简易高速台式钻床设计

1西 南 林 学 院本 科 毕 业（设计）论 文（二九届）题 目： 简易高速台式钻床设计 分院系部： 交通机械与土木工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 姓 名： 金建仟 导师姓名： 赵爱萍 导师职称： 高级工程师 二九 年 五 月2简易高速台式钻床设计金建仟（西南林学院 交通机械与土木工程学院，云南 昆明 650224）摘 要：现有的普通高速台钻均为手动进给，为了进行进给量对钻削过程和质量影响的实验研究和能在生产中达到多档定量进给的要求，通过在主轴中心与摇动手柄中心之间增加一个传动链的方法，对一台普通高速台钻进行了设计和改进，使其增添了数档可调的自动进给功能；普通台钻一般使用通用夹具进行夹紧及定位，使加工工件的质量、精度都很低，自动定位虎钳则通过自动定位来提高定位精度及加工质量；利用现有的麻花钻对振动切削性能和钻头切削角度及材料进行研究，结果表明，振动钻削、切削角度和钻头材料都可提高麻花钻的切削性能，实现切削的自主控制，断屑可靠、排屑顺利，麻花钻的定位精度、孔径尺寸精度、形状精度以及孔的表面质量均得到明显改善，与普通钻削相比，刀具耐用度提高 1.5 倍以上。通过对带轮轮齿的改变进行无级变速，改变主轴的运转速度，达到不同的加工精度要求，提高工业生产效率。关键词：高速钻床，进给量，切削，精度，普通台钻，钻头，切削速度，主轴，麻花钻。Abstract: The existing manual are ordinary high-speed bench drill feed, in order to feed on the drilling process and the quality of experimental research and to achieve more in production file quantitative feed requirements, through the spindle center and Center rocking handle the addition of a transmission chain between the methods, a common high-speed bench drill has been designed and improved in a number of files to add an adjustable automatic feed function; ordinary bench drill for general use of a common fixture clamping and the positioning of the workpiece so that the quality of processing, accuracy is very low, automatic positioning vice through automatic positioning to improve the positioning accuracy and machining quality; use of the existing drill bit on the vibration cutting performance and cutting angle and materials research, results showed that the , vibration drilling, cutting angles and twist drill bit materials can improve the cutting performance and achieve the independent control of cutting, breaking reliable, Chip smooth twist of the positioning accuracy, precision aperture size, shape accuracy and surface quality of holes have been markedly improved, compared with ordinary drilling tool life increased 1.5 times. Through the pulley CVT gear changes, changes