鉆削技術(shù)的研究

第29卷第5期企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)2010年3月_Vol.29 No.5TECHNOLOGICAL DEVELOPMENT 0F ENTERPRISEMar.2010鉆削技術(shù)的研究陳桂平(湖南涉外經(jīng)濟學(xué)院機械工程學(xué)部,湖南長(cháng)沙410082)摘要:鉆削是應用最為廣泛的機械加工方法。 文章論述了鉆削用工具材料的發(fā)展與應用,介紹了國內外鉆頭研究發(fā)展狀況,并對鉆削技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞:鉆削技術(shù);鉆頭;綜述.中團分類(lèi)號:G424文獻標識碼:A文章編號:1006- 8937(2010 )05-0062-03Research on drilling technologyCHEN Gui-ping(College of Mechanic Engineering, Hunan Intemational Economics University ,Changsha, Hunan 410082 ,China)Abtract:Dilling is a machining method which is used widely. This paper discusses the development and application of dillig toolmaterial, introduces the research and development situation of drill home and abroad,and finally prospects the development trend ofthe dilling technology.Keywords: dilling technology ;rill;review.在機械加工制造業(yè)日趨發(fā)展的今天，鉆削依然是應1鉆削用工具材料的研究發(fā)展用最為廣泛的孔加工工藝之一。據國際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì )資19世紀前,機械加工行業(yè)使用的刀具材料一直是碳素料,在所有的加工工時(shí)中,有22%消耗在孔加工操作上，在某些機械行業(yè)中鉆孔工序可占總工序量的30%-40%，工具鋼。高速鋼是19世紀末繼高碳鋼之后誕生的切削用工在柔性生產(chǎn)線(xiàn)和加工中心上，鉆削工序約占加工總時(shí)間具材料,直到今天,高速鋼仍然占據著(zhù)重要的位置。硬質(zhì)合的30%~35%。各國鉆頭總產(chǎn)最占刀具總產(chǎn)最的60%左金材料則是一種新型刀具材料,其應用還不到一個(gè)世紀。右。迄今為止,鉆削仍是孔加工中最經(jīng)濟、最高效的方法,硬質(zhì)合金從20世紀初開(kāi)始，經(jīng)歷了從形成到發(fā)展.在機械、電子等不同生產(chǎn)領(lǐng)域中起著(zhù)重要的作用。成熟,再到90年代的產(chǎn)品精密化階段。1923年德國人施在決定鉆削的主要因素(機床、鉆頭、工件)中,鉆頭律特爾為了提高拉絲模質(zhì)量，將低熔點(diǎn)鐵族金屬滲入碳是最活躍的因素,而鉆頭耐用度的高低、加工精度和加工化鎢坯塊中，研制成功世界上第一件硬質(zhì)合金產(chǎn)品從而工件表面質(zhì)量等，在很大程度上又取決于鉆頭本身的材開(kāi)創(chuàng )了硬質(zhì)合金的新紀元。不久德國柏林的Osram研究料和鉆頭鉆型的合理選擇。室的KarlSchroter也發(fā)明了鈷粘結劑液相燒結碳化鎢，當高速鋼麻花鉆仍在鉆削刀具中占絕對優(yōu)勢時(shí),使其最初是用于拉制白熾燈用鎢絲的模具材料,但幾乎與用新材料.新涂層和新鉆型的鉆頭已層出不窮。而今新型此同時(shí)它作為切削刀具的潛能被發(fā)掘出來(lái)。