鉆頭與鉆削研究的歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

/鉆頭與鉆削討論的歷史、現(xiàn)狀與進展趨勢人類認得和使用鉆頭的歷史可以上溯到史前時代。燧人氏“鉆木取火”所使用的石鉆，可以看作最原始的鉆頭?，F(xiàn)代工業(yè)加工中廣泛使用的麻花鉆（俗稱鉆頭），是一種形狀多而雜的實工件孔加工刀具，誕生于一百多年前。現(xiàn)在，全世界每年消耗的各類鉆頭數(shù)以億計。據(jù)統(tǒng)計，在美國的汽車制造業(yè)，機械加工中鉆孔工序的比重約占50%；而在飛機制造業(yè)，鉆孔工序所占的比重則更高。盡管鉆頭的使用如此廣泛，但眾所周知，鉆削加工也是最多而雜的機械加工方法之一。正由于如此，人們一直致力于鉆頭的改進和鉆削過程的討論。本文依據(jù)所能得到的英文文獻資料，對兩溝槽麻花鉆的有關技術問題及鉆削討論的歷史、現(xiàn)狀和進展趨勢進行綜述。1.討論的重要領域和技術問題近幾十年來，人們關于鉆頭和鉆削的討論除了鉆頭制作材料的改進以外，重要集中在以下五個方面：①鉆頭數(shù)學模型和幾何設計討論：包括螺旋溝槽、后刀面、主刃和橫刃數(shù)學模型的建立，橫向截形與鉆尖結構參數(shù)的優(yōu)化，切削角度（分布）的計算與掌控，鉆頭結構的靜態(tài)和動態(tài)特性分析，鉆尖幾何形狀與切削和排屑性能關系的討論。②鉆頭制造方法討論：包括鉆頭幾何參數(shù)與后刀面刃磨參數(shù)之間關系的建立與優(yōu)化，鉆頭制造精度和刃磨質量的評價與制造誤差的測控，鉆頭螺旋溝槽加工工具截形的設計計算，鉆頭加工設備特別是數(shù)控磨床與加工軟件的開發(fā)等。③鉆削過程與鉆削質量討論：包括影響鉆削過程的各種因素及顯現(xiàn)的各種物理現(xiàn)象的分析、建模與監(jiān)控（如鉆削力、切削刃應力和溫度分布的測量、建模和預報）；鉆頭磨損、破損機理與鉆頭壽命的討論；鉆頭的變形、偏斜、入鉆時的打滑和鉆尖搖擺現(xiàn)象的討論；鉆削工藝（如振動鉆削、高速鉆削、深孔鉆削、鉆削過程的穩(wěn)定性等）與鉆削質量（孔的位置精度、直線度、表面粗糙度、圓柱度、直徑、孔口毛刺等）的討論。④鉆削機理與各種高性能鉆頭（如群鉆、槍鉆、干切削鉆頭、微孔、深孔鉆頭、長鉆頭、可轉位鉆頭、合成材料加工用鉆頭、木工鉆頭、多螺旋槽鉆頭等）的討論。⑤鉆削過程模型驗證和鉆頭性能評估過程的自動化，切削條件及鉆頭形狀選用數(shù)據(jù)庫和學問庫的建立等。目前，最具活力的討論領域是鉆頭數(shù)學模型、幾何設計和制造方法（設備）的討論，鉆削過程建模與鉆削質量的討論等。2．鉆頭數(shù)學模型與幾何設計討論2．1鉆頭的數(shù)學模型建立鉆頭的數(shù)學模型是對鉆頭進行幾何設計、制造、切削性能分析和對鉆削過程進行建模的基礎。第一個鉆頭數(shù)學模型由GallowayDF于1957年提出。他推導了直線刃鉆頭前刀面的參數(shù)方程，給出了主刃前、后角和橫刃斜角的定義、計算公式和測量方法，提出了“把鉆頭后刀面作為鉆頭在刃磨過程中與砂輪相互作用后形成的磨削錐的一”的觀點。20世紀70時代初期，F(xiàn)ujiiS等人對GallowayDF提出的模型進行了進一步討論，提出采納割平面法，將三維空間曲面后刀面化為二維平面曲線進行分析，并開發(fā)了一個麻花鉆計算機輔佑襄助設計程序。1972年，ArmaregoEJA和RotenberyA發(fā)覺：后刀面錐面刃磨法有4個獨立的刃磨參數(shù)，而一般給出的鉆尖幾何參數(shù)只有3個，因此不能唯一確定鉆尖后刀面形狀和刃磨參數(shù)。