摇臂钻床多轴头架设计（可调式）-实习报告

1毕业实习报告目录一 前言 .1二实习要求和目的 .3三实习公司简介 .4四现代制造业的发展状况 .5五.钻头与钻削研究的历史、现状与发展趋势 .7六钻削工艺 .12八孔的高速高精度加工 .19九工厂加工中的绿色切削 .252一 前言毕业实习是毕业生的必要工作，有助于学生顺利完成毕业设计，能够学到必要的实践知识，对专业课是一次很好的温故复习，同时又积累了毕业设计的必要素材，锻炼了我们各方面的能力。这次毕业实习中我们在焦峰老师的带领下，见习了焦作制动器股份有限公司 ，在这次实习中学习了很多有益的知识，对毕业设计，对以后的工作都是大有益处的。我们日常生产、生活中所使用到的各种工具和产品，大到机床的底座、机身外壳，小到一个胚头螺丝、纽扣以及各种家用电器的外壳，无不与机械设计有着密切的关系。零件的形状决定着这些产品的外形，钻床的加工质量与精度也就决定着这些产品的质量。因为各种产品的材质、外观、规格及用途的不近年来，随着钻孔技术的飞速发展和通用与工程材料在强度和精度等方面的不断提高，塑料制品的应用范围也在不断扩大。在本次实习中主要认识了摇臂钻床Z3063的原理及结构。以下是Z3063的主要结构参数3二实习要求和目的1、使我们巩固、印证、加深、扩大已学过的基础理论和部分专业知识，并且通过实习，对生产企业设备及各个生产环节建立全面、系统的认识。2、 培养学生理论联系实际、熟悉各类主要设备的型号、工作原理、基本结构和参数，在生产中调配研究，发现问题，并虚心向师傅请教，向工程技术人员学习，培养自已解决实际生产技术问题的能力。43、 增强学生热爱劳动，热爱专业的情趣，以适应社会主义市场经济的要求。4、 初步了解企业生产工艺、技术管理、设备管理、安全管理。5、 了解本专业的科技发展动态，考察新技术、新工艺、新设备在实际6、 生产中的应用情况。7、 收集毕业设计资料。8、 在老师的指导下，完成实习报告二、实习内容1、了解钻床结构。2、了解钻孔工艺过程3、了解钻削注意事项。4、熟悉各种常见夹具的结构形式，工作原理，及实现一定功能对结构的要求5、常见设备的工作原理，结构，主要是钻床设备，加工设备。三实习公司简介焦作制动器股份有限公司是按照现代企业制度建立起来的器股份有限公司，是一家专业从事工业制动器、汽车防抱制动系统（ABS）生产的省高新技术企业。2000 年 11 月，我公司独家引进中国重汽集团技术发展中心独立承担的国家“九五”科技攻关项目的研究成果气动防抱制动系统（ABS） ，并成立了焦作制动器股份有限公司 ABS 产品设计制造中心。该中心公司拥有一支专业从事 ABS 产品研发、设计、制造的高素质队伍，技术力量雄厚。拥有韩国三星 SMT 全自动生产设备、ABS 综合性能试验台、ABS 压力调节试验台、ABS 仿真试验台、ECU 模拟车载加电试验台、ABS 线束检验台、ABS 车载开发试验系统等工艺装备和检测手段，在国内同行业中均处于领先地位。该中心推出的“金箍”牌气动防抱制动系统（ABS）采用国际行业标准5生产，已通过 TS16949 质量管理体系认证。2004 年 7 月，公司的“金箍”牌气动防抱制动系统（ABSB）被国家四部委联合颁发证书，确定为国家重点新产品。在 ABS 基础上，又进一步拓展出了汽车驱动防滑系统（ASR） ，并形成 ABS/ASR 系统。 产品有主车用和挂车用两大系列，主要适用于中重型载货车和大中型客车。产品所有组件与德国的 WABCO 产品具有互换性。各项性能指标检测已分别在国家襄樊、长春汽车质量监督中心及天津、海南等国家认可的试验场所获得通过，并通过了国家科工委认可的电磁兼容性检测。2002 年 12 月通过了河南省经贸委组织的新产品（新技术）鉴定。2004 年 8月通过了郑州宇通客车股份有限公司的装车试验。2005 年 5 月又分别通过了中国重汽集团和中集集团驻马店华峻车辆制造厂的装车试验 。 目前，公司已形成年产 2 万套 ABS 的生产能力，和全国 40 多个汽车生产厂家建立了业务联系，已对洛阳福赛特汽车股份公司、无锡神州客车制造有限公司、安徽江淮扬天汽车制造有限公司、山西文水县晋凤挂车有限公司等汽车制造企业形成批量供货。2002 年 12 月，河南省计委批复了我公司的 2 万套 ABS 高技术产业化项目，2005 年 5 月，2 万套项目通过验收。2004 年 10 月，国家发改委又批复了我公司申报的 10 万套 ABS 高技术产业化汽车电子专项，并获得国家项目补助资金 800 万。目前该项目已在我市高新技术开发区动工建设，2006 年 5 月建成。公司以客户满意为宗旨，以周到服务为承诺，以完善的质量管理体系为保证，着力打造行业品牌。 四现代制造业的发展状况1金属切削加工是指利用刀具切除被加工零件多余材料的方法，是机械制造行业中最基本的加工方法，金属切削加工过程是由金属切削机床来实现的。金属切削机床是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器。在现代机械制造行业中，随着加工零件方式多样化及工艺合理化的发展的要求，加工零件的方法也呈现出多样化，如：除切削加工外，还有铸造、锻造、焊接、冲压、挤压和辊轧等，在这其中机床切削加工的工作量约占总制造工作量的 40%60%(其中钻床占 11.2%),所以在目前的机械制造行业中金属切削机床是主要的加工设备。