钻削技术的研究

第29卷第5期企业技术开发2010年3月_Vol.29 No.5TECHNOLOGICAL DEVELOPMENT 0F ENTERPRISEMar.2010钻削技术的研究陈桂平(湖南涉外经济学院机械工程学部,湖南长沙410082)摘要:钻削是应用最为广泛的机械加工方法。 文章论述了钻削用工具材料的发展与应用,介绍了国内外钻头研究发展状况,并对钻削技术的发展趋势进行了展望。关键词:钻削技术;钻头;综述.中團分类号:G424文献标识码:A文章编号: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.在机械加工制造业日趋发展的今天，钻削依然是应1钻削用工具材料的研究发展用最为广泛的孔加工工艺之一。据国际生产工程学会资19世纪前,机械加工行业使用的刀具材料一直是碳素料,在所有的加工工时中,有22%消耗在孔加工操作上，在某些机械行业中钻孔工序可占总工序量的30%-40%，工具钢。高速钢是19世纪末继高碳钢之后诞生的切削用工在柔性生产线和加工中心上，钻削工序约占加工总时间具材料,直到今天,高速钢仍然占据着重要的位置。硬质合的30%~35%。各国钻头总产最占刀具总产最的60%左金材料则是一种新型刀具材料,其应用还不到一个世纪。右。迄今为止,钻削仍是孔加工中最经济、最高效的方法,硬质合金从20世纪初开始，经历了从形成到发展.在机械、电子等不同生产领域中起着重要的作用。成熟,再到90年代的产品精密化阶段。1923年德国人施在决定钻削的主要因素(机床、钻头、工件)中,钻头律特尔为了提高拉丝模质量，将低熔点铁族金属渗入碳是最活跃的因素,而钻头耐用度的高低、加工精度和加工化钨坯块中，研制成功世界上第一件硬质合金产品从而工件表面质量等，在很大程度上又取决于钻头本身的材开创了硬质合金的新纪元。不久德国柏林的Osram研究料和钻头钻型的合理选择。室的KarlSchroter也发明了钴粘结剂液相烧结碳化钨，当高速钢麻花钻仍在钻削刀具中占绝对优势时,使其最初是用于拉制白炽灯用钨丝的模具材料,但几乎与用新材料.新涂层和新钻型的钻头已层出不穷。而今新型此同时它作为切削刀具的潜能被发掘出来。三、四十年刀具材料特别是硬质合金材料得以广泛地应用，采用硬代，烧结硬质合金对德国战争作出了巨大的贡献,同时由质合金钻头可大大提高钻削效率孔表面质量和精度。同于战争的需要也促进了硬质合金的蓬勃发展。由于当时时新钻型的运用,可大大提高钻头寿命并相应提高孔加工在德国及其占领的欧洲极度缺乏钨，而且人们发现碳化质量,钻型参数的合理选掸可大大降低钻削时的轴向力钨刀具中1 kg的钨比高速钢刀具中1 kg的钨切削金属和钻头所受的扭矩,并能显著提高钻头耐用度。要多得多,而且允许的切削速度也要高得多,这就注定在据CIRP资料,由于刀具材料的不断改进,允许的切可能场合都用硬质合金刀具替代高速钢刀具进行切削。削速度几乎每隔10年提高一倍,由于钻头结构和参数的在1945年后的10余年里,硬质合金多用于采矿,切改进,刀具耐用度几乎每隔10年提高两倍。由此可以看削刀具方面大约只用了1/4,当时硬质合金没有大量用于出,刀具材料和钻头钻型的合理选择以及钻头参数优化切削刀具的一个原因是其比较稀有昂贵。60年代早期,对于钻削的重要意义,特别是性能越来越好的硬质合金随着化学气相沉积涂层的出现，在苏伊士实验室开发出材料在钻削领域应用越来越广泛。所以很大程度上对钻了CVD碳化钛涂层材料,相继物理气相沉积在-些国家削技术的发展研究就是对钻头的材料和结构参数的也中国煤化工起来,迅速占到了世研究。界硬二金的应用也几乎覆盖了:DH. CNM HS质合金的研究开发也收稿日期:2010-01-04作者简介:陈桂平(1975-).男,湖南宁乡人,博士研究生，工程师,讲在不断发展。