為此，他們提出用后刀面尾隙角作為補充幾何參數(shù)，以獲得刃磨參數(shù)的唯一解。1979年，TsaiWD和WuSM證明：錐面鉆頭、Racon鉆頭、螺旋鉆頭和Bickford鉆頭等的后刀面都可以用二次曲面來表示，并提出了表示鉆頭幾何形狀的綜合數(shù)學模型，該模型可用于掌控刃磨過程。1983年，RadhakrishnanL等人提出了十字鉆尖鉆頭后刀面的一個數(shù)學模型。他們將后刀面分為第一后刀面和第二后刀面：對第一后刀面，以Tsai模型為基礎，建立了一個改進的錐面模型；對第二后刀面，建立了一個平面模型。FugelsoMA則提出了圓柱面鉆尖的數(shù)學模型。1985年，F(xiàn)uhKH等人建立了一個用二次曲面表示的鉆頭后刀面數(shù)學模型，以便用計算機將其設計成橢球面、雙曲面、錐面、圓柱面或它們的任意組合。長期以來，人們一直將麻花鉆的主刃設計為直線。1990年，F(xiàn)ugelsoMA發(fā)覺，由于要求錐面麻花鉆的主刃為直線，使靠近鉆芯處的主刃后角變得過小，假如在刃磨之前，將鉆頭繞自身軸線旋轉5～10，就可以解決這一問題，只是主刃將變得微微彎曲。同年，WangY將主刃看作曲線，利用多項式插補方法建立了鉆頭螺旋前刀面的幾何模型。1991年，LinC和CaoZ提出了一種適合于直線和曲線刃，采納錐面、柱面和平面后刀面的麻花鉆綜合數(shù)學模型。1999年，RenKC和NiJ提出用二項式表示任意形狀的主刃曲線，鉆頭前刀面采納新的數(shù)學模型，并用向量分析方法，建立了二次曲面后刀面的刃磨參數(shù)與幾何參數(shù)之間的關系。2.2鉆頭的結構優(yōu)化由于廣泛使用的錐面麻花鉆的切削性能并不理想，人們一直致力于對其結構（參數(shù)）和刃磨方法進行改進，先后提出了200多種互不相同的鉆頭形狀，以改善其切削性能。其中，ShiHM等人提出了通過更改主刃走向掌控主刃前角分布的方法，并于1990年開發(fā)出訪鉆頭主刃上各點前角均達到可能的最大值的曲線刃麻花鉆。1987年，LeeSJ在考慮鉆頭偏斜的條件下，以除去鉆削過程中鉆尖的搖擺現(xiàn)象為目標，提出了對鉆頭結構進行優(yōu)化設計的方法。1995年，SelvamheSV和SujathaC在討論麻花鉆的變形時，用有限元方法對鉆頭幾何形狀進行了優(yōu)化，得出的使鉆頭變形最小的結構參數(shù)優(yōu)化值（鉆頭直徑25mm）為：螺旋角39.776，橫刃斜角=54～80，鋒角120。1997年，ChenWC提出了一種特別截形的厚鉆芯麻花鉆，既具有充足的扭轉剛度，又具有合理的主刃和橫刃前角分布。2023年，PaulA等人為確保優(yōu)化鉆頭的可加工性，提出了一種基于刃磨參數(shù)的新鉆尖模型，并用它對錐面鉆尖、Racon鉆尖和螺旋面鉆尖進行了優(yōu)化，以使其切削力達到最小。2.3螺旋溝槽截形和加工工具截形的計算1975年，DibnerLG提出了一種可以簡化磨削螺旋溝槽砂輪截形計算、提高溝槽加工精度和完全排出砂輪直徑變化影響的方法。1990年，EhmannKF提出了一個基于微分幾何和運動學原理的求麻花鉆螺旋溝槽加工工具截形的方法。1998～2023年，KangDC和ArmaregoEJA對螺旋溝槽加工的“正問題”和“反問題”（“由溝槽截形求工具截形”和“由工具截形求溝槽截形”）進行了討論，提出了直線刃麻花鉆螺旋溝槽設計和制造的計算機輔佑襄助幾何分析方法。2.4關于群鉆與微型鉆頭的討論1982年，ShenJ等人建立了群鉆的第一個數(shù)學模型。利用該模型，人們可以多次重復地磨制群鉆。