in the functioning of the spindle speed, precision machining to meet different requirements, increased efficiency in industrial production.Key words: high-speed drill, feed rate, cutting, precision, general bench drill, drill bits, cutting speed, spindle, twist drill.3目 录1前言1.1 钻床研究的目的、意义41.2 国内外钻床研究现状及发展趋势4-51.3 钻床研究的简要内容，重点解决的问题，预期结果或成42钻床的工作原理及基本结构2.1 钻床的工作原理5-62.2 钻床的结构图62.3 钻床零件图6-82.3.1 钻床的带轮结构图6-742.3.2 钻头结构图72.3.3 钻床夹具结构图7-83.钻床的手动进给改为自动进给装置3.1 钻床改进原理及方法8-103.2 设计计算及调整103.3 适当调整转速10-114带式无级变速概述4.1 带式无级变11-125钻头的分析以及麻花钻切削性能对加工的影响分析研究5.1 钻头的用途与主要类5型12-135.2 麻花钻的结构要素13-165.3 麻花钻的制造工艺165.4 切削的形成及控制16-185.5 切削力实验分析18-195.5.1 入钻阶段185.5.2 稳定钻削阶段18-195.5.3 钻出阶段1965.6 钻床磨损及耐用度实验分析19-205.6.1 钻头磨损特性19-205.7 加工精度实验分析205.7.1 入钻定位精度205.7.2 孔径尺寸精度20-216 结束语217.参考文献21-228.指导老师简介7229.致谢2210.附录22第一章前言1.1 钻床研究的目的、意义了解我国的钻床行业的发展以及台式钻床的基本工作原理、设计理念，对我国现有的机械设备加工行业进行深度了解，运用所学知识，参考现有的参考文献设计或改进钻床的工作性能；速高精度机床是当今的主要发展趋势之一。伴随着制造业对数控加工高速高精度方面的要求，人们对高速高精度机床的研究也不断深入。高速高精度机床不仅要有高的主轴转速和进给速度，而且还需要具有高的主轴和进给系统运动加速度。对于高速高精度机床，钻头直接影响到工件的加工质量，对钻术的研究，从中找到钻床的不足，在现实实践中去改进钻床的工作性能，提高产品的质量，促进我国机械工业的发展。1.2 国内外钻床研究现状及发展趋势随着计算机技术、信息技术、自动化技术及刀具材料技术的不断发展，高速切削加工技术也得到了迅速发展。高速切削加工技术包括高速车削、高速铣削、高速磨削及高速钻削等，其中高速钻削加工技术应用到航空航天、汽车、纺织机械、石油机械、印刷机械、包装机械、医疗器械、汽车拖拉机、橡塑模具以及发电机制造、机床制造等行业有关零件的孔加工。高速加工是制造业发展的重要趋势,高速机床主轴则是高速加工机床的核心功能部件。随着加工速度的提高,对主轴系统的性能要求也越来越高;针对各类型高速机床主轴,进行动态特性分析,并开发出面向各类型主轴并且拥有自主知识产权的动态设计软件已经成为整个机床开发工作的迫切需求。钻床系指主要用钻头在工件上加工孔的机床。通常钻头旋转为主运动，钻头轴向移动为进给运动。钻床结构简单，加工精度相对较低，可钻通孔、盲孔，更换非凡刀具，可扩、锪孔，铰孔或进行攻丝等加工。钻床可分为下列类型：(1)台式钻床 (2)立式钻床 (3)摇臂钻床 (4)铣钻床 (5)深孔钻床 (6)平端面中心孔钻床 (7)卧式钻床。 主要生产厂及输往国家、地区 ：8主要生产厂家有：中捷友谊厂、沙市第一机床厂、宁夏大河机床厂、鲁南机床厂、保定钻床厂等。钻床主要出口日本、东南亚、欧、美、非洲及港、澳等 30 余个国家及地区。 我国现有的钻床中，对钻头的材料，刀具耐用度，加工精度都有大的提高，现有的普通高速台钻均为手动进给，为了进行进给量对钻削过程和质量影响的实验研究和能在生产中达到多档定量进给的要求，就迫使我们进行钻床的进给装备改进。综上所述钻床及刀具与其他机床一样发展很快，向数控多轴化、多功能化发展，不久的将来环保型的深孔钻床亦将陆续出现。以减少或消除油烟雾对人体的影响。