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2006/08/08

鑽頭與鑽削研究的歷史、現狀與發展趨勢

人 類認識和使用鑽頭的歷史可以上溯到史前時代。燧人氏「鑽木取火」所使用的石鑽,可以看作最原始的鑽頭。現代工業加工中廣泛使用的麻花鑽(俗稱鑽頭),是一 種形狀複雜的實工件孔加工刀具,誕生於一百多年前...

人 類認識和使用鑽頭的歷史可以上溯到史前時代。燧人氏「鑽木取火」所使用的石鑽,可以看作最原始的鑽頭。現代工業加工中廣泛使用的麻花鑽(俗稱鑽頭),是一 種形狀複雜的實工件孔加工刀具,誕生於一百多年前。現在,全世界每年消耗的各類鑽頭數以億計。據統計,在美國的汽車製造業,機械加工中鑽孔工序的比重約占 50%;而在飛機製造業,鑽孔工序所佔的比重則更高。儘管鑽頭的使用如此廣泛,但眾所周知,鑽削加工也是最複雜的機械加工方法之一。正因為如此,人們一直 致力於鑽頭的改進和鑽削過程的研究。本文根據所能得到的英文文獻資料,對兩溝槽麻花鑽的有關技術問題及鑽削研究的歷史、現狀和發展趨勢進行綜述。 1.研究的主要領域和技術問題 近幾十年來,人們關於鑽頭和鑽削的研究除了鑽頭製作材料的改進以外,主要集中在以下五個方面: ①鑽頭數學模型和幾何設計研究:包括螺旋溝槽、後刀面、主刃和橫刃數學模型的建立,橫向截形與鑽尖結構參數的優化,切削角度(分佈)的計算與控制,鑽頭結構的靜態和動態特性分析,鑽尖幾何形狀與切削和排屑性能關係的研究。 ②鑽頭製造方法研究:包括鑽頭幾何參數與後刀面刃磨參數之間關係的建立與優化,鑽頭製造精度和刃磨質量的評價與製造誤差的測控,鑽頭螺旋溝槽加工工具截形的設計計算,鑽頭加工設備特別是數控磨床與加工軟件的開發等。 ③鑽削過程與鑽削質量研究:包括影響鑽削過程的各種因素及出現的各種物理現象的分析、建模與監控(如鑽削力、切削刃應力和溫度分佈的測 量、建模和預報);鑽頭磨損、破損機理與鑽頭壽命的研究;鑽頭的變形、偏斜、入鑽時的打滑和鑽尖擺動現象的研究;鑽削工藝(如振動鑽削、高速鑽削、深孔鑽 削、鑽削過程的穩定性等)與鑽削質量(孔的位置精度、直線度、表面粗糙度、圓柱度、直徑、孔口毛刺等)的研究。 ④鑽削機理與各種高性能鑽頭(如群鑽、槍鑽、干切削鑽頭、微孔、深孔鑽頭、長鑽頭、可轉位鑽頭、合成材料加工用鑽頭、木工鑽頭、多螺旋槽鑽頭等)的研究。 ⑤鑽削過程模型驗證和鑽頭性能評估過程的自動化,切削條件及鑽頭形狀選用數據庫和知識庫的建立等。 目前,最具活力的研究領域是鑽頭數學模型、幾何設計和製造方法(設備)的研究,鑽削過程建模與鑽削質量的研究等。 2.鑽頭數學模型與幾何設計研究 2.1 鑽頭的數學模型 建立鑽頭的數學模型是對鑽頭進行幾何設計、製造、切削性能分析和對鑽削過程進行建模的基礎。第一個鑽頭數學模型由Galloway D F於1957年提出。他推導了直線刃鑽頭前刀面的參數方程,給出了主刃前、後角和橫刃斜角的定義、計算公式和測量方法,提出了「把鑽頭後刀面作為鑽頭在刃 磨過程中與砂輪相互作用後形成的磨削錐的一部分」的觀點。20世紀70年代初期,Fujii S 等人對Galloway D F提出的模型進行了進一步研究,提出採用割平面法,將三維空間曲面後刀面化為二維平面曲線進行分析,並開發了一個麻花鑽計算機輔助設計程序。1972年, Armarego E J A和Rotenbery A發現:後刀面錐面刃磨法有4個獨立的刃磨參數,而一般給出的鑽尖幾何參數只有3個,因此不能唯一確定鑽尖後刀面形狀和刃磨參數。為此,他們提出用後刀面 尾隙角作為補充幾何參數,以獲得刃磨參數的唯一解。1979年,Tsai W D和Wu S M證明:錐面鑽頭、Racon鑽頭、螺旋鑽頭和Bickford鑽頭等的後刀面都可以用二次曲面來表示,並提出了表示鑽頭幾何形狀的綜合數學模型,該模型 可用於控制刃磨過程。1983年,Radhakrishnan L等人提出了十字鑽尖鑽頭後刀面的一個數學模型。