三、四十年刀具材料特別是硬質(zhì)合金材料得以廣泛地應用，采用硬代，燒結硬質(zhì)合金對德國戰爭作出了巨大的貢獻,同時(shí)由質(zhì)合金鉆頭可大大提高鉆削效率孔表面質(zhì)量和精度。同于戰爭的需要也促進(jìn)了硬質(zhì)合金的蓬勃發(fā)展。由于當時(shí)時(shí)新鉆型的運用,可大大提高鉆頭壽命并相應提高孔加工在德國及其占領(lǐng)的歐洲極度缺乏鎢，而且人們發(fā)現碳化質(zhì)量,鉆型參數的合理選撣可大大降低鉆削時(shí)的軸向力鎢刀具中1 kg的鎢比高速鋼刀具中1 kg的鎢切削金屬和鉆頭所受的扭矩,并能顯著(zhù)提高鉆頭耐用度。要多得多,而且允許的切削速度也要高得多,這就注定在據CIRP資料,由于刀具材料的不斷改進(jìn),允許的切可能場(chǎng)合都用硬質(zhì)合金刀具替代高速鋼刀具進(jìn)行切削。削速度幾乎每隔10年提高一倍,由于鉆頭結構和參數的在1945年后的10余年里,硬質(zhì)合金多用于采礦,切改進(jìn),刀具耐用度幾乎每隔10年提高兩倍。由此可以看削刀具方面大約只用了1/4,當時(shí)硬質(zhì)合金沒(méi)有大量用于出,刀具材料和鉆頭鉆型的合理選擇以及鉆頭參數優(yōu)化切削刀具的一個(gè)原因是其比較稀有昂貴。60年代早期,對于鉆削的重要意義,特別是性能越來(lái)越好的硬質(zhì)合金隨著(zhù)化學(xué)氣相沉積涂層的出現，在蘇伊士實(shí)驗室開(kāi)發(fā)出材料在鉆削領(lǐng)域應用越來(lái)越廣泛。所以很大程度上對鉆了CVD碳化鈦涂層材料,相繼物理氣相沉積在-些國家削技術(shù)的發(fā)展研究就是對鉆頭的材料和結構參數的也中國煤化工起來(lái),迅速占到了世研究。界硬二金的應用也幾乎覆蓋了:DH. CNM HS質(zhì)合金的研究開(kāi)發(fā)也收稿日期:2010-01-04作者簡(jiǎn)介:陳桂平(1975-).男,湖南寧鄉人,博士研究生，工程師,講在不斷發(fā)展。硬質(zhì)合金另一個(gè)突出的發(fā)展趨勢是普及硬師,主要從事機械設計理論研究與教學(xué)。質(zhì)合金涂層刀片,涂層硬質(zhì)合金刀片自1969年投入市場(chǎng)第29卷第5期.陳桂平:鉆削技術(shù)的研究63以來(lái)，在工業(yè)發(fā)達國家已占據了全部硬質(zhì)合金刀片的角公式,但所給出橫刃斜角不是獨立變量,后刀面形狀不60%~70%。能唯一。1970年,S.Fuji ,M.F.Devries和S.M.Wu采用割平最近10年,我們可以看到,在成份和顯微結構上復面法將鉆尖后刀面的三維空間曲面化為二維研究，重新雜化的碳氮化鈦基硬質(zhì)合金,即“金屬陶瓷"的使用正日給出了橫刃斜角的定義。1978年. W.D.Tsai和S.M.Wu將益增長(cháng)。涂層硬質(zhì)合金刀片已由早期的單涂層發(fā)展到了鉆尖后刀面的三種形式錐面、橢球面、雙曲面統.一成二次雙涂層、三涂層以至多涂層,如瑞典山德維克公司最新涂曲面的標準方程,并給出幾何參數的計算公式,但并沒(méi)有層刀片GC3015、美國肯那曼特公司KC910都是雙涂層提出其刃磨方法，而鉆尖數學(xué)模型的建立是與其刃磨方(TiC-Al2O3),聯(lián)邦德國的Widalon 刀片有13涂層。這些法分 不開(kāi)的。兩年后,EJA.Amarego指出錐面. 平面和圓材料的應用也促進(jìn)了機加工行業(yè)的高速和大進(jìn)給量加工柱面中以錐面后刀面為最佳.。1983年，南非S.Kaldor,K.的發(fā)展。Moore ,T.Hodgson采用給定磨削參數范圍用窮舉法求解隨著(zhù)切削加工要求的不斷提高,自1968 年瑞典可樂(lè ).鉆尖后刀面的方程,這種方法費時(shí).內而不可能應用于實(shí)滿(mǎn)J研制成功超細晶粒硬質(zhì)合金RIP后,這種高硬度、高際刃磨過(guò)程的計算。1985年,湖南大學(xué)的林丞和曹正銓.