整体硬质合金麻花钻常用槽型性能实验研究
麻花钻切削分析及改进
垂狂虽
赢牺钻头 图一 麻 花钻 的 结构 图
３ 麻 花钻 的缺点 ３ ．１ 不利 于切 削的 曲 卷 。因 为 主切 削 刃各 点 前 角 、刃 倾 角 、 切削 速度 、方 向的差 异 ，因而在 各点 处 切 屑流 出方 向不 同 ，并 存在
１ ．１ 刀体 。刀体 是钻头 的工 作 部 分 ， 由切削 部 分 与导 向部 分 共 同组 成 。
２ ０ １ ７年 ６月
西 部 皮 革
工艺 与 技 术
麻 花 钻 切 削 分 析 及 改 进
何剑汇
（ 山东科 技 大学 ，山东 青 岛 ２ ６ ６ ５ ９ ０ ）
摘 要 ：麻花 钻是 通过 其相 对 固定 轴 线的旋 转切 削 以钻 削工件 的 圆孔 的 工具 。 因其 容屑 槽 成 螺旋 状 而形 似 麻 花 而得 名 ，是 最
美键词：麻花钻｛分析；改进
申图分类粤ｉ Ｇ 童
文献标志码：Ａ
文章编号 ：１ ６ ７ １ —１ ６ ０ ２（ ２ ０ １ ７ ）１ ２— ０ ０ ０ １ 一 ｏ １
渐增 大。 ２ ．５ 主 、副偏 角。钻 头切 削刃 上选 定 点 的 主偏 角是 切 削 刃 在
１ 麻 花钻 的结 构 麻花钻的组成如下图所示 ，由刀柄 （ 颈部 ，尾部）和刀体 （ 切
常 用的 钻孔 刀具之 一 。它适 合加 工低精 度 的孔 。也可 用 于扩孔 。螺旋 槽有 ２槽 、３槽或 更 多槽 ，但 以２槽 最 为常见 。麻 花 钻 可被 夹 持 在手 动 、电动的 手持 式钻孔 工具 或钻 床 料 一般 为 高速 工具 钢或 硬 质 合金 。本 文通 过 对 麻花 钻的 组成部 分 、几何 参数 优缺 点等进 行 分析 ，进 而提 出相应 地 改进 措施 。
麻花钻的建模及强度分析毕业设计论文
麻花钻的建模及强度分析[摘要]：采用三维建模软件建立麻花钻的三维模型，分析刀具在工作时的受力情况。
应用有限元软件对麻花钻进行模态分析，研究其结构的震动特性。
利用deform软件对麻花钻的工作过程进行模拟仿真。
[关键词]：麻花钻；三维建模；ansys分析；deform 仿真Twist drill modeling and the analysis of its intensionAbstract:This artical introduced the 3D mode ling method of twist drill and the analysis of twist drill when it behaves. Finite element software for modal analysis Twist. Deform software using process simulation work.Key Words: twist drill；ansys；deform；simulation目录目录 (I)1绪论 (1)1.1引言 (1)1.2研究背景与国内外研究现状 (2)1.3本课题的研究意义 (5)1.4本课题研究的主要工作 (5)2麻花钻切削理论基础 (8)2.1麻花钻应用到的理论基础 (8)2.1.1麻花钻的组成 (8)2.1.2麻花钻的角度 (9)2.1.3基面和切削平面 (11)2.2钻削力的计算 (12)3 麻花钻的建模 (15)3.1P RO/ENGINEER (15)3.1.1 Pro/ENGINEER的概述 (15)3.2.1创建毛坯 (15)3.2.2创建螺旋槽 (20)3.2.3创建横刃 (25)4有限元数值分析理论与ANSYS软件介绍 (31)4.1有限元方法分析过程概述 (31)4.1.1连续体的离散化 (31)4.1.2单元分析 (32)4.2ANSYS软件介绍 (32)4.2.1软件功能简介 (32)4.2.2前处理模块 PREP7 (33)4.2.3求解模块 SOLUTION (34)4.3静应力分析 (36)4.3.1 麻花钻的静应力分析步骤 (36)4.4模态分析 (45)4.4.1模态分析:模态分析的定义和模态分析介绍 (45)4.4.2 在 ANSYS 中有以下几种提取模态的方法： (46)4.4.3 模态分析中的四个主要步骤： (46)4.4.4 模态分析步骤: (46)5钻削过程的模拟仿真与DEFORM-3D软件介绍 (59)5.1DEFORM-3D软件介绍 (59)5.1.1 deform-3d软件简介 (59)5.1.2deform-3d的操作流程 (59)5.2钻削过程仿真 (63)致谢 (76)参考文献 (77)外文文献译文 (79)1绪论1.1引言切削加工是机械加工制造应用最多的加工方式之一，它可以应用在几乎所有的机械加工制造行业当中，是国民生产的重要支柱。
麻花钻磨损特性的研究
磨损带形状特征及随切削时间和切削条件的变化规律是刀具磨损理论最基本的内容。
与车、铣削刀具不同，钻头前锥的刀刃全部参加切削，其后刀面磨损区域很大，且三维分布于前锥面及与刃带相交的转角区。
为便于观测，在DIMILANO119966检测仪上用一个特制的三向夹头将主刀刃调平，使转角区、主后刀面和一部分横刃的磨损区清晰地显示在一个视图上，再测量绘制出磨损图形或直接拍照成像。
图1为试验所得麻花钻的典型磨损图形，转角磨损区呈不规则的三角形，其高(沿钻头的轴向)是钻头磨损带的最大宽度VBc，而主刀刃及横刃的磨损区为形状较均匀、宽度尺寸VB较小的条形带。
试验表明，无论钻头转速高低或在磨损过程的任意时刻，转角磨损带宽度值最大且扩展速率最快的这种图形特征总是保持不变。
更重要的是，当转速较高时，转角区及相邻小部分主刀刃磨损区的磨损性质与其余主刀刃和横刃磨损区的磨损性质有较大的差异，前者出现明显的烧伤色且规则沟痕形貌的比例减少，这是因为沿刀刃径向的切削速度梯度增大，钻头外缘的温度和摩擦速度急剧增加，热磨损(氧化、扩散磨损)成为主要的磨损形式。
图1 麻花钻后刀面的磨损图形显然，钻头整体的磨损程度以及能否继续切削不仅取决于转角磨损VBc的大小，而且与主、横刀刃磨损VB有关，并受钻削速度的影响。
在改变钻头转速n的钻削试验中，测量不能正常钻削时钻头的转角磨损和主刀刃磨损，结果如图2所示。
转速不同，钻头磨钝时的转角磨损值差异显著，且VBc值随转速的提高而增大。
如当n=1125r/min时，测得VBc=0.90mm时的钻头仍能正常切削；而同样的钻头以n=600rpm钻削时，当VBc=0.76mm时就已磨钝失效，无法继续钻削。
与之相比，转速变化对主刀刃及横刃磨损区的影响却相反。
转速较低时，钻头磨钝失效所对应的VB 值较大；转速较高时，钻头失效对应的VB值却变小，但两者的差别不大。
因此，钻削速度的提高对主刀刃及横刃磨损特性的作用并不显著，这正是钻削与车削的不同之处。
硬质合金麻花钻涂层性能试验研究
【 摘
要】 涂层 能够有效改善刀具的切削性能 ， 在理论分析与试验研究基础上 ， 对比分析 了涂层麻
花钻 与未涂层麻 花钻切 削过程 中的轴 向力 大小 ， 同时对 比分析 了七种 涂层材 料对硬 质合金麻 花钻 切 削
性能的改善程度。试验结果表 明： 相对于未涂层麻花钻而言 ， 涂层麻花钻切 削过程中的轴向力明显减 小， 刀具耐用度显著提高； 不同涂层材料对刀具切削性能的改善程度 不同， 在考察的七种涂层材料 中
ｍｏ ｔ ｂ ｉ ｕ ｌ． ｗｅ ｅ ， Ｃ Ｎ ａ ｄ Ｃ Ｎ＋ ｉ ｏ ｉｇ ｍａｅ ｉ ｓ ａ ｅ ｍｕ ｈ ｗ ｒｅ ｔ ａ ｅ ｍ ｔ ｒ ｓ ａ ｏ ｅ ｓ ｖ ｏ ｓｙＨｏ ｖ ｒ Ａ１ ｒ ｒ Ｔ Ｎ ｃ ａ ｎ ｔ ｒ ｒ ｃ ｏ ｓ ｈ ｔ ａ ｅ ｉ ｂ ． ｏ ｎ ｔ ｌ ａ ｎ ｈ ｌ ａ ｖ Ｋｅ ｏ ｄ ： ｙ Ｗ ｒ ｓ Ｔｗｉｔ ｉ ； ａ ｉ ｇ； ０ ｅ ｒ Ｃｕ ｔｎ ｅ ｆ ｒ ａ ｃ ｓ ｌ Ｃ０ ｔｎ Ｔ０ ｌ Ｄｒ ｌ Ｗ ａ ； ｔｉ ｇ Ｐ ｒ ｏ ｍ ｎ ｅ
ＸＵ Ｈｕ Ｚ ｉ ＨＡＮＧ Ｓ ａ － ｅ Ｌ ｉｎ－ Ｚ 。 ｈ ｏ ｗ ｎ ， ＩＬａ ｇ ， ＨＡＯ Ｗ ｅ ＪＡＮＧ Ｋｅ ｒｎ ｚ ｉ，Ｉ —ｅ
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整体硬质合金刀具关键工步磨削工艺实验的研究
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（ｃ）轴向磨削力
