技术领域中，高速钢、硬质合金、陶瓷刀具和超硬刀具材料 等四大类刀具材料。各自发展，相互促进，以适应日益增多的工程材料的钻孔需 要。目前需要量最大的钻头材料，仍是高速钢，其次是硬质合金。硬质合金钻头 已突破了过去只用于钻铸铁、高锰钢及其他脆性材料。 涂层高速钢和涂层硬质合金在钻头上己得到广泛的应用，显示出其提高切削 性能的优越性。切削陶瓷和超硬刀具材料在钻头上的应用也受至0 重视。目前，陶 瓷刀片、聚晶金刚石( p c d ) 和聚晶立方氮化硼( p c b n ) 刀片己用于钻大孔的钻头， 2 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 和汽车发动机含高硅的铝合金钻孔。p c d 的高散热性和良好的润滑性，适应高速 切削的需要。碳化硅晶须增强陶瓷的韧性和硬度，受到重视，碳化物金属陶瓷三 刃钻头已用于硬质材料上的高速、高质量的钻孔。p c d 相p c b n 刀片镶焊在整体 硬质合金钻头上已成功地用于纤维增强复合材料的钻孔。 另外，百年来普通麻花钻在结构上变化不大，但国内外在改变钻头结构上仍 做出了不少的努力，其中有的虽在生产中使用不广，但在特定条件下发挥了很好 的作用或给人们以很好的启发。 1 3 螺旋面刃磨法介绍 麻花钻的刃磨在刃形、前面、后面、横刃和刃带等方面，都有着各种修磨的 方法。这些修磨方法的各种组合，在国内外出现了百种以上的钻型。有些国家行业 和大型企业很重视刃磨钻型的标准化，有的对常用的钻型进行了规定和推荐。如 我国第一汽车制造厂对一些常用的钻型也进行选型比较性试验等等。 其中，钻尖后刀面几乎关联到了钻头重要的几何结构，主切削刃、横刃、钻 尖、后角、横刃斜角等。在钻削加工中这些结构参数陡起着非常重要的作用【3 1 1 ， 在很大程度上决定着钻孔质量的高低。所以在麻花钻的刃磨中，对后刀面的刃磨 显得比单独对刃形、前面、横刃和刃带的修磨重要。通常，广泛应用的钻尖后刀 面刃磨方法有三种，即：锥面刃磨法、共轴螺旋面刃磨法和平面刃磨法。本课题 主要研究螺旋面后刀面钻尖刃磨方法，这种螺旋面后刀面钻尖的主要部分由与钻 尖共轴的螺旋面组成。这种螺旋面钻尖及其最初的刃磨法是1 9 5 8 年提出来的p 1 。 经过几十年的发展，生产当中已有多种机床的配置形式，有的采用成型砂轮，有 的采用普通平面砂轮。常用的有以下几种： 1 3 1 成型砂轮刃磨 图1 2 成刑砂轮刃磨示意图 f i g 1 2g r i n d i n gs k e t c ho fm o l d i n gg r i n d i n gw h e e i 3 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 采用成型砂轮进行磨削，如图1 2 所示：将砂轮修整成外圆锥面，钻头固定不 动，砂轮需要作行星运动，且凸轮带动砂轮前后移动，形成螺旋运动。用这种方法 磨出的钻头，在靠近钻心处得到较大的后角，并使横刃的前角加大，横刃形成”s ” 形。因此，定心性好，切入稳定，轴向力较小。但这种方法要将砂轮作成型修整， 刃磨动作复杂，机床调整较困难。 1 3 2 砂轮端面刃磨 利用砂轮端面进行磨削，如图1 3 所示：将钻头轴心线相对于砂轮平面倾斜安 装，使主切削刃位于砂轮磨削平面内。在钻头缓慢旋转的同时，砂轮除高速旋转外， 还由平面凸轮带动沿其轴线作往复运动及由偏心轴带动作行星运动，这样就使钻头 的后刀面成为螺旋面。钻头每转一转，砂轮往复两次，磨出了两个后刀面。用这种 方法磨出的钻头，在靠近中心处的后角比用圆锥面磨法所得的还要大些，故横刃的 负前角较小，因而，钻削时轴向力较小。但用这种钻头切削硬脆材料时，其强度较 差，只适宜于钻削中等强度以下的钢；而且，其运动关系也比较复杂。 图1 3 砂轮端面刃磨示意图 f i g 1 3g r i n d i n gs k e t c ho fg r i n d i n gw h e e le n d 1 3 3 砂轮外圆刃磨 利用砂轮外圆柱面刃磨螺旋面钻尖的后刀面，如图1 4 所示：钻头绕自身轴线 转动国，砂轮除了本身自转外，还作沿轴线1 ，l 和垂直于轴线也的运动。