（机械设计及理论专业论文）枪钻钻尖几何参数实验研究.pdf

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e d g e dg u n d r i l l ，a c h i e v e d h i g h - e f f i c i e n c ya n dl o n g - l i f e t h i st h e s i sw o r ki sas u m m a r yr e p o r to fp a r to ft h er e s e a r c ha n d e x p e r i m e n t a lw o r k c o n t e n t so ft h i sp a p e ri sd e v i d e di n t ot w o p a r t s ( 1 ) m a t h e m a t i c a lm o i l i n go ft h en e w l y d e v e l o p e dd r i l lp o i n ti se s t a b l i s h e da n dc o m p a r e dw i t ht h es t a n d a r do n e s c n cp r o g r a mi s c o m p i l e da n di m p l e m e n t e d ( 2 ) e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r es u m m e r i z e da n da n a l y z e dt oe x p l a i n r e a s o n sf o rh i 。g h c a p a b i l i t yo fc h i p s p l i t i n g a n dc h i p - b r e a k i n ga n dt oi l l u s t r a t et h e i m p r o v e m e n t o fw e a r - r e s i s t a n c e t h i sr e p o r ti sb e n e f i c i a li nc o n v e r t i n ge x p e r i e n c e si n t og e o m e t r i cm o d e lw h i c hc a nb e u s e dd i r e c t l yi nt h es a m ek i n do fd e e p - h o l ed r i l l i n g a n a l y s i so ft h ec u t t i n gp e r f o r m a n c e i m p r o v e m e n t i sa n e c e s s a r ys t e pf o rm e c h a n i s m sr e s e a r c h k e yw o r d s ：g u n d r iii 。m a t h e m a t i c a im o d e ii n g 。c h i p - e v u c a t i o n i i 弋 生 幢 k 目录 目录 第一章前言1 1 1 枪钻合理几何钻型研究的重要性1 1 2 研究的现状2 1 3 课题的主要内容3 第二章数学模型与数控刃磨5 2 1 数学模型建立方法5 2 1 1 建立数学模型的基本方法”5 2 1 2 双外刃枪钻钻型的基本结构”5 2 2 数学模型的建立7 2 2 1 第一外刃第一后刀面数学模型7 2 2 2 第一外刃第二后刀面数学模型”8 2 2 3 第二外刃第一后刀面数学模型1 0 2 2 4 第二外刃第二后刀面数学模型1 2 2 2 5 内刃后刀面数学模型- 1 3 2 2 6 油隙面数学模型1 5 2 3 刃磨程序的开发1 6 2 3 1 机床的运动模型1 6 2 3 2 磨削运动的实现1 7 2 3 3 程序框图1 8 第三章枪钻钻型的试验研究2 0 3 14 2 c r m o 的钻削试验2 0 3 1 1 标准枪钻钻型加工的特点2 1 3 1 2 双外刃枪钻与标准钻型枪钻钻尖对比试验与分析“2 2 3 1 3 试验结论3 1 3 22 0 c r m o 钻削试验3 1 3 2 1 钻尖对比试验3 3 h i k 。0 7 k 目录 3 2 2 两种钻型枪钻试验分析3 5 3 2 3 试验结论3 6 第四章结论与展望3 7 参考文献3 8 致谢4 0 i v 、氐 t 第一章前言 第一章前言 1 1 枪钻合理几何钻型研究的重要性 钻孔是机械加工中重要的工序之一。