而机床的技术性能又直接影响机械制造行业的产品质量和劳动生产率，所以为了提高国家的工业生产能力和科学技术水平，必须对机床的发展作出新的要求。随着机械工业的扩大和科学技术的进步，尤其是计算机的出现和数控技术的发展，我国的机械制造行业正朝着自动化、精密化、高效率和多样化的方向发展。6我国机床工业自 1949 年建立以来，虽然在短短的时间内取得了很大的成就，但与世界先进水平相比还有较大的差矩。就现状看，主要表现在：我国机床工业起步晚、技术不成熟；大部分高精度和超精度机床的性能还不能满足要求，精度保持度也差，特别是高效自动化和数控机床的产量、技术水平和质量等方面都明显落后。据有关部门统计我国数控机床的产量仅是全部机床产量的 1.5%，产值数控化仅为 8.7%（至 1990 年底） ；我国数控机床基本上是中等规格的车床、铣床和加工中心等，而精密、大型、重型或小型数控机床还远远不能满足要求；另外我国机床在技术水平和性能方面的差矩也很明显，机床理论和应用技术的研究也明显落后。所以我们要不断学习和引进国外先进科学技术，大力发展研究，推动我国机床工业的发展。2 存在的一些问题由以上现状分析我们可以看出，在机床加工中钻床的加工工作量在总制造工作量中占有很大的比重。钻床为孔加工机床，按其结构形式不同可以分为摇臂钻床、立式钻床、卧式钻床、深孔钻床、多轴钻床等。主要用来进行钻孔、扩孔、绞孔、攻丝等。长期以来我国的机械机械制造工业中孔类加工多数由传统钻床来完成，但是传统的钻床在大批量生产时存在许多的不足之处：（1）自动化程度不高.，难以进行大批量的生产；（2）工作效率低，且工人的工作环境恶劣；（3）占用人力较多，操作固定不变易出错；（4）精度不高，工件装夹费时；（5）加工产品质量不高；针对以上传统钻床的不足之处及生产中存在的问题，我们有必要对传统钻床进行结构改进。通过对传统钻床手动的进给系统、夹紧系统及人工送料系统的改进和设计，从而提高产品质量和生产效率，实现自动化，降低劳动强度及工作量。3 问题的分析以及解决方案当前传统钻床问题的存在主要在于自动化程度、生产效率、工作环境及产品质量。在生产过程中，手动的操作、繁锁的装夹、大量生产力的投入和单一的生产流程导致了钻床加工的自动化程度低、生产效率低、工作环境恶劣和产品质量不高，因此，我们要解决的问题在于如何实现钻床加工的自动化、减少生产力的投入生产和与其它工艺流程相结合，同时也要考虑经济问题。经过分析，我们可以从机构设计和控制系统两方面去考虑。通过对钻床机构的改造来实现自动化控制的要求，提高产品的加工精度及质量；通过导入先进的控制系统来进行自动操控，从而实现自动化，便于导入到其它生产流程中去。为了解决问题和便于设计改造，我们将钻床分为传动系统、进给系统、夹紧系统、送料系统和控制系统五个部份7五.钻头与钻削研究的历史、现状与发展趋势人类认识和使用钻头的历史可以上溯到史前时代。燧人氏“钻木取火”所使用的石钻，可以看作最原始的钻头。现代工业加工中广泛使用的麻花钻(俗称钻头)，是一种形状复杂的实工件孔加工刀具，诞生于一百多年前。现在，全世界每年消耗的各类钻头数以亿计。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 50%；而在飞机制造业，钻孔工序所占的比重则更高。尽管钻头的使用如此广泛，但众所周知，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的改进和钻削过程的研究。本文根据所能得到的英文文献资料，对两沟槽麻花钻的有关技术问题及钻削研究的历史、现状和发展趋势进行综述。1.研究的主要领域和技术问题近几十年来，人们关于钻头和钻削的研究除了钻头制作材料的改进以外，主要集中在以下五个方面：钻头数学模型和几何设计研究：包括螺旋沟槽、后刀面、主刃和横刃数学模型的建立，横向截形与钻尖结构参数的优化，切削角度（分布）的计算与控制，钻头结构的静态和动态特性分析，钻尖几何形状与切削和排屑性能关系的研究。钻头制造方法研究：包括钻头几何参数与后刀面刃磨参数之间关系的建立与优化，钻头制造精度和刃磨质量的评价与制造误差的测控，钻头螺旋沟槽加工工具截形的设计计算，钻头加工设备特别是数控磨床与加工软件的开发等。钻削过程与钻削质量研究：包括影响钻削过程的各种因素及出现的各种物理现象的分析、建模与监控（如钻削力、切削刃应力和温度分布的测量、建模和预报） ；钻头磨损、破损机理与钻头寿命的研究；钻头的变形、偏斜、入钻时的打滑和钻尖摆动现象的研究；钻削工艺（如振动钻削、高速钻削、深孔钻削、钻削过程的稳定性等）与钻削质量（孔的位置精度、直线度、表面粗糙度、圆柱度、直径、孔口毛刺等）的研究。钻削机理与各种高性能钻头（如群钻、枪钻、干切削钻头、微孔、深孔钻头、长钻头、可转位钻头、合成材料加工用钻头、木工钻头、多螺旋槽钻头等）的研究。钻削过程模型验证和钻头性能评估过程的自动化，切削条件及钻头形状选用数据库和知识库的建立等。目前，最具活力的研究领域是钻头数学模型、几何设计和制造方法（设备）的研究，钻削过程建模与钻削质量的研究等。