1.3 钻床研究的简要内容，重点解决的问题，预期结果或成果现有的普通高速台钻均为手动进给，为了进行进给量对钻削过程和质量影响的实验研究和能在生产中达到多档定量进给的要求，通过在主轴中心与摇动手柄中心之间增加一个传动链的方法，对一台普通高速台钻进行了设计和改进，使其增添了数档可调的自动进给功能；普通台钻一般使用通用夹具进行夹紧及定位，使加工工件的质量、精度都很低，自动定位虎钳则通过自动定位来提高定位精度及加工质量；利用现有的麻花钻对振动切削性能和钻头切削角度及材料进行研究，结果表明，振动钻削、切削角度和钻头材料都可提高麻花钻的切削性能，实现切削的自主控制，断屑可靠、排屑顺利，麻花钻的定位精度、孔径尺寸精度、形状精度以及孔的表面质量均得到明显改善，与普通钻削相比，刀具耐用度提高 1.5 倍以上。通过对带轮轮齿的改变进行无级变速，改变主轴的运转速度，达到不同的加工精度要求，提高工业生产效率。第二章钻床的工作原理及基本结构2.1 钻床的工作原理钻床是一种孔加工设备，可以用来钻孔、扩孔、铰孔、攻丝及修刮端面等多种形式的加工。按用途和结构分类，钻床可以分为立式钻床、台式钻床、多孔钻床、摇臂钻床及其他专用钻床等。加工特点：加工过程中工件不动，让刀具移动，将刀具中心对正孔中心，并使刀具转动(主运动)。钻床的特点是工件固定不动，刀具做旋转运动，并沿主轴方向进给，操作可以是手动，也可以是机动。台式钻床：钻孔一般在 13 毫米以下，最小可加工 0.1 毫米的孔，其主轴变速是通过改变三角带在塔型带轮上的位置来实现，主轴进给是手动的，可安放在作业台上，主轴垂直布置的小型钻床。2.2 钻床的结构图92.3 钻床零件图2.3.1 钻床的带轮结构图102.3.2 钻头结构图2.3.3 钻床夹具结构图11第三章钻床的手动进给改为自动进给装置3.1 钻床改进原理及方法在难加工材料高速钻削实验研究中，经常需要考虑各种工艺参数的影响。除转速外，进给量的大小也是一个非常重要的影响因素。但现有的高速钻床均为手动进给，操作麻烦。而一些工件在加工中心上钻孔并不方便也不经济，而且某些材料的钻削切屑对精密设备有恶劣影响。如下图：高速台钻结构如图 1 所示。此台式钻床型号为 Z4006A,高速平带通过套在不同配对的平带轮上，可实现各档不同的转速.但需摇动手柄实现进给运动，不能自动进给，钻床的自动返回运动通过钻床内部一卷簧实现。因为原有钻床的转速较高，所以进给量应取较小值，初步定为 0.005、0.01、0.02、0.03、0.04 和 0.05(mm/r)。由于进给量的定义是钻床主轴旋转一圈，主轴移动的距离。而主轴的移动是通过摇动手柄 4 实现的。所以，欲实现钻床的自动进给，应在钻床主轴中心与手柄中心之间增加一个传动链.手柄转动一圈，钻床主轴（钻头）向下移动的距离为 L=108 mm。12若钻床主轴的进给量为 f（mm/r） ，从钻床主轴到摇动手柄之间总的传动比为 i。则钻床主轴转一圈，摇动手柄转 1/i 圈，钻床主轴向下移动的距离（即进给量）为f=(1/i)L （1）于是从钻床主轴到摇动手柄之间总的传动比为i=L/f=108/f （2）根据式（2） ，通过计算可以初步确定与各档进给量 f 所对应的总的传动比 i 的数值见表 1。表 1 进给量与总传动比对照表进给量 f 0.005 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05总传动比 i 21600 10800 5400 3600 2700 2160图 2 为改进后的钻床示意图。图中，方框线外部为原钻床结构（图 1 的左视图） ，方框线内部为改进后所添加的部分，其目的是在主轴中心与摇动手柄中心之间增加一个传动链。减速器 16 的输出端通过轴套 18 挂有两个齿轮，与轴 1 上的两个可平移齿轮构成两个齿轮组1和2（实际运转时其中的一组齿轮啮合） 。齿轮箱内的轴1 和轴 2 上套有 6 对可沿轴向移动的齿轮，即齿轮组3456 7和8，实际运转前，通过拨动使得其中一组齿轮啮合。在原钻床的手柄中心轴（轴3，即零件 10）左端套上并固定齿轮组9中的大齿轮这样就实现了在主轴中心与摇动手柄中心之间增加一个传动链。若齿轮组9中的小齿轮 12 采用常规的完全齿轮，则随着钻床主轴的转动，主轴的进给运动只会是单一的往下运动（即只有进程） ，却不可以返回（即没有回程） 。为了解决此问题，小齿轮 12 设计成不完全齿轮，使其有齿的部分可以与大齿轮啮合，从而带动轴 3（即手柄13中心轴）转动，即带动钻床主轴和刀具往下进给。而不完全齿轮的无齿部分与大齿轮之间没有啮合力的作用，整个传动链就会在这个时间段里暂时断开。这时，钻床内部绷紧了的卷簧就会使得轴 3 反转，从而带钻床主轴自动返回。