麻花钻刃型与钻削质量分析研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 2.11MB 59 页 15积分
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第一章 绪论
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第一章 绪论
§1.1 课题来源及其意义
机械加工中，在工件上钻孔或扩大已有孔的刀具，统称为孔加工刀具。由于
生产中经常要加工很多孔，所以孔加工刀具应用非常广泛，在机械加工工业中占
有重要地位，就其加工工作量来讲，约占机械加工的三分之一左右。人们研发了
各种孔加工的方法和工艺，如钻孔，镗孔，铰孔和拉孔等，但是钻孔始终是中小
圆孔加工的主要方案，而麻花钻则是钻孔必不可少的工具。麻花钻与其它种类的
刀具有许多共性，但因为它工作在工件的内表面，其结构尺寸受到一定的限制，
致使它在容屑排屑，强度和刚性，导向及润滑冷却等方面的问题比其它种类刀具
显得更为突出，因此对刀具的要求更加的严格。麻花钻主要用来钻直径在 0.8-30mm
精度较低和表面较粗糙的孔，如螺栓过孔、铰、镗、拉和切螺纹前的底空等，有
时也可当扩孔钻使用，其加工精度一般在 IT11 级以下，表面粗糙度为
a
R
25-
a
R
6.3
m
。按柄部形式的不同，分为直柄的和锥柄的麻花钻；按刀具材料的不同，可分
为高速钢和硬质合金麻花钻[1-3]。
现在中国使用的主要是标准结构的麻花钻，这种麻花钻有很多的优点，缺点
也很明显。缺陷如下：
(1) 主切削刃上各点的前角从外缘到靠近钻心处变化很大，约由+30
减到-30
，
外缘处前角偏大，而在接近钻心处为绝对值很大的负前角，切削条件很差。
(2) 横忍宽度太大，主偏角为 90
，又有很大的负前角，因而其切削条件极差，
在引钻时不易定中心，钻削时钻头旋转轴线不稳定，并产生很大的轴向力，从而
影响钻孔精度和钻头耐用度。
(3) 主切削刃长，切屑宽，切屑各点流出的速度大小及方向相差很大，切屑卷
成宽的螺卷所占空间大，使排屑不顺利，冷却润滑液很难流到切削区。
(4) 棱边处副后角为零，切削速度很高，刀尖角较小，散热条件差，所以磨损
较快。
(5) 横刃的前、后角与主切削刃的后角密切相关，不能分别控制[4-8]。
长期以来，人们在实践中对标准麻花钻进行不断的改进，主要方法有:对刀具
材料和涂层技术的改进，钻头结构的改进，钻头刃型的改进。设计出了群钻，枪
钻等。其中通过钻头刃型的改进来提高钻头的切削性能，提高切削质量是最方便
可行的做法。但是大部分的研究适用性都比较窄，没有形成系统的麻花钻设计方
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法。本文提出了一种麻花钻的总体设计方法，希望对中国麻花钻技术的改进有所
帮。
随着计算机技术在我国的广泛应用，我国使用计算机的人的比例也大幅提高。
计算机在我们日常生活中所起到的作用也越来越明显，占据了我们工作和学习的
重要地位。在专业领域中，计算机以它的特点和优势，以它独有的魅力，吸引了
我们的注意。随着一些软件的问世和不断的改进，它们的高效性，实用性的特点
给了我们很大的帮助。大型三维设计软件 UG，是现在最流行的设计和制图工具，
我们将用 UG 设计几种麻花钻的三维模型，这样可以直观的显示整个麻花钻的结
构，可以利用软件方便的计算出麻花钻的主要结构参数。由于设计三维模型时主
要分析研究的是后刀面的生成原理，后刀面的生成原理也是麻花钻的刃磨原理，
本文研究了它们的刃磨参数，设计刃磨方法，对麻花钻刃磨技术的提高有很大的
促进作用。当刃磨参数变化时麻花钻的结构参数也随之变化，这样我们不断的对
模型进行修改，得到理想的结构参数，而与之对应的刃磨参数则是刃磨时的重要
依据，我们可以通过这些刃磨参数磨出理想刃型的麻花钻。这是一种新的设计麻
花钻的方法。
随着机械行业的不断发展，与先进国家不断开展技术交流，每个领域都要与
时代接轨，不断的进步，不断的取得突破。以前我们国家所大量使用的麻花钻，
随着历史的发展也将逐渐突出历史的舞台，新的结构，新的刃型的钻头将脱颖而
出，这是历史发展的大势所趋，所以对麻花钻新刃型的优化和分析是十分有意义
的。本文提出的这种通过三维模型与刃磨参数相结合的设计方法可以很方便的设
计出符合设计要求的麻花钻。