2钻头数学模型与几何设计研究821 钻头的数学模型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。第一个钻头数学模型由 Galloway D F 于 1957 年提出。他推导了直线刃钻头前刀面的参数方程，给出了主刃前、后角和横刃斜角的定义、计算公式和测量方法，提出了“把钻头后刀面作为钻头在刃磨过程中与砂轮相互作用后形成的磨削锥的一部分”的观点。20 世纪 70 年代初期，Fujii S 等人对 Galloway D F 提出的模型进行了进一步研究，提出采用割平面法，将三维空间曲面后刀面化为二维平面曲线进行分析，并开发了一个麻花钻计算机辅助设计程序。1972 年， Armarego E J A 和 Rotenbery A 发现：后刀面锥面刃磨法有 4 个独立的刃磨参数，而一般给出的钻尖几何参数只有 3 个，因此不能唯一确定钻尖后刀面形状和刃磨参数。为此，他们提出用后刀面尾隙角作为补充几何参数，以获得刃磨参数的唯一解。1979 年，Tsai W D 和 Wu S M 证明：锥面钻头、Racon 钻头、螺旋钻头和 Bickford 钻头等的后刀面都可以用二次曲面来表示，并提出了表示钻头几何形状的综合数学模型，该模型可用于控制刃磨过程。1983 年，Radhakrishnan L 等人提出了十字钻尖钻头后刀面的一个数学模型。他们将后刀面分为第一后刀面和第二后刀面：对第一后刀面，以 Tsai 模型为基础，建立了一个改进的锥面模型；对第二后刀面，建立了一个平面模型。Fugelso M A 则提出了圆柱面钻尖的数学模型。1985 年，Fuh K H 等人建立了一个用二次曲面表示的钻头后刀面数学模型，以便用计算机将其设计成椭球面、双曲面、锥面、圆柱面或它们的任意组合。长期以来，人们一直将麻花钻的主刃设计为直线。1990 年，Fugelso M A 发现，由于要求锥面麻花钻的主刃为直线，使靠近钻芯处的主刃后角变得过小，如果在刃磨之前，将钻头绕自身轴线旋转 510，就可以解决这一问题，只是主刃将变得微微弯曲。同年，Wang Y 将主刃看作曲线，利用多项式插补方法建立了钻头螺旋前刀面的几何模型。1991 年，Lin C 和 Cao Z提出了一种适合于直线和曲线刃，采用锥面、柱面和平面后刀面的麻花钻综合数学模型。1999 年，Ren K C 和 Ni J 提出用二项式表示任意形状的主刃曲线，钻头前刀面采用新的数学模型，并用向量分析方法，建立了二次曲面后刀面的刃磨参数与几何参数之间的关系。2.2 钻头的结构优化由于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（参数）和刃磨方法进行改进，先后提出了 200 多种互不相同的钻头形状，以改善其切削性能。其中，Shi H M 等人提出了通过改变主刃走向控制9主刃前角分布的方法，并于 1990 年开发出使钻头主刃上各点前角均达到可能的最大值的曲线刃麻花钻。1987 年，Lee S J 在考虑钻头偏斜的条件下，以消除钻削过程中钻尖的摆动现象为目标，提出了对钻头结构进行优化设计的方法。1995 年，Selvamhe S V 和 Sujatha C 在研究麻花钻的变形时，用有限元方法对钻头几何形状进行了优化，得出的使钻头变形最小的结构参数优化值（钻头直径 25mm）为：螺旋角 39.776，横刃斜角 =5480，锋角 120。1997 年，Chen W C 提出了一种特殊截形的厚钻芯麻花钻，既具有足够的扭转刚度，又具有合理的主刃和横刃前角分布。2005 年，Paul A等人为确保优化钻头的可加工性，提出了一种基于刃磨参数的新钻尖模型，并用它对锥面钻尖、Racon 钻尖和螺旋面钻尖进行了优化，以使其切削力达到最小。2.3 螺旋沟槽截形和加工工具截形的计算1975 年，Dibner L G 提出了一种可以简化磨削螺旋沟槽砂轮截形计算、提高沟槽加工精度和完全排除砂轮直径变化影响的方法。1990 年，Ehmann K F 提出了一个基于微分几何和运动学原理的求麻花钻螺旋沟槽加工工具截形的方法。19982003 年，Kang D C 和 Armarego E J A 对螺旋沟槽加工的“正问题”和“反问题” （“由沟槽截形求工具截形”和“由工具截形求沟槽截形” ）进行了研究，提出了直线刃麻花钻螺旋沟槽设计和制造的计算机辅助几何分析方法。2.4 关于群钻与微型钻头的研究1982 年，Shen J 等人建立了群钻的第一个数学模型。利用该模型，人们可以多次重复地磨制群钻。1984 年，Chen L 和 Wu S M 对 9 种典型群钻进行了研究，改进了群钻的数学模型，为群钻的计算机辅助设计提供了可能。1985年，Hsiao C 和 Wu S M 提出了用计算机对群钻进行辅助优化设计的具体方法。1987 年，Fuh K H 提出了一种利用综合二次曲面模型和有限元方法设计和分析群钻的方法。Liang E J 则提出了一个基于知识库技术的群钻刃磨CAD/CAM 集成系统。1991 年，Liu T I 采用一种两阶段策略设计和优化了一种加工机轴注油孔用群钻。