图４１４初步过程实验磨削力实验结果
由上图４．１４可以看出，随着磨削次数的增加．磨削力逐渐增大，但增大的幅度很小。
对于砂轮线速度ｖ。
＝３０ｍ／ｓ与ｖ。
＝６０ｒａｌｓ这两组参数，第一次的磨削力数值基本接近，但随着磨削次数的增加，ｖ，ｆ３０ｍ／ｓ的磨削力基本保持不变，而ｖｓ＝６０ｍ／ｓ的磨削力却逐渐增大，从而ｖ，＝３０ｍ／ｓ较ｖ。
＝６０ｍ／ｓ具有更好的磨削稳定性。
４．２４２系统过程实验
由４．２．４．１中对初步过程实验的实验结果进行分析，选择ｖ：＝１６ｍ／ｓ、ｖｗ＝５５ｍｍ／ｍｉｎ、ａｈ－２ｍｍ与ｈ＝３０ｍ／ｓ、Ｖｗ＝１ｌＯｍｍ／ｍｉｎ、口＾－２ｒａｍ这两组磨削参数进行大量磨削实验，并对实验结果进行深入分析。
其实验结果如下。
（１）表面形貌
ａ）第ｌ攻磨削后（ｂ）第１０次磨削后。
整体硬质合金麻花钻常用槽型性能实验研究
2.麻花钻螺旋槽作用
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螺旋槽直接形成钻头的前刀面,影响钻头的容屑及排屑能 力,螺旋槽与钻头的后刀面（后刀面为双平面）相交形成 钻头的主切削刃直接控制钻头法前角的大小及分布,从而 直接影响钻头的切削性能。在钻削过程中，钻身承受着钻 削力，从钻孔中排出钻屑，同时随切屑、冷却液及钻身将 切削热挥发出去。
凹型槽
46 14.2 30° 加工测量 2.09 105.5° 4.1 15.24
误差 -0.47% 0.95%
0.59% -0.58%
7.主切削刃形状
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8.三种槽型的切削实验
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机床：美国HASS VOP-D VF5型加工中心主要性能 参数：最高钻速8000rad/mim；功率 20马力；直线 分辨率 0.001mm
2500mm/min 0.15mm/r、
2500mm/min 0.2mm/r
四种切削参数下分别加工三种不同材料，这三种材料分别 为HT200（铸铁）、42crmo（合金钢）、 1cr18ni9ti（不锈钢）三种材料，测量扭矩和轴向力。 后面将分析切屑
9.轴向力对比
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1.选题意义和背景
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在当今的汽车制造行业中，孔加工占的比重可达60％以上， 许多零部件都采用各种新型材料来制造。麻花钻的精度、 使用寿命以及加工效率，对机械加工的效率和质量及最终 产品的成本起着至关重要的作用。在麻花钻螺旋槽研究上， 多见槽型成形原理的报道，而对当今常用的三类槽型针对 不同材料在多种切削参数下进行切削实验较少。
13.凹型槽的改进
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加工材料：合金钢 切削速度：62.8m/min
硬质合金切削工具材料性能研究
硬质合金切削工具材料性能研究随着制造行业的发展，切削工具在金属加工中扮演着至关重要的角色。
硬质合金切削工具被广泛应用于车削、铣削、钻孔等加工过程中，具有较长的寿命和较高的工作效率。
在这篇文章中，我们将探讨硬质合金切削工具的材料性能以及对切削过程的影响。
1. 硬质合金材料的基本特性硬质合金，又称钨钛合金，是由钨碳化物（WC）和钴（Co）或镍（Ni）等金属粉末烧结而成的复合材料。
它具有优异的硬度、耐磨性和高温稳定性，适用于切削工具的制造。
此外，硬质合金还具有较高的强度和耐冲击性，可以在高速切削过程中保持较好的刚性和稳定性。
2. 硬质合金切削工具的主要性能指标硬质合金切削工具的性能指标主要包括硬度、耐磨性、断裂韧性和热稳定性等。
硬度是评价切削工具抗磨性的重要指标，硬质合金的高硬度可以有效抵抗切削过程中的磨损。
耐磨性是衡量切削工具使用寿命的关键指标，可以通过寿命试验来评估。
断裂韧性决定了切削工具在切削过程中的抗断裂性能，而热稳定性则可以保证切削工具在高温切削条件下的稳定性和寿命。
3. 影响硬质合金切削工具性能的因素硬质合金切削工具的性能受多种因素的影响，其中最主要的因素是材料成分和微观结构。
不同的成分配比和烧结工艺会导致硬质合金的硬度、断裂韧性和热稳定性等性能差异。
此外，颗粒度、晶粒度和相含量等微观结构参数对硬质合金的性能也有重要影响。
精细的晶粒和均匀分布的相可以提高硬质合金的强度和断裂韧性，减少切削过程中的断裂和剥落。
4. 材料性能研究方法与进展研究硬质合金切削工具材料性能的方法主要包括实验测试和数值模拟。
实验测试可以通过切削试验、硬度测试、显微镜观察等手段来获取硬质合金的性能数据。
数值模拟则通过计算机模拟切削过程中的材料应力、变形和热传导等物理过程，预测硬质合金切削工具的性能。
近年来，基于人工智能和机器学习的模型也逐渐应用于硬质合金材料性能研究中，提高了研究效率和准确性。
5. 切削工具性能改善的途径为了改善硬质合金切削工具的性能，研究人员采取了多种途径。
麻花钻结构参数及刃磨方法的研究(毕业论文钻头部分)
江南大学十学位论文２．１引言第二章螺旋前刀面方程的推导麻花钻的前刀面一一即螺旋槽表面，是切屑沿着流出的表面。
切削刃上任一点的前角是这一点的基面与前而（或前面的切平面）之间的夹角。
”。
在麻花钻钻削过程中，各切削刃及前、后刀面会出现磨损或破损的情况，或者为了适麻不同的加工材料，要改变某些角度或钻头的形式，这时就要求对麻花钻进行修磨，比较常见的就是对麻花钻后刀而进行修磨。
然而，我们在对麻花钻后刀面进行修磨之后，其土刀刃为前刀面和后刀面的交线，如果没有前刀面方程，我们就无法求出修磨后主刀刃的方程，也就无法求出沿主刀刃上各点处的后角的大小，因此，必须要建立起前刀面的方程。
经翻阅相关资料，虽然有些文中给出了前刀面的方程，但并未指出是在一个什么样的坐标系下建立的方程，也没有给出前刀面方程的推导过程，而且各种资料中的前刀而方程不尽致。
为此，本文在研究麻花钻前刀面的性质后，建立了麻花钻前刀面的数学模型。
２．２前刀面的数学建模麻花钻前刀面如图２．１所示，这个前刀面足一个螺旋面，是由过直线刃上一系列等螺距的螺旋线组成。
图２．１麻花钻前刀面根据这个原理，建立了其数学模型，其过程如ｒ图２．２中相关符号的说明：Ｒ——麻花钻的半径“直线刃上任一点的、卜径第七章其于Ｐｒｏ／Ｅ的麻花钻前、后刀面的参数化建模机器刃磨参数的优化７．２．１直线主刀刃及轴线绘制—１Ｏｄ０ｉ一．图７．１生成钻头轴线和直线刃ｂ蕊秘毽鼬鲻’一‘一州崮Ｆ¨ｅＥｄｎｌｎｓｅｒｔ眦ｎｎｉｅｓＳｈｏｗ日ａ品电Ｂｘｌ舻Ｉ扣嘲国＝？Ｆ团国｛——ＣｕｒｒｅｎｔＣｏｍｅｘｔ—叫Ｉ口ｓｚ嘲ｓｓ］Ｉ湖ｍ＿ｓｄ０＝ｓｑｒｔｌ瞰Ｒ－Ｒｃ’Ｒｃ）Ａａｎｌ５９）■ｌ－＿－＊１＾１¨ＴⅢ－厂五］勋ｓｅｔＩｃａｎｃｅ－ｌ引呷ｌｌＩＵ娥ｌ』江南大学士学位论文图７．８生成砂轮然后，将圆锥母线Ｅ绕其轴线Ｆ旋转９００生成一个圆锥砂轮ｓ１，由此砂轮磨出的后刀面后角为Ｏ度，为了使刃磨出的后刀面有后角，将此砂轮绕一个由点１指向点１１的向量旋转一个角度ａ（在模型中没茕为ａｆａ），生成另一个砂轮Ｓ２。
钻头实验报告
钻头实验报告钻头实验报告引言：钻头是一种常见的工具，用于在各种材料上钻孔。
它的设计和材料选择对于钻孔效果和工作寿命至关重要。
本篇文章将对钻头实验进行介绍和分析，探讨不同因素对钻头性能的影响。
实验目的：本实验旨在研究不同类型和材料的钻头在不同条件下的钻孔效果和寿命，以便为实际工作中的钻孔操作提供参考和指导。
实验方法：1. 实验材料：- 钻头：包括高速钢钻头、硬质合金钻头和陶瓷钻头。
- 钻孔材料：选择了钢板、混凝土和木材作为钻孔材料。
- 实验设备：钻床、钻孔夹具、测量工具等。
2. 实验步骤：- 第一步：选择不同类型和材料的钻头，并进行初步测试，记录下初始状态。
- 第二步：根据实验需求，选择不同的钻孔材料和钻孔直径进行钻孔。
- 第三步：记录钻孔时间、钻孔深度和钻孔质量。
- 第四步：观察和记录钻头磨损情况。
- 第五步：根据实验数据进行分析和总结。