1 ，l 、v 2 和缈 之间存在着一定的比例关系。当采用不同的比例关系时，便能获得不同的钻尖几何 形状。这种方法采用普通圆柱面砂轮磨削，砂轮除了自转和两个方向的移动外，无 需绕钻头轴线行星运动，简化了机床结构，提高了机床运动精度。但仍需要三个坐 标协调动作及砂轮的一个直角刃边，此刃边极易磨损。 根据以上分析，不管采用机床的哪种配置，其运动关系都是比较复杂的，都需 要三个运动坐标的联动及砂轮刃边的参与和精确定位，机床结构复杂，调整困难， 刃磨所需的运动过程难以实现。 4 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 z 噱 暑 。、 膏苏r 蕊功臁照 l 1 l 霉 弘： 慧 7 。 ( 义一r 一z o ) “ 窭 虼 燮 ? ：- c ( 一0 6 z - ) 。 誊 | q r 罐n ，刀 图1 4 砂轮外圆柱面刃磨示意图 f i g 1 4g r i n d i n gs k e t c h0 fg r i n d i n gw h e e ic y l i n d r i c a lf a c e 1 4 新型螺旋面刃磨机介绍 为了满足制造技术发展的需要，国内外已经研制了许多不同类型的刃磨机， 并且在钻尖的刃磨理论上进行了大量的研究。但是，手工修磨的钻尖在一些高新技 术领域已经不能满足要求，极大的影响了工作效率和钻削质量。为了增强与国外 企业的竞争力，我国有待于开发可以刃磨各种钻尖的刃磨机床。目前，我国已经 在开发刃磨机上取得了很多成果。以下是几种螺旋面钻尖刃磨机床： 图1 5 、1 6 是沈阳东北大学研制的国家专利产品s d 1 型和s d 2 型手动复杂 图1 5s d 1 州螺旋嘶钻尖刃廓机床 f i g 1 5s d - lg r i n d e ro fh e l i c a ip o i n td r i l i 5 - 图1 6s d 2 刑螺旋面钻尖刃磨机床 f i g 1 6s d - 2 9 r i n d e ro fh e i i c a ip o i n td r i l l 东北大学硕士学位论文第一章绪论 螺旋面钻尖刃磨机床。这两种刃磨机床是为提高钻尖的刃磨精度及钻尖的工作效 率，针对中小直径钻头的刃磨而设计制造的，性能稳定、维修方便、价格便宜。 s d l 型手动复杂螺旋面钻尖刃磨机床可修磨4 1 8 m m 的钻头；s d 2 型手动复杂 螺旋面钻尖刃磨机床可修磨m 4 2 0 m m 的钻头。 另外，还有一种二并联杆螺旋面钻尖刃磨机床，目前正在研制之中。它是一 种新型的数控钻尖刃磨机床，在该刃磨机床二轴联动就可以实现普通钻尖刃磨机 三轴联动刃磨螺旋面钻尖的效果。 1 5 麻花钻发展中存在的问题 迄今为止，国内外对钻头及其刃磨技术的研究已经有很多年，通过对麻花钻 结构和实际工作的分析，我们了解了麻花钻的工作特点。螺旋面钻尖在在工作时， 很多方面优于普通麻花钻，但是在钻头结构、材料等方面仍然存在一些问题： ( 1 ) 横刃比较长，有很大的横刃偏角，切削条件更差，因此钻削时有一定的轴 向抗力； ( 2 ) 主刃长，切削宽，各点切削流出的速度相差很大，切削卷曲成宽的螺卷， 所占的空问体积大，导致排屑不顺利，切削液难以流入； ( 3 ) 在外缘处切削厚度大，切削速度最高，磨损快； ( 4 ) 横刃的前、后角与主刃的后角密切相关，不能分别控制； ( 5 ) 高速钢的耐热性和耐磨性仍不够高，所以用于钻头制造的优质材料有待于 开发； ( 6 ) 钻削过程复杂，钻削应力、钻削温度的测量难度大： ( 7 ) 没有完善的计算机模拟钻削过程，不能直观的研究主刃切削过程； ( 8 ) 对于s d 系列螺旋面钻尖刃磨方法，没有于之匹配的计算机辅助三维建模 设计，不能直观的研究后刀面各角度分布情况； 针对这些问题，如何提高麻花钻的切削性能，人们一直在探索改进途径。一 一 是在设计、制造钻头时，改变其结构参数和材料；另一是在使用钻头时，通过修 磨改进钻型，选择合理的几何参数。 