1994 年，Huang H T 等人推导了群钻切削刃的工作法后角和法前角的公式，提出了考虑内刃和圆弧刃之间过渡区的群钻精确几何模型。2001 年，Wang G C 等人应用一种倾斜立体块方法，建立了群钻新的数学模型，解决了已有模型存在的横刃几何形状不确定的问题，保证了所设计群钻的可加工性。1992 年开始，Lin C、Kang S K、Ehmann K F 和 Chyan H C 等人组成的研究小组对微型钻头进行了系统研究。1992 年，他们建立了平面微型钻尖的数学模型，提出了相应的刃磨方法。1993 年，他们又提出了螺旋面微型钻尖10的数学模型和刃磨方法，并发现螺旋面微型钻尖在几何方面和切削性能方面均优于常用的平面微型钻尖。1997 年，他们指出：螺旋面微型钻尖与平面微型钻尖相比，具有两个方面的优点：在同样的工作切削角度分布条件下，可以允许更大的进给量；刃磨方法更简单，且不易受刃磨误差的影响。2002 年，他们制造出加工微孔用曲线刃形螺旋后刀面系列钻尖。3.1 钻削力建模的历史在过去的几十年中，人们报道了许多预报钻削力的方法，其中绝大部分是用于标准麻花钻的。由于缺乏先进的计算机和测量设备，早期的研究主要集中在建立简单的经验性扭矩和轴向力模型上，模型参数就是钻头的几何参数（如钻头直径）和切削用量，建模方法是通过大量的切削实验，用统计方法拟合出钻削力的经验公式。用分析方法建立的钻削力模型是随着人们对切削过程认识的深入而逐步出现的。1955 年，Oxford 用显微照片记录下钻头主刃和横刃的切屑变形过程，并通过实验发现：钻削过程中，在钻尖上存在三个主要的切削区域，即主刃切削区、第二切削刃（横刃）切削区和钻芯附近的刻划区。稍后， Shaw M C 和 Oxford C J Jr 证明了横刃在钻削加工中的重要性，因为它产生了 50%60%的轴向力。1966 年，Cook N H 提出了一个用半分析法推导钻削力公式的方法。Shaw M C(1962、1984 年)在对切屑变形机理进行深入研究的基础上，提出了钻头主刃的切屑变形模型。Williams A R(1974 年)提出了一个基于单点刀具二维切削模型的钻头主刃切削力模型，并确定了钻头刻划区的直径。Armarego E J A(1972 年)应用斜角切削理论，提出了平面钻尖切削力预报模型。Wiriyacosol S(1979 年)等人根据切屑变形的薄剪切区（剪切平面）理论，将钻头主刃和横刃看作一系列与切削条件有关的单元斜角或直角切削刀具的组合，通过累加这些单元刀具的切削力来预报钻削力，即单元刀具线性综合法。在剪切平面理论的基础上，Oxley C J Jr(1959、1962 年)、Armarego E J A(1972、1979 年)和 Waston A R(1985 年)分别建立了不同的钻削力模型；Stepenson D A(1988、1989 年)提出了计算钻削力的数学方法。3.2 钻削力建模的发展钻削力建模的研究是随着人们对各种新型钻头和钻削工艺的开发而不断深入的。Wu S M 等人在建立群钻切削力模型方面做了大量工作。其中，Lee S W(1986 年)和 Fuh K H(1987 年)以工作切削角度为准，对主切削刃使用斜角切削模型，对第二切削刃使用直角切削模型，建立了群钻的切削力模型；Huang H T（1992 年）等人提出了一个用普通麻花钻的力学模型预报群钻轴向力和扭矩的方法。Armarego E J A 和 Zhao H(1996 年)建立了薄钻芯标准麻花钻、薄钻芯多沟槽钻和圆弧中心刃麻花钻切削力预报模型。Bhatnagar N(2004 年)等人研究了用 4 种不同的钻尖钻削各向异性纤维补强复合材料时11工件的非预期损坏，建立了钻削轴向力和扭矩的模型。Sahu S K(2004 年)等人提出了带断屑槽锥面麻花钻的切削力预报模型，该模型用具有四种不同断屑槽的钻头进行标定，可适用于具有任意断屑槽形状的钻头。 Elhachimi M(1999 年)综合应用直角和斜角切削模型建立了高速切削钻头的切削力模型，在转速为 400018000r/min、进给量为 0.120.36mm/r 时，实验结果与模型预报值一致。Wang L P(1998 年)等人提出通过对组成主刃和横刃的单元刀具的振动分析得到整个钻头的动态力学特性，并据此建立了振动钻削过程中动态轴向力和扭矩的预报模型。随着研究的不断深入，研究人员发现，由于结构的差异，过去已经建立的力学模型不能适用于新的钻型。为此，Stepenson D A(1992 年)采用一个用大量车削实验标定的单元刀具斜角切削力模型，建立了用任意刃形硬质合金或镶嵌硬质合金钻头钻削灰铸铁时的主刃扭矩、轴向力和径向力预报模型。Lin G C (1982 年)和 Watson A R(1985 年)指出，对钻削扭矩和轴向力的低估是由于排屑干涉，这一发现最终导致了单元刀具非线性综合法的产生，也使用分析方法建立复杂刃形钻头的切削力模型成为可能。Wang J L(1994 年)研究了切削过程中的排屑干涉，应用单元刀具非线性综合法，建立了基于经验性单元刀具斜角切削力模型的任意刃形钻头的切削力模型。除了钻头的基本几何形状以外，钻削过程中的许多因素都会对钻削力产生影响。