据国际生产工程学会资料，在机械加工行业中， 钻孔加工约占切肖j l ；0 n 工总时间的2 2 ，在某些行业，如柔性生产线和加工中心上，钻 削加工工序约占加工总时间的3 0 3 5 但1 ，当今的汽车制造行业，孔加工占的比重更是 高达6 0 以上口1 。钻：f l i r t 工广泛应用于各行各业，如机械、电子、医疗器械、航空航天 等。同时，新型材料的应用使钻孔加工面临着严峻的考验，如不锈钢、高温合金、耐热 合金等，对它们加工时，尤其是钻削加工，增添了困难。在钻削加工中表现出导热性差、 高温强度高、硬度高、活性大、断屑、排屑困难以及加工硬化趋势强等问题，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。 深孑l d l l 工技术产生于对枪炮管的制造过程，欧、美、日等先进工业国，早在2 0 世纪 5 0 年代就纷纷开展了深孔加工技术研究，六七十年代形成专业化深孔刀具的制造体系， 少数跨国企业迄今仍垄断着深孔加工装备市场，使深孔加工技术成为制造业门类中成本 最昂贵的技术之一。在8 0 年代后期，深孔加工在刀具和机床方面均无新的重大突破h 】。 由于深孔加工切削热不易扩散，切屑不易排出，因此必须采用强制冷却和强制排屑的措 施。目前是采用高压将切削液通过钻杆的外部或内部直接送到切削区，起到冷却、润滑 的作用后，将切屑由钻杆内部或外部排出，达到强制冷却和排屑的目的啼1 。深孔加工难 度高、加工工作量大，已成为机械加工中的关键性工序。随着科学技术的进步，产品的 更新换代十分频繁。新型高强度、高硬度的难加工零件不断出现，无论是对深孑l 加工的 质量、加工效率，还是刀具的耐用度都提出了更高的要求。因此，研究深孔加工的新工 艺、深孔加工刀具的新结构、深孔加工的检测方法和监测系统等已成为人们十分关注的 问题。 枪钻是深孔加工刀具的一种，硬质合金枪钻最显著的特点是能够加工出精度较高的 深孔1 ，被加工孑l 表面精度可达h 8 级，表面粗糙度可达r a 0 8 , u m 以下( 加工有色金属可达 r a 0 4 0 0 5 , u m p a 下) ，深孔长径比为1 ( 2 - 3 5 0 ) ，这是普通的孔加工刀具所无法比拟的。 硬质合金枪钻能够连续进给，自动导向，自动排屑，自动断屑，转速较高，内冷却而不 也 艮 第一章前言 需中途退刀排屑，因此可实现钻、铰一次加工成形，替代了普通孔加工刀具钻削、粗铰、 精铰等三道工序，减少了使用刀具的种类，降低生产成本，缩短生产周期，经济效益尤 为可观。 使用枪钻加工深孔，因为影响刀具寿命的因素很多，例如：切削用量的选择，冷却 液压力的大小，被加工工件的材料以及刀具的几何参数。这些因素的变动都能给加工效 果带来影响，尤其是枪钻的几何参数的变动更会直接影响刀具寿命口1 。比如上海格尔公 司用于加工方向盘连杆的枪钻在加工过程中经常出现挤屑和断刀的现象，通过改变枪钻 钻尖位置，从而改善了切削条件，提高了切削性能，使刀具寿命有所提高；还有就是通 用公司加工轴孔的枪钻崩刀现象很严重，通过改变锋角、后角的大小及改变后刀面的宽 度使刀具寿命提高了一半以上，所以要掌握枪钻钻尖各几何参数的变动会给加工效果可 能带来的影响。单纯从枪钻的外形轮廓上看，它的结构似乎很简单，但它几何参数之多， 却远远超出双刃钻头之上，而且几乎所有的参数对刀具的工作性能都有或大或小的影 响，正确设计枪钻并非容易的事。 由于加工材料、加工工艺的多样性，目前枪钻厂商提供的枪钻一般都是标准钻型 的枪钻，适合加工不同种材料，但对特定材料，这种刀具使用寿命不能达到很好的程度。 对此只能通过优化刀具钻尖几何参数才能提高刀具寿命。 本论文就是针对特定的加工材料，在选定好切削用量、冷却液压力基础上，通过 设计出合理的钻型来提高刀具寿命，进而提高实际的生产率。设计出合理的枪钻钻型， 必将大大提高深孔加工效率，对整体机械加工效率的提高具有举足轻重的作用。因此本 课题的研究是十分迫切和重要的。 1 2 研究的现状 枪钻是一种深孔加工刀具，枪钻加工系统由工件、刀具、专用辅具、机床和控制系 统五项要素组成。深孔钻削加工也是最复杂的机械加工方法之一。正因为如此，人们一 直致力于钻头改进的研究。钻尖部分在加工中起到主要的切削作用，因此，钻型一直是 研究的热点之一，也取得了很多成果。 双刃枪钻口1 ：该钻头采用两条不对称的排屑槽结构，钻尖偏离钻轴中心，无横刃。 因此，它既有单刃枪钻导向好、切削稳定的优点；又具有双刃枪钻切削力较平衡、钻削 扭矩小及切削液流量大的优点。 断屑枪钻口1 ：是日本三菱金属株式会社研制出来的，它适用于加上韧性钢材，这种 2 氐 t 第一章前言 钻头是将前刀面做成特殊形式( 前刀面磨成凸状圆柱面) ，把切屑分断成碎块，这样既 便于切屑处理，又不影响重磨。