硬质合金另一个突出的发展趋势是普及硬师,主要从事机械设计理论研究与教学。质合金涂层刀片,涂层硬质合金刀片自1969年投入市场第29卷第5期.陈桂平:钻削技术的研究63以来，在工业发达国家已占据了全部硬质合金刀片的角公式,但所给出横刃斜角不是独立变量,后刀面形状不60%~70%。能唯一。1970年,S.Fuji ,M.F.Devries和S.M.Wu采用割平最近10年,我们可以看到,在成份和显微结构上复面法将钻尖后刀面的三维空间曲面化为二维研究，重新杂化的碳氮化钛基硬质合金,即“金属陶瓷"的使用正日给出了横刃斜角的定义。1978年. W.D.Tsai和S.M.Wu将益增长。涂层硬质合金刀片已由早期的单涂层发展到了钻尖后刀面的三种形式锥面、椭球面、双曲面统.一成二次双涂层、三涂层以至多涂层,如瑞典山德维克公司最新涂曲面的标准方程,并给出几何参数的计算公式,但并没有层刀片GC3015、美国肯那曼特公司KC910都是双涂层提出其刃磨方法，而钻尖数学模型的建立是与其刃磨方(TiC-Al2O3),联邦德国的Widalon 刀片有13涂层。这些法分 不开的。两年后,EJA.Amarego指出锥面. 平面和圆材料的应用也促进了机加工行业的高速和大进给量加工柱面中以锥面后刀面为最佳.。1983年，南非S.Kaldor,K.的发展。Moore ,T.Hodgson采用给定磨削参数范围用穷举法求解随着切削加工要求的不断提高,自1968 年瑞典可乐.钻尖后刀面的方程,这种方法费时.内而不可能应用于实满J研制成功超细晶粒硬质合金RIP后,这种高硬度、高际刃磨过程的计算。1985年,湖南大学的林丞和曹正铨.强度的材料受到了各硬质合金生产家和研究机构的重采用最优化方法在计算机上快速求解刃磨参数,从而为视,1969年，日本住友电气公司研制的AF1的超细晶粒实现数控机床肖接刃磨出任意指定钻头结构参数的钻尖硬质合金,其WC晶粒在0.2~0.3 um之间,其抗弯强度奠定了基础。1986年林承和曹正铨进一步指出锥面后刀高达4900 MPa,硬度HRA高达93。1970年前苏联推出了面上尾隙角是后刀面的最佳补充几何参数。1990年林丞BK6--6M.BK10-0M.BK15--0M超细硬质合金。到1984年,和曹正铨建立了群钻数学模型与机床坐标系的关系,从住友电气公司通过特殊的两阶段还原法生产出了粒度小而在数控机床上第一次实现了群钻的自动刃磨。1991于0.5μm的WC粉,并由此获得Co含量12%,硬度93HRA,年,曹正铨、龙腾辉用横刃前角作为补充参数,建立了螺强度高达5000N/mm2的AFI合金，用其制成的钻头在旋面钻尖的数学模型,从而进-.步简化了机床结构。1994印刷电路板钻孔中获得极好效果，耐磨性和孔位置精度年，湖南大学胡思节建立了双边非对称分屑槽群钻的数比以往钻头都有很大提高,进给速度提高了4倍以上,而学模型,为其实现在数控机床上的刃磨奠定了理论基础。且有良好的抗折断性能。1999年5月,Sandvik在新闻发1999年湖南大学周志雄、袁建军.林承建立了非共轴螺布会上隆重推出了晶粒度为0.2 μm的新型纳米硬质合旋面钻尖的数学模型,并得到了给定刃磨参数下钻尖的计金PN90，从而在国际上开创了工业规模生产晶粒度为算机仿真结果。0.2μm的纳米硬质合金的先河。钻削加工是在半封闭状态下进行的,排屑、冷却、润最近几年又研究发展了新结构硬质合金,如Sandvik滑、观察和测试等均比其它切削方法要困难得多,随着工推出的双相结构梯度硬质合金,简称DP(Dual phase)合业技术的飞速发展，被钻削的金属材料和非金属材料已金,突破了传统的思维方式,成功地解决了硬质合金作为多达数万种,其中不少材料的硬度、强度和韧性都很高，钻削刀具时耐磨性与韧性难以同时兼顾的矛盾，使其使对钻削加工要求日益严格。