§1.2 课题研究现状和本论文研究的内容及关键技术
由于标准麻花钻不能满足现在加工的要求，麻花钻又是一种结构复杂的孔加
工刀具，其后刀面刃磨型式一直受到钻头制造与使用者以及研究人员的普遍重视。
早在1978年Tsai.W.和Wu.S.M[9-10]已提出圆锥面、椭球面、双曲面、圆柱面、平面
刃磨法等，但大多都是停留在定性和刃磨机构设计的研究上。最近十年国内外学
者对各种新型的麻花钻的研究取得很大进步，各种刃型的麻花钻层出不穷，现在
使用的新型麻花钻不下百余种。
国外的钻型研究发展比较快，尤其是新钻型的推广方面优于我国。近年来在
日本出现多种高性能钻头。如 OSG 公司的 EX-GDR 钻，Sumitomo 公司的 Multi
钻头，Hosoi 机床公司的 Hosoi 钻头等。这些钻型都大大地改善了钻削状况，其中
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Hosoi 钻头是改善横刃切削条件的一种新钻型，钻尖顶端类似于球头铣刀在球头顶
端部分的螺旋状圆弧刃，用它来取代横刃，此外钻沟变窄，使钻体刚性增加，钻
芯厚达 0.33D(D 为钻头直径)，允许大进给量钻削加工。实验结果表明，Hosoi 钻
头比传统钻头的进给量可增大 5-10 倍，钻头耐用度提高 4-10 倍，在此情况下钻出
孔的精度和孔壁光洁度仍比普通钻孔高。
美国一家公司提出了螺旋钻头，这种钻头是采用螺旋面刃磨法得到的。它可
以在靠近钻芯处得到较大的后角，并使横刃的前角增大，横刃为“S”形，因此定
心好，切入稳定，钻削轴向力较小，具有比较好的排屑能力，并且所钻的孔径与
钻头的直径很接近，钻孔质量较好，在某些情况下甚至可以部分代替铰孔工序，
但钻头强度较弱，不适于钻削高强度材料。还有一种 SE 型钻头，该种钻头的主要
特征是具有强有力的“S”形切削刃[11]。SE 型钻头的横刃与主切削刃相接处为圆
弧过渡，不但消除了可能出现的应力集中现象，同时也保证了切屑的顺利流动。
这种特殊的切削刃也可实现前角在刃长方向上的很小变化，从而有效地改善了切
削条件和减小轴向力。SE 钻头切削刃一般都经过修圆，使刃口强度得到提高，磨
损也趋于一致，保证钻头具有较长且稳定的寿命。SE 钻头的另一个特征是中心区
的后角逐渐增大，这对横刃处的切削、排屑以及冷却都有好处。SE 钻头的槽形和
螺旋角采用优化设计，排屑性能大为提高，并使切屑始终绕向钻芯，而很少与孔
壁摩擦，从而保证获得良好的表面质量[12]。
从上边这些先进的刃型可以看出，改变麻花钻切削性能最方便的途径就是改
变麻花钻横刃和主切削刃的结构。不难看出这些麻花钻的结构比普通麻花钻要复
杂很多，这样给刀具刃磨带来很大的不便，但是随着数控磨床和数控加工中心的
出现，对于复杂刃型的磨削也不再是难题了。我们可以通过点插补的方法对复杂
的后刀面进行磨削。
近年来虽然新刃型的麻花钻层出不穷，但是大多都是停留在定性研究，对它
们的数学模型研究的较少，给麻花钻的刃磨带来一定的困难，因为当麻花钻后刀
面是复杂的曲面时，必须通过插补的方式来完成磨削，这样一来后刀面的数学方
程就显得十分的重要。
在施工现场也有很多的孔要加工，这些孔不是用钻床钻出，而是由工人运用
手钻手工钻出。这样增加了钻孔的难度，由于是人工操作，大部分加工的都是薄
板，在安全性上就提出了更多的要求，特别是在薄板钻穿时麻花钻的轴向力突然
消失，由于人难以控制经常出现钻头冲出工件的现象，有时会造成严重的事故。
由于人工不像钻床有良好的定心性，这样就要求钻头的定心性能一定要好，这样
才能得到更高的切削质量。本文作为设计方法的应用设计一种新型的麻花钻，主
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要应用于手工钻孔。
本文从以下几个方面进行了研究：
1. 对麻花钻的基本结构进行介绍。
2. 分析研究圆锥后刀面麻花钻，螺旋锥后刀面麻花钻，双曲后刀面麻花钻，建立
它们前刀面和后刀面的数学模型及数学方程，分析它们后刀面的成型原理，设
计刃磨参数和实际刃磨原理。
3. 用大型通用三维设计软件—UG，分别对以上几种麻花钻进行三维建模，由于
三维设计的过程，特别是后刀面成型过程与实际的刃磨过程十分相识，其实就
是对后刀面刃磨的一种模拟。通过软件计算出模型的主要设计参数，通过改变
刃磨参数可以方便的改变设计参数，建立起它们之间的关系，最后得出符合设
计要求的刃磨参数。
