CN101062525A - 一种全螺旋面钻尖钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全螺旋面钻尖钻头，钻尖后刀面是一螺旋面，此螺旋面轴线与钻头本体轴线相交的角度为10°～45°。所述的钻头除满足三个设计参数即钻尖半角、横刃斜角及外缘转点结构圆周后角外，还满足后刀面区域的尾隙角几何参数，在后刀面上选定点b，则主切削刃上存在与点b半径相同的一点a，b点的尾隙角的正切值等于a、b两点的Z坐标差值与a、b两点弧长之比值，假定“a”、“b”距钻头中心为r，则“b”点处的后刀面尾隙角为：，该钻尖后刀面尾隙角取8°～20°。本发明是一种能合理控制钻尖的角度分布；钻尖后刀面与被加工孔的底部不易发生干涉，既适用于普通钻头，也适合于微小钻头，且易于对其微小钻头进行横刃修磨的全螺旋面钻尖钻头。

Description

一种全螺旋面钻尖钻头

技术领域

本发明涉及一种钻头，特别是涉及一种全螺旋面钻尖钻头，此全螺旋面钻尖既适用于普通钻头，也适合于微小钻头。

背景技术

钻削加工是制造工业中应用最广泛的机械加工方法之一。迄今为止，它仍是孔加工中最经济、最高效的方法。钻削过程中用的刀具即钻头，根据其钻尖后刀面廓形的不同，可以分为锥面、平面、椭球面、圆柱面等钻尖形式；而钻尖形状的微小变化都将对其切削性能产生非常大的影响。目前，平面钻尖不仅应用于大钻头中，而且国际上商用微钻头均是采用平面钻尖，但这种钻头钻型有许多不足：不能合理控制钻尖的角度分布；钻尖后刀面与被加工孔的底部易发生干涉等。为了克服平面钻尖钻头的不足，本发明提出了一种既适用于普通钻头，也适合于微小钻头的全螺旋面钻尖钻头。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能合理控制钻尖的角度分布，特别是钻尖后刀面角度的分布；钻尖后刀面与被加工孔的底部不易发生干涉的既适用于普通钻头，也适合于微小钻头的全螺旋面钻尖钻头。

为了解决上述技术问题，本发明提供的全螺旋面钻尖钻头，包括钻头本体及其钻尖，所述的钻尖的后刀面是一螺旋面，此螺旋面的轴线与钻头本体的轴线相交成一角度，此角度为10°～45°。

所述的钻头除满足三个设计参数即钻尖半角、横刃斜角及外缘转点结构圆周后角外，还满足后刀面区域的尾隙角几何参数，该尾隙角几何参数，在后刀面上选定点b，则主切削刃上存在与点b半径相同的一点a，b点的尾隙角的正切值等于a、b两点的Z坐标差值与a、b两点弧长之比值，假定“a”、“b”距钻头中心为r，则“b”点处的后刀面尾隙角为：

${\mathrm{\α}}_{h,b}^r={\tan }^{-1}\left(\frac{360h}{2\mathrm{\πr\Ω}}\right)={\tan }^{-1}\left[\frac{360(Z_a-Z_b)}{2\mathrm{\πr}({\mathrm{\Ω}}_a-{\mathrm{\Ω}}_b)}\right]$

为了防止钻头在钻削过程中后刀面与被加工孔的底部发生干涉，可选用大的后刀面尾隙角；钻尖半角直接关系到主刃偏角的大小，影响到主切削刃的长度，单位刃长的切削负荷，切削层中切削宽度与切削厚度的比例，切削力中轴向力与切向力的比例，主切削刃前角的大小，切削形成与排屑的情况以及外缘转点的散热条件等，因此针对具体加工情况，选用的钻尖几何参数也不同；横刃斜角越小，则切削刃上各点的后角增大，横刃长度越长，处于负前角切削状态，切削抗力越大，钻头的负荷越大，极易导致钻头折断；结构圆周后角影响到钻头结构后角的大小，对钻削性能有一定的影响。

根据被加工工件材料的不同，选用的钻尖各几何角度也不同。全螺旋面钻头钻尖后刀面尾隙角取8°～20°；钻尖半角取50°～75°；用于普通钻头的横刃斜角一般取40°～65°，而用于微钻头，进行横刃修磨前的横刃斜角一般取65°～85°；结构圆周后角一般取8°～20°。