这样，就实现了高速台钻的自动进给及自动返回运动。3.2 设计计算及调整在改进设计与计算中，所考虑的因素除基本尺寸与装配关系外，最重要的是要得到与预期进给量所对应的整个传动链的各档总传动比（见表 1） 。整个传动链共分为 5 级减速。第 1 级，即带动平带轮转动的钻床主轴的输出端，由于转速高，又希望无滑动，得到固定的传动比，所以采用同步带传动2，同步带轮齿数分别为z1=20； z2=80，减速比为 i1=80/20=4。第 2 级采用一大减速比的蜗轮减速器，以达到大幅度减小转速和改变传动方向的目的。本装置中蜗轮减速器的减速比为 i2 60。第 3 级为 2 档调速，即图 2 中的齿轮组1与2 。这两对齿轮减速比分别为i31=5，i32=2。两对齿轮的模数与齿数如下：i315 m1.5 z124 z2120i322 m2.0 z136 z272第 4 级即齿轮箱内，采用齿轮组3、4 5678共 6 档调速。齿轮组的中心距为 a2=70 mm，齿轮模数均为 1。这 6 档的减速比及各档所对应的齿轮齿数如表 2 所示。表 2 齿轮箱中 6 对齿轮减速比及各齿轮齿数齿数 z1 56 49 40 35 30 20齿数 z2 84 91 100 105 110 120减速比 i i43=1.5 i44=91/49 i45=2.5 i46=3 i47=11/3 i48=6第 5 级即图 2 中的齿轮组9，主动轮 12 为不完全齿轮，从动轮为常规全齿，齿数为 z2=60，齿轮模数为 m=1.5。小轮若有全齿，其齿数为 z1=20，则传动比为 i4=60/20=3。小齿轮实际留下齿的个数需根据进给行程 h 而定。这样，整个传动链的五级减速归纳为表 3。在表 3 中，各档总传动比为各档中所有级（即从第 1 到第 5 级）传动比的乘积，并且与前面表 1 中根据各档初设进给量 f 所匹配的总传动比 i 相近。3.3 适当调整转速初定进给行程 h22 mm。如前所述，手柄转一圈，钻床主轴和钻头向下移动的14距离 L=108 mm，则在钻床主轴一个进给行程中手柄（轴 3）转动的圈数 n大=h/L=22/108=0.2037。对应不完全小齿轮转动的圈数 n小=n大i4=0.20373=0.6111。所以，不完全小齿轮上留有的齿数应为 z1应留=z1n小=20 0.6111=12.22(齿)可取不完全齿轮剩下的齿数 z1实留为 12 齿，则钻床主轴和刀具的实际进给行程为 h实12/12.222221.6 mm 由式（2） ，f 与 i 关系为 i=L/f=108/f，则 f108/i（3）由式(3)，可求得与所配得的实际总传动比 i 所对应的实际进给量 f 的值（表 4） 。由表 4，实际所配得的各档进给量与预期值非常相近，可认为分别为 0.005、0.01、0.02、0.03、0.04 和 0.05总传动比进给量i 21600f 0.005108000.0152800.0204536000.032674.2860.0403821600.05第四章带式无级变速概述4.1 带式无级变速带式无级变速器依靠张紧在两平行轴上的主。从动轮上的带与带轮间的磨擦力传递动力，由具有反行程自锁性能的调速机构来调节主，从动轮的工作半径而实现变速（如下图） 。15调速时，带可沿径向或轴向移动，后者用平带具尺寸大，已少用；前者又分为单变径轮（变速比小，降或升速型）我双变径轮（变速比较大，升降速型）两类。径向移带式无级变速器只采用 V 带（宽型，普通和窄型）和块带两类，它要求带具有良好的纵向挠曲性和横向刚度。宽 V 带内圈表面做成齿型，基面宽度不超过带厚的 3.5 倍，可获得 Rb5 的调速范围，无级变速带国内尚未标准化，设计者可向带生产厂索取资料。块带为非标准件，它由经过浸过的硬木制成的木块和胶（钢）带组合而成。木块端部做成与带轮锥顶半角相等的斜度，用螺钉夹于带体的上，下两面，经改善带和木块的受力状态并增加摩擦力，有时还在木块的端面加装由皮革制成的上下皮块，以增大摩擦系数。块带重量大，在运行时会产生较大的离心力，因此只适用于输入轴转速不超过 800r/min 的场合。带轮一般用 HT200 铸件 Q235 钢板焊成再切削成形。带轮曲面母线有直线和曲线两种。由于变速器的带长是恒定的，而在不同速比时所要求的带长是不同的，因此采用直母线锥轮时应采用主，从动轮轴向位移不等的调速补偿机构，而采用曲母线锥轮时则不需调速补偿机构。用调速机构控制带轮移动的可动带轮不需加压装置，压紧力由调速装置施加。