在有些机械加工.企业中钻削用寿命得到显著提高。加工已成为关键性工序,世界许多工业发达国家不惜耗费巨资、投入大量人力物力,采用最先进的技术和手段,2国内外钻头研究发展状况不遗余力地深入研究钻削机理.钻削加工的新方法、新的钻头在机械加工行业的应用最初是从麻花钻开始钻头结构.钻头切削刃形状等。人们在理论上探讨钻头的的。麻花钻是一种形状比较复杂的孔加工刀具,自其诞生数学模型及刃磨方法的同时,世界上各刀具、材料厂商也的100多年来,虽然它的结构形状变化不是很大,但结构相继推出了不少钻型，特别是世界上几大硬质合金厂都参数却一直在不断完善,刀具材料也在不断革新和改进,推出了自己的钻头。其钻型主要有:高速钢麻花钻性价比高的孔加工刀具，至今仍然是孔加①整体硬质合金钻头。如日本东京钨业公同生产的工中应用较为广泛的一种刀具。VH型.RH型及CDS型整体硬质合金麻花钻头，钻头真20世纪50年代以后,钻头结构参数不断改进,相继径从00.1~1.5 mm。整体硬质合金的另一种结构是三刃研究出了-些新的钻型.如1953年我国倪志福同志革新钻,是由瑞士Malter Maier 公司生产的,该钻头3条士刃麻花钻新钻型,在钻尖上磨出月牙形凹圆弧刃等,并发明相对于钻轴成120。对称分布三条横刃的交点与钻头轴了群钻。这种钻型成为后来出现的众多钻型中的佼佼者。心重合,可以避免二刃钻的回转振动.从而可以提高钻削与此同时,由于计算机的发展和应用,对钻头的数学中国煤化工模型的研究日趋成熟,人们开始了对钻头数学模型的研三菱金属矿业株式会究。1957年,Galloway推导了普通麻花钻钻尖的数学模社的YHCNMHG而厚的整体式刀片型,他分析了麻花钻主刃附近的几何形状,给出了后角的精确固定在刀体上,刀片上压有断屑槽及相错的分屑槽，定义和测量方法，推导了钻沟螺旋角的方程和主刃前后切削液可通过刀体上的两个输油孔输送到切削刃口,并._64企业技术开发2010年3月将切削沿螺旋形容屑槽推出，加工效率为高速钢麻花钻润滑性。发展微晶硬质合金钻头,提高钻尖的抗压碎性。的3~5倍。②发展更先进的钻头夹具系统。要想获得满意的加③硬质合金可转位浅孔钻。1975年，硬质合金可转工效果,夹持钻头的夹具性能至关重要 。如果钻夹具达不.位浅孔钻头作为专用工具“钢轨钻头"在市场上首次出到所要求的刚性 ,即使获得了驱动钻头的功率,也不能进现,是继60年代喷射钻取得成功后的又- -新突破。硬质行 有效的切削。合金可转位浅孔钻一般长径比小于4,切削速度可高达③钻削过程建模成为研究热点。影响钻削过程的各300m/min,进给速度可达995mn/min,刀片不需刃磨,效种因索.包括钻头几何结构、制造和安装误差.物理特性率可比高速钢麻花钻高10倍以上,具有代表性的有德国(静态和动态特性)、切削条件 、环境温度、工件尺寸和材Hertel公司的Dill-Fix钻头,Krupp公司的WidaxBW钻料等都将逐步纳入建模研究的范围,各种钻型、切削条件头，美国Kennametal Inc公司的Kendex/metcut 钻头。1979和钻削 工艺有关的钻削力，钻削温度、钻头磨损与寿命、我国成都工具研究所也开始对其研究，并于次年试制成切屑变形 与排出、钻削质量.钻削效率和钻削成本等都将四边形和凸三边形两种结构的硬质合金钻头，该钻头可成为钻削过程建 模的对象,建模方法将更加多元化,模型比高速钢提高效率两倍，提高寿命1倍。预报的准确性将进一步提高，钻削模型将不仅用于仿真④焊接式硬质合金钻头。如日本细井公司生产的Di-和预报,而且将更多地用于指导钻头设计、制造和钻削过jet钻头,三菱株式会社的无横刃钻头等都是焊接式硬质程 的优化与监控。合金钻头,其特点是没有横刃,两个输油孔可将冷却液输④钻头的几何设计和制造方法仍将是研究的重点。