在所述的钻尖的螺旋面的尾隙部分形成有一个平面，即第二后刀面F₃和F₄。

采用上述技术方案的全螺旋面钻尖钻头，由于其钻尖为全螺旋面，即整个后刀面为连续的螺旋面，其轴线与钻头自身的轴线相交成一角度；其钻头后角分布合理，切削性能好；其刃磨方法简单，刃磨误差源少；此全螺旋面钻尖既适用于普通钻头，也适合于微小钻头；且全螺旋面钻尖微小钻头在其钻尖处易于进行横刃修磨。引入后刀面的尾隙角后，就能够准确地描述主切削刃及整个后刀面的几何特征，其后刀面上的尾隙角及主切削刃上的后角得到了合理的控制，控制后刀面尾隙角的值就可以防止钻削过程中，钻头后刀面与孔底发生干涉。横刃呈“S”形，定心能力强；横刃的前角加大，轴向抗力小，切入平稳，因而入钻性能好，克服了平面钻尖钻头的不足，为机械钻削加工领域提出了一种钻削性能更好的既适用于普通钻头，也适合于微小钻头，且易于对其微小钻头进行横刃修磨的钻头形式。

综上所述，本发明是一种能合理控制钻尖的角度分布；横刃形状分布合理；钻尖后刀面与被加工孔的底部不易发生干涉，既适用于普通钻头，也适合于微小钻头，且易于对其微小钻头进行横刃修磨的全螺旋面钻尖钻头。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是钻尖半角定义示意图。

图2是横刃斜角定义示意图。

图3是结构圆周后角α_fa定义示意图。

图4是后刀面尾隙角α_h，b ^r定义示意图。

图5是全螺旋面微小钻头钻尖后刀面刃磨关系图。

图6是修磨横刃后的全螺旋面钻头钻尖端面示意图。

图1中，1——钻头主切削刃；2——前刀面；C——外缘转点；F₁——一侧后刀面；ρ——钻尖半角。

图2中，F₁和F₂——后刀面，图(b)为图(a)中A区局部放大视图，其中ψ——横刃斜角。

图3中，(b)图为(a)图中的B-B剖视图，α_fa——结构圆周后角：在经过主切削刃上任意点“a”且垂直于钻头半径的平面内，钻头轴线的垂直平面和该点处后刀面的切平面所成的锐角。

图4中，(b)图为(a)图中的A-A剖视图，α_h，b ^r——后刀面尾隙角：在后刀面上选定点b，则主切削刃上存在与点b半径相同的一点a，b点的尾隙角的正切值等于a、b两点的Z坐标差值与a、b两点弧长之比值。

图5中，1——钻头；2——砂轮；3——螺旋面轴线；Φ——钻头轴线与螺旋面轴线相交的角度；X^*Y^*Z^*——螺旋面后刀面坐标系；XYZ——钻头坐标系；H——螺旋面的螺距。

图6中，F₁和F₂——第一后刀面，F₃和F₄——第二后刀面。

具体实施方式

参见图5，全螺旋面钻头钻尖的后刀面由连续的螺旋面组成，钻尖的后刀面是一螺旋面，此螺旋面的轴线与钻头本体的轴线相交成一角度Φ，此角度Φ为10°～45°，刃磨几何关系如图5所示，根据后刀面刃磨参数调整好砂轮和钻头相对位置之后，砂轮固定，钻头绕Z^*轴旋转的同时，沿Z^*轴作直线运动形成螺距为H的全螺旋面钻头钻尖后刀面；或者钻头固定，砂轮绕Z^*轴旋转的同时，沿Z^*轴作直线运动形成螺距为H的全螺旋面钻头钻尖后刀面。

目前有关钻尖的设计标准、手册中，钻尖几何参数一般是三个：即钻尖半角ρ(见图1)、横刃斜角ψ(见图2)及外缘转点结构圆周后角α_fc(见图3)，它们的计算方法如下：

1、钻尖半角ρ

在X-Z平面内，外缘转点C处由前刀面F₅和后刀面F₁相交而形成的主切削刃的切线的斜率记为ξ，则：

$\mathrm{\ξ}={\left[\frac{\∂z}{\∂x}\right]}_C={\left[\frac{\frac{{\∂F}_1}{\∂x}\frac{{\∂F}_5}{\∂y}-\frac{{\∂F}_1}{\∂y}\frac{{\∂F}_5}{\∂x}}{\frac{{\∂F}_5}{\∂z}\frac{{\∂F}_1}{\∂y}-\frac{{\∂F}_5}{\∂y}\frac{{\∂F}_1}{\∂z}}\right]}_c---\left(1\right)$

式中下标“C”表示是在外缘转点处计算， 表示对螺旋槽方程F₅求对x、y、z的偏导数。则钻尖半角为：

$\mathrm{\ρ}={\tan }^{-1}[-\frac{1}{\mathrm{\ξ}}]---\left(2\right)$

2、横刃斜角ψ

分别表示后刀面方程F₁、F₂求对x、y、z的偏导数。横刃斜角ψ是在垂直于钻头轴心线的平面内，横刃在钻尖中心处的切线与X轴所夹的锐角。其值可用下式计算：

$\mathrm{\ψ}={{\tan }^{-1}\left[\frac{\∂y}{\∂x}\right]}_O={{\tan }^{-1}\left[\frac{\frac{{\∂F}_1}{\∂z}\frac{{\∂F}_2}{\∂x}-\frac{{\∂F}_1}{\∂x}\frac{{\∂F}_2}{\∂z}}{\frac{{\∂F}_1}{\∂y}\frac{{\∂F}_2}{\∂z}-\frac{{\∂F}_1}{\∂z}\frac{{\∂F}_2}{\∂y}}\right]}_O---\left(3\right)$