不由调速机构控制的可动带轮需设加压弹簧，需获得恒功率特性时，加压弹簧应装在主动轮上，调速机构控制从动侧可动带轮；如需获得怛扭矩特性时，则相反。带轮可动盘与轴之间有滑动间隙，运行时两者这间作用周期性的微幅相对运动。加这润滑不良，将导致轴与套之间产生微动磨损而引起损伤和降低寿命。为了减轻微动磨损及使可动盘轴向移动时轻便和不卡住，设计时应使轮毂有足够的长度（一般为轴径的 34倍）和良好的润滑，带轮孔涂覆减摩层（如聚四氟乙烯或镀铜等） ，轴的表进行硫氮共渗或磷化处理。第五章钻头的分析以及麻花钻切削性能对加工的影响分析研究165.1 钻头的用途与主要类型钻头是用于在整体材料上加工孔或用于扩大孔的切削刀具，加工时同时有两个运动：钻头绕轴的回转及沿轴线的直线进给运动。工业中使用的钻头有下列主要类型：麻花钻、扁钻、炮钻、枪钻、套料钻、中心钻及专用钻头。钻头由 P18、P12 、P9、P6M3、P9K5 等牌号的高速钢制成。麻花钻是工业中应用最广泛的一种主要钻头型式（下图） 。麻花钻用于钻和扩直径在 80mm 以下的孔，加工精度达 1112 级，粗糙度 Rz 在 40160um 范围内。麻花钻由下列主要部分组成：切削部分、导向部分或校准部分、柄部及连接部分。切削部分和导向部分组成钻头的工作部分，工作部分有两条螺旋槽。麻花钻的切削部分由两个刀齿构成，刀齿在钻削过程中利用基切削刃切入工件材料并切下切屑。这是钻头的主要部分，钻头的工作条件主要取决于钻头的切削部分的结构。钻头的导向部分是工作时控制方向所必须的，因此它具有两个螺旋导向棱边，棱边在钻削时与导向套筒的工作表面及被加工孔壁相接触。导向部分有副切削刃棱边刃，副切削刃分担加工孔表面的成形（较准） 。此外，钻头的导向部分还充当刀具的重磨后备，它也保证切削从切削区排除。柄部用于将钻头夹固在机床上，它通过柱形颈部与钻头工作部分连接。钻头工作部分最常用高速钢制造，而柄部用 45 号钢制造。通过焊接把工作部分与柄部连接成一体。工业中也采用硬质合金钻头，这些钻头的切削部分镶焊硬质合金刀片或硬质合金齿冠。对于小直径硬质合金钻头，整个工作部分可以完全用硬质合金制造。5.2 麻花钻的结构要素钻头是双齿切削刀具。钻头的刀齿是一个由前，后刀面形成的楔形体。麻花钻的前刀面是沟槽的螺旋表面，加工时切屑沿前刀面流出。17钻头轴线和钻头前刀面与圆柱表面的螺旋交线的切线之间的夹角，称为螺旋角 。圆柱表面的轴线与钻头轴线是重合的，而且其直径等于钻头直径。对着切削表面（切屑沿此表面从工件上分离出来）的钻头好齿表面称为后刀面。刃磨钻头时，重新形成后刀面，其形状取决于所采取的刃磨方法。麻花钻后刀面最常见的刃磨方法是圆锥面磨法、螺旋面磨法及平面磨法。钻头的角、后刀面的交线组成切削刃。普通麻花钻的直线切削刃与钻头轴线是两条交叉直线。钻头轴线到切削刃的距离等于钻心直径的一半。与钻头轴线成对称位置的两条切削刃之间的夹角 2 称为顶角。钻头顶角 2 起到主偏角的作用。随着钻头顶角的增大，切削刃有效长度减小且切削厚度变大，导致作用在切削单位长度上的力增大，加大钻头的磨损强度。但是当 2 角增大时，切削截面积并不变化，而被切削层的变形程度却减小了。这样，作用在切削速度方向上并决定扭矩大小的总的主切削分力下降，有利于麻花钻这样刚性差的刀具。当 2 角增大时，钻头总的进给轴向力也增大。这是由于切削刃法向平面相对钻头轴线的位置改变了，因而作用于钻头切削刃上较小的径向分力互相平衡。此外，横刃前角随着顶角的增大而变小，这样钻削时横刃切入工件材料困难并造成轴向力的增大。结果使钻头容易纵向弯曲及产生很大的变形。经验表明，当 2 角从 140减小到 90时，轴向进给力降低 4050%，而扭矩则增大 2530%。随着顶角的增大，切削刃与棱边之间的夹角变小了，导致钻头磨损最急剧的外缘处散热条件恶化。当在钻削过程中采取比较小的进给量时，减小顶角 2 可以获得非常小的切削厚度，它几乎与切削刃的钝圆半径相等。这将导致切削不稳定的后果并多半会降低刀具耐用度。麻花钻的顶角 2 影响到前角的大小及切削部分前角的变化，还影响切屑沿螺旋槽排出的方向及条件。人所共知，钻头只有在保证切屑沿沟槽排出而且不出现切屑阻塞和堆积时才能正常工作。正如确定表明，增大项角 2 可使前角沿切削刃的变化变得较为缓和，这对钻头的切削能力是有利的。因此，钻头顶角 2 对钻削过程的影响是错综复杂的，而其最合理的数值取决于决定钻头工作性能的许多因素。所以在文献中可以见到各种各样的资料以及选择钻头顶角的推荐值。应该考虑到，同带有不同不偏角的车刀一样，根据已知条件，可以采用不同顶角 2 的钻头加工，也可以获得令人满意的结果。