4. 作为设计方法的应用，使用本文提出的麻花钻设计方法设计一种新型手动通用
麻花钻。
5. 最后使用现有的实验和测量设备，进行钻削实验分析，对标准麻花钻和新型通
用麻花钻的切削质量进行分析和比较。验证本文提出的设计方法的可行性。
§1.3 本章小结
本文提出了一种设计麻花钻的方法，可以方便的设计各种刃型的麻花钻，包
括它们的刃磨原理，这样可以顺利的把它们制造出来。本章的主要内容是说明了
本论文的来源和意义，介绍了目前麻花钻领域发展的现状和趋势，介绍本论文研
究的主要内容。
第二章 麻花钻的结构和主要参数
5
第二章 麻花钻的结构和主要参数
§2.1 引言
麻花钻是一种结构复杂的刀具，结构参数很多，要对其刃型进行研究或者是
设计新型的麻花钻，就必须对它的结构有充分的了解[13]，本章将讲解它的基本结
构和主要参数。
§2.2 麻花钻的结构
标准麻花钻由三部分组成，如图 2-1。
图2-1 麻花钻整体结构图
(1) 柄部
用来装夹钻头和传递扭矩，分为锥柄和直柄两种。直径小于 12mm 的钻头一
般使用直柄，大于 12mm 的一般使用锥柄。锥柄的后端会作出偏尾，作用是可以
使用斜铁将钻头从钻套中取出。
(2) 工作部分
工作部分是麻花钻的最重要的组成部分，它又由切削部分和导向部分组成。
导向部分：就是钻头的整个螺旋槽部分，在钻孔时对钻头起保持方向的作用。
两条螺旋槽起排屑槽的作用，在切削过程中切屑都由此排出，而冷却液也由此进
入到切削表面，其外径处有两条棱边。为了减少加工时麻花钻与孔侧壁的摩擦，
整个导向部分的直径从切削部分向柄部逐渐减小，成倒锥型，标准麻花钻倒锥量
为0.03-0.12mm/100mm，即每 100mm 长，钻头直径减少 0.03-0.12mm。两个螺旋
瓣由钻芯连接，钻头的轴向力主要由钻芯承担，钻心的直径决定钻头的刚性和强
度，钻芯直径一般为 0.125D(D 为钻头直径)，并且从切削部分向柄部逐渐增加，成
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正锥型，一般锥度为 1.4-2.0mm/100mm。
切削部分：由六面五刃组成，分别是两个后刀面，两个前刀面，两个副后刀
面，两条主切削刃，两条副切削刃，一条横刃。导向部分前端磨出后刀面，两个
后刀面的交线为横刃，后刀面与螺旋槽的交线为主切削刃，主切削刃附近的螺旋
槽为前刀面。麻花钻的棱边为副后刀面，副后刀面与螺旋槽的交线为副切削刃[14]。
§2.3 麻花钻标注角度的参考系
为了更好的标注麻花钻的各个几何参数，我们必须建立它的参考坐标系。
(1) 基面
r
P
通过主切削刃上选定点并与该点切削速度相垂直的平面。在设计参考系时不
考虑钻头沿轴线的进给速度，所以主切削刃上任意一点只作绕轴线的圆周运动，
则该点的切削速度垂直于回转半径。主切削刃上任意一点的基面也可以看作是过
该点且包含钻头轴线的平面。
(2) 主切削平面
s
P
通过主切削刃上选定点与主切削刃相切并垂直于基面的平面。主切削平面标
志着该点的切削速度。
(3) 测量平面
正交平面
0
P
：通过主切削刃选定点同时垂直于基面和主切削平面的平面。
端平面
t
P
：在钻头端部形成的垂直于钻头轴线的平面。此面垂直于基面。
柱剖面
z
P
：通过主切削刃上选定点以钻头轴线为轴以该点的回转半径为半径
的圆柱面。此平面垂直于该点的基面。
中剖面
c
P
：通过轴线平行于两条主切削刃的平面。
§2.4 麻花钻的几何参数
麻花钻的主要几何角度：
(1) 螺旋角
，如图 2-2。
图2-2 麻花钻的螺旋角和顶角
摘要：

第一章绪论1第一章绪论§1.1课题来源及其意义机械加工中，在工件上钻孔或扩大已有孔的刀具，统称为孔加工刀具。由于生产中经常要加工很多孔，所以孔加工刀具应用非常广泛，在机械加工工业中占有重要地位，就其加工工作量来讲，约占机械加工的三分之一左右。人们研发了各种孔加工的方法和工艺，如钻孔，镗孔，铰孔和拉孔等，但是钻孔始终是中小圆孔加工的主要方案，而麻花钻则是钻孔必不可少的工具。麻花钻与其它种类的刀具有许多共性，但因为它工作在工件的内表面，其结构尺寸受到一定的限制，致使它在容屑排屑，强度和刚性，导向及润滑冷却等方面的问题比其它种类刀具显得更为突出，因此对刀具的要求更加的严格。麻花钻主要用来钻直径在0....

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