实验结果与分析：1. 钻孔时间：- 高速钢钻头：在钢板上钻孔时间较长，但在木材上表现较好。
- 硬质合金钻头：在各种材料上钻孔时间相对较短，但在混凝土上易产生振动。
- 陶瓷钻头：在木材上钻孔时间最短，但在钢板和混凝土上容易受到磨损。
2. 钻孔深度和质量：- 高速钢钻头：在钢板上钻孔深度较浅，但钻孔质量较好。
- 硬质合金钻头：在各种材料上钻孔深度和质量均较为稳定。
- 陶瓷钻头：在钢板上钻孔深度较浅，且钻孔质量较差。
3. 钻头磨损情况：- 高速钢钻头：易受到磨损，尤其在钻孔硬度较高的材料上。
- 硬质合金钻头：相对耐磨损，但在钻孔混凝土时容易受到振动影响。
- 陶瓷钻头：磨损较为明显，尤其在钻孔钢板和混凝土时。
结论：根据实验结果和分析，可以得出以下结论：- 钻头的类型和材料对钻孔效果和寿命有显著影响。
- 高速钢钻头适用于木材等较软材料的钻孔，但在钻孔硬度较高的材料时易受到磨损。
- 硬质合金钻头在各种材料上表现较为稳定，但在钻孔混凝土时易受到振动影响。
- 陶瓷钻头在钻孔时间上表现较好，但在钻孔质量和磨损方面存在一定问题。
硬质合金实验报告.
实验报告
课程名称：专业综合实验
专业：金属材料与热处理技术班级：金属101
姓名：
学号：
指导教师：
冶金工程学院
2012-2013学年第1学期
目录
实验一硬质合金矫顽磁力与硬度测定 (1)
实验二硬质合金宏观断口分析 (8)
实验三硬质合金金相试样制备 (13)
实验四硬质合金金相分析(一) (20)
实验五硬质合金金相分析(二) (28)
合金的比矫顽力与硬度的关系
图未压好
孔隙成为断裂源的几率最大，而夹杂物如Ca，Si
起断裂的重要因素。
要消除显微孔隙必须重视环境因素，防止灰尘的污染，严格控制制粉、
1 2 3
YG8×500
YG9C×500 YW2×500
操作情况
腐蚀3分钟后样品的显微结构腐蚀5分钟后样品的显微结构
腐蚀4分钟后样品的显微结构
可以综合采用一种通用性好的腐蚀方案：
18。
硬质合金麻花钻涂层性能试验研究
硬质合金麻花钻涂层性能试验研究许辉;张少文;李亮;赵威;蒋克仁【摘要】Cutting performance of tools can he efficiently improved by coating.Based on theory analysis and experiment research, the axial cutting force of coated tools and uncoated tools were comparedAn addition,the improvements of seven different kinds of coating cemented carbide twist drills cutting performance were also analyzed.The results show that the axial cutting force of coated twist drills have been obviously reduced, compared with uncoated one,therefore,tool life can be greatly improved by coating. Different coating materials have different improvements to the performance of tools ,and among seven researched coating materials, TiCN,TiAlCN and TiAIN coating materials can improve the twistdrills'performances most obviously.However, AlCrN and CrN+TiN coating materials are much worse than the materials above.%涂层能够有效改善刀具的切削性能,在理论分析与试验研究基础上,对比分析了涂层麻花钻与未涂层麻花钻切削过程中的轴向力大小,同时对比分析了七种涂层材料对硬质合金麻花钻切削性能的改善程度.试验结果表明:相对于未涂层麻花钻而言,涂层麻花钻切削过程中的轴向力明显减小,刀具耐用度显著提高；不同涂层材料对刀具切削性能的改善程度不同,在考察的七种涂层材料中TiCN、TiAlCN和TiAlN涂层对麻花钻耐用度改善效果最为明显,而AlCrN和CrN+TiN涂层相对较差.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2012(000)010【总页数】3页(P144-146)【关键词】麻花钻;涂层;刀具磨损;切削性能【作者】许辉;张少文;李亮;赵威;蒋克仁【作者单位】上海工具厂有限公司,上海200093;南京航空航天大学,南京210016;南京航空航天大学,南京210016;南京航空航天大学,南京210016;上海工具厂有限公司,上海200093【正文语种】中文【中图分类】TH16;TG713+.11 引言硬质合金麻花钻是钻削加工常用的刀具，与高速钢麻花钻相比，具有加工精度高、刀具寿命长等优点，已被广泛应于汽车、航空航天等领域，然而现代加工技术的快速发展不断对硬质合金刀具提出新的要求，使得刀具不断朝着高效、高性能方向发展，涂层技术是提高刀具切削性能的有效方式之一，为刀具性能改善开辟了新的途径。
不同槽型的麻花钻切削性能实验
不同槽型的麻花钻切削性能实验汲宏剑;张伟;宋宝良;李铸宇【摘要】麻花钻螺旋槽的形状直接影响其切削性能,轴向力及扭矩是主要的切削性能指标.本实验介绍了3种常用槽型的硬质合金麻花钻切削铸铁、合金钢、不锈钢的轴向力和扭矩测量.实验结果表明,与直线型、凸型槽比较,凹型槽麻花钻对这几种材料的切削性能最好.%Flute profile is of much concern to twist drill performance. Thrust and torque are the primary cutting performance indexes. Experiment of the carbide twist drill with three different kinds of flute profile and work pieces (iron, alloy steel, and stainless steel) were reported. Measurement results of thrust and torque for different materials' drilling show that the concave profile is superior to both convex and linear ones.【期刊名称】《大连工业大学学报》【年(卷),期】2012(031)003【总页数】3页(P226-228)【关键词】麻花钻;槽型;钻削性能【作者】汲宏剑;张伟;宋宝良;李铸宇【作者单位】大连工业大学机械工程与自动化学院,辽宁大连 116034;大连工业大学机械工程与自动化学院,辽宁大连 116034;道依茨一汽(大连)柴油机有限公司,辽宁大连 116620;大连交通大学机械工程学院,辽宁大连 116028【正文语种】中文【中图分类】TG713.10 引言在机械行业中,钻孔加工约占切削加工总时间的22%,在机械制造领域中有着重要的地位。
硬质合金麻花钻的剪切增稠抛光试验研究