根据实验数据与生产经验，钻头顶角 2 大体上可以根据被加工材料选择：被加工材料 角度 2钢 116120不锈钢、高强度钢、耐热合金 125150中硬铸铁、硬青铜 90100硬铸铁 120125黄铜、铝合金、巴氏合金 130140铜 125塑料 80110大理石 809018螺旋角 W 在钻头外径上测量。当已知螺旋槽的螺矩 H 及钻头直径 D 时，螺旋角 W 按公式计算如下：tg =D/H钻头螺旋槽和与钻头轴线同心的各圆柱表面的螺旋交线所形成的螺旋角 Wx是变化的，该角度按关系式决定：tg =Rx/Rtg式中 R钻头半径；Rx与钻头轴线同心的，所研究点的圆柱剖面半径。或者换句话说，即切削刃上所研究点与钻头轴线之间的距离。显然，位于钻头沟槽前刀面上的螺旋角，愈接近钻头轴线愈小。当螺旋角在 1560之间变化时，钻头切削刃上各点的 Wx 角的值列于下表。从表中看出，螺旋角 W 的变化严重地影响外缘处 Wx 角的大小。钻头切削部分 Wx 角的变化 Rx/R15 30 45 601 15 30 45 600.8 126 2450 3830 540.6 910 1906 3050 460.4 610 13 2145 34400.2 34 635 1115 19在钻心附近， 角的变化引起 x 角的变化不大，即靠改变 W 角并不能对钻头中心部分几何形状的改变有多大程度的影响。螺旋角的决定切削部分前角的数值（告别是钻头边缘前角） 。随着 角的增大，切削刃上所研究点的前角增大，从而导致切削力下降，促使更好的排屑。但是大螺旋角 的钻头刚度很低，切削部分大大削弱，从而降低了耐用度。 角最有利的数值主要取决于被加工材料及刀具材料。对于加工黄铜、软青铜、大理石的高速钢钻头 =1017；加工钢及铸铁 =2436；加工轻合金 =3540。对于通用的标准钻头，直径为 0.251.0mm 时， 为 19，直径为 44.580mm 时为 33。螺旋角 的变化之所以取决于直径，是由于小钻头切削刃强度的降低比大直径钻头更为严重。当钻削铝板、钢材及其它类似材料时，通用钻头经常在切出时折断。引起钻头在切出时折断的原因，是由于钻削结束过程中，首先横向刃结束工作。按经验数据，横刃所引起的进给力占钻头总进给力的 4050%。因此在钻头切出与横刃工作结束的瞬间，轴向力急剧下降。结果由于减轻了机床刀具刀具工件系统的压力，使系统的弹性变形很快减小，其中包括工件沿刀具轴线方向松开的因素，工件撞击钻头，作用在钻头边缘部分的应力增大，从而导致该处破坏。为了加强边缘部分，在所研究的情况下，必需采用直槽钻头或者把螺旋角 减小到 1012。直槽容易获得直线的与对称的切削刃，钻头的制造与刃磨简便，但是螺旋槽相比较，排屑较差，因此直槽钻头只用来加浅孔。19钻头直径影响钻头的刚性及在工作中的抗振性，因而也影响耐用度。随着钻心直径的增大。但是过分增大钻心直径，会使排屑情况变坏，横刃长度增大，轴向力及产生的热量增加，从面相应降低耐用度。归根到底，对于一定的加工条件，可以求出钻心直径的合理值。通用标准点钻头的钻心直径 2a 选择取决于钻头的尺寸：钻头直径 D（mm） 0.251.25 1.512 1380钻心直径(mm) (0.280.20)D (0.190.15)D (0.1450.125)D实验表明，当用直径在 10mm 以下的通用钻头加工结构钢时，增大钻心直径1520%可保证提高耐用度，而不必修磨横刃。在加工特别硬的高强度材料时，最好把钻心直径增大到 0.350.5 钻头直径。在这种情况下，为了减少横刃对钻头工作时的不利影响，必须修磨横刃。通用标准钻头的心部直径在每 100mm 长度上向尾部增大 1.41.8mm。5.3 麻花钻的制造工艺整体麻花钻的制造方法有两种，第一种是用挤压法直接制成麻花钻，另一种是采用挤压法烧结的硬质合金圆棒料进行磨削加工成形，如下表。序号工序名称 主要工艺及技术 机 床 备 注1 两头磨成60顶尖用弹簧夹套夹紧，用粒度为6080硬度为 ZR1 的碳化硅砂轮在外圆磨床上磨成外圆磨床2 磨外圆 用石墨导电砂轮在导电磨上磨成9万能工具磨床（M5M）3 粗磨螺旋沟 采用低压电火花磨削 电火花工具磨床见工艺说明4 精磨螺旋沟 用粗磨螺旋沟夹具5 磨钻背留刃带 f6 磨顶角采用粒度为 46#60#、硬度为R1R3 的碳化硅砂轮在工具磨床上磨削，磨轮线速度为 1015m/s其余与磨高速钢钻头相同电火花加工螺旋沟工艺说明：加工的装夹方法与铣高速钢的小钻头一样，只是将铣钻头夹具安装在改装的电火花工具磨床上。