他們將後刀面分為第一後刀面和第二後刀面:對第一後刀面,以Tsai模型為基礎,建立了一個改進的錐面模 型;對第二後刀面,建立了一個平面模型。Fugelso M A則提出了圓柱面鑽尖的數學模型。1985年,Fuh K H等人建立了一個用二次曲面表示的鑽頭後刀面數學模型,以便用計算機將其設計成橢球面、雙曲面、錐面、圓柱面或它們的任意組合。 長期以來,人們一直將麻花鑽的主刃設計為直線。1990年,Fugelso M A發現,由於要求錐面麻花鑽的主刃為直線,使靠近鑽芯處的主刃後角變得過小,如果在刃磨之前,將鑽頭繞自身軸線旋轉5°~10°,就可以解決這一問題,只 是主刃將變得微微彎曲。同年,Wang Y將主刃看作曲線,利用多項式插補方法建立了鑽頭螺旋前刀面的幾何模型。1991年,Lin C和Cao Z提出了一種適合於直線和曲線刃,採用錐面、柱面和平面後刀面的麻花鑽綜合數學模型。1999年,Ren K C和Ni J提出用二項式表示任意形狀的主刃曲線,鑽頭前刀面採用新的數學模型,並用向量分析方法,建立了二次曲面後刀面的刃磨參數與幾何參數之間的關係。 2.2 鑽頭的結構優化 由於廣泛使用的錐面麻花鑽的切削性能並不理想,人們一直致力於對其結構(參數)和刃磨方法進行改進,先後提出了200多種互不相同的鑽頭 形狀,以改善其切削性能。其中,Shi H M 等人提出了通過改變主刃走向控制主刃前角分佈的方法,並於1990年開發出使鑽頭主刃上各點前角均達到可能的最大值的曲線刃麻花鑽。1987年,Lee S J在考慮鑽頭偏斜的條件下,以消除鑽削過程中鑽尖的擺動現象為目標,提出了對鑽頭結構進行優化設計的方法。1995年,Selvamhe S V和Sujatha C在研究麻花鑽的變形時,用有限元方法對鑽頭幾何形狀進行了優化,得出的使鑽頭變形最小的結構參數優化值(鑽頭直徑25mm)為:螺旋角39.776°, 橫刃斜角Ψ=54°~80°,鋒角120°。1997年,Chen W C提出了一種特殊截形的厚鑽芯麻花鑽,既具有足夠的扭轉剛度,又具有合理的主刃和橫刃前角分佈。2005年,Paul A等人為確保優化鑽頭的可加工性,提出了一種基於刃磨參數的新鑽尖模型,並用它對錐面鑽尖、Racon鑽尖和螺旋面鑽尖進行了優化,以使其切削力達到最 小。 2.3 螺旋溝槽截形和加工工具截形的計算 1975年,Dibner L G提出了一種可以簡化磨削螺旋溝槽砂輪截形計算、提高溝槽加工精度和完全排除砂輪直徑變化影響的方法。1990年,Ehmann K F提出了一個基於微分幾何和運動學原理的求麻花鑽螺旋溝槽加工工具截形的方法。1998~2003年,Kang D C和Armarego E J A對螺旋溝槽加工的「正問題」和「反問題」(「由溝槽截形求工具截形」和「由工具截形求溝槽截形」)進行了研究,提出了直線刃麻花鑽螺旋溝槽設計和製造的 計算機輔助幾何分析方法。 2.4 關於群鑽與微型鑽頭的研究 1982年,Shen J等人建立了群鑽的第一個數學模型。利用該模型,人們可以多次重複地磨製群鑽。1984年,Chen L和Wu S M對9種典型群鑽進行了研究,改進了群鑽的數學模型,為群鑽的計算機輔助設計提供了可能。1985年,Hsiao C和Wu S M提出了用計算機對群鑽進行輔助優化設計的具體方法。1987年,Fuh K H 提出了一種利用綜合二次曲面模型和有限元方法設計和分析群鑽的方法。Liang E J則提出了一個基於知識庫技術的群鑽刃磨CAD/CAM集成系統。1991年,Liu T I採用一種兩階段策略設計和優化了一種加工機軸注油孔用群鑽。1994年,Huang H T等人推導了群鑽切削刃的工作法後角和法前角的公式,提出了考慮內刃和圓弧刃之間過渡區的群鑽精確幾何模型。2001年,Wang G C等人應用一種傾斜立體塊方法,建立了群鑽新的數學模型,解決了已有模型存在的橫刃幾何形狀不確定的問題,保證了所設計群鑽的可加工性。 