第50 卷第 6 期2023年6 月Vol.50，No.6Jun. 2023湖南大学学报（自然科学版）Journal of Hunan University（Natural Sciences）硬质合金麻花钻的剪切增稠抛光试验研究黄向明1†，曾清1，李希扬1，周辉2，李鸿宇1，王熔2，何洪1（1.湖南大学机械与运载工程学院，湖南长沙 410082；2.中航动力株洲航空零部件制造有限公司，湖南株洲412007）摘要：针对硬质合金钻削刀具曲面加工效率低的问题，提出了用剪切增稠抛光（ShearThickening Polishing， STP）方法实现硬质合金钻削刀具的复杂双螺旋曲面的低成本、高效率整体高质量抛光加工. 配制具备剪切增稠特性的非牛顿抛光流体，使用MCR302旋转流变仪测试其流变特性. 基于剪切增稠抛光液的流变特性，对硬质合金麻花钻的刃背、刃带和螺旋槽曲面进行整体抛光. 采用控制变量法分析抛光槽转速和工件转速对硬质合金麻花钻表面粗糙度与材料去除率的影响规律. 试验结果表明，加工后的麻花钻整体表面粗糙度随抛光槽转速的增大先减小再增大，在抛光槽转速为90 r/min时，加工效果最好. 随着工件转速的增加，其整体表面粗糙度先减小后基本不变或略有增加，在工件转速为3 500 r/min时，加工效果最好. 麻花钻材料去除率与抛光槽转速及工件转速呈正相关. 在较优加工参数抛光槽转速90 r/min、工件转速3 500 r/min下，麻花钻经STP 60 min后，其刃背、刃带和螺旋槽表面粗糙度分别从原始的310 nm、450 nm、270 nm降低至10 nm、243 nm、15 nm，刃背和螺旋槽磨削痕迹几乎消失，螺旋槽刃口处缺陷明显减少.关键词：剪切增稠抛光；麻花钻；硬质合金；螺旋曲面；表面粗糙度中图分类号：TG580 文献标志码：AExperimental Study on Shear Thickening Polishing of CementedCarbide Twist DrillsHUANG Xiangming1†，ZENG Qing1，LI Xiyang1，ZHOU Hui2，LI Hongyu1，WANG Rong2，HE Hong1（1.College of Mechanical and Vehicle Engineering， Hunan University， Changsha 410082， China；2.China Aviation Power Parts Manufacturing Co.， Ltd.， Zhuzhou 412007， China）Abstract：In this paper，the Shear Thickening Polishing （STP）method is proposed to realize the low-cost，high-efficiency overall high-quality polishing of the complex double helix surface of the carbide drilling tool，aiming at the problem of low efficiency of surface processing of cemented carbide drilling tools. First，non-Newtonian polishing fluid with shear-thickening properties was prepared. Then their rheological properties were tested using an MCR302 rotational rheometer. Based on the rheological properties of the shear thickening polishing slurry， the body clearance， the margin， and the helical surface of the flutes of the cemented carbide twist drill were polished. Using the control variable method， the influence of the rotational speed of the polishing groove and the rotational speed of∗收稿日期：2022-06-01基金项目：国家自然科学基金资助项目（51975203）， National Natural Science Foundation of China（51975203）作者简介：黄向明（1971―），男，湖南宁乡人，湖南大学教授，博士† 通信联系人，E-mail：**********************文章编号：1674-2974（2023）06-0001-08DOI：10.16339/ki.hdxbzkb.2023163湖南大学学报（自然科学版）2023 年the workpiece on the surface quality and material removal rate of the cemented carbide twist drill was analyzed. The experimental results show that the overall surface roughness Ra of the processed twist drill first decreases and then increases with the increase of the rotational speed of the polishing groove， and the effect of processing is the best when the rotational speed of the polishing groove is 90 r/min. The overall Ra of the twist drill first decreases and then remaines basically unchanged or slightly increases with the increases of the rotational speed of the workpiece， and the effect of processing is the best when the rotational speed of workpiece is 3 500 r/min. The material removal rate of the twist drill is positively correlated with the rotational speed of the polishing groove， and the rotational speed of the workpiece. Under the optimal processing parameters of the rotational speed of the polishing groove of 90 r/min and the rotational speed of the workpiece of 3 500 r/min， the twist drill was processed using STP technology for 60 min，the Ra of the body clearance， the margin and the helical surface of the flutes change from the original 310 nm， 450 nm and 270 nm to 10 nm，243 nm and 15 nm，respectively，the grinding marks of the body clearance and the helical surface of the flutes almost disappeared， and the defects at the cutting edge of the flutes were significantly reduced.Key words：Shear Thickening Polishing（STP）；twist drill；cemented carbide；helical surface；surface roughness机械制造业中钻削刀具作为加工孔的工具起着十分重要的作用. 随着科技的发展，制造业对孔的加工要求越来越高，如航空航天中不同构件间的连接孔，医学中的骨钻削，电子信息行业中的电路板微孔等［1-3］. 硬质合金由于硬度高、耐热耐腐蚀等优良性能，被广泛用作钻削刀具［4］. 硬质合金麻花钻作为钻削刀具，主要通过磨削加工实现，往往会出现一些微观缺陷［5］. 