強度的材料受到了各硬質(zhì)合金生產(chǎn)家和研究機構的重采用最優(yōu)化方法在計算機上快速求解刃磨參數,從而為視,1969年，日本住友電氣公司研制的AF1的超細晶粒實(shí)現數控機床肖接刃磨出任意指定鉆頭結構參數的鉆尖硬質(zhì)合金,其WC晶粒在0.2~0.3 um之間,其抗彎強度奠定了基礎。1986年林承和曹正銓進(jìn)一步指出錐面后刀高達4900 MPa,硬度HRA高達93。1970年前蘇聯(lián)推出了面上尾隙角是后刀面的最佳補充幾何參數。1990年林丞BK6--6M.BK10-0M.BK15--0M超細硬質(zhì)合金。到1984年,和曹正銓建立了群鉆數學(xué)模型與機床坐標系的關(guān)系,從住友電氣公司通過(guò)特殊的兩階段還原法生產(chǎn)出了粒度小而在數控機床上第一次實(shí)現了群鉆的自動(dòng)刃磨。1991于0.5μm的WC粉,并由此獲得Co含量12%,硬度93HRA,年,曹正銓、龍騰輝用橫刃前角作為補充參數,建立了螺強度高達5000N/mm2的AFI合金，用其制成的鉆頭在旋面鉆尖的數學(xué)模型,從而進(jìn)-.步簡(jiǎn)化了機床結構。1994印刷電路板鉆孔中獲得極好效果，耐磨性和孔位置精度年，湖南大學(xué)胡思節建立了雙邊非對稱(chēng)分屑槽群鉆的數比以往鉆頭都有很大提高,進(jìn)給速度提高了4倍以上,而學(xué)模型,為其實(shí)現在數控機床上的刃磨奠定了理論基礎。且有良好的抗折斷性能。1999年5月,Sandvik在新聞發(fā)1999年湖南大學(xué)周志雄、袁建軍.林承建立了非共軸螺布會(huì )上隆重推出了晶粒度為0.2 μm的新型納米硬質(zhì)合旋面鉆尖的數學(xué)模型,并得到了給定刃磨參數下鉆尖的計金PN90，從而在國際上開(kāi)創(chuàng )了工業(yè)規模生產(chǎn)晶粒度為算機仿真結果。0.2μm的納米硬質(zhì)合金的先河。鉆削加工是在半封閉狀態(tài)下進(jìn)行的,排屑、冷卻、潤最近幾年又研究發(fā)展了新結構硬質(zhì)合金,如Sandvik滑、觀(guān)察和測試等均比其它切削方法要困難得多,隨著(zhù)工推出的雙相結構梯度硬質(zhì)合金,簡(jiǎn)稱(chēng)DP(Dual phase)合業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，被鉆削的金屬材料和非金屬材料已金,突破了傳統的思維方式,成功地解決了硬質(zhì)合金作為多達數萬(wàn)種,其中不少材料的硬度、強度和韌性都很高，鉆削刀具時(shí)耐磨性與韌性難以同時(shí)兼顧的矛盾，使其使對鉆削加工要求日益嚴格。在有些機械加工.企業(yè)中鉆削用壽命得到顯著(zhù)提高。加工已成為關(guān)鍵性工序,世界許多工業(yè)發(fā)達國家不惜耗費巨資、投入大量人力物力,采用最先進(jìn)的技術(shù)和手段,2國內外鉆頭研究發(fā)展狀況不遺余力地深入研究鉆削機理.鉆削加工的新方法、新的鉆頭在機械加工行業(yè)的應用最初是從麻花鉆開(kāi)始鉆頭結構.鉆頭切削刃形狀等。人們在理論上探討鉆頭的的。麻花鉆是一種形狀比較復雜的孔加工刀具,自其誕生數學(xué)模型及刃磨方法的同時(shí),世界上各刀具、材料廠(chǎng)商也的100多年來(lái),雖然它的結構形狀變化不是很大,但結構相繼推出了不少鉆型，特別是世界上幾大硬質(zhì)合金廠(chǎng)都參數卻一直在不斷完善,刀具材料也在不斷革新和改進(jìn),推出了自己的鉆頭。其鉆型主要有:高速鋼麻花鉆性?xún)r(jià)比高的孔加工刀具，至今仍然是孔加①整體硬質(zhì)合金鉆頭。如日本東京鎢業(yè)公同生產(chǎn)的工中應用較為廣泛的一種刀具。VH型.RH型及CDS型整體硬質(zhì)合金麻花鉆頭，鉆頭真20世紀50年代以后,鉆頭結構參數不斷改進(jìn),相繼徑從00.1~1.5 mm。整體硬質(zhì)合金的另一種結構是三刃研究出了-些新的鉆型.