1992年開始,Lin C、Kang S K、Ehmann K F和Chyan H C等人組成的研究小組對微型鑽頭進行了系統研究。1992年,他們建立了平面微型鑽尖的數學模型,提出了相應的刃磨方法。1993年,他們又提出了螺旋面 微型鑽尖的數學模型和刃磨方法,並發現螺旋面微型鑽尖在幾何方面和切削性能方面均優於常用的平面微型鑽尖。1997年,他們指出:螺旋面微型鑽尖與平面微 型鑽尖相比,具有兩個方面的優點:①在同樣的工作切削角度分佈條件下,可以允許更大的進給量;②刃磨方法更簡單,且不易受刃磨誤差的影響。2002年,他 們製造出加工微孔用曲線刃形螺旋後刀面系列鑽尖。 3.鑽削力建模的研究 3.1 鑽削力建模的歷史 在過去的幾十年中,人們報道了許多預報鑽削力的方法,其中絕大部分是用於標準麻花鑽的。由於缺乏先進的計算機和測量設備,早期的研究主要 集中在建立簡單的經驗性扭矩和軸向力模型上,模型參數就是鑽頭的幾何參數(如鑽頭直徑)和切削用量,建模方法是通過大量的切削實驗,用統計方法擬合出鑽削 力的經驗公式。 用分析方法建立的鑽削力模型是隨著人們對切削過程認識的深入而逐步出現的。1955年,Oxford用顯微照片記錄下鑽頭主刃和橫刃的 切屑變形過程,並通過實驗發現:鑽削過程中,在鑽尖上存在三個主要的切削區域,即主刃切削區、第二切削刃(橫刃)切削區和鑽芯附近的刻劃區。稍後, Shaw M C和Oxford C J Jr證明了橫刃在鑽削加工中的重要性,因為它產生了50%~60%的軸向力。1966年,Cook N H提出了一個用半分析法推導鑽削力公式的方法。Shaw M C(1962、1984年)在對切屑變形機理進行深入研究的基礎上,提出了鑽頭主刃的切屑變形模型。Williams A R(1974年)提出了一個基於單點刀具二維切削模型的鑽頭主刃切削力模型,並確定了鑽頭刻劃區的直徑。Armarego E J A(1972年)應用斜角切削理論,提出了平面鑽尖切削力預報模型。Wiriyacosol S(1979年)等人根據切屑變形的薄剪切區(剪切平面)理論,將鑽頭主刃和橫刃看作一系列與切削條件有關的單元斜角或直角切削刀具的組合,通過累加這些 單元刀具的切削力來預報鑽削力,即單元刀具線性綜合法。在剪切平面理論的基礎上,Oxley C J Jr(1959、1962年)、Armarego E J A(1972、1979年)和Waston A R(1985年)分別建立了不同的鑽削力模型;Stepenson D A(1988、1989年)提出了計算鑽削力的數學方法。 3.2 鑽削力建模的發展 對於鑽削力建模的研究是隨著人們對各種新型鑽頭和鑽削工藝的開發而不斷深入的。Wu S M等人在建立群鑽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)以工作切削角度為準,對主切削刃使用斜角切削模型,對第二切削刃使用直角切削模型,建立了群鑽的切削力模型;Huang H T(1992年)等人提出了一個用普通麻花鑽的力學模型預報群鑽軸向力和扭矩的方法。Armarego E J A和Zhao H(1996年)建立了薄鑽芯標準麻花鑽、薄鑽芯多溝槽鑽和圓弧中心刃麻花鑽切削力預報模型。Bhatnagar N(2004年)等人研究了用4種不同的鑽尖鑽削各向異性纖維補強複合材料時工件的非預期損壞,建立了鑽削軸向力和扭矩的模型。Sahu S K(2004年)等人提出了帶斷屑槽錐面麻花鑽的切削力預報模型,該模型用具有四種不同斷屑槽的鑽頭進行標定,可適用於具有任意斷屑槽形狀的鑽頭。 Elhachimi M(1999年)綜合應用直角和斜角切削模型建立了高速切削鑽頭的切削力模型,在轉速為4000~18000r/min、進給量為 0.12~0.36mm/r時,實驗結果與模型預報值一致。Wang L P(1998年)等人提出通過對組成主刃和橫刃的單元刀具的振動分析得到整個鑽頭的動態力學特性,並據此建立了振動鑽削過程中動態軸向力和扭矩的預報模 型。 