名詞解釋:

人類認識和使用鉆頭的歷史可以上溯到史前時代。燧人氏“鉆木取火”所使用的石鉆,可以看作最原始的鉆頭。現代工業加工中廣泛使用的麻花鉆(俗稱鉆頭),是一種形狀復雜的實工件孔加工刀具,誕生于一百多年前。現在,全世界每年消耗的各類鉆頭數以億計。據統計,在美國的汽車制造業,機械加工中鉆孔工序的比重約占

人類認識和使用鉆頭的歷史可以上溯到史前時代。燧人氏“鉆木取火”所使用的石鉆,可以看作最原始的鉆頭。現代工業加工中廣泛使用的麻花鉆(俗稱鉆頭),是一種形狀復雜的實工件孔加工刀具,誕生于一百多年前。現在,全世界每年消耗的各類鉆頭數以億計。據統計,在美國的汽車制造業,機械加工中鉆孔工序的比重約占50%;而在飛機制造業,鉆孔工序所占的比重則更高。盡管鉆頭的使用如此廣泛,但眾所周知,鉆削加工也是最復雜的機械加工方法之一。正因為如此,人們一直致力于鉆頭的改進和鉆削過程的研究。本文根據所能得到的英文文獻資料,對兩溝槽麻花鉆的有關技術問題及鉆削研究的歷史、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,人們關于鉆頭和鉆削的研究除了鉆頭制作材料的改進以外,主要集中在以下五個方面:

①鉆頭數學模型和幾何設計研究:包括螺旋溝槽、后刀面、主刃和橫刃數學模型的建立,橫向截形與鉆尖結構參數的優化,切削角度(分布)的計算與控制,鉆頭結構的靜態和動態特性分析,鉆尖幾何形狀與切削和排屑性能關系的研究。

②鉆頭制造方法研究:包括鉆頭幾何參數與后刀面刃磨參數之間關系的建立與優化,鉆頭制造精度和刃磨質量的評價與制造誤差的測控,鉆頭螺旋溝槽加工工具截形的設計計算,鉆頭加工設備特別是數控磨床與加工軟件的開發等。

③鉆削過程與鉆削質量研究:包括影響鉆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(如鉆削力、切削刃應力和溫度分布的測量、建模和預報);鉆頭磨損、破損機理與鉆頭壽命的研究;鉆頭的變形、偏斜、入鉆時的打滑和鉆尖擺動現象的研究;鉆削工藝(如振動鉆削、高速鉆削、深孔鉆削、鉆削過程的穩定性等)與鉆削質量(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鉆削機理與各種高性能鉆頭(如群鉆、槍鉆、干切削鉆頭、微孔、深孔鉆頭、長鉆頭、可轉位鉆頭、合成材料加工用鉆頭、木工鉆頭、多螺旋槽鉆頭等)的研究。

⑤鉆削過程模型驗證和鉆頭性能評估過程的自動化,切削條件及鉆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鉆頭數學模型、幾何設計和制造方法(設備)的研究,鉆削過程建模與鉆削質量的研究等。

2.鉆頭數學模型與幾何設計研究

2.1鉆頭的數學模型

建立鉆頭的數學模型是對鉆頭進行幾何設計、制造、切削性能分析和對鉆削過程進行建模的基礎。第一個鉆頭數學模型由Galloway D F于1957年提出。他推導了直線刃鉆頭前刀面的參數方程,給出了主刃前、后角和橫刃斜角的定義、計算公式和測量方法,提出了“把鉆頭后刀面作為鉆頭在刃磨過程中與砂輪相互作用后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,提出采用割平面法,將三維空間曲面后刀面化為二維平面曲線進行分析,并開發了一個麻花鉆計算機輔助設計程序。1972年,Armarego E J A和Rotenbery A發現:后刀面錐面刃磨法有4個獨立的刃磨參數,而一般給出的鉆尖幾何參數只有3個,因此不能唯一確定鉆尖后刀面形狀和刃磨參數。為此,他們提出用后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:錐面鉆頭、Racon鉆頭、螺旋鉆頭和Bickford鉆頭等的后刀面都可以用二次曲面來表示,并提出了表示鉆頭幾何形狀的綜合數學模型,該模型可用于控制刃磨過程。1983年,Radhakrishnan L等人提出了十字鉆尖鉆頭后刀面的一個數學模型。他們將后刀面分為第一后刀面和第二后刀面:對第一后刀面,以Tsai模型為基礎,建立了一個改進的錐面模型;對第二后刀面,建立了一個平面模型。Fugelso M A則提出了圓柱面鉆尖的數學模型。1985年,Fuh K H等人建立了一個用二次曲面表示的鉆頭后刀面數學模型,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,人們一直將麻花鉆的主刃設計為直線。1990年,Fugelso M A發現,由于要求錐面麻花鉆的主刃為直線,使靠近鉆芯處的主刃后角變得過小,如果在刃磨之前,將鉆頭繞自身軸線旋轉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鉆頭螺旋前刀面的幾何模型。1991年,Lin C和Cao Z提出了一種適合于直線和曲線刃,采用錐面、柱面和平面后刀面的麻花鉆綜合數學模型。1999年,Ren K C和Ni J提出用二項式表示

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