一 还有，在麻花钻的设计、制造与使用中的刃磨等环节，广泛地采用新技术和 新工艺，已取得了很大的进展。如，在钻沟槽形铣刀刃形的设计绘制钻头平面工 作图、钻头的三维几何设计中，广泛应用计算机辅助设汁( c a d ) 方法，代替传统 的图解法，大大提高了生产准备的速度和质量；在钻头几何参数分析中，逐步开 发、创立了数学模型、计算机辅助制造( c a m ) 、计算机交互式图形学、真实显示 技术等软件，对丌刃刃磨和使用中刃磨各种钻型，研制开发自动化程度高的数控 刃磨机床以及检测装置；在钻削运用中建立和完善钻削数据库；在钻头制造过程 一6 东北大学硕士学位论文第一章绪论 中对钻槽发展了多种加工方法，如铣制法、四辊轧制法、挤压法和成型磨法等。 一 1 6 课题来源及主要研究内容 1 6 1 课题来源 基于专利“手动螺旋面钻尖刃磨机”( 专利号：z l 9 922 4 1 1 4 6 ) 而对这种新型螺 旋面钻尖刃磨机床的研究。 1 6 2 主要研究内容 ( 1 ) 螺旋面后刀面数学模型及相关参数分析 ( a ) 建立螺旋面后刀面数学模型； ( b ) 推导后刀面几何参数公式，分析刃磨参数对几何参数的影响； ( 2 ) 螺旋面钻尖参数化及仿真界面开发 ( a ) 对p r o e 进行二次开发，添加钻尖建模模块； ( b ) 针对s d 系列刃磨机进行界面开发； ( 3 ) 钻削实验 ( a ) 在s d 系列刃磨机上修磨钻尖： ( b ) 三种材料进行钻孔实验； 1 7 本章小结 本章首先从钻削工具起源入手，结合钻削加工的发展需要，介绍了钻头的发 展和在各个方面的改进；着重介绍了几种螺旋面刃磨方法和几种新型螺旋面刃磨 机。最后，提出钻头的发展在各个方面存在的问题，并由此引出本课题要研究的 内容。 7 北大学硕士学位论文第二章螺旋面钻尖数学模型 第二章螺旋面钻尖数学模型 钻头分为三个部分：钻柄( 即钻头上供装夹用的部分，用以传递钻孔 需的动力) 、钻颈( 即钻柄与钻体之间的过渡部分) 以及钻体( 即钻头的工作部分) 。 体又由钻尖和导向部分组成，钻尖是承担切削任务的，因此钻尖是钻头最重要 组成部分。钻尖数学模型的建立在钻尖修磨研究中起着非常重要的作用。 1 新型螺旋面钻尖刃磨原理 复杂螺旋面钻尖刃磨方法如图 2 1 所示：刃磨出螺旋面后刀面需要 3 个成形运动，钻头沿自身轴线方向 的运动1 ，钻头绕钻头轴线的自转甜。 和绕垂直于钻头轴线的某一固定直线 的水平摆动。，这个运动在刃磨过 程中不断使汐角减小。 图2 1 螺旋面钻尖刃磨方法 f i g 2 1h e l i c a ld r i l lp o i n tg r i n d i n gm e t h o d 2 2 螺旋面钻尖后刀面的数学模型 钻尖的几何形状是由后刀面的 几何形状及螺旋槽的几何形状确定 的。建立两个独立的坐标系，即钻 尖结构坐标系o l ( x l ，y l ，z 1 ) 和机床 坐标系o ( x ，yz ) ，如图2 2 所示： x 图2 2 机床坐标系 f i g 2 2c o o r d i n a t es y s t e mo ft h em a c h i n et o o i 一8 一 东北大学硕士学位论文第二章螺旋面钻尖数学模型 p ( x p ，y p ， 一l l l 弋 r - - u t p ( x p ，y p y 1 仄 、 以x l 螺 曳7 ，昂) 图2 3 钻头坐标系 f i g 2 3c o o r d i n a t es y s t e mo fd r i l l 在图2 2 的坐标系中，机床结构坐标系的原点o 在钻头中心线上，z 轴为钻 头轴心线初始位置，x 轴为垂直于z 轴方向向右，钻尖结构坐标系的原点选在转 动点0 1 z l 和z 轴同轴，方向相同，其中的y 和y l 方向遵守右手规则。图2 2 中钻尖坐标系原点o l 在机床结构坐标系o ( x ，yz ) 的位置的参数方程为： l = v l f 儿l = o ( 2 1 ) z 口l = 日+ r 其中v ，1 ，是通过凸轮来控制，日是钻尖坐标原点和机床原点的距离，在钻 头一次装夹中是个恒定值。