1984年，ChenL和WuSM對9種典型群鉆進行了討論，改進了群鉆的數(shù)學模型，為群鉆的計算機輔佑襄助設計供給了可能。1985年，HsiaoC和WuSM提出了用計算機對群鉆進行輔佑襄助優(yōu)化設計的實在方法。1987年，F(xiàn)uhKH提出了一種利用綜合二次曲面模型和有限元方法設計和分析群鉆的方法。LiangEJ則提出了一個基于學問庫技術的群鉆刃磨CAD/CAM集成系統(tǒng)。1991年，LiuTI采納一種兩階段策略設計和優(yōu)化了一種加工機軸注油孔用群鉆。1994年，HuangHT等人推導了群鉆切削刃的工作法后角和法前角的公式，提出了考慮內(nèi)刃和圓弧刃之間過渡區(qū)的群鉆精準明確幾何模型。2023年，WangGC等人應用一種傾斜立體塊方法，建立了群鉆新的數(shù)學模型，解決了已有模型存在的橫刃幾何形狀不確定的問題，保證了所設計群鉆的可加工性。1992年開始，LinC、KangSK、EhmannKF和ChyanHC等人構成的討論小組對微型鉆頭進行了系統(tǒng)討論。1992年，他們建立了平面微型鉆尖的數(shù)學模型，提出了相應的刃磨方法。1993年，他們又提出了螺旋面微型鉆尖的數(shù)學模型和刃磨方法，并發(fā)覺螺旋面微型鉆尖在幾何方面和切削性能方面均優(yōu)于常用的平面微型鉆尖。1997年，他們指出：螺旋面微型鉆尖與平面微型鉆尖相比，具有兩個方面的優(yōu)點：①在同樣的工作切削角度分布條件下，可以允許更大的進給量；②刃磨方法更簡單，且不易受刃磨誤差的影響。2023年，他們制造出加工微孔用曲線刃形螺旋后刀面系列鉆尖。3.鉆削力建模的討論3.1鉆削力建模的歷史在過去的幾十年中，人們報道了很多預報鉆削力的方法，其中絕大是用于標準麻花鉆的。由于缺乏先進的計算機和測量設備，早期的討論重要集中在建立簡單的閱歷性扭矩和軸向力模型上，模型參數(shù)就是鉆頭的幾何參數(shù)（如鉆頭直徑）和切削用量，建模方法是通過大量的切削試驗，用統(tǒng)計方法擬合出鉆削力的閱歷公式。用分析方法建立的鉆削力模型是隨著人們對切削過程認得的深入而漸漸顯現(xiàn)的。1955年，Oxford用顯微照片記錄下鉆頭主刃和橫刃的切屑變形過程，并通過試驗發(fā)覺：鉆削過程中，在鉆尖上存在三個重要的切削區(qū)域，即主刃切削區(qū)、第二切削刃（橫刃）切削區(qū)和鉆芯相近的刻劃區(qū)。稍后，ShawMC和OxfordCJJr證明白橫刃在鉆削加工中的緊要性，由于它產(chǎn)生了50%～60%的軸向力。1966年，CookNH提出了一個用半分析法推導鉆削力公式的方法。ShawMC（1962、1984年）在對切屑變形機理進行深入討論的基礎上，提出了鉆頭主刃的切屑變形模型。WilliamsAR（1974年）提出了一個基于單點刀具二維切削模型的鉆頭主刃切削力模型，并確定了鉆頭刻劃區(qū)的直徑。ArmaregoEJA（1972年）應用斜角切削理論，提出了平面鉆尖切削力預報模型。WiriyacosolS（1979年）等人依據(jù)切屑變形的薄剪切區(qū)（剪切平面）理論，將鉆頭主刃和橫刃看作一系列與切削條件有關的單元斜角或直角切削刀具的組合，通過累加這些單元刀具的切削力來預報鉆削力，即單元刀具線性綜合法。在剪切平面理論的基礎上，OxleyCJJr（1959、1962年）、ArmaregoEJA（1972、1979年）和WastonAR（1985年）分別建立了不同的鉆削力模型；StepensonDA（1988、1989年）提出了計算鉆削力的數(shù)學方法。3.2鉆削力建模的進展對于鉆削力建模的討論是隨著人們對各種新型鉆頭和鉆削工藝的開發(fā)而不斷深入的。