硬质合金刀具进行抛光后，刀具表面粗糙度降低，刀具与切屑和孔壁的摩擦力减小［6-8］，切削力和切削热减小，切削和排屑过程更为顺畅，同时抛光后的刀具刃口缺陷减少，变得平直锋利，工件表面残余应力降低，刀具的使用寿命延长.目前，对硬质合金刀具抛光的研究主要集中在加工简单形状刀片的材料去除机理及工艺优化. Wang等［8-9］利用超声波抛光对硬质合金刀片材料进行抛光，获得了Ra = 7.60 nm 的表面粗糙度. 袁巨龙等［10］分析了硬质合金在酸性抛光液中的化学反应机理，建立硬质合金刀片化学机械抛光的材料去除率模型，通过实验验证了所建模型的正确性. 然而，对硬质合金麻花钻的抛光研究较少，由于硬质合金麻花钻曲面复杂，传统的抛光方法很难得到均匀且高的表面质量.剪切增稠抛光（Shear Thickening Polishing，STP）是一种新型流体抛光方法，它利用具有剪切增稠效应的非牛顿幂律流体作为抛光液对工件进行加工［11-14］. 这种抛光方法对曲面有良好的适应性，抛光液配制简单，对设备要求低，可实现高效、高质量、低成本加工. 李敏等［15-17］采用STP方法对Si3N4陶瓷、单晶硅、氧化锆等材料进行抛光加工研究，研究表明，STP能实现这几种材料的高效精密抛光，且建立了STP的材料去除模型. Fan等［18］利用剪切增稠抛光方法实现了Ti-6Al-4V表面的精密加工. Lü等［19］采用STP对硬质合金刀片进行加工，探究了抛光速度、磨粒浓度及磨粒粒径等参数对表面质量的影响规律. 目前的研究主要集中在平面或者是圆柱简单的曲面零件加工，而采用STP方法加工硬质合金麻花钻复杂曲面的研究尚未见相关报道.本文使用STP方法对硬质合金麻花钻进行抛光试验，分析麻花钻的剪切增稠抛光原理，通过对麻花钻表面粗糙度、材料去除率以及表面形貌的分析，研究抛光槽转速和工件转速对麻花钻表面质量的影响规律.1 麻花钻的剪切增稠抛光原理麻花钻钻头结构及刃带和刃背受力图如图1所示. 当抛光液以一定的速度v流经麻花钻时，麻花钻表面在高剪切速率下受流体动力F H影响较大，流体动力可分解为法向力F n和切向力F t. 麻花钻所有点所受法向力和切向力大小都不同，材料去除程度也就不一样.因此，抛光时麻花钻需同时作自转运动，以实现麻花钻表面质量均匀.2第 6 期黄向明等：硬质合金麻花钻的剪切增稠抛光试验研究麻花钻刃带及刃背处STP 的加工原理如图2所示. 加工时麻花钻在流动的抛光液中自转，此时抛光液与麻花钻刃背、刃带处有相对运动. 麻花钻螺旋槽是一种双螺旋结构，当麻花钻逆其自身螺旋方向旋转时，一方面推动液体克服摩擦作圆周运动，另一方面推动液体轴向前进，使得抛光液与麻花钻螺旋槽表面发生划擦. 此时与麻花钻表面相接触的抛光流体受剪切作用产生剪切增稠现象，形成高黏度的抛光膜，分散相与磨粒聚集成“粒子簇”，增强了分散相对磨粒的夹持作用，从而产生较大的剪切力，与流体动压力共同作用于麻花钻表面，从而对工件表面凸峰进行微切削形成切屑产生材料去除，实现对麻花钻的精密加工.2 抛光液的配制与流变测试2.1 抛光液的配制抛光液配制选用去离子水为分散剂，玉米淀粉和金刚石磨粒为分散相. 选用的可降解玉米淀粉呈球状，平均粒径为10 μm ，金刚石磨粒平均粒径为 3 μm ，如图3所示. 首先，配制不同比例的淀粉-去离子水抛光基液，同时加入一定量的分散剂与防腐剂防止沉淀及变质. 使用MCR302旋转流变仪测试其流变特性，当淀粉与去离子水的质量比例为51∶49时，抛光基液具有明显的剪切增稠效应且流动性良好.然后，配制剪切增稠抛光液（Shear Thickening Polishing Slurry ，STPS ）.先将淀粉和去离子水以51∶49的质量比混合，机械搅拌30 min 配制成抛光基液；再加入质量分数分别为5%、10%、15%、20%及25%的金刚石粉末和添加剂（质量分数为0.2%分散剂、0.2%防腐剂），机械搅拌30 min 后配制成5种不同的STPS.2.2 抛光液流变测试与分析应用旋转流变仪在室温下分别测试含不同质量分数金刚石的STPS 的流变特性. 本次测试采用稳态应变频率扫描方式，剪切速率为0~1 000 s -1，设置42个测量点，测试完成后输出每个点的抛光液黏度、剪切应力和剪切速率值，分别得到抛光液黏度和剪切应力随剪切速率的变化曲线. STPS 流变特性与金刚石质量分数关系如图4所示.从图4（a ）可看出，每种抛光液的黏度随剪切速率的增加都呈现出先减小后增大然后再减小的趋势，表现为3个区间：剪切变稀区，剪切增稠区和剪切变稀区. 随着磨粒浓度的增加，抛光液临界剪切速率减小，而黏度和剪切应力增大. 金刚石质量分数为5% ~ 20%时，抛光液黏度与剪切应力变化幅度较小；金刚石质量分数达到25%时，抛光液流变特性曲线出现较明显的整体上升. 配制的5种抛光液剪切增稠效应都比较明显，在后续的抛光加工中，基于抛光效率与成本的考虑，选择金刚石质量分数10%的抛光液进行加工试验.（a ） 钻头结构 （b ）受力图图1 麻花钻钻头结构及刃带和刃背受力图Fig.1 Configuration of the twist drill and force diagram of bladeand blade back of twist drill（a ） 抛光过程 （b ） 材料去除机理图2 麻花钻刃带及刃背处STP 的加工原理图Fig.2 The principle diagram of STP at blade and bladeback of twist drill（a ）金刚石 （b ） 淀粉-金刚石混合物图 3 抛光液成分SEM 形貌图Fig.3 SEM morphology of polishing liquid ingredients3湖南大学学报（自然科学版）2023 年3 抛光试验设计3.1 抛光试验装置在现有磨床上搭建STP 加工试验平台如图5所示.工件装夹在磨床主轴上，通过x ，y 轴调整麻花钻的水平位置，通过z 轴控制麻花钻浸没在抛光液中的深度. 抛光槽外圆直径D 1 =400 mm ，内圆直径D 2 =170 mm ，高H =120 mm ，抛光槽转速n 1最高可达200 r/min.装夹工件时使麻花钻浸没在抛光液的部分达到麻花钻工作部分的1/2，加工时麻花钻以n 2转速旋转.麻花钻装夹位置示意图如图6所示，位于距抛光槽侧边d=15 mm 和底部5 mm 处.3.2 试验方案设计试验所采用的工件为直径D = 10 mm 的YK30F 硬质合金麻花钻. 麻花钻表面粗糙度测量点位置如图7所示，距横刃轴向距离20 mm 刃背处为P A 点，同一高度刃带处为P B 点，靠近切削刃的螺旋槽处为P C 点. 使用Wyko NT9100光学表面轮廓仪测量表面粗糙度，测量3次取其平均值，麻花钻表面P A 、P B 、P C 3点的初始表面粗糙度分别为（310±30） nm 、 （450±50） nm 和（270±30） nm.本次试验探究抛光槽转速n 1和工件转速n 2对麻花钻上P A 、P B 、P C 3点表面质量的影响，试验工艺参数如表1所示. 抛光槽转速和工件转速影响抛光液的剪切速率和剪切增稠效果，从而影响麻花钻的抛光效果.如公式（1）所示，抛光液的剪切速率γ主要跟抛光液速度v 及麻花钻右侧到抛光槽的距离d 有关，加工时麻花钻距抛光槽d = 15 mm 处抛光液的剪切速率γ随n 1和n 2的增加而增加. 将参数代入计算可得，7组抛光液（表1）的γ为101~258 s -1. 对照图 （a ） STPS 黏度特性曲线图（b ） STPS 剪切应力曲线图图 4 STPS 流变特性与金刚石质量分数关系Fig.4 Relationship between STPS rheological properties anddiamond mass fraction图 5 STP 加工试验平台Fig.5 STP processing experimental platform图 6 麻花钻装夹位置示意图Fig.6 Schematic diagram of twist drill clamping position图7 麻花钻表面粗糙度测量点位置Fig.7 Position of measuring point for surface roughnessof twist drill4第 6 期黄向明等：硬质合金麻花钻的剪切增稠抛光试验研究4（a），本次所有试验组抛光液都落在黏度特性曲线的剪切增稠区间.