在图2 3 所示中的钻尖结构坐标系0 1 ( x l ，y i ，z 1 ) 下， 其后刀面的一点p 的坐标参数方程如下： x l p 。一只c o s 耐 y l j 口= 尺s i n 研( 2 2 ) r z l 口= 一 谵e 其中为钻头的自转角速度，r 为p 点与钻头轴线之间的半径，矽为半顶角。 因此，我们能得到后刀面1 上的p 点在坐标系o ( x ，yz ) 的方程如下： 勋= ，i ，一尺c o s 纠 弦= r s i n 耐( 2 3 ) 历：日+ v 2 ，_ 旦 t 9 9 将其参数方程( 2 3 ) 写成直角坐标方程即后刀面l 的数学模型为： e _ 【兰( z 一+ 嘉一】2 + 产如。 ( 2 4 ) 由于后刀面2 和后刀面l 是关于钻头轴线( 机床轴线) 对称的，用和一x 和一y 来 代替x 和j ，所以后刀面2 上与p 点对称点的坐标参数方程即后刀面2 的数学模型 为： 9 东北大学硕士学位论文第二章螺旋面钻尖数学模型 e = 旦( z 一日+ _ 等) + x 】2 + ( 一j ，) 2 一r 2 = o ( 2 5 ) v 2 l g 廿 ( 2 4 ) 和( 2 5 ) 就是新型螺旋面钻尖后刀面的数学模型，式中有刃磨参数( v 。，1 ，：，日， r ，臼) 。当刃磨参数确定后，其钻头相对位置就确定下来，钻头沿自身轴线方向 的运动y ，钻头绕钻头轴线的自转，和绕垂直于钻头轴线的某一固定直线的水 平摆动：，这就形成复杂的螺旋面，当后刀面l 刃磨完成后，钻头绕自身轴线相 对于刃磨起始位置自转1 8 0 。并以相同的刃磨参数刃磨出对称的后刀面2 。 而在钻尖结构坐标系0 1 ( x l ，y l ，z 1 ) 下，其由坐标系o ( x ，y ，z ) 到0 1 ( x l ，y l ，z 1 ) 得经过坐标旋转和平移【1 5 】【4 l 】： x p y p z p= 睢畦k 亿6 ， b l j i x p2 一x lc o s 缈一z ls i n 伊+ v l f y p = 一y l ( 2 7 ) 【z p = 一x ls i n 缈+ 毛c o s 缈+ h + 1 ，2 ， 把( 2 7 ) 代入( 2 4 ) 中即可得到在钻尖结构坐标系下的后刀面直角坐标系方程： e = 巴c s i n 缈蝎c 唧+ 刍c 唧蝎s t n 缈 2 + m 2 捌= 。 c 2 固 由于后刀面2 与1 是相对于钻头轴线对称的，所以后刀面2 上点的坐标就是一而和 一少。，只需将而= 一五和y ，= 一y 。代入( 2 8 ) 中，便可得刃磨后从钻尖结构坐标系 下的后刀面的数学模型丹： = 陪c 砷舭一s 妒+ 参qc o s 舭一n 缈 2 + 订捌= 。 亿9 ， 把式( 2 3 ) 代入( 2 7 ) 可得在钻尖结构坐标系下的后刀面参数方程为： 其中 而一肌o s 砒唧+ 刍s i n 缈 m = 一尺s i n 研 ( 2 1 0 ) z 一瑚s 洒卿s 耐一刍c 。s 伊 1 0 一 东北大学硕士学位论文第二章螺旋面钻尖数学模型 留缈= ，i ，( h + v 2 ，) ； 2 3 螺旋面钻尖前刀面的数学模型 麻花钻的前刀面是由一条直母线绕基圆柱( 半径为，0 的钻心圆柱) 作螺旋运动 而形成的螺旋面。由于钻尖后刀面方程的坐标原点在钻尖中心处的顶点上，因此 建立前刀面的方程时也应该保证该方程的坐标系与后刀面方程的坐标系的重合， 这样，才能保证主切削刃方程求解的正确性，这就说明：尽管前刀面是在钻尖生 产时已经完成，但从钻尖求解的角度来说，前刀面的方程却要取决于后刀面的刃 磨方法及刃磨参数1 们，即已经实际存在的曲面的方程取决于即将刃磨后刀面的方 程。根据文献【3 引，其直角坐标方程可以写为： z = 二j 竺二二二乎+ z 。+ 主i 培。1 ( 妻) 一辔。1 了南i c 2 ，- ， 确 z 万l 五 ，x 2 + l ，2 + 厂 2i 即