WuSM等人在建立群鉆切削力模型方面做了大量工作。其中，LeeSW（1986年）和FuhKH（1987年）以工作切削角度為準，對主切削刃使用斜角切削模型，對第二切削刃使用直角切削模型，建立了群鉆的切削力模型；HuangHT（1992年）等人提出了一個用一般麻花鉆的力學模型預報群鉆軸向力和扭矩的方法。ArmaregoEJA和ZhaoH（1996年）建立了薄鉆芯標準麻花鉆、薄鉆芯多溝槽鉆和圓弧中心刃麻花鉆切削力預報模型。BhatnagarN（2023年）等人討論了用4種不同的鉆尖鉆削各向異性纖維補強復合材料時工件的非預期損壞，建立了鉆削軸向力和扭矩的模型。SahuSK（2023年）等人提出了帶斷屑槽錐面麻花鉆的切削力預報模型，該模型用具有四種不同斷屑槽的鉆頭進行標定，可適用于具有任意斷屑槽形狀的鉆頭。ElhachimiM（1999年）綜合應用直角和斜角切削模型建立了高速切削鉆頭的切削力模型，在轉速為4000～18000r/min、進給量為0.12～0.36mm/r時，試驗結果與模型預報值一致。WangLP（1998年）等人提出通過對構成主刃和橫刃的單元刀具的振動分析得到整個鉆頭的動態(tài)力學特性，并據(jù)此建立了振動鉆削過程中動態(tài)軸向力和扭矩的預報模型。隨著討論的不斷深入，討論人員發(fā)覺，由于結構的差異，過去已經(jīng)建立的力學模型不能適用于新的鉆型。為此，StepensonDA（1992年）采納一個用大量車削試驗標定的單元刀具斜角切削力模型，建立了用任意刃形硬質合金或鑲嵌硬質合金鉆頭鉆削灰鑄鐵時的主刃扭矩、軸向力和徑向力預報模型。LinGC（1982年）和WatsonAR（1985年）指出，對鉆削扭矩和軸向力的低估是由于排屑干涉，這一發(fā)覺最后導致了單元刀具非線性綜合法的產(chǎn)生，也使用分析方法建立多而雜刃形鉆頭的切削力模型成為可能。WangJL（1994年）討論了切削過程中的排屑干涉，應用單元刀具非線性綜合法，建立了基于閱歷性單元刀具斜角切削力模型的任意刃形鉆頭的切削力模型。鉆頭的基本幾何形狀以外，鉆削過程中的很多因素都會對鉆削力產(chǎn)生影響。1996年，ChandrasekharanV等人考慮了鉆頭的制造和刃磨誤差如兩主刃的等高性、半徑誤差、軸向偏斜等的影響，建立了錐面鉆頭完整的三維切削力模型，隨后又將其拓展到預報任意形狀鉆尖鉆頭（如群鉆）的切削力。SriramR在考慮了鉆頭刃磨和安裝誤差對鉆削力影響的條件下，建立了預報鉆削徑向力的模型。2023年，GongYP和EhmannK建立了一個綜合考慮到鉆頭幾何特性、刃磨和安裝誤差以及鉆頭偏斜對主刃和橫刃動態(tài)切削厚度和切削面積影響的微孔鉆頭軸向力、扭矩和徑向力模型。3.3鉆削力建模方法隨著科技的進步，建立預報鉆削力模型的方法也在不斷進展。1997年，IslamAU和LiuMC提出了用人工神經(jīng)網(wǎng)絡預報群鉆軸向力和扭矩的方法，其訓練用數(shù)據(jù)直接從文獻資料中提取。2023年KawajiS等人也提出了一種用神經(jīng)網(wǎng)絡模型估量和掌控鉆削軸向力的方法：①離線構建一個軸向力神經(jīng)網(wǎng)絡模型；②以該模型為基礎，通過在線最小二乘法訓練，建立一個模擬神經(jīng)掌控器；③將經(jīng)過訓練的神經(jīng)掌控器應用于鉆削系統(tǒng)，得到軸向力。1999年，ChenY應用有限元方法分析具有刃口圓弧半徑刀具的斜角切削過程，建立了一個用有限次任意刃形鉆頭標定的任意刃形鉆頭鉆削力模型。2023年，StrenkowskiJS等人用一個歐拉