1996 年，Chandrasekharan V 等人考虑了钻头的制造和刃磨误差如两主刃的等高性、半径误差、轴向偏斜等的影响，建立了锥面钻头完整的三维切削力模型，随后又将其拓展到预报任意形状钻尖钻头（如群钻）的切削力。Sriram R 在考虑了钻头刃磨和安装误差对钻削力影响的条件下，建立了预报钻削径向力的模型。2001 年，Gong Y P 和 Ehmann K 建立了一个综合考虑到钻头几何特性、刃磨和安装误差以及钻头偏斜对主刃和横刃动态切削厚度和切削面积影响的微孔钻头轴向力、扭矩和径向力模型。3.3 钻削力建模方法随着科技的进步，建立预报钻削力模型的方法也在不断发展。1997 年，Islam A U 和 Liu M C 提出了用人工神经网络预报群钻轴向力和扭矩的方法，其训练用数据直接从文献资料中提取。2001 年 Kawaji S 等人也提出了一种用神经网络模型估计和控制钻削轴向力的方法：离线构建一个轴向力神经网络模型；以该模型为基础，通过在线最小二乘法训练，建立一个模拟神经控制器；将经过训练的神经控制器应用于钻削系统，得到轴向力。1999年，Chen Y 应用有限元方法分析具有刃口圆弧半径刀具的斜角切削过程，建立了一个用有限次任意刃形钻头标定的任意刃形钻头钻削力模型。2004 年， Strenkowski J S 等人用一个欧拉有限单元模型模拟组成切削刃的单元刀具的切削力，提出了用有限元技术预报麻花钻轴向力和扭矩的方法。2002 年，Yang J A 等人提出了一种用 I-DEAS CAE 软件系统实现的钻削过程仿真模型，12可以预报动态钻削力。4.研究发展趋势(1)钻削过程建模成为研究热点影响钻削过程的各种因素，包括钻头几何结构、制造和安装误差、物理特性（静态和动态特性） 、切削条件、环境温度、工件尺寸和材料等都将逐步纳入建模研究的范围，各种钻型、切削条件和钻削工艺有关的钻削力、钻削温度、钻头磨损与寿命、切屑变形与排出、钻削质量、钻削效率和钻削成本等都将成为钻削过程建模的对象，建模方法将更加多元化，模型预报的准确性将进一步提高，钻削模型将不仅用于仿真和预报，而且将更多地用于指导钻头设计、制造和钻削过程的优化与监控。(2)钻头的几何设计和制造方法仍将是研究的重点适合于加工各种材料和加工条件的新钻型将继续涌现，适用于微机械制造和印刷电路板制造的微型钻头的研究将走向深入。钻头制造方法的研究将向集成制造系统的方向发展，钻头特别是群钻的自动刃磨问题将得到解决，并会特别注重设计与制造的一体化、自动化和智能化。(3)钻削机理的研究将逐渐受到重视钻头与钻削过程研究越来越需要钻削机理研究的支持，钻削机理研究是制约钻头与钻削工艺研究的瓶颈；钻削是最为复杂的切削加工过程之一，而关于切削原理的基础研究必然会从相对简单的车削加工研究向更复杂的钻削加工研究过渡六钻削工艺用各种钻头进行钻孔扩孔或锪孔的切削加工。钻孔是用麻花钻扁钻或中心孔钻等在实体材料上钻削通孔或盲孔。扩孔是用扩孔钻扩大工件上预制孔的孔径。锪孔(图 1 锪孔是用锪孔钻在预制孔的一端加工沉孔锥孔局部平面或球面等以便安装紧固件。钻削方式主要有两种工件不动13钻头作旋转运动和轴向进给这种方式一般在钻床镗床加工中心或组合机床上应用工件旋转钻头仅作轴向进给这种方式一般在车床或深孔钻床上应用。麻花钻的钻孔孔径范围为 0.05100 毫米采用扁钻可达 125毫米。对于孔径大于 100 毫米的孔一般先加工出孔径较小的预制孔(或预留铸造孔)而后再将孔径镗削到规定尺寸。 钻削时钻削速度 v 是钻头外径的圆周速度(米/分)进给量 f 是钻头(或工件)每转钻入孔中的轴向移动距离(毫米/转)。图 2 麻花钻的钻削要素 是麻花钻的钻削要素由于麻花钻有两个刀齿故每齿进给量 aff/2(毫米/齿)。切削深度有 ap 两种钻孔时按钻头直径的一半计算扩孔时按(d-d0)/2 计算其中 d0 为预制孔直径。每个刀齿切下的切屑厚度 a0arsinr单位为毫米。式中 r 为钻头顶角的一半。使用高速钢麻花钻钻削钢铁材料时钻削速度常取 1640 米/分用硬质合金钻头钻孔时速度可提高 1 倍。 钻削过程中麻花钻头有两条主切削刃和一条横刃俗称“一尖(钻心尖)三刃”参与切削工作它是在横刃严重受挤和排屑不利的半封闭状态下工作所以加工的条件比车削或其它切削方法更为复杂和困难加工精度较低表面较粗糙。钻削钢铁材料的精度一般为 IT1310表面粗糙度为 R 201.25 微米 扩孔精度可达 IT109表面粗糙度为 R 100.63 微米。钻削加工的质量和效率很大程度上决定于钻头切削刃的形状。在生产中往往用修磨的方法改变麻花钻头切削刃的形状和角度以减少切削阻力提高钻削性能中国的群钻就是采用这种方法创制出来的当钻孔的深度 l 与直径 d 之比大于 6 时一般视为深孔钻削。钻削深孔的钻头细长刚度差钻削时钻头容易偏斜并与孔壁发生摩擦同时对钻头的冷却和排屑也较困难。因此当 l/d 大于 20 时需要采用专门设计的深孔钻并输入一定流量和压力的切削液加以冷却和把切屑冲刷出来才能达到较高14的钻削质量和效率。用标准麻花钻头钻削 30斜孔时，由于钻头与工件之间的夹角较小，为保证加工长度，需要加长钻杆和钻头，从而使钻头刚性降低。