钻头与钻削技能研讨

人类知道和运用钻头的前史能够上溯到史前时代。燧人氏“钻木取火”所运用的石钻，能够看作最原始的钻头。现代工业加工中广泛运用的麻花钻（俗称钻头），是一种形状杂乱的实工件孔加工刀具，诞生于一百多年前。如今，全世界每年耗费的各类钻头数以亿计。据核算，在美国的汽车制作业，机械加工中钻孔工序的比重约占50%；而在飞机制作业，钻孔工序所占的比重则更高。虽然钻头的运用如此广泛，但众所周知，钻削加工也是最杂乱的机械加工办法之一。正因为如此，大家一向致力于钻头的改进和钻削进程的研讨。这篇文章依据所能得到的英文文献资料，对两沟槽麻花钻的有关技能疑问及钻削研讨的前史、现状和开展趋势进行总述。

1．研讨的首要范畴和技能疑问

近几十年来，大家关于钻头和钻削的研讨除了钻头制作资料的改进以外，首要会集在以下五个方面：

①钻头数学模型和几许描绘研讨：包含螺旋沟槽、后刀面、主刃和横刃数学模型的树立，横向截形与钻尖布局参数的优化，切削视点（散布）的核算与操控，钻头布局的静态和动态特性剖析，钻尖几许形状与切削和排屑功能联系的研讨。

②钻头制作办法研讨：包含钻头几许参数与后刀面刃磨参数之间关系的树立与优化，钻头制作精度和刃磨质量的评价与制作差错的测控，钻头螺旋沟槽加工东西截形的描绘核算，钻头加工设备格外是数控磨床与加工软件的开发等。

③钻削进程与钻削质量研讨：包含影响钻削进程的各种要素及呈现的各种物理表象的剖析、建模与监控（如钻削力、切削刃应力和温度散布的丈量、建模和预告）；钻头磨损、破损机理与钻头寿数的研讨；钻头的变形、偏斜、入钻时的打滑和钻尖摇摆表象的研讨；钻削技能（如振荡钻削、高速钻削、深孔钻削、钻削进程的稳定性等）与钻削质量（孔的方位精度、直线度、外表粗糙度、圆柱度、直径、孔口毛刺等）的研讨。

④钻削机理与各种高功能钻头（如群钻、枪钻、干切削钻头、微孔、深孔钻头、长钻头、可转位钻头、组成资料加工用钻头、木匠钻头、多螺旋槽钻头号）的研讨。

⑤钻削进程模型验证和钻头功能评价进程的主动化，切削条件及钻头形状选用数据库和知识库的树立等。

当前，最具生机的研讨范畴是钻头数学模型、几许描绘和制作办法（设备）的研讨，钻削进程建模与钻削质量的研讨等。

2．钻头数学模型与几许描绘研讨

2.1 钻头的数学模型

树立钻头的数学模型是对钻头进行几许描绘、制作、切削功能剖析和对钻削进程进行建模的根底。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、后角和横刃斜角的界说、核算公式和丈量办法，提出了“把钻头后刀面作为钻头在刃磨进程中与砂轮相互作用后构成的磨削锥的一部分”的观念。20世纪70年代前期，Fujii S 等人对Galloway D F提出的模型进行了进一步研讨，提出选用割平面法，将三维空间曲面后刀面化为二维平面曲线进行剖析，并开发了一个麻花钻核算机辅佐描绘程序。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，而通常给出的钻尖几许参数只要3个，因而不能仅有断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弥补几许参数，以取得刃磨参数的仅有解。1979年，Tsai W D和Wu S M证明：锥面钻头、Racon钻头、螺旋钻头和Bickford钻头号的后刀面都能够用二次曲面来表明，并提出了表明钻头几许形状的归纳数学模型，该模型可用于操控刃磨进程。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模型为根底，树立了一个改进的锥面模型；对第二后刀面，树立了一个平面模型。Fugelso M A则提出了圆柱面钻尖的数学模型。1985年，Fuh K H等人树立了一个用二次曲面表明的钻头后刀面数学模型，以便用核算机将其描绘成椭球面、双曲面、锥面、圆柱面或它们的恣意组合。