在加上韧性材料时，可增大进给量3 5 倍，为枪钻的高 效率创出了新路。例如用f 9 m m 的断屑枪钻加工1 5 c r m o 材料时，进给量从过去的0 0 4 m m r 提高n 0 1 2 m m r 。 振动枪钻盯1 ：是美国s o n o b o u d 公司的产品采用超声波振动进行深孔加工，提高了 材料的切除率，使生产效率提高3 - 7 倍。振动切削有利于提高刀具耐用度、表面质量及 形位精度，超声波振动有利于金属塑性变形和减少摩擦，并且能够降低使材料结晶组织 产生错位所需的力，从而使金属晶格流动更加容易。由于振动，切屑易断，从而提高了 金属的切除率。国内常用低频振动枪钻。 s p e e d b i t 枪钻h 1 ：s p e e d b i t 枪钻适用于加工中心，亦适于在普通车床和钻床上使用。 它可以加工深度为直径4 0 倍的深孔。采用s p r a y m i s t 冷却装置把切削液用压缩空气混合成 雾状，送人钻头前端，s p e e d b i t 枪钻刀头和钻杆为完整的半圆形，排屑空间较大，喷雾 冷却，借用空气把切屑轻轻地吹向孔的出口，可获得理想的排屑效果，一次即可钻出通 孔。使用这种枪钻不用钻套就可加工高精度的孔，完全可以省去铰削工序，经济效益高。 美国密歇根大学在枪钻深孔加工研究过程中，成功开发出一种专门针对高锰钢材料 的新型钻型呻1 ，该钻型针对高锰钢散热难，断屑难和强度高的特点，加大了刀具刀体散 热体积，增加了刀尖强度，改善了刀具加工效果，从而提高刀具寿命。 另外还曾出现过多种派生的枪钻：空心枪钻、双刃空心枪钻、双油孔单边刃枪钻等。 人们也在实际应用中针对实际加工中存在的问题优化钻型，也取得了一些成果。例 如，大连吉瑞精密钻头有限公司为上海格尔公司解决方向盘连杆深孔加工的过程中，通 过改变枪钻钻尖点位置，改变切屑的形状，保证了排屑通畅，避免了因挤屑而经常断刀 的现象的发生。 随着制造业的发展，新加工材料、新工艺、新的刀具材料的出现和机械行业的发展、 刀具研究的不断深入，针对不同材料的合理钻型枪钻还会不断出现。 1 3 课题的主要内容 单沟枪钻作为深孔加工刀具之一具有其自身的独特性，深孔加工功效高，能连续自 动排屑及冷却润滑：刀具具备较好的自导向功能，能从实体金属材料上加工出即直线度 好又精密的深孔。针对不同加工材料来设计出合理钻型的枪钻是本题的主要研究内容， 主要包括： 3 t 第一章前言 1 、枪钻数学模型和外刃的改进 本题的数学模型以刃磨模型为基础，主要是用矢量法建立枪钻各个后刀面及油隙面 方程，改变决定枪钻的每个平面的参数都会大大影响其寿命，矢量法把刀具每个复杂的 平面用矢量方程简单的描述出来；试验材料是4 2 c r m o ，刀具加工时与工件成一定角度， 针对加工材料及加工角度，把原来的单外刃作了很大的改变，外刃由单刃变成了双刃， 同时缩短了内刃，使三段刃的横向宽度等长。此项调整克服了以前加工时崩刀的弊端， 改善刀具切削性能，延长了刀具寿命，提高的生产效率。 2 、试验中不同钻形枪钻的试验现象的探讨 主要从加工过程中不同阶段，对刀具的磨损及形成的切屑状况进行了简单分析。双 外刃钻型枪钻在加工不同阶段较标准钻型枪钻的磨损轻，其产生了较窄的切屑形状，容 易断屑。从而肯定了双外刃钻型是高效的钻型。 4 一 第二章数学模型与数控刃磨 第二章数学模型与数控刃磨 数学模型是刃磨刀具的理论基础，是进行试验研究的前提条件，数学模型将刀具的 结构参数和刃磨参数紧密地结合起来，对于刀具的数控刃磨和加工具有重大的指导意 义。在反应刃磨参数与钻尖廓形的几何关系的数学分析基础上，能够设计出满足一定制 造精度的钻尖结构参数要求的钻头刃磨机。 2 1 数学模型建立方法 2 1 1 建立数学模型的基本方法 一般来讲，建立刀具数学模型有两种方法【9 , 1 0 ：一种是根据刀具的结构参数来确定 砂轮的几何形状和磨削轨迹：另一种是根据砂轮的几何形状和磨削轨迹求解被加工表面 的方程，进而求解刀具的结构参数。很明显，第一种方法更加便于调整，也更加容易接 受。例如：平面磨削就可以采用这种方法，如果加工机床的精度满足要求，可以准确加 工出所需要的钻尖几何参数。枪钻的各个面都是平面型后刀面，所以本论文采用了第一 种方法来建立数学模型。枪钻的几何形状看似很简单，其实却也存在很多难解决的问题， 如切削刃的锋角、后角及油隙角的选择等等。对于某些特殊的磨削平面，如磨削圆弧后 刀面，将是一个非常复杂的过程。此时，采用第二种方法就比较方便，用已知几何形状 的砂轮，按照规定的运动轨迹进行磨削，可以求出砂轮磨削面包络出的曲面方程，再与 螺旋槽的方程求交，则各点的参数可求。 