送到切削刃口。适合于加工各种材料和加工条件的新钻型将继续涌现,⑤新型硬质合金群钻。进入90年代后各硬质合金厂适用于微机械制造和印刷电路板制造的微型钻头的研究商更是不断推出设计新颖、科学的硬质合金钻头,日本黛将走向深入。钻头制造方法的研究将向集成制造系统的杰工业公司开发了一种具有独特切削刃和钻沟形状的方向发展.钻头特别是群钻的自动刃磨问题将得到解决，DDS型Sigma钻头,其刚性高，独特的钻沟形状使其排屑并会特别注重设计与制造的一体化、自动化和智能化。流畅,并能控制刀屑的形状,能确保切削液顺利到达切削⑤钻削机理的研究将逐渐受到重视。钻头与钻削过区域,使钻头切削刃得到充分的冷却与润滑,切削刃的温程研究越来越需要钻削机理研究的支持,钻削机理研究是升小，能长时间进行稳定的钻孔加工。制约钻头与钻削工艺研究的瓶颈;钻削是最为复杂的切削此外,人们还研制出了S刃钻尖、细颗粒硬质合金钻加工过程之-,而关于切削原理的基础研究必然会从相对头、陶瓷钻头、超硬刀具材料钻头等,S-Cut 钻头、E钻简单的车削加工研究向更复杂的钻削加工研究过渡。头、F1钻头、BEAM钻头等都是新近研发出来的新型硬质合金钻头。Sandvik公司研制的双硬质合金钻头更是具参考文献:.有两种不同类型硬质合金的特性,在钻头中心,理论上切削速度为零,坚固而富钴的硬质合金承受着与非常低的[1] 夏伯雄.钻孔技术的新发展[).机电工程技术,002,31(6);:切削速度相关的振动;而在钻头四周边缘是坚硬的高强3-4.度硬质合金和耐磨涂层。随着制造业的需求和科学技术[2] Tonshoff HKL,Sointing. W .Konig W., Neises A.Machining of的不断发展，新型钻头还会不断涌现,现阶段硬质合金钻holes - developments in driling technology [J.CIRP AnnalsManufacturing Technology , 1994 ,43(2):551-561.头钻削中的各种问题随必定会引起人们的重视。[3]李合琴,尤显卿.国外刀具行业产晶概况[].五金科技.1996,.3钻削技术的发展趋势24(3):7-10,16.20年前,整体硬质合金钻头的典型切削速度为60~[4]胡地,万美珍.刀具材料的现状和发展[J.武汉化工学院学报，1997, 19():54-57.80 m/min。如今,在机床能够提供足够的功率、稳定性和[5]张立.国内外硬质合金研究与发展动态[]有色金属工业，冷却液输送能力的条件下，采用200 m/min的切削速度2001 , (10):25- -26.钻削钢件已不足为奇。尽管如此,与车削或铣削加工的一[6] Tsai W.D,Wu S.M. A Mathematical model for drill point de-般切削速度相比，钻削加工在加工效率上还有很大的提sign and grinding[J.ASME Jourmal of Engineering for Industry,高潜力。此外,为了充分发挥现代硬质合金基体和表面涂1979,(101):330- -340.层的优异性能，就必须对钻头的几何参数和钻型进行优化[7] 曹正铃，龙腾辉螺旋面钻尖的数学模型J.湖南大学学报设计,必须根据加工用途对钻尖钻尖角、刃带形状、切削中国煤化工刃制备,排屑槽型排屑槽和刃带的数量等进行合理调整。[8]陈技术的发展[].世界有①发展新型的钻头设计制造技术。如发展具有加工色I:YHCNMHG灵活性的快换钻头;根据钻头的切削性能要求,可变混合[91 任光治.麻花钻s刃钻尖的特点及其应用I.工具技术，2001.硬质合金钻头内部的材质成分，使之具有足够的刚性和(35):25-27.