长期以来，大家一向将麻花钻的主刃描绘为直线。1990年，Fugelso M A发现，因为需求锥面麻花钻的主刃为直线，使接近钻芯处的主刃后角变得过小，如果在刃磨之前，将钻头绕本身轴线旋转5°～10°，就能够处理这一疑问，仅仅主刃将变得轻轻曲折。同年，Wang Y将主刃看作曲线，运用多项式插补办法树立了钻头螺旋前刀面的几许模型。1991年，Lin C和Cao Z提出了一种适合于直线和曲线刃，选用锥面、柱面和平面后刀面的麻花钻归纳数学模型。1999年，Ren K C和Ni J提出用二项式表明恣意形状的主刃曲线，钻头前刀面选用新的数学模型，并用向量剖析办法，树立了二次曲面后刀面的刃磨参数与几许参数之间的联系。

2.2 钻头的布局优化

因为广泛运用的锥面麻花钻的切削功能并不抱负，大家一向致力于对其布局（参数）和刃磨办法进行改进，先后提出了200多种互不一样的钻头形状，以改进其切削功能。其间，Shi H M 等人提出了经过改动主刃走向操控主刃前角散布的办法，并于1990年开发出使钻头主刃上各点前角均到达能够的最大值的曲线刃麻花钻。1987年，Lee S J在思考钻头偏斜的条件下，以消除钻削进程中钻尖的摇摆表象为方针，提出了对钻头布局进行优化描绘的办法。1995年，Selvamhe S V和Sujatha C在研讨麻花钻的变形时，用有限元办法对钻头几许形状进行了优化，得出的使钻头变形最小的布局参数优化值（钻头直径25mm）为：螺旋角39.776°，横刃斜角Ψ=54°～80°，锋角120°。1997年，Chen W C提出了一种格外截形的厚钻芯麻花钻，既具有满足的改变刚度，又具有合理的主刃和横刃前角散布。2005年，Paul A等人为确保优化钻头的可加工性，提出了一种依据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，以使其切削力到达最小。

2.3 螺旋沟槽截形和加工东西截形的核算

1975年，Dibner L G提出了一种能够简化磨削螺旋沟槽砂轮截形核算、前进沟槽加工精度和彻底扫除砂轮直径改变影响的办法。1990年，Ehmann K F提出了一个依据微分几许和运动学原理的求麻花钻螺旋沟槽加工东西截形的办法。1998～2003年，Kang D C和Armarego E J A对螺旋沟槽加工的“正疑问”和“反疑问”（“由沟槽截形求东西截形”和“由东西截形求沟槽截形”）进行了研讨，提出了直线刃麻花钻螺旋沟槽描绘和制作的核算机辅佐几许剖析办法。

2.4 关于群钻与微型钻头的研讨

1982年，Shen J等人树立了群钻的第一个数学模型。运用该模型，大家能够屡次重复地磨制群钻。1984年，Chen L和Wu S M对9种典型群钻进行了研讨，改进了群钻的数学模型，为群钻的核算机辅佐描绘供给了能够。1985年，Hsiao C和Wu S M提出了用核算机对群钻进行辅佐优化描绘的具体办法。1987年，Fuh K H 提出了一种运用归纳二次曲面模型和有限元办法描绘和剖析群钻的办法。Liang E J则提出了一个依据知识库技能的群钻刃磨CAD/CAM集成体系。1991年，Liu T I选用一种两期间战略描绘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作业法后角和法前角的公式，提出了思考内刃和圆弧刃之间过渡区的群钻准确几许模型。2001年，Wang G C等人运用一种歪斜立体块办法，树立了群钻新的数学模型，处理了已有模型存在的横刃几许形状不断定的疑问，确保了所描绘群钻的可加工性。