如1953年我國倪志福同志革新鉆,是由瑞士Malter Maier 公司生產(chǎn)的,該鉆頭3條士刃麻花鉆新鉆型,在鉆尖上磨出月牙形凹圓弧刃等,并發(fā)明相對于鉆軸成120。對稱(chēng)分布三條橫刃的交點(diǎn)與鉆頭軸了群鉆。這種鉆型成為后來(lái)出現的眾多鉆型中的佼佼者。心重合,可以避免二刃鉆的回轉振動(dòng).從而可以提高鉆削與此同時(shí),由于計算機的發(fā)展和應用,對鉆頭的數學(xué)中國煤化工模型的研究日趨成熟,人們開(kāi)始了對鉆頭數學(xué)模型的研三菱金屬礦業(yè)株式會(huì )究。1957年,Galloway推導了普通麻花鉆鉆尖的數學(xué)模社的YHCNMHG而厚的整體式刀片型,他分析了麻花鉆主刃附近的幾何形狀,給出了后角的精確固定在刀體上,刀片上壓有斷屑槽及相錯的分屑槽，定義和測量方法，推導了鉆溝螺旋角的方程和主刃前后切削液可通過(guò)刀體上的兩個(gè)輸油孔輸送到切削刃口,并._64企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)2010年3月將切削沿螺旋形容屑槽推出，加工效率為高速鋼麻花鉆潤滑性。發(fā)展微晶硬質(zhì)合金鉆頭,提高鉆尖的抗壓碎性。的3~5倍。②發(fā)展更先進(jìn)的鉆頭夾具系統。要想獲得滿(mǎn)意的加③硬質(zhì)合金可轉位淺孔鉆。1975年，硬質(zhì)合金可轉工效果,夾持鉆頭的夾具性能至關(guān)重要 。如果鉆夾具達不.位淺孔鉆頭作為專(zhuān)用工具“鋼軌鉆頭"在市場(chǎng)上首次出到所要求的剛性 ,即使獲得了驅動(dòng)鉆頭的功率,也不能進(jìn)現,是繼60年代噴射鉆取得成功后的又- -新突破。硬質(zhì)行 有效的切削。合金可轉位淺孔鉆一般長(cháng)徑比小于4,切削速度可高達③鉆削過(guò)程建模成為研究熱點(diǎn)。影響鉆削過(guò)程的各300m/min,進(jìn)給速度可達995mn/min,刀片不需刃磨,效種因索.包括鉆頭幾何結構、制造和安裝誤差.物理特性率可比高速鋼麻花鉆高10倍以上,具有代表性的有德國(靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性)、切削條件 、環(huán)境溫度、工件尺寸和材Hertel公司的Dill-Fix鉆頭,Krupp公司的WidaxBW鉆料等都將逐步納入建模研究的范圍,各種鉆型、切削條件頭，美國Kennametal Inc公司的Kendex/metcut 鉆頭。1979和鉆削 工藝有關(guān)的鉆削力，鉆削溫度、鉆頭磨損與壽命、我國成都工具研究所也開(kāi)始對其研究，并于次年試制成切屑變形 與排出、鉆削質(zhì)量.鉆削效率和鉆削成本等都將四邊形和凸三邊形兩種結構的硬質(zhì)合金鉆頭，該鉆頭可成為鉆削過(guò)程建 模的對象,建模方法將更加多元化,模型比高速鋼提高效率兩倍，提高壽命1倍。預報的準確性將進(jìn)一步提高，鉆削模型將不僅用于仿真④焊接式硬質(zhì)合金鉆頭。如日本細井公司生產(chǎn)的Di-和預報,而且將更多地用于指導鉆頭設計、制造和鉆削過(guò)jet鉆頭,三菱株式會(huì )社的無(wú)橫刃鉆頭等都是焊接式硬質(zhì)程 的優(yōu)化與監控。合金鉆頭,其特點(diǎn)是沒(méi)有橫刃,兩個(gè)輸油孔可將冷卻液輸④鉆頭的幾何設計和制造方法仍將是研究的重點(diǎn)。送到切削刃口。適合于加工各種材料和加工條件的新鉆型將繼續涌現,⑤新型硬質(zhì)合金群鉆。進(jìn)入90年代后各硬質(zhì)合金廠(chǎng)適用于微機械制造和印刷電路板制造的微型鉆頭的研究商更是不斷推出設計新穎、科學(xué)的硬質(zhì)合金鉆頭,日本黛將走向深入。鉆頭制造方法的研究將向集成制造系統的杰工業(yè)公司開(kāi)發(fā)了一種具有獨特切削刃和鉆溝形狀的方向發(fā)展.