不论是采用哪一种方法，都必须与一定的磨削方法相结合。脱离了实际磨削方法的 数学模型对实践的指导作用会大打折扣。 2 1 2 双外刃枪钻钻型的基本结构 本题所设计的钻尖形式是以标准枪钻钻型为基础，针对具体加工的材料和加工条件 设计的新型枪钻钻型，其基本结构如图2 1 ，该钻尖的磨削面包括：第一外刃第一后刀 5 第二章数学模型与数控刃磨 面、第一外刃第二后刀面、第二外刃第一后刀面、第二外刃第二后刀面、内刃后刀面和 油隙面。这些磨削平面都是相交的，所以只要根据每个平面的磨削参数即可进行磨削加 工。有关的磨削顺序及磨削方法在第三章第二节会有介绍。 x b 一 一 瓜 。匿 d j 、 尸 i 忿 i z _ y r漱： 、 凶 v 卜第一外刃第一后刀面 4 一第二外刃第二后刀面 2 一第一外刃第二后刀面 5 一内刃前刀面 3 一第二外刃第一后刀面 6 _ 油隙面 图2 1 单沟枪钻钻尖 f i g u r e 2 1s i n g l ef l u t eg u n & i l lp o i n t 本题所建的数学模型与以往研究中的数学模型有所不同：首先，数学模型是使用矢 量的方法来建立的，简化了数学模型。另外刀具磨削主要是采用平面砂轮磨削。平面型 枪钻刃磨工作是很简单的，便于加工制造。本论文设计钻型的数学模型和刃磨型式可以 精巧、简单、准确、可靠的刃磨出满足设计要求的钻尖形状，简单的刃磨原理便于设计 出用于磨削钻尖的刃磨机，保证了刃磨参数【2 】，以形成符合要求的刃磨表面。 6 第二章数学模型与数控刃磨 2 2 数学模型的建立 2 2 1 第一外刃第一后刀面数学模型 1 、 第一外刃第一后刀面成型原理： 根据切削原理的定义，磨削后刀面就是磨出一个与切削平面成一定角度( 后角) 的 平面，设砂轮轴线与钻头结构基面平行且垂直于钻头轴线，将砂轮绕y 轴旋转识，侧向 旋转，这样刀具的被磨削表面处在被加工的位置上，即刀具经机床旋转和移动使被磨 削平面到达切削平面上，然后砂轮过钻头外缘转点作直线磨削运动，形成第一后刀面， 如图2 2 是第一外刃第一后刀面的磨削模型。 一 心 厂，、 闰 _ - j z 图2 2 第一外刃第一后面磨削模型 f i g i l r c 2 2g r i n d i n gm o d e lf o rf i r s tp l a n eo ff i r s t o u t e re d g e 7 x a t 一 1 b u l 碇 影 p l 、 x 图2 3 第一外刃第一后面数学模型 f i g u r e 2 3m a t h e m a t i c a lm o d e lf o rf i r s tp l a n eo f f t r s to u t e re d g e 奄 第二章数学模型与数控刃磨 2 、相关参数： 第- - # b 刃破锋角，第一外刃第一后角和e 。 3 、数学模型的建立 如图2 3 ，第一外切削刃矢量，第二外切削刃矢量比：，刀尖到坐标原点d 距离为 e ，并以d 点为坐标原点建立坐标系0 一x y z ，a 点和b 点是枪钻的两个刀尖。 由图2 3 可以得到一o a e i ，= a b w i j ：在0 一x y z 坐标系下，只垂直于， 由以上这些条件可得： p ii l l l l - - c o s 唬i + s i n 妒l k i 1 一c o s 魂i4 - s i n 唬k 2 i c o s c z i + s i n c z k l ，l c o s a l j + s i n a l p l r o o a e i 一a b w u 2 第- # b 刃第一后刀面矢量方程为： r4 u u i + w 1 其中，u 、y 、w 为任意常数。 该矢量方程在0 一x y z 坐标系下的方程可表示为 r r o + 吒+ ， = e + w c o s 咖2 + “c o s t , 一y ( s i n q c 0 s 嘎) p + v c o s 口l j + w s i n 妒2 + u s i n 驴1 + v s i n a l s i n 谚1 k 2 2 2 第一外刃第二后刀面数学模型 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 1 、第一外刃第二后刀面成形原理 第二后面与第一后面锋角相同，后角不同。设砂轮轴线与钻头结构基面平行且垂直 8 第二章数学模型与数控刃磨 于钻头轴线，将砂轮绕y 轴旋转唬，侧向旋转口：，然后砂轮过钻头第一外刃的第一后 刀面和第二后刀面交线上的意一点作直线磨削运动，形成第二后刀面，如图2 4 。 2 、相关参数 第一外刃呜锋角，第一外刃第二角口2 ，刀尖距离中心长e 和第一外刃第一后刀面 的宽度肋。 