γ=v d=(n1D1+n2D)π60d（1）使用光学表面轮廓仪测量抛光前、后麻花钻表面粗糙度Ra0和Ra1，并计算抛光前、后表面粗糙度的变化率ΔRa，计算方法如式（2）所示. 每隔15 min使用FA2004A电子分析天平测量麻花钻的质量，计算材料去除率. 使用基恩士VHX-5000超景深三维显微镜检测抛光前、后麻花钻的表面形貌.ΔRa=Ra0-Ra1Ra0（2）4 结果与讨论4.1 表面粗糙度分析4.1.1 刃背表面粗糙度图8为抛光速度参数对点P A处Ra的影响.在加工60 min后，7组试验的麻花钻Ra分布在11~229 nm. 如图8（a）所示，随着抛光槽转速的增加，点P A处Ra 先减小后增大，在n1 = 90 r/min时点P A表面粗糙度达到最小值120 nm. 抛光槽转速较低时，根据式（1）可知，抛光液剪切速率低，剪切增稠效果不明显，且无法提供抛光液较高的流体动力，导致抛光效果不明显. 当抛光槽转速增加时，剪切增稠效应增强，Ra慢慢降低. 然而抛光槽转速过高时，由于过大的离心力，流体中的粒子越来越贴近抛光槽壁，参与抛光的磨粒越来越少，从而使得麻花钻表面粗糙度变化率ΔRa反而有所降低.由图8（b）可知，点P A表面粗糙度随工件转速的增加而减小. 当工件转速增大到3 500 r/min时，剪切速率γ超过了205 s-1，剪切应力较大，此时抛光液将产生较明显的剪切增稠效应，同时又有相对较多的磨粒参与抛光，经过60 min加工后麻花钻Ra可达到纳米级，基本稳定在12 nm左右，表面粗糙度变化率ΔRa最高达96.77%.4.1.2 刃带表面粗糙度图9为抛光速度参数对点P B处Ra的影响.由图9（a）可知，当工件转速不变，点P B处Ra随抛光槽转速的增大呈现先减小后增大的趋势，当抛光槽转速为90 r/min时，Ra达到最低值323 nm. 由图9（b）可知，Ra随工件转速的增大先减小后增大，当工件转速为3 500 r/min时，达到最低值309 nm. 从整体上看，经过60 min的抛光加工后，7组试验的麻花钻刃带点P B处ΔRa全部小于35%，处于一个比较低的水平. 通过分析麻花钻结构可知，刃带与刃背都是圆柱形外表面，且曲率和空间位置差别不大，说明点P B 和P A处表面粗糙度变化的巨大差异与其形状和位置无关系. 通过观察，发现麻花钻刃背处表面刀痕沿麻花钻表面呈螺旋线状，而刃带处刀痕为水平方向，恰好与抛光时磨粒运动方向一致. 当磨粒去除刃带点P B处表面凸峰材料时，也会对凹陷处的材料进行去除，导致ΔRa比较小.表 1 试验工艺参数Tab.1 Experimental process parameters序号1 2抛光槽转速n1/（r·min-1）30、60、90、12060工件转速n2/（r·min-1）2 000500、3 500、5 000抛光时间/min60磨粒参数金刚石（3 μm，质量分数10%）（a）抛光槽转速对表面粗糙度的影响（b）工件转速对表面粗糙度的影响图 8 抛光速度参数对点P A处Ra的影响Fig.8 The influence of polishing speed parameters onthe Ra at point P A5湖南大学学报（自然科学版）2023 年4.1.3 螺旋槽表面粗糙度图10为抛光速度参数对点P C 处Ra 的影响.与点P B 相比，点P C 的表面粗糙度变化率整体要更加低一点，为1.85%～26.67%. 而Ra 随抛光槽和工件转速的变化趋势与点P B 基本一致，当抛光槽转速增大至90 r/min 时，Ra 达到最低，为224 nm ；当工件转速增大至3 500 r/min 时，Ra 达到最低，为193 nm.点P B 位于麻花钻螺旋槽处，当麻花钻迎着抛光液旋转时，螺旋槽阻碍了抛光液的流动，使得抛光液速度下降，剪切应力降低，剪切增稠效应大大减弱，从而导致没有足够的切削力去除工件材料，ΔRa 比较低.4.2 材料去除率分析Preston 方程是广泛用于抛光领域的材料去除经验公式，剪切增稠抛光材料去除率M （Material Re⁃moval Rate ）修正后公式为［14］：M =k 0 3nK R(Uh 0)n +1f (n ，φ)（3）式中：k 0为修正系数；U 为流体速度；n 和K 是抛光流体本构方程中的参数；R 和f （n ，φ）是与工件尺寸相关的参数；h 0为剪切弹性层最小厚度，与剪切应力和黏度相关.材料去除率为单位时间内去除材料的深度/高度，可以通过测量并计算抛光前、后麻花钻的质量差再除以麻花钻密度、表面积和时间求得. 然而麻花钻表面积计算较为复杂，文中使用质量变化率来表示工件的材料去除率. 图11为不同抛光槽转速和工件转速情况下，抛光时间对材料去除率的影响. 由图11（a ）可知，当抛光槽转速增大时，抛光液相对于麻花钻速度越大，同时抛光液剪切增稠效果更明显，流体的剪切速率高，磨粒对麻花钻的动压力也越大，根据式（3）可知，麻花钻材料去除率也增大. 从整体上看，麻花钻的材料去除率为0.025～0.250 mg/min ，随时间变化存在波动，在抛光过程最后15 min 有所降低.由图11（b ）可知，工件转速越大，麻花钻的材料（a ）抛光槽转速对表面粗糙度的影响（b ）工件转速对表面粗糙度的影响图10 抛光速度参数对点P C 处Ra 的影响Fig.10 The influence of polishing speed parameterson the Ra at point PC（a ）抛光槽转速对表面粗糙度的影响（b ）工件转速对表面粗糙度的影响图 9 抛光速度参数对点P B 处Ra 的影响Fig.9 The influence of polishing speed parameterson the Ra at point P B6第 6 期黄向明等：硬质合金麻花钻的剪切增稠抛光试验研究去除率也越大. 当工件转速较低，分别为500 r/min 和2 000 r/min 时，工件材料去除率也较低，且随时间变化不大；当工件转速较高，分别为3 500 r/min 和5 000 r/min 时，工件材料去除率较高，最高达1.03 mg/min ，整体随时间变化趋势为前期略有波动而后期有所减小. 当工件转速较高时，抛光液与麻花钻相对速度大大增加， 剪切增稠效应增强，“粒子簇”对麻花钻的动压力增大，根据式（3）可知，工件材料去除率大大增加. 在前45 min ，麻花钻表面凸峰处被去除，表面粗糙度大幅度降低，工件材料去除率也较高；45 min 后，麻花钻表面已经较为平整，此时需要更大的压力才能产生材料去除，导致工件材料去除率下降.4.3 优化工艺参数试验结果分析通过前面的分析确定较优抛光工艺参数组合：抛光槽转速90 r/min ，工件转速3 500 r/min.经过60 min 抛光加工后，P A 、P B 和P C 3点的Ra 分别达到了10 nm 、243 nm 和15 nm.图12为麻花钻刃背表面三维轮廓图. 加工前麻花钻刃背表面布满了经磨削加工而产生的方向性凹凸不平的沟痕，并伴有明显的凹坑缺陷. 经过60 min 抛光后，麻花钻刃背表面已经变得十分光滑，表面粗糙度下降至10 nm ，表面质量得到了极大的提高.图13为麻花钻螺旋槽刀刃处表面形貌图.由图13可知，螺旋槽刃口处缺陷被去除，光滑一致性较好. 图14为麻花钻表面抛光前、后对比图.