鉆頭特別是群鉆的自動(dòng)刃磨問(wèn)題將得到解決，DDS型Sigma鉆頭,其剛性高，獨特的鉆溝形狀使其排屑并會(huì )特別注重設計與制造的一體化、自動(dòng)化和智能化。流暢,并能控制刀屑的形狀,能確保切削液順利到達切削⑤鉆削機理的研究將逐漸受到重視。鉆頭與鉆削過(guò)區域,使鉆頭切削刃得到充分的冷卻與潤滑,切削刃的溫程研究越來(lái)越需要鉆削機理研究的支持,鉆削機理研究是升小，能長(cháng)時(shí)間進(jìn)行穩定的鉆孔加工。制約鉆頭與鉆削工藝研究的瓶頸;鉆削是最為復雜的切削此外,人們還研制出了S刃鉆尖、細顆粒硬質(zhì)合金鉆加工過(guò)程之-,而關(guān)于切削原理的基礎研究必然會(huì )從相對頭、陶瓷鉆頭、超硬刀具材料鉆頭等,S-Cut 鉆頭、E鉆簡(jiǎn)單的車(chē)削加工研究向更復雜的鉆削加工研究過(guò)渡。頭、F1鉆頭、BEAM鉆頭等都是新近研發(fā)出來(lái)的新型硬質(zhì)合金鉆頭。Sandvik公司研制的雙硬質(zhì)合金鉆頭更是具參考文獻:.有兩種不同類(lèi)型硬質(zhì)合金的特性,在鉆頭中心,理論上切削速度為零,堅固而富鈷的硬質(zhì)合金承受著(zhù)與非常低的[1] 夏伯雄.鉆孔技術(shù)的新發(fā)展[).機電工程技術(shù),002,31(6);:切削速度相關(guān)的振動(dòng);而在鉆頭四周邊緣是堅硬的高強3-4.度硬質(zhì)合金和耐磨涂層。隨著(zhù)制造業(yè)的需求和科學(xué)技術(shù)[2] Tonshoff HKL,Sointing. W .Konig W., Neises A.Machining of的不斷發(fā)展，新型鉆頭還會(huì )不斷涌現,現階段硬質(zhì)合金鉆holes - developments in driling technology [J.CIRP AnnalsManufacturing Technology , 1994 ,43(2):551-561.頭鉆削中的各種問(wèn)題隨必定會(huì )引起人們的重視。[3]李合琴,尤顯卿.國外刀具行業(yè)產(chǎn)晶概況[].五金科技.1996,.3鉆削技術(shù)的發(fā)展趨勢24(3):7-10,16.20年前,整體硬質(zhì)合金鉆頭的典型切削速度為60~[4]胡地,萬(wàn)美珍.刀具材料的現狀和發(fā)展[J.武漢化工學(xué)院學(xué)報，1997, 19():54-57.80 m/min。如今,在機床能夠提供足夠的功率、穩定性和[5]張立.國內外硬質(zhì)合金研究與發(fā)展動(dòng)態(tài)[]有色金屬工業(yè)，冷卻液輸送能力的條件下，采用200 m/min的切削速度2001 , (10):25- -26.鉆削鋼件已不足為奇。盡管如此,與車(chē)削或銑削加工的一[6] Tsai W.D,Wu S.M. A Mathematical model for drill point de-般切削速度相比，鉆削加工在加工效率上還有很大的提sign and grinding[J.ASME Jourmal of Engineering for Industry,高潛力。此外,為了充分發(fā)揮現代硬質(zhì)合金基體和表面涂1979,(101):330- -340.層的優(yōu)異性能，就必須對鉆頭的幾何參數和鉆型進(jìn)行優(yōu)化[7] 曹正鈴，龍騰輝螺旋面鉆尖的數學(xué)模型J.湖南大學(xué)學(xué)報設計,必須根據加工用途對鉆尖鉆尖角、刃帶形狀、切削中國煤化工刃制備,排屑槽型排屑槽和刃帶的數量等進(jìn)行合理調整。[8]陳技術(shù)的發(fā)展[].世界有①發(fā)展新型的鉆頭設計制造技術(shù)。如發(fā)展具有加工色I:YHCNMHG靈活性的快換鉆頭;根據鉆頭的切削性能要求,可變混合[91 任光治.麻花鉆s刃鉆尖的特點(diǎn)及其應用I.工具技術(shù)，2001.硬質(zhì)合金鉆頭內部的材質(zhì)成分，使之具有足夠的剛性和(35):25-27.