1992年开端，Lin C、Kang S K、Ehmann K F和Chyan H C等人组成的研讨小组对微型钻头进行了体系研讨。1992年，他们树立了平面微型钻尖的数学模型，提出了相应的刃磨办法。1993年，他们又提出了螺旋面微型钻尖的数学模型和刃磨办法，并发现螺旋面微型钻尖在几许方面和切削功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比较，具有两个方面的长处：①在相同的作业切削视点散布条件下，能够答应更大的进给量；②刃磨办法更简略，且不易受刃磨差错的影响。2002年，他们制作出加工微孔用曲线刃形螺旋后刀面系列钻尖。

3．钻削力建模的研讨

3.1 钻削力建模的前史

在曩昔的几十年中，大家报导了许多预告钻削力的办法，其间绝大部分是用于规范麻花钻的。因为缺少领先的核算机和丈量设备，前期的研讨首要会集在树立简略的经历性扭矩和轴向力模型上，模型参数即是钻头的几许参数（如钻头直径）和切削用量，建模办法是经过很多的切削试验，用核算办法拟合出钻削力的经历公式。

用剖析办法树立的钻削力模型是跟着大家对切削进程知道的深化而逐步呈现的。1955年，Oxford用显微照片记载下钻头主刃和横刃的切屑变形进程，并经过试验发现：钻削进程中，在钻尖上存在三个首要的切削区域，即主刃切削区、第二切削刃（横刃）切削区和钻芯邻近的刻划区。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，因为它发生了50%～60%的轴向力。1966年，Cook N H提出了一个用半剖析法推导钻削力公式的办法。Shaw M C（1962、1984年）在对切屑变形机理进行深化研讨的根底上，提出了钻头主刃的切屑变形模型。Williams A R（1974年）提出了一个依据单点刀具二维切削模型的钻头主刃切削力模型，并断定了钻头刻划区的直径。Armarego E J A（1972年）运用斜角切削理论，提出了平面钻尖切削力预告模型。Wiriyacosol S（1979年）等人依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，经过累加这些单元刀具的切削力来预告钻削力，即单元刀具线性归纳法。在剪切平面理论的根底上，Oxley C J Jr（1959、1962年）、Armarego E J A（1972、1979年）和Waston A R（1985年）别离树立了不一样的钻削力模型；Stepenson D A（1988、1989年）提出了核算钻削力的数学办法。

3.2 钻削力建模的开展

关于钻削力建模的研讨是跟着大家对各种新式钻头和钻削技能的开发而不断深化的。Wu S M等人在树立群钻切削力模型方面做了很多作业。其间，Lee S W（1986年）和Fuh K H（1987年）以作业切削视点为准，对主切削刃运用斜角切削模型，对第二切削刃运用直角切削模型，树立了群钻的切削力模型；Huang H T（1992年）等人提出了一个用一般麻花钻的力学模型预告群钻轴向力和扭矩的办法。Armarego E J A和Zhao H（1996年）树立了薄钻芯规范麻花钻、薄钻芯多沟槽钻和圆弧中间刃麻花钻切削力预告模型。Bhatnagar N（2004年）等人研讨了用4种不一样的钻尖钻削各向异性纤维补强复合资料时工件的非预期损坏，树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告模型，该模型用具有四种不一样断屑槽的钻头进行标定，可适用于具有恣意断屑槽形状的钻头。Elhachimi M（1999年）归纳运用直角和斜角切削模型树立了高速切削钻头的切削力模型，在转速为4000r/min～18000r/min、进给量为0.12mm/r～0.36mm/r时，试验结果与模型预告值共同。Wang L P（1998年）等人提出经过对组成主刃和横刃的单元刀具的振荡剖析得到整个钻头的动态力学特性，并据此树立了振荡钻削进程中动态轴向力和扭矩的预告模型。