3 、数学模型的建立 如图2 5 ，第一外切削刃矢量1 1 1 ，第二外切削刃矢量1 1 2 ，刀尖到坐标原点d 点的距 离为e 并以d 点为坐标原点建立坐标系d x l ，z ，a 点和b 点是枪钻的两个刀尖，c 点 是四个后刀面的交点。 图2 4 第一外刃第二后面磨削模型 f i g u r e 2 4g r i n d i n gm o d e lf o rs e c o n dp l a n e o ff i r s to u t e re d g e x。 o 一饼淘 讪l 7 1 图2 5 第一外刃第二后面数学模型 f i g u r e 2 5m a t h e m a t i c a lm o d e lf o rs e c o n dp l a n e n ff i r s to l l | e re d g e 由2 5 可以知道- 似ie i ，一仙一w 2 ，r 2 - b c w b u ，在d x y z 坐标系 下，只垂直于口。由以上这些条件可得： 只一- c o s # l i + s i n # l k 以4 c o s 办i + s i n 咖1 k 口一 ，l c o s c t l j + s i n a l 置 9 1 第二章数学模型与数控刃磨 口2 i sc o s 驴2 i + s i n 妒2 k 心一c o s a j + s i n a 2 只 1 o o a - e i r t a b w l l 2 r 2l b c w b u 第一外刃第二后刀面矢量方程为： r 。u u 4 + r t 4 其中，u 、v 、w 为任意常数，肋为第一外刃第一后刀面宽度。 该矢量方程在d x y z 坐标系下的方程可表示为： r r o + 吒+ 巴+ ， - ( e + w v - a 3 s 谚2 + “c o s 魂+ v s i n a 2 c o s 庐2 一w b s i n a l c o s 咖1 ) i + ( y c o s a 2 + w b c o s a , ) j + ( w s i n 唬+ u s i n 办+ w b s i n a i s i n 庐2 + v s i n a 2 s i n 驴2 ) k 2 2 3 第二外刃第一后刀面数学模型 ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 1 、第二外刃第一后刀面成型原理 设砂轮轴线与钻头结构基面平行且垂直于钻头轴线，将砂轮绕y 轴旋转识，侧向 旋转展，然后砂轮过钻头刀尖a 点作直线磨削运动，形成第二外刃第一后刀面，如图 2 6 。 2 、相关参数： 第一外刃办锋角，第一外刃第一后角属和e 。 3 、数学模型的建立 如图2 7 ，第二外切削刃矢量口：，刀尖到坐标原点d 距离为e ，并以d 点为坐标原点 建立坐标系0 一x y z ，a 点是枪钻的刀尖。 1 0 - 第二章数学模型与数控刃磨 图2 6 第二外刃第一后面磨削模型 f i g u r e 2 6g r i n d i n gm o d e lf o rf i r s tp l a n eo f s e c o n do u t e re d g e x y i 口 、 鳓 v 图2 7 第二外刃第一后面数学模型 f i g u r e 2 7m a t h e m a t i c a lm o d e lf o rf i r s t p l a n eo fs e c o n do u t e re d g e 由图2 7 可以得到一o a e i ，在d - x y z 坐标系下，只垂直于口2 ，由以上这些 条件可得： e 2 一一c o s 戎f + s i n b 2 k 口2 一c o s 晚f + s i n 痧a k v 2 tc o s j + s i n - o a e i 第二外刃第一后刀面矢量方程为 r2 u u 2 + w 2 其中，u 、1 ，为任意常数。 该矢量方程在0 一x y z 坐标系下的方程可表示为： 1 1 ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 第二章数学模型与数控刃磨 r r o + ， - 层+ “c o s 晚一v ( s i i l 局c 0 s 唬) f + v c o s f l l j + u s i n 咖2 + y s i n 展s i n 唬】七 2 2 4 第- - 夕1 刃第二后刀面数学模型 ( 2 1 2 ) 1 、第二外刃第二后刀面成形原理 第二后面与第一后面锋角相同，后角不同。