此外，钻削斜孔时钻头在相当长一段时间处于断续切削状态且径向抗力很大，为避免崩刃，保证加工正常进行，就必须减小切削用量，这就直接影响了加工效率和生产进度。 2) 钻削直孔时，采用钻扩工艺即可稳定达到 Ra6.3m 的表面粗糙度要求。但钻削 30斜孔时，由于受断续切削和径向抗力的影响，钻头在钻削过程中始终存在振动，虽然采用钻套导向可部分减小径向抗力，但振动仍会加速钻头磨损，导致钻头外刃崩刃，严重影响钻削加工的正常进行和钻孔质量。为解决上述问题，我们对斜孔钻削工艺和用于加工的标准麻花钻结构进行了改进。2 钻削工艺的改进 1) 将斜孔钻削工艺由直接钻孔改为钻后扩孔，即在 24mm 钻套内再增加一个 21mm 钻套，先采用 21mm 钻头钻孔，然后再用 24mm 钻头扩孔。 2) 为保证定板孔距的尺寸精度和提高钻头钻削开始阶段的稳定性，设计了专用斜孔钻模。 3) 为消除钻头侧尖在刚钻透工件的瞬间所产生的径向抗力，钻削时在工件下面设置一层 A3 材料的工艺板。 3 钻头结构的改进 (a) 15(b) (c) 图 1 钻尖几何角度的刃磨 1) 钻型的选择：为提高钻头的刚性和钻孔精度，选用钻芯加厚、抛物线型切削刃槽的长刃麻花钻头，并对钻头钻尖进行机磨，以保证两锋刃角度对称，切削刃受力均匀。 2) 钻头角度的刃磨：钻孔用 21mm 钻头的钻尖形式如图 1a 所示。在钻削斜孔的开始阶段钻头处于断续切削状态，切削面积由小到大直至进入连续切削状态，该阶段加工长度为 48mm。在断续切削阶段，钻头在径向抗力作用下，其棱边与钻套内壁的摩擦力较大，为减小摩擦力，将 21mm 钻头钻尖的几何角度刃磨为群钻型。由于钻头锋角(主偏角)的改变将使径向切削力 Py 与轴向切削力(走刀力)Px 的大小比例发生变化，即径向切削力 Py 将随锋角的增大而减小，因此刃磨钻头时需增大两锋角。同时，将钻尖横刃磨窄以减小轴向切削力；将圆弧刃磨低，弧底靠近钻头侧刃，使外直刃宽度变窄，降低A、B 间的轴向高度(见图 1b)，从而加高环形筋，增强钻头侧尖的定心作用，以达到提高切削稳定性的目的。这样，当钻削长度超过 A、B 后，钻尖附近的径向切削力与外直刃的径向分力方向相反且小于外直刃径向分力(见图 1c)。164 改进后的加工效果 在钻头几何角度确定后，通过切削试验选取合理的切削用量(转速n=160r/min，进给量 f=0.080.10mm/r)。定板上的斜孔钻削完毕后，需用砂轮进行手工修磨(修磨后的孔径为 2424.5mm)，然后用砂布打光，使各孔的表面粗糙度基本达到 Ra6.3m。加工后，发现有个别孔的钻口处孔壁母线不直，经分析，这是因为机床导轨、机床主轴角度与钻模板相互之间找正不准引起钻头进给方向与钻模板上的钻套内孔轴线不一致所致。为解决这一问题，在每台加工机床上配备了一个找正芯轴(见图 2)，每钻完一个孔后，移动床头位置，将安装在机床主轴孔内的找正芯轴插入钻模板的钻套内，通过调整机床主轴位置，使芯轴可在钻套内自由转动，然后取出芯轴、装上钻头即可进行钻削加工。 1.平台 2.压板 3.百分表 4.找正芯轴 5.钻模板 6.挡板 图 2 工件找正示意图 经生产验证，用改进后的钻削工艺及麻花钻加工定板零件的 30斜孔时，加工效果良好，钻孔质量和加工效率显著提高，每班可钻孔 3035七钻床夹具的主要类型钻床夹具简称钻模，主要用于加工孔及螺纹。它主要由钻套、钻模板、定位及夹紧装置夹具体组成。其主要类型有以下几种。（1）固定式钻模 在使用中，这类钻模在机床上的位置固定不动，而且加工精度较高，主要用于立式钻床上加工直径较大的单孔或摇臂钻床加工平行孔系。（2）回转式钻模 这类钻模上有分度装置，因此可以在工件上加工出若干个绕轴线分布的轴向或径向孔系。17（3）翻转式钻模 主要用于加工小型工件不同表面上的孔，孔径小于f8f10mm。它可以减少安装次数，提高被加工孔的位置精度。其结构较简单，加工钻模一般手工进行翻转，所以夹具及工件应小于 10 kg 为宜。（4）盖板式钻模 这种钻模无夹具体，其定位元件和夹紧装置直接装在钻模板上。钻模板在工件上装夹，适合于体积大而笨重的工件上的小孔加工。夹具、结构简单轻便，易清除切屑；但是每次夹具需从工件上装卸，较费时，故此钻模的质量一般不宜超过 10 kg。（5）滑柱式钻模 滑柱式钻模是带有升降钻模板的通用可调夹具。这种钻模有结构简单、操作方便、动作迅速、制造周期短的优点，生产中应用较广。二、钻模的设计要点1钻 套钻套安装在钻模板或夹具体上，用来确定工件上加工孔的位置，引导刀具进行加工，提高加工过程中工艺系统的刚性并防振。钻套可分为标准钻套和特殊钻套两大类。（1）固定钻套（2）可换钻套（3）快换钻套（4）特殊钻套2钻模板钻模板用于安装钻套，确保钻套在钻模上的正确位置，钻模板多装在夹具体或支架上，常见的钻模板有：（1）固定式钻模板（2）铰链式钻模板（3）可卸（分离）式钻模板 （4）悬挂式钻模板 （ 二 ） 镗床夹具设计特点镗床夹具又称为镗模，主要用于加工箱体或支座类零件上的精密孔和孔系。主要由镗模底座、支架、镗套、镗杆及必要的定位和夹紧装置组成。镗床夹具的种类按导向支架的布置形式分为双支承镗模、单支承镗模和无支承镗模。