由图（a ）抛光槽转速不同（b ）工件转速不同图 11 不同抛光槽转速和工件转速情况下，抛光时间对材料去除率的影响Fig.11 Effect of polishing time on material removal rate under different rotating speed of polishing groove and workpiece100 μm 100 μm（a ） 抛光前（b ） 抛光后图 13 麻花钻螺旋槽刀刃处表面形貌图Fig.13 Surface topography on the cutting edge of twist drills（a ）t =0，Ra=310 nm（b ）t =60 min ，Ra=10 nm图 12 麻花钻刃背表面三维轮廓图Fig.12 3D surface profile of body clearance of twist drillP AP BP C图 14 麻花钻表面抛光前（左）、后（右）对比图Fig.14 The contrast of twist drill surface before （left ）and after （right ） polishing7湖南大学学报（自然科学版）2023 年14可知，抛光后的麻花钻变得十分光亮，这表明剪切增稠抛光对硬质合金麻花钻具有显著的抛光效果.5 结论1）麻花钻表面粗糙度随抛光槽转速的增大先减小后增大，随工件转速的增加先减小后基本不变或略有增加.2）麻花钻抛光材料去除率随抛光槽转速的增大而增大，随工件转速的增大同样也增大；在工件转速3 500r/min下加工工件材料去除率最高可达1.03 mg/min.3）优化抛光工艺参数：抛光槽转速90 r/min，工件转速3 500 r/min，抛光加工60 min后，麻花钻刃背、刃带和螺旋槽Ra分别由初始的310 nm、450 nm 和270 nm下降至10 nm、243 nm和15 nm.4）利用本文所配置的STP溶液，通过优化抛光槽转速和工件转速，实现了硬质合金麻花钻的高表面质量抛光.参考文献［1］朱兆聚. 航空异质构件钻削刀具温度特性及制孔关键技术研究［D］. 济南：山东大学， 2019： 21-30.ZHU Z J. 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Precision Engineering， 2020， 64：300-306.［19］LÜ B H，HE Q K，CHEN S H，et al．Experimental study on shear thickening polishing of cemented carbide insert with complexshape［J］．The International Journal of Advanced ManufacturingTechnology，2019，103（1）：585-595．8。
沟槽参数对表面微织构麻花钻钻削性能的影响研究
沟槽参数对表面微织构麻花钻钻削性能的影响研究现代仿生学和摩擦学认为合理的微织构表面具有更好的抗磨减摩性能,微织构刀具的研究表明在刀具表面置入微织构是一种能够有效提高刀具切削性能、减小刀具磨损的措施。
麻花钻作为孔加工的常用工具,由于受结构、刃磨和加工环境的限制,过快的钻头磨损严重制约了加工材料表面质量和加工效率的提高。
因此,提出在标准高速钢麻花钻的前刀面刀屑接触区域设计不同尺寸参数的沟槽形表面微织构。
利用有限元仿真分析和钻削试验,研究沟槽宽度和间距对表面微织构麻花钻钻削性能的影响规律和作用机理,为表面微织构麻花钻的研究提供基础指导。
主要研究内容如下:首先,利用Deform-3D有限元分析软件建立了麻花钻钻削45钢的三维仿真模型。
在相同条件下,分别模拟传统无织构麻花钻和表面微织构麻花钻在钻削过程中的钻削力、钻削温度、钻头磨损和钻屑形态。
仿真结果表明:微织构的置入能够有效降低钻削力、改善麻花钻前刀面温度分布和减少钻头磨损,同时也能够改变钻屑的流动方向和卷曲程度。
其次,通过改变表面微织构的沟槽宽度和间距,并在相同条件下进行钻削仿真分析,对比不同沟槽参数下表面微织构麻花钻的钻削性能。
仿真结果表明:沟槽宽度和间距的改变会引起表面微织构麻花钻性能的变化;当沟槽宽度增加时,钻削力呈先减小后增加的趋势,当微织构沟槽间距减小时,刀屑接触区域内起作用的微织构数量增多,钻削力、钻削温度和钻头磨损呈减小的趋势。
然后,通过正交试验法,分析激光加工工艺参数(激光功率、激光频率、激光扫描速度、激光扫描次数)对沟槽宽度和深度的影响规律,确定最优激光加工工艺参数,利用激光打标机在麻花钻的前刀面制备不同宽度和间距的表面微织构,并利用超景深三维显微镜观测表面微织构麻花钻的三维形貌和尺寸参数。
最后,将制备的表面微织构麻花钻与传统无织构麻花钻在相同钻削条件下进行干钻削45钢的对比试验,对比分析不同麻花钻的钻削力、钻屑形态和钻头前后刀面磨损。
麻花钻几何角度和受力分析.
一．麻花钻切削部分的几何角度钻头实际上相当于正反安装的两把内孔车刀的组合刀具，只是这两把内孔车刀的主切削刃高于工件中心（因为有钻心而形成横刃的缘故，钻心半径为）。
（1）基面和切削平面在分析麻花钻的几何角度时，首先必须弄清楚钻头的基面和切削平面。
①基面：切削刃上任一点的基面，是通过该点，且垂直于该点切削速度方向的平面，如图7－35a所示。
在钻削时，如果忽略进给运动，钻头就只有圆周运动，主切削刃上每一点都绕钻头轴线做圆周运动，它的速度方向就是该点所在圆的切线方向，如图7－35b中A点的切削速度垂直于A点的半径方向，B点的切削速度垂直于B点的半径方向。
不难看出，切削刃上任一点的基面就是通过该点并包含钻头轴线的平面。
由于切削刃上各点的切削速度方向不同，所以切削刃上各点的基面也就不同。
②切削平面：切削刃上任一点的切削平面是包含该点切削速度方向，而又切于该点加工表面的平面（图7－35a所示为钻头外缘刀尖A点的基面和切削平面）。
切削刃上各点的切削平面与基面在空间相互垂直，并且其位置是变化的。
（2）主切削刃的几何角度（如图7-36所示）①端面刃倾角为方便起见，钻头的刃倾角通常在端平面内表示。
钻头主切削刃上某点的端面刃倾角是主切削刃在端平面的投影与该点基面之间的夹角。
如图7－36所示，其值总是负的。
且主切削刃上各点的端面刃倾角是变化的，愈靠近钻头中心端面刃倾角的绝对值愈大（见图7－36b）。
②主偏角麻花钻主切削刃上某点的主偏角是该点基面上主切削刃的投影与钻头进给方向之间的夹角。
由于主切削刃上各点的基面不同，各点的主偏角也随之改变。
主切削刃上各点的主偏角是变化的，外缘处大，钻心处小。
③前角麻花钻的前角是正交平面内前刀面与基面间的夹角。
由于主切削刃上各点的基面不同，所以主切削刃上各点的前角也是变化的，如图7－36所示。
前角的值从外缘到钻心附近大约由+30°减小到-30°，其切削条件很差。
④后角切削刃上任一点的后角，是该点的切削平面与后刀面之间的夹角。
整体硬质合金麻花钻横向截形应用研究
整体硬质合金麻花钻横向截形应用研究何 云 薛湘鹰 栾正华株洲钻石切削刀具股份有限公司摘 要:横向截形是麻花钻螺旋面容屑槽的一个特征参数。
钻头前刀面是由螺旋面容屑槽构成的,而后刀面的构成主要有平面、圆锥面、椭圆面和双曲面等多种形式;很多学者在后刀面曲面构成和磨削方式上做了大量的研究工作,而在改变钻头前刀面,即改变螺旋面容屑槽和横向截形方面的研究不多。
本文对整体硬质合金麻花钻横向截形进行了应用研究,设计和制造了S U 、ST 和SH 三种不同钻头的截面轮廓,并进行了切削试验。
结果表明:可以通过改变钻头横截面轮廓来得到不同的刀具几何形状,适用于不同的加工条件。
关键词:整体硬质合金, 麻花钻, 横向截形Application I nvestigation on Drill Cross Section Profile of Solid C arbideHe Y un Lan X iangying Luan ZhenghuaAbstract :Drill cross section profile (DCSP )is a characteristic parameter of drill helix flute form.Drill rake face is consisted of helix flute.There are many types of drill relief sur face ,such as plane and cone and ellips oid and hyperboloid etc.Many investi 2gations on relief sur face types and grinding way are presented.The application investigation on DCSP of s olid carbide is presented.Three different types of S U ,ST ,SH of their DCSP are designed and manu factured.The cutting tests are per formed with them.Re 2sult shows that different cutting edge can be g ot by changing DCSP according to different cutting condition.K eyw ords :s olid carbide , twist drill , drill cross section profile (DCSP ) 1 引言钻削在制造领域内占有十分重要的地位,它是金属切削加工中最重要的工序之一,约占所有金属切削加工工序的33%。