设砂轮轴线与钻头结构基面平行且垂直 于钻头轴线，将砂轮绕y 轴旋转炽，侧向旋转成，然后砂轮过钻头第二外刃的第一和 第二后刀面交线上的意一点作直线磨削运动，形成第二后刀面，如图2 8 。 2 、相关参数 第一外刃欢锋角，第一外刃第二角2 ，刀尖距离中心长e 和第二外刃第一后刀面 的宽度肋。 3 、数学模型的建立 如图2 8 ，第一外切削刃矢量1 , 1 1 ，第- 夕 1 - 切削刃矢量，刀尖到坐标原点d 距离为 e ，并以d 点为坐标原点建立坐标系d x 眩，a 点是枪钻的刀尖，d 点是三个后刀面的 交点。 一x r 0 、 。，。， 涔画 图2 8 第二外刃第二后面磨削模型 f i g u r e 2 8g r i n d i n gm o d e lf o rs e c o n dp l a n e o fs e c o n do u t e re d g e 一“ 0 一- 厂 淘 、胬 、 z yi x 爵 aj ， 图2 9 第二外刃第二后面数学模型 f i g u r e 2 9m a t h e m a t i c a lm o d e lf o rs e c o n dp l a n e o fs e c o n do u t e re d g e 第二章数学模型与数控刃磨 由2 9 可以知道- o a e i ，吒- a d - w b u ，在o - x y z 坐标系下，只垂直于。 由以上这些条件可得： 己i - c o s 驴2 i + s i n 驴2 k 翻3 一c o s 庐2 i + s i n 庐2 k 以一 ，2 一c o s 层j + s i n 岛巴 v 3 i c o s l 3 0 + s i n p z p 3 r ot o a e i 1 1 - a d ；w b u 第二外刃第二后刀面矢量方程为： r 2 u l l 3 + i , v 3 其中，u 、v 为任意常数，肋为第二外刃第一后刀面宽度。 该矢量方程在d x 弦坐标系下的方程可表示为： r = r o + + ， ；( e + uc o s 晚- v s i n f l 2c o s 妒2 一w b s i n f l lc o s i i b 2 ) i + ( v c o s 成+ w b c o s f l t ) j + ( u s i n 妒2 + w b s i n f i x s i n 驴2 + v s i n 3 2 s i n 庐z ) k 2 2 5 内刃后刀面数学模型 ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 1 、内刃后刀面成型原理： 设砂轮轴线与钻头结构基面平行且垂直于钻头轴线，将砂轮绕y 轴旋转九，侧向 旋转口。，然后砂轮过钻头到尖a 点作直线磨削运动，形成内刃后刀面，如图2 1 0 。 2 、相关参数 内刃锋角丸，内刃后刀面后角口。和e 。 3 、数学模型的建立 如图2 1 1 ，内刃切削刃矢量，刀尖到坐标原点d 距离为e ，并以d 点为坐标原点 1 3 第二章数学模型与数控刃磨 建立坐标系0 一x y z ，a 点是枪钻的刀尖。 x 图2 1 0 内刃后刀面磨削模型 f i g u r e 2 1 0g r i n d i n gm o d e lf o rt h ei n n e rp l a n e o fi n n e re d g e x a i o 厂一 榷 、 z1 x y j ，殂参 v 图2 1 1 内刃后刀面数学模型 f i g u r e 2 1 1 m a t h e m a t i c a lm o d e lf o r t h e i n n e rp l a n eo fi n n e re d g e 由图2 1 1 可以得到= o a e i ，在0 一x y z 坐标系下，只垂直于口。，由以上这些 条件可得： e 0 - s i n 萌o i + c o s 萌o k 跖。一- c o s 硇o i + s i n 硇o k l ，o c o s a o j + s i n a o e o r o o a e i 内刃后刀面矢量方程为： r 。u i 4 0 + w o 其中，u 、v 为任意常数。 该矢量方程在0 一x y z 坐标系下的方程可表示为： 1 4 ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 第二章数学模型与数控刃磨 r r o + ， 一( e - uc o s # o + v s i n a os i 耐o ) i + v c o s a o j + ( u s i n 确o + v s i n a o c o s 硇o ) k 2 2 6 油隙面数学模型 ( 2 - 1 9 ) 1 、油隙面成型原理： 设砂轮轴线与钻头结构基面平行且垂直于钻头轴线，将砂轮绕y 轴旋转妒，侧向旋 转0 ，然后砂轮过钻头c 点作直线磨削运动，形成油隙面，如图2 1 2 。 