工具阴极采用紫铜轮，其截形与钻头槽铣刀截形基本相同。为了使精加工时钻头沟底少磨，可将工具阴极的截形制成稍尖一些，或者选用小一号钻头槽铣刀的截形。5.4 切削的形成及控制在进行振动钻削时，由于受轴向振动的影响，钻削过程中钻头的实际进给速度呈周期性变化，即=ns+2 afcos2 ft (1)式中，n 为钻头转速（r/s）;s 为钻头轴向进给量（mm/r ）a 为钻头振动振幅（mm）;f 为钻头振动频率（Hz） ；t 为时间（s） 。20由于实际进给速度呈周期性变化，使实际进给量 也呈周期性变化。图 11s所示为钻头切削刃在工件表面上的运动轨迹。如果钻头转速 n 与振动频率 f 匹配适当，就可以产生图示 相位差，从而使切削厚度发生变化。若设钻头切削刃 A 的角位移为 =2 nt (2) = + （3） B（4） （5）sin2Afax/2()sin()/Bsafx由此可得实际进给量的表达式为 2inco()eBAffa可见，在一定振幅（a ）下，对断屑效果影响最大的是钻头的转速 n 与振动频率 f 之比，即频转比 f/n。图 2 所示为振幅 a=s 时，切削厚度随 f/n 的变化情况。所以，利用振动参数与切削用量的匹配关系，就可以控制切屑的形成过程，21不论加工何种材料和采用何种刀具角度，均能稳定、可靠地断屑，实现对切屑形状、大小的自主控制，完全改变了普通钻削时断屑依赖于断屑台的传统模式。图 3 是实验所得切屑形状、大小与频转比之间的对应关系，普通钻削的切屑长，变形严重，容积系数大；而振动钻削的切屑可随意控制，切屑变形小、弹性较大，形状为致密螺旋状或片状，容积系数小，对钻削过程及排屑极为有得。5.5 切削力实验分析5.5.1 入钻阶段普通钻削入钻时，切削性能很差的麻花钻横刃连续挤压工件，随着钻入深度的增加，主切削刃逐渐参与切削。这时从理论上说钻削力应不断上升，但实际上由于钻床- 刀具系统之间有间隙和弹性变形存在，钻头横刃切入工件后，有一定轴向力作用下消除间隙并产生变形位移，因而实际切入量减小，钻削力波形出现一段较为平稳的过程；间隙消除，变形位移达到一定程度后，钻削力才迅速升至最高点。振动钻削时，由于轴向振动的影响，钻头横刃冲击一下工件又迅速退回，然后再冲击，再退回，如此往复，反映在切削力波形上则出现一段脉冲状切削力，再逐渐升至最高点，这对于改善麻花钻入钻定位精度十分有利。5.5.2 稳定钻削阶段当钻头外缘切入工件时，即进入稳定钻削阶段，在此阶段普通钻削力波动范围较小，而振动钻削力波形相当于在普通钻削的基础上叠加一个动态分量，瞬时切削力峰值远大于普通钻削，这对于钻床工艺系统振动及钻头寿命等都是不利的，实际使用时应严格控制振动振幅和频转比的取值。进一步实验研究表明，当 as，频转比 f/n 靠近偶数附近时，可获得较平稳的钻削过程，钻削力均值比普通钻削降低 10%左右。5.5.3 钻出阶段当钻头横刃钻出工件时，普通钻削的钻削力开始减小，但当尚末被切除的金属层减薄到一定程度时，将无法抵抗钻削力的作用，积聚于钻床刀具系22统中的弹性变形能量迅速释放出来，瞬时进给量发生突变，钻削力（尤其是扭矩）出现较大峰值，常常引起刃口损坏和磨损加剧，而薄金属层则会变成毛刺。振动钻削在参数选择适当时，一般形成脉冲式断续切削过程，贮存于钻床刀具系统中的弹性变形式能量以较高频率积聚、释放。因而，振动钻削在钻通孔时钻削力变化较平稳，出口毛刺大大减小。5.6 钻头磨损及耐用度实验5.6.1 钻头磨损性能钻头切削刃上的负荷特性。钻头切削刃上各点的负荷，一般用该点的切削速度 v，切削厚度 及与工件材料的接触路程来表示。振动钻削时，所加轴ca向振动使钻削过程中的有效钻削速度 、实际切削厚度 、钻刃工作角度evcea和 等均呈周期性变化，即ce式中， 为钻头切削刃上选定点的有效切削速度（m/s） ；r 为该点的半径ev（mm） ； 为该点的有效主偏角（rad） ； 为实际切削厚度（ mm/r） ； 为cxceau该点的有效进给方向前角（rad）; 为该点的有效进给方向后角(rad); 为该u sa点的进给方向后角（rad） ； 为该点的进给方向前角 (rad);其它符号意义同样。sr这样的结果就会使钻刃上各点的负荷趋于均匀，磨损降低，耐用度提高，尤其是轴向振动方向接近于横刃的基本切削方向，振动之冲击作用有效地减小了钻头横刃的挤压作用，从而使切削条件改善，切削能力提高，轴向力下降，磨损大大减轻。耐用度实验图 4 是振动钻削力与普通钻削加工 45 钢时钻头的磨损曲线。