跟着研讨的不断深化，研讨人员发现，因为布局的区别，曩昔现已树立的力学模型不能适用于新的钻型。为此，Stepenson D A（1992年）选用一个用很多车削试验标定的单元刀具斜角切削力模型，树立了用恣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、轴向力和径向力预告模型。Lin G C （1982年）和Watson A R（1985年）指出，对钻削扭矩和轴向力的轻视是因为排屑干与，这一发现结尾致使了单元刀具非线性归纳法的发生，也运用剖析办法树立杂乱刃形钻头的切削力模型变成能够。Wang J L（1994年）研讨了切削进程中的排屑干与，运用单元刀具非线性归纳法，树立了依据经历性单元刀具斜角切削力模型的恣意刃形钻头的切削力模型。

除了钻头的根本几许形状以外，钻削进程中的许多要素都会对钻削力发生影响。1996年，Chandrasekharan V等人思考了钻头的制作和刃磨差错如两主刃的等高性、半径差错、轴向偏斜等的影响，树立了锥面钻头完好的三维切削力模型，随后又将其拓宽到预告恣意形状钻尖钻头（如群钻）的切削力。Sriram R在思考了钻头刃磨和装置差错对钻削力影响的条件下，树立了预告钻削径向力的模型。2001年，Gong Y P和Ehmann K树立了一个归纳思考到钻头几许特性、刃磨和装置差错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 钻削力建模办法

跟着科技的前进，树立预告钻削力模型的办法也在不断开展。1997年，Islam A U和Liu M C提出了用人工神经网络预告群钻轴向力和扭矩的办法，其练习用数据直接从文献资料中获取。2001年Kawaji S等人也提出了一种用神经网络模型估量和操控钻削轴向力的办法：①离线构建一个轴向力神经网络模型；②以该模型为根底，经过在线最小二乘法练习，树立一个模仿神经操控器；③将经过练习的神经操控器运用于钻削体系，得到轴向力。1999年，Chen Y运用有限元办法剖析具有刃口圆弧半径刀具的斜角切削进程，树立了一个用有限次恣意刃形钻头标定的恣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仿组成切削刃的单元刀具的切削力，提出了用有限元技能预告麻花钻轴向力和扭矩的办法。2002年，Yang J A等人提出了一种用I-DEAS CAE软件体系完成的钻削进程仿真模型，能够预告动态钻削力。

4．研讨开展趋势

（1）钻削进程建模变成研讨热门

影响钻削进程的各种要素，包含钻头几许布局、制作和装置差错、物理特性（静态和动态特性）、切削条件、环境温度、工件尺度和资料等都将逐步归入建模研讨的规模，各种钻型、切削条件和钻削技能有关的钻削力、钻削温度、钻头磨损与寿数、切屑变形与排出、钻削质量、钻削功率和钻削本钱等都将变成钻削进程建模的目标，建模办法将愈加多样化，模型预告的准确性将进一步前进，钻削模型将不仅用于仿真和预告，并且将更多地用于辅导钻头描绘、制作和钻削进程的优化与监控。

（2）钻头的几许描绘和制作办法仍将是研讨的要点

适合于加工各种资料和加工条件的新钻型将持续出现，适用于微机械制作和打印电路板制作的微型钻头的研讨将走向深化。钻头制作办法的研讨将向集成制作体系的方向开展，钻头格外是群钻的主动刃磨疑问将得到处理，并会格外注重描绘与制作的一体化、主动化和智能化。

（3）钻削机理的研讨将逐步受到重视

钻头与钻削进程研讨越来越需求钻削机理研讨的撑持，钻削机理研讨是制约钻头与钻削技能研讨的瓶颈；钻削是最为杂乱的切削加工进程之一，而关于切削原理的根底研讨必然会从相对简略的车削加工研讨向更杂乱的钻削加工研讨过渡。