2 、相关参数： 油隙角妒，内刃锋角九，油隙后角0 和e 。 3 、数学模型的建立 如图2 1 3 ，前刀面与油隙面交线矢量眠，c 点到z 轴的距离为e ，并以d 点为坐标原 点建立坐标系0 一x y z ，c 点是枪钻内刃过心与油隙面的焦点。 由图2 1 3 可以得到r o o c 一一e i + ( e + e ) t a n 硇o k ， 在0 一x y z 坐标系下， 只垂 直于圾。由以上这些条件可得： 一x 、一趴。 一餐 埘 ! 、 z 1 图2 1 2 油隙面磨削模型 f i g u r e 2 1 2g r i n d i n gm o d e lf o rt h eo i l c l e a r a n c ep l a n e c x仃。 _ 一1 煦 、 z 1p5 y x 。口 、 一嗡 v 图2 1 3 油隙面数学模型 f i g u r e 2 1 3m a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h eo i l c l e a r a n c ep l a n e 第二章数学模型与数控刃磨 由图2 1 3 以得到- o c 一- e l + ( e + e ) t a n 舭，0 - x y z 坐标系下，只垂直于蚝， 由以上这些条件可得： 只一s i l l 妒f + c o s 缈露 1 1 5 - - c o s 妒i + s i n 够, k 一一c o s 町+ s i n o p 5 一o c 一一e i + ( e + e ) t a n 萌o k 油隙面矢量方程为： r2 u u 5 + w 5 其中，u 、v 为任意常数。 该矢量方程在0 一x y z 坐标系下的方程可表示为： r = r o + ， 一( 一p - uc a 3 s q g + v s i n o s i n t p ) i v c o s o j + ( e + e ) t a n 硇o + “s i n t p + v s i n o s i n t p k 2 3 刃磨程序的开发 ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) 高效钻尖的刃磨程序在w a l t e r 五轴数控磨床的e x p e r tm o d e 系统下开发完成。 e x p e r tm o d e 系统提供了一个实用程序编写处理软件工具包，在多轴数控加工中，刀具 相对于工件的运动轨迹一般是由多个数控轴联动生成f 1 1 l 。 2 3 1 机床的运动模型 w a l t e r 数控工具磨床包括五个运动轴。x 轴为纵向运动轴、y 轴为垂直运动轴、z 轴为横向运动轴，a 轴为工件回转轴、c 轴为摆动轴。如图2 1 4 所示。 1 6 第二章数学模型与数控刃磨 图2 14w a l t e r 五轴数控工具磨床运动模型 f i g u r e 2 1 4m o d e lo fw a l t e r f i v e - a x i sc n cg r i n d i n gm a c h i n e 2 3 2 磨削运动的实现 通过a 、c 轴的旋转，将被加工表面旋转至竖直平面，用指定的砂轮的磨削平面加 工。磨削过程中，砂轮组的配置如图2 1 5 。 1 a 1 曰 l 1 1 v 9 图2 1 5 刃磨枪钻钻尖砂轮组 f i g u r e 2 1 5w h e e lp a c kf o rg u n d r i l lp o i n t 1 7 第二章数学模型与数控刃磨 砂轮组主要应用碗型砂轮( 1l v 9 ) ，采用平面磨削，依次加工出第一外刃第二后面、 第一外刃第一后刀面、第二外刃第二后刀面、第二外刃第一后刀面、内刃后刀面和油隙 面，从而完成枪钻刃磨。 2 3 3 程序框图 l 轴向测量 i 记录数据 ii 调v _ j 墨比且 i 圆周测量 l 一一 、 一瑚姗 记录数据 图2 1 6 测量程序框图 f i g u r e 2 1 6p r o b i n gp r o g r a mc h a r t 1 8 。