隨著研究的不斷深入,研究人員發現,由於結構的差異,過去已經建立的力學模型不能適用於新的鑽型。為此,Stepenson D A(1992年)採用一個用大量車削實驗標定的單元刀具斜角切削力模型,建立了用任意刃形硬質合金或鑲嵌硬質合金鑽頭鑽削灰鑄鐵時的主刃扭矩、軸向力和徑 向力預報模型。Lin G C (1982年)和Watson A R(1985年)指出,對鑽削扭矩和軸向力的低估是由於排屑干涉,這一發現最終導致了單元刀具非線性綜合法的產生,也使用分析方法建立複雜刃形鑽頭的切削 力模型成為可能。Wang J L(1994年)研究了切削過程中的排屑干涉,應用單元刀具非線性綜合法,建立了基於經驗性單元刀具斜角切削力模型的任意刃形鑽頭的切削力模型。 除了鑽頭的基本幾何形狀以外,鑽削過程中的許多因素都會對鑽削力產生影響。1996年,Chandrasekharan V等人考慮了鑽頭的製造和刃磨誤差如兩主刃的等高性、半徑誤差、軸向偏斜等的影響,建立了錐面鑽頭完整的三維切削力模型,隨後又將其拓展到預報任意形狀鑽 尖鑽頭(如群鑽)的切削力。Sriram R在考慮了鑽頭刃磨和安裝誤差對鑽削力影響的條件下,建立了預報鑽削徑向力的模型。2001年,Gong Y P和Ehmann K建立了一個綜合考慮到鑽頭幾何特性、刃磨和安裝誤差以及鑽頭偏斜對主刃和橫刃動態切削厚度和切削面積影響的微孔鑽頭軸向力、扭矩和徑向力模型。 3.3 鑽削力建模方法 隨著科技的進步,建立預報鑽削力模型的方法也在不斷發展。1997年,Islam A U和Liu M C提出了用人工神經網絡預報群鑽軸向力和扭矩的方法,其訓練用數據直接從文獻資料中提取。2001年Kawaji S等人也提出了一種用神經網絡模型估計和控制鑽削軸向力的方法:①離線構建一個軸向力神經網絡模型;②以該模型為基礎,通過在線最小二乘法訓練,建立一個 模擬神經控制器;③將經過訓練的神經控制器應用於鑽削系統,得到軸向力。1999年,Chen Y應用有限元方法分析具有刃口圓弧半徑刀具的斜角切削過程,建立了一個用有限次任意刃形鑽頭標定的任意刃形鑽頭鑽削力模型。2004年, Strenkowski J S等人用一個歐拉有限單元模型模擬組成切削刃的單元刀具的切削力,提出了用有限元技術預報麻花鑽軸向力和扭矩的方法。2002年,Yang J A等人提出了一種用I-DEAS CAE軟件系統實現的鑽削過程仿真模型,可以預報動態鑽削力。 4.研究發展趨勢 (1)鑽削過程建模成為研究熱點 影響鑽削過程的各種因素,包括鑽頭幾何結構、製造和安裝誤差、物理特性(靜態和動態特性)、切削條件、環境溫度、工件尺寸和材料等都將逐 步納入建模研究的範圍,各種鑽型、切削條件和鑽削工藝有關的鑽削力、鑽削溫度、鑽頭磨損與壽命、切屑變形與排出、鑽削質量、鑽削效率和鑽削成本等都將成為 鑽削過程建模的對象,建模方法將更加多元化,模型預報的準確性將進一步提高,鑽削模型將不僅用於仿真和預報,而且將更多地用於指導鑽頭設計、製造和鑽削過 程的優化與監控。 (2)鑽頭的幾何設計和製造方法仍將是研究的重點 適合於加工各種材料和加工條件的新鑽型將繼續湧現,適用於微機械製造和印刷電路板製造的微型鑽頭的研究將走向深入。鑽頭製造方法的研究將 向集成製造系統的方向發展,鑽頭特別是群鑽的自動刃磨問題將得到解決,並會特別注重設計與製造的一體化、自動化和智能化。(3)鑽削機理的研究將逐漸受到 重視 鑽頭與鑽削過程研究越來越需要鑽削機理研究的支持,鑽削機理研究是制約鑽頭與鑽削工藝研究的瓶頸;鑽削是最為複雜的切削加工過程之一,而關於切削原理的基礎研究必然會從相對簡單的車削加工研究向更複雜的鑽削加工研究過渡。 轉述:(摘自《工具技術》 作者:華中科技大學機械學院 熊良山,師漢民,陳永潔) (http://www.newmaker.com)



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