硬质合金性能和检测
进 切 给 削
耐 磨 性
量
速 度 韧 性
YG8
应用范围分类
合金 类别 加工条件 机床—工件—刀具系统刚性特别好和细长件精加 工，高速切削时的精车
性能提高方向
切削性能 合金性能 耐 磨 性
5
钢、铸铁、合金铸铁
进
切 给 削 量
YN
钢及合金 铸铁 YN1 碳素钢、合金钢、工 0 具钢、淬火钢 连续面的精加工，对细长件和表面光洁度要求高 的工件精加工
常用的硬质合金成分
钨钽钴类（WC+TaC+Co）硬质合金（YA在YG类硬质合金的基础上添 加TaC(NbC)，提高了常温、高温硬度与强度、抗热冲击性和耐磨性。 钨钛钽钴类（WC+TiC+TaC+Co）硬质合金(YW) 主要成分是碳化钨、 碳化钛、碳化钽（或碳化铌）及钴。称通用硬质合金或万能硬质合金。 其牌号由“YW”（“硬”、万”两字汉语拼音字首）加顺序号组成，如 YW1在YT类硬质合金的基础上添加TaC(NbC)，提高了抗弯强度、冲击 韧性、高温硬度、抗氧能力和耐磨性。
改善合金的组织结构
超细晶粒合金：碳化物晶粒度小于1μm，同时具有较高的硬度和韧性。 非均质结构合金：将二种不同成分或不同粒度的混合料混和在一起制成的 在显微组织上或成分不均匀的硬质合金，它往往兼有粗晶粒合金的高韧性和 细晶粒合金的高耐磨性，或兼有高钴合金的高韧性和低钴合金的高耐磨性。 超结构合金：通过特殊生产工艺使合金的组织由那些富钴的金属脉连结起 来的定向不等轴碳化钨单晶薄片区域组成，这种合金在遭受反复压缩冲击时 有突出的耐磨性和极高的耐用度。 梯度合金： 成分有梯度变化的合金，导致硬度、韧性呈现梯度变化。 硬质合金的表面硬化技术：涂层技术。
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实验说明
为验证三种槽型钻头的性能，对三种槽型的钻头进行对比 试验。让三种槽型钻头在 切削速度 进给量 1500mm/min 0.15mm/r、 1500mm/min 0.2mm/r、 2500mm/min 0.15mm/r、 2500mm/min 0.2mm/r 四种切削参数下分别加工三种不同材料，这三种材料分别 为HT200（铸铁）、42crmo（合金钢）、 1cr18ni9ti（不锈钢）三种材料，测量扭矩和轴向力。 后面将分析切屑
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Hale Waihona Puke 展望 本论文通过实验来验证三种槽型的性能，希望能够对加
工铸铁、合金钢和不锈钢的企业有所帮助。但是如果要把 螺旋槽研究透彻，还需要大量的工作要做。 随着刀具技术的高速发展，槽型前部的形状也不在局限于 以上所研究的三种，而有了更多的变化，需要后面的工作 者再加以研究。 凹型槽弯曲的趋势也不完全相同，有大有小，可能这也会 有不同的性能，需要再加以研究。
倒棱深度 0.15～0.25 0.25～0.35 0.35～0.45 0.45～0.55 0.55～0.65
φ21～26mm
0.65～0.75
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结论
与直线型、凸型螺旋槽相比，凹型槽在轴向力和扭矩的值 整体上是最低的，切屑的形状也是非常好的，凹型槽在加 工HT200，42CrMo，1Cr18Ni9Ti是比直线型和凸 型好些。但凹型槽的钻头由于径向前角过大，在高进给穿 透工件时容易崩刃。这时就需要在槽型周刃上加工一个保 护倒棱，就是让凹型槽的径向前角为负，这种边缘负角的 设计，可以有效抑制高进给穿透工件时造成的崩刃。
加工测量
2.09 105.5° 4.1 15.24
误差
-0.47% 0.95% 0.59% -0.58%
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7.主切削刃形状
8.三种槽型的切削实验
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机床：美国HASS VOP-D VF5型加工中心主要性能 参数：最高钻速8000rad/mim；功率 20马力；直线 分辨率 0.001mm 测量装置：使用压电式测量仪。该测量仪主要有三个压 电式二维力传感器组成，可测量轴向力力和钻削扭矩。
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9.轴向力对比
10.扭矩对比
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11.切屑对比
加工材料：1Cr18Ni9Ti（不锈钢） 切削速度：62.8m/min 进给量：500mm/min 孔深：20mm 使用设备： 美国HASS VOP-D VF5型加工中心
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2.麻花钻螺旋槽作用
螺旋槽直接形成钻头的前刀面,影响钻头的容屑及排屑能 力,螺旋槽与钻头的后刀面（后刀面为双平面）相交形成 钻头的主切削刃直接控制钻头法前角的大小及分布,从而 直接影响钻头的切削性能。在钻削过程中，钻身承受着钻 削力，从钻孔中排出钻屑，同时随切屑、冷却液及钻身将 切削热挥发出去。
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3.螺旋槽数学模型
螺旋槽数学模型
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4.双平面后刀面数学模型
后刀面数学模型
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5.典型槽型的提出
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6.螺旋槽的测量
凹型槽 中心距 偏心距 螺旋角 软件仿真 芯厚 螺旋槽圆周角 刃背宽 螺旋槽长
2.1 106.5° 4.076 15.33 46 14.2 30°
凸型槽
直线型 槽 凸型槽
-18°
0° 17°
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13.凹型槽的改进
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加工材料：合金钢 切削速度：62.8m/min 进给量：500mm/min 孔深：20mm（通孔） 使用设备：日本牧野数控机床
工件直径 φ2～3mm φ4～5mm φ6～7mm φ8～12mm φ13～20mm
加工材料：42CrMo（合金钢） 切削速度：62.8m/min 进给量：500mm/min 孔深：20mm 使用设备： 美国HASS VOP-D VF5型加工中心
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12.径向前角的定义
8mm直径的测量深度L为0.4-0.5，径向前角对切削的影响，径向 前角的大小影响切屑的形状和大小
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1.选题意义和背景
在当今的汽车制造行业中，孔加工占的比重可达60％以上， 许多零部件都采用各种新型材料来制造。麻花钻的精度、 使用寿命以及加工效率，对机械加工的效率和质量及最终 产品的成本起着至关重要的作用。在麻花钻螺旋槽研究上， 多见槽型成形原理的报道，而对当今常用的三类槽型针对 不同材料在多种切削参数下进行切削实验较少。