钻削条件为d=4.9mm,n=13.3r/s,s=0.09mm/r,钻削浓度与直径之比（长径比）L/D=10.61，切削液为乳化液；振动钻削时 a=0.04mm,f/n=2.25。振动钻削时，钻头主后刀面磨损沿整个主切削刃均匀，初期磨损阶段缓慢，正常磨损阶段大大延长，每个钻头平均钻孔 140 个左右磨损量只有 0.4mm（磨钝标准） 。而普通钻削时，钻头主后刀面磨损沿主切削刃是从中心向外缘逐渐增大，外缘转点处磨损严重，初期磨损阶段很快，正常磨损阶段很短，每个钻头平均钻孔公 55 个左右磨损量即起过 0.4mm，且常常发生崩刃现象。23图 5 是钻削奥氏体不锈钢 1Cr18Ni9Ti 时钻头的磨损曲线。切削条件为d=3.8mm，L/D=5.26，切削液为乳化液；曲线 1、2、3、4 为普通钻削，n=20.8、13.3、20.8、13.3r/s；曲线 5、6 为振动钻削，a=0.075mm,f/n=2.25。振动钻削时钻头耐用度显著提高。5.7 加工精度实验分析5.7.1 入钻定位精度普通钻削时，由于钻头横刃的偏心，两条主切削刃的不对称性，钻头中心线与主轴回转中心的不一致性，钻头与工件表面的不垂直性等诸因素的影响，加之钻头刚性较差，入钻时钻尖受到横向力作用，横刃在工件上产生滑行，因而切入时常常产生明显的多边形孔窝。振动钻削时，钻头入钻是断续的、脉冲式的，横刃冲击一下工件表面后立即退回，这期间钻头受到横向力瞬间作用而产生的变形，将由于钻头离开工件而又复位变直，然后再重新入钻。图 6 为振动钻削的入孔钻孔窝照片。由于振动钻削的入钻为脉冲式的楔入，在频繁的轴向进退过程中大大提高了钻头入钻的定位精度。5.7.2 孔径尺寸精度切削条件为 d=10mm,n=13.3r/s,s=0.112mm/r,a=0.16mm,f/n=2.5 时，振动切削与普通钻削的孔径尺寸分布曲线如图 7 所示，可以看出，振动钻削时的平均孔径扩张量和平均孔径偏差范围均比较小，因此，其孔径尺寸相对集中，工艺稳定性好，废品率低于。此外，振动钻削时钻孔的垂直度及孔的表面质量等也均得以改善，如在加工一种材料为工业纯钛 TA2 的零件时，普通钻削不仅孔表面粗糙度大，且孔偏量达 1mm 以上，给装配带来很大困难，采用振动钻削，孔表面粗糙度为 Ra3.2 m，孔引偏量仅 0.2mm，装备顺利，联接钢度大大提高。24第六章结束语改进了钻床的操作方便，运行可靠，增添了数档可调的自动进给功能，而且改进成本低。可以作为一些难加工材料孔加工的实验平台，也可以用它根据生产中的需要实现变档定量进给钻孔。自动定位虎钳夹具提高了钻削精度，对钻床的中心孔定位进行大的改善，提高钻削质量跟精度。钻头材料和角度的选择也大大提高了钻床的效率、钻头的耐用度，振动钻削时，只要振动参数（a、f）与切削参数（n、s）匹配适当，即可自主地控制切屑的形状和大小，排屑畅通，钻孔效率提高；动钻削使钻头的切削条件改善，磨损趋于均匀，切削深孔（L/D5） ，钻头耐用度比普通钻削提高 1.5 倍以上，尤其在钻削难加工材料时效果更佳；孔精度比普通钻削提高 12 级，出口毛刺大大减少；改善普通麻花钻的切削性能，提高钻孔的效率和质量，而且可在新工艺的基础上发展新型钻床，形成传统钻床的更新换代产品。第七章参考文献1韩荣第，于启勋.难加工材料切削加工M.北京：机械工业出版社，1996.2汝元功，唐照明.机械设计手册M.北京：高等教育出版社，1995.3薛万夫等. 振动切削及其在机械加工中的应用，北京：北京科学出版社，1985.4上海柴油机厂工艺设备研究所编，金属切削机床夹具设计手册，机械工业出版社，1984.5喻怀仁，陈世忠等译，金属切削刀具，机械工业出版社，1985.6硬质合金工具制造，国防工业出版社，1973.7成大行等，机械设计图册（零部件的结构与组合） ，北京：化学工业出版社，1997.8韩荣第，于启勋.难加工材料切削加工M.北京：机械工业出版社，1996.9汝元功，唐照明.机械设计手册M.北京：高等教育出版社，1995.10王立江等 .振动钻削微小孔提高加工精度的研究.机械工程学报,1992(1)11Zhang D Y.Study on the Drill Skidding motion in Ultrasonic 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ASME PED,1991,5512杨兆军等 .新型微小孔振动钻床.机械制造,1995(1213樱井惠三 .Ti-6AL-4V 合金低周波振动加工.轻金属,1992(11)第八章指导老师简介第九章致谢第十章附录