一、镗床夹具的典型结构形式（1）前后双支承镗模18（2）无支承镗床夹具 二、镗床夹具的设计要点1导引方式及导向支架镗杆的引导方式分为单、双支承引导。单支承时，镗杆与机床主轴采用刚性连接，主轴回转精度影响镗孔精度，故适于小孔和短孔的加工。双支承时，镗杆和机床主轴采用浮动联接。所镗孔的位置精度取决于镗模两导向孔的位置精度，而与机床主轴精度无关。镗模导向支架主要用来安装镗套和承受切削力。因要求其有足够的刚性及稳定性，故在结构上一般应有较大的安装基面和必要的加强筋；而且支架上不允许安装夹紧机构来承受夹紧反力，以免支架变形而破坏精度。2镗 套镗套的结构形式和精度直接影响被加工孔的精度。常用的镗套有：（1）固定式镗套 固定式镗套外形尺寸小，结构简单，导向精度高，但镗杆在镗套内一边回转，一边作轴向移动，镗套易磨损，故只适用于低速镗孔。（2）回转式镗套 随镗杆一起转动，与镗杆之间只有相对移动而无相对转镗套。这种镗套大大减少了磨损，也不会因摩擦发热而“卡死” 。因此，它适合于高速镗孔。3镗杆和浮动接头镗杆是镗模中一个重要部分。镗杆直径 d 及长度主要是根据所镗孔的直径 D 及刀具截面尺寸 BB 来确定（参考表 11.1 之值选取） 。镗杆直径 d 应尽可能大，其双导引部分的 L/d10 为宜；而悬伸部分的 L/d45，以使其有足够的刚度来保证加工精度。用于固定镗套的镗杆引进结构有整体式和镶条式两种。当双支承镗模镗孔时，镗杆与机床主轴通过浮动接头而浮动连接。2镗 套镗套的结构形式和精度直接影响被加工孔的精度。常用的镗套有：（1）固定式镗套 固定式镗套外形尺寸小，结构简单，导向精度高，但镗杆在镗套内一边回转，一边作轴向移动，镗套易磨损，故只适用于低速镗孔。19（2）回转式镗套 随镗杆一起转动，与镗杆之间只有相对移动而无相对转动的镗套。这种镗套大大减少了磨损，也不会因摩擦发热而“卡死” 。因此，它适合于高速镗孔。3镗杆和浮动接头镗杆是镗模中一个重要部分。镗杆直径 d 及长度主要是根据所镗孔的直径 D及刀具截面尺寸 BB 来确定（参考表 11.1 之值选取） 。镗杆直径 d 应尽可能大，其双导引部分的 L/d10 为宜；而悬伸部分的 L/d45，以使其有足够的刚度来保证加工精度。用于固定镗套的镗杆引进结构有整体式和镶条式两种。当双支承镗模镗孔时，镗杆与机床主轴通过浮动接头而浮动八孔的高速高精度加工在机械零件加工作业中，孔加工所占比例相当大，与高速铣削相类似的高速、高精度钻削加工已提上议事日程，高效率孔加工对于促使零部件生产合理化是不可或缺的重要工艺过程。近年来，零部件生产大都采用以 CNC 机床为中心的生产形态，进行孔加工时，也大都采用加工中心、CNC 电加工机床等先进设备。无论哪个领域的孔加工，实现高精度和高速化都是取得用户订单的重要竞争手段。实现孔加工高速化的先决条件是必须采用高速加工中心，而机床的高速化必须满足下列条件。 1.配备高速回转主轴 钻头和立铣刀一样带有中心齿，由于中心齿附近有一种圆周速度，因此，切削速度向高速化发展时，主轴的转速也必须实现高速化。特别是在使用小直径钻头时，主轴的高速化更是不可缺少的。今后，随着孔加工高速化的进展，预计转速达 30000100000r/min 的主轴需求将不断增多。同时，由于达到规定的高速回转所需时间很短以及要求 Z 向(钻头切削方向)主轴伸出长度应控制在最小程度之内，因此，高速主轴的配置是实现高速高精度孔加工不可缺少的条件。 2.可动部分具有动作敏捷的功能 主轴和工作台等可动部分应尽可能减轻重量，以实现动作快捷化，这也是进行高速孔加工必须具备的条件。1 个孔的加工时间只需数秒钟，因此，必须20缩短孔与孔之间的工具移动时间，这是实现高效率切削的关键问题，解决此问题的途径首先即为可动部件的动作必须灵活快捷。例如，即便达到了高精度的定位精度，但如机床可动部分的动作不够灵敏快捷，也就不可能满足当前用户提出的实现高速孔加工的要求。通常是用加速度特性(G 值)来判断机床可动部分的快捷性能，当 G=0.81.5 时，可判断该机床为具有高度快捷性能的加工中心。 3.工作台与机床整体面积的比例应较小 作为加工中心的用户，他们希望工作台及工作台以外的部分所占空间应尽可能少一些。尤其是孔加工这类加工成本较高而附加价值又较低的加工领域，最好使用那种结构紧凑的加工中心。如日本理化研究所试制的高速 CNC 铣床，其加工范围为 300mm2，机床本体所占面积 950mm2，机床所占面积约为可加工最大工件尺寸的三倍，整个结构相当紧凑。该铣床主轴转速为45000r/min，可进行高速切削。主轴为 XY 方向移动式结构(工作台仅限 Z 轴移动)，其加速度特性值 G=1.5，表明该机床具有快捷动作功能。 4.主轴可直接供给冷却液 在钻削过程中，加工 L/D(钻头直径与孔深之比)在 5 以上的孔必须特别注意排屑问题，最好选用带供油孔的钻头，以便进行稳定的加工。采用由主轴中心供给冷却液的方式，对于更换卡具的锁紧螺栓则更为方便。 5.具有孔加工用 CNC 工具插补功能 CNC 切削的特点在于可以进行控制工具轨迹的合理加工，在对孔进行 CNC 切削加工时，可采用螺旋切削、等高走刀、对切等工具插补方式，具有这些功能的 CNC 控制系统均可在孔加工中加以应用。 