j 第二章数学模型与数控刃磨 l 位置计算 i 各轴移动至初始置 i 进拾 i 胯 i 一一l 口k 列回肛摊 、 y i 精磨 图2 1 7 磨削程序框图 各轴回琴位 打开冷却板 i 第一外刃第二后刀面 l 降一后到面第一外刃 i 第二外刃第二后刀面 l 第二外刃第一后刀面 l 内刃后刀面 l 油隙面 l i 关闭冷却液 各轴日零位 图2 1 8 子程序框图 f i g u r e 2 1 7g r i n d i n gp r o g r a mc h a f tf i g u r e 2 1 8s u b r o u t i n ec h a r t 1 9 第三章枪钻钻型的试验研究 第三章枪钻钻型的试验研究 深孔枪管钻最初是应用于兵器制造业，因此得名枪钻，随着科技的不断发展和深孔 加工系统制造商的不懈努力，深孔枪钻加工已经成为一种方便、高效的加工方式。并被 广泛应用于如：汽车工业、航天工业、结构建筑工业、医疗器材工业、模具刀具治具 工业及油压、空压工业等领域。 判断一项技术是否成熟，标准一般是：基本理论相对成熟、高生产效率、高加工质 量、高可靠性等等。以此衡量金属切削加工技术可视为成熟的技术，但作为重要分支的 枪钻深孔加工技术则远未成熟。主要表现在：对深孔加工中的特定条件下切削液参数及 其影响、切屑的形成规律、排屑机理、不同加工条件下参数的最佳匹配、加工过程的控 制和检测等尚处于起步阶段。 现在的枪钻钻型是通过实际的加工试验获得的经验参数，在标准钻尖的基础上，针 对不同的加工材料进行试验，获得加工特定材料的高效钻型。以下分别针对加工不同材 料钻型选择加以说明【1 引。对于钢材，进给量越大，内外刃的切屑干涉能力越强，越容易 产生短切屑。低碳钢的切屑易于伸展，可通过适当加大外刃锋角和减小外刃宽度以缩短 切屑长度；加工铝材时，不论进给量大小，切屑都容易排出，所以最好采用大进给量； 加工纯铝，外刃及内刃锋角不宜太小；进给量大小、钻头几何参数的变化对铸铁的切屑 形态影响都不大；对奥氏体不锈钢的实验表明，进给量对切屑长度的影响类似于钢，但 没有钢那么明显，在f = o 0 1 0 2 m m r 都不致造成排屑困难，加工不锈钢时，钻头外刃锋 角不要过小，否则内刃切屑变长，会缠绕钻头，用4 0 0 1 2 0 可使两条切屑流的方向差别 不大，这样使切屑容易分离1 1 2 , 4 1 。 从以上分析可以看出针对特定材料设计出相应的加工钻型对实际生产是十分必要 的，本次试验就是针对工厂生产过程中的实际情况，对两种材料( 4 2 c r m o 和2 0 c r m o ) 进行钻削加i 试验，通过改变钻型来达到提高生产率的目的。 3 14 2 c r m o 的钻削试验 本次试验以大连柴油机厂与大连轻工业学院先进制造技术中心的合作项目为试验 2 0 第三章枪钻钻型的试验研究 背景，对曲轴斜油孔深孔加工问题进行了探讨，得出了加工曲轴斜油深孔的高效钻型。 新型双外刃钻型实验内容主要包括： 标准钻型枪钻是德国t b t 公司设计和制造的，在修磨钻尖时，仍然按照原有参数来 确定。而新型双外刃钻型枪钻是在此基础上，针对特定加工材料和现场加工状况而改进 的新钻型，改进后钻型较标准钻型外缘转点及刀尖强度大大提高，这就是本课题设计的 新型双外刃钻型。 新型硬质合金高效钻尖实验主要包括： 1 、标准钻型枪钻和双外刃钻型枪钻加工时的对比试验； 2 、通过试验比较两种钻型在相同加工条件下刀具的磨损状况及切屑的形成原因。 3 1 1 标准枪钻钻型加工的特点 本次实验区别于以往试验的最大特点是：立足于实际生产状况，以实际存在的主要 问题作为研究内容来设计和刃磨出适合加工特定材料的高效钻型的枪钻。 通过实际调研发现，枪钻在使用过程中断屑、排屑是一个很重要的问题。如果切屑 是很长的带状切屑，加工中不容易折断，伴随着刀具的高速旋转，很容易发生缠刀的现 象，即切屑缠绕在刀体上，如果未能及时清除，必然会发生刀具挤死现象而导致刀具扭 断；钻削加工是半封闭式切削，钻头切下切屑后要及时排出，排屑不畅同样会导致挤屑 现象的发生，并出现折刀现象：在钻削加工过程中产生大量的切削热，切削温度过高会 加剧刀具的磨损，甚至发生崩刃，而切屑顺利排出可带走相当一部分热量，根据有关资 料介绍，切削热由切屑、刀具、工件和周围介质传出去的比例为2 8 、1 4 5 、5 2 5 和 5 【1 4 】，这对降低切削温度是非常有利的。可见，保证良好的断屑是保证刀具具有良好切 削性能的基本前提。 在枪钻进行深孔加工中，在加工钢料时，外刃产生的切屑是右旋连续螺卷，内刃产 生的切屑是左旋的，外刃切屑生成速度远高于内刃。二者在孔壁的约束和切削液的冲击 下相互干涉，生成速度慢的内刃切屑被断成扇片状，并使相互扭在一起的切屑流形成断 口，在高压切屑液的冲击下被拉断成一定的长度，沿v 形槽向外排出【4 j 。但由于多种因 素的影响，加工钢材时并不总是能实现畅通无阻的排屑。有时会周期性地发生切屑的堵 塞。在此瞬间油压会随之升高，切屑被挤成团状推出