跨入高速钻孔加工新时期 长期以来都是利用钻头进行高精度孔、螺纹孔等通孔及螺栓孔等的加工，最近，这类加工已经向高速切削方向迅速发展。 在孔加工作业中，目前仍大量使用高速钢麻花钻，但各企业之间在孔加工精度和加工效率方面已逐渐拉开了差距。高速切削钻头的材料以陶瓷涂层硬质合金为主，如 MAZAK 公司和森精机制作所在加工铸铁时，即采用了陶瓷涂层钻头。在加工铝合金等有色材料时，可采用金刚石涂层硬质合金钻头、21DLC 涂层硬质合金钻头或带金刚石烧结体刀齿的钻头。总之，今后将会不断开发出许多新型的高速切削钻头。 在各种涂层钻头中，陶瓷涂层硬质合金钻头特别重视耐磨性、耐热性及润滑性，其涂层工艺也采取多层涂覆方式，如利用 TiAlN、TiN、TiCN 等复合氮化物形成复合涂层结构。钻头的切削条件总的趋势是高速化，随着被加工材料的不同，切削速度已可分别达到 200300m/min。 高速钻头切削是一种高速大进给量的发展趋势，类似球头立铣刀切削条件的发展趋势。切削实践表明，提高切削速度有利于切屑形态的合理化和改善加工表面的粗糙度，预计今后仍将沿着高速切削的方向发展；提高进给量对断屑排屑和延长刀具寿命非常有利，因此，今后也仍将沿着大进给的方向不断发展。 目前，高速孔加工大都采用主轴带供液孔的加工中心，这种设备有利于提高钻头的切削速度。例如，用 10mm 涂层硬质合金钻头在 S45C 材料上加工浅孔时，切削速度可达 250m/min，进给速度可达 1600mm/min(相当于0.2mm/r)，在此条件下，加工 1 个孔只需 1 秒钟左右。日立精机公司、布拉萨工业公司均采用此条件进行浅孔加工。布拉萨公司在此条件下，用金刚石涂层硬质合金钻头在铝合金杆料上加工小直径孔时，1 个孔只需 0.20.5 秒钟左右即可完成。预计，今后小直径孔加工将进入 1 秒钟加工 1 个孔的高速加工时期。高速切削对钻头寿命的影响因素甚多，诸如由于切削热较高而引起刃部磨损，切削振动将导致崩刃、切屑缠绕，甚至引起钻头折断等。 为了减少上述故障对钻头寿命的影响，可采取如下一些技术措施： (1)选用耐磨性优异，适宜于高速钻削的刀具材料，例如涂层硬质合金等。 (2)选取适应高速切削的切削刃形状，如确定合适的钻尖角和刃口倒棱等。通常钻尖角可选为 130140，这种角度可有效减小切削扭矩；另外，可采取十字形修磨等方式，使切削刃与被切削面的接触面积尽可能减小。同时，应尽量提高柄部和切削刃部分的振摆精度及凸缘部分的高度精度。 (3)选用夹持刚性和振摆精度高的夹具，同时应减轻夹具重量，以利于动作快捷化。例如，HSK 刀柄的热装式结构就是目前比较理想的夹持系统。 (4)高速钻削时，为了提高刃口冷却和排屑效果，可采用直接向切削刃供给22冷却液的供液方式，以获得稳定的切削效果。冷却液中，除切削液外，还可添加少量植物油和空气，形成混合的雾状冷却剂。 可转位钻头的发展动向 可转位钻头是一种作为切削刃的刀片可更换的工具，与普通钻头相比，其直径较大，不过最近已开发出 10mm 的小型可转位钻头。目前，可转位钻头已系列化，几乎可以涵盖整体式钻头系列的各类产品。钻头刀片一般采用涂层硬质合金材料制作，只有少数产品采用烧结高速钢、金刚石烧结体、CBN烧结体等材料。可转位钻头通常只有 1 个刀片，也可有两个刀片，即分别为中心齿和外周齿。在进行大直径孔加工时，钻头可安装 2 个以上的刀片。装单个刀片的钻头与整体式钻头类似，尖端为三角形状，这样可减小切削阻力；为了便于切屑的分断，刀片均带有断屑槽。刀片夹紧方式因厂家而异，在多数情况下，均采用 1 个或几个螺钉紧固刀片。当带有 2 个以上刀片时，刀片形状和断屑槽形状均各不相同。最近这一趋势尤为明显。 可转位钻头开发的初期，只能加工深度为钻头直径 3 倍左右的孔，目前已发展到可加工 5D8D(D 为钻头直径)的深孔。在加工那些孔规格统一的零件时，使用可转位钻头效果最为明显。例如，利用装有多刀片的钻头，可同时对孔入口处进行倒棱和锪孔等作业，这对提高孔加工效率是极为有利的。CNC 孔加工技术 CNC 切削是使切削加工更加合理化的加工方式，进行 CNC 孔加工时，可采用具有多方向切削功能的立铣刀、螺旋切削插补及等高切入插补等方式，它要求选用尽可能少的刀具来对少量孔进行最为合理的加工。近来，生产中采用高速铣削方式进行孔加工即为此类加工的应用实例。高速铣削具有下述特点：(1)利用球头立铣刀和螺旋插补的钻头，可进行镗削和倒棱加工； (2)球头立铣刀配合螺旋插补法，可进行锥度孔的连续加工； (3)加工螺纹用的立铣刀配合螺旋插补法，可进行各种螺纹孔加工； (4)立铣刀配合等高切入插补，可对孔进行半精加工和精加工。 总之，利用工具插补功能，可对任意尺寸的高精度孔进行高效率精密加工。尤其在采用高速铣削时，各刀齿所承受的负荷相对较轻，因而用同一把涂层23硬质合金立铣刀，可对多种被加工材料进行高速高精度孔加工。今后，这种加工方式可望进一步用于干式切削领域。 高速高精度孔加工 除采用 CNC 切削方式对孔进行精密加工外，还可采用镗削和铰削等方式对孔进行高精度加工。随着加工中心主轴的高速化，已可采用镗削工具对孔进行高速精密加工。据报道，目前在铝合金材料上进行 40mm 左右的镗削加工时，切削速度已可提高到 1500