3、结构圆周后角α_fc

由于测量平面B-B垂直于钻头半径，所以主切削刃上的后角应在坐标系X_ΩY_ΩZ_Ω下度量。对于主切削刃上的任意点“a”，我们可以得到坐标系X_ΩY_ΩZ_Ω和钻头结构坐标系XYZ的转换关系式如下：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\cos \mathrm{\Ω}}_a& -\sin {\mathrm{\Ω}}_a& 0\\ {\sin \mathrm{\Ω}}_a& {\cos \mathrm{\Ω}}_a& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{\Ω}}\\ y_{\mathrm{\Ω}}\\ z_{\mathrm{\Ω}}\end{array}\right]---\left(4\right)$

将式(4)代入后刀面方程F₁，可以得到坐标系XYZ下钻头后刀面的数学模型如下：

F₁(x_Ω，y_Ω，z_Ω)＝0                                   (5)

则主切削刃上任意一点“a”处的后角可以表示为：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{fa}}={\tan }^{-1}{\left[\frac{{\∂z}_{\mathrm{\Ω}}}{{\∂y}_{\mathrm{\Ω}}}\right]}_a={\tan }^{-1}{[-\frac{\frac{{\∂F}_1}{{\∂y}_{\mathrm{\Ω}}}}{\frac{{\∂F}_1}{{\∂z}_{\mathrm{\Ω}}}}]}_a---\left(6\right)$

但是以上三个参数仅仅能决定主切削刃附近的几何特征，许多钻头的上述三个几何参数都相同，但是钻头整体钻削性能却有较大的差异，这就说明钻头的三个设计参数不能确定整个后刀面的几何特征。因此上述三个钻尖几何参数不足以唯一确定钻尖的几何特性，还需要另选一个几何参数。通过理论分析，全螺旋面钻头钻尖选择后刀面区域的尾隙角α_h，η ^r(见图4)作为补充参数是合适的。因此，根据四个钻尖几何参数(即钻尖半角ρ、横刃斜角ψ、外缘转点结构圆周后角α_fc及后刀面尾隙角α_h，η ^r)来设计全螺旋面钻头。

后刀面尾隙角的定义如下(见图4)：在后刀面上选定点b，则主切削刃上存在与点b半径相同的一点a，b点的尾隙角的正切值等于a、b两点的Z坐标差值与a、b两点弧长之比值。引入后刀面的尾隙角后，就能够准确地描述主切削刃及整个后刀面的几何特征。同时，控制后刀面尾隙角的值就可以防止钻削过程中，钻头后刀面与孔底发生干涉。

假定“a”、“b”距钻头中心为r，则“b”点处的后刀面尾隙角为：

${\mathrm{\α}}_{h,b}^r={\tan }^{-1}\left(\frac{360h}{2\mathrm{\πr\Ω}}\right)={\tan }^{-1}\left[\frac{360(Z_a-Z_b)}{2\mathrm{\πr}({\mathrm{\Ω}}_a-{\mathrm{\Ω}}_b)}\right]---\left(7\right)$

为了防止钻头在钻削过程中后刀面与被加工孔的底部发生干涉，可选用大的后刀面尾隙角；钻尖半角直接关系到主刃偏角的大小，影响到主切削刃的长度，单位刃长的切削负荷，切削层中切削宽度与切削厚度的比例，切削力中轴向力与切向力的比例，主切削刃前角的大小，切削形成与排屑的情况以及外缘转点的散热条件等，因此针对具体加工情况，选用的钻尖几何参数也不用；横刃斜角越小，则切削刃上各点的后角增大，横刃长度越长，处于负前角切削状态，切削抗力越大，钻头的负荷越大，极易导致钻头折断；结构圆周后角影响到钻头结构后角的大小，对钻削性能有一定的影响。

横刃对钻头的切削性能有很大的影响，全螺旋面钻尖的横刃在钻芯尖处的锋角为180°，不利于钻头的入钻，钻头容易在工件表面产生滑移；横刃有很大的负前角，因而在切削过程中与工件会产生强烈的挤压，且横刃的定心性能、切削性能都不好。因此，若将全螺旋面钻尖用于微小钻头，为了解决以上问题，需要对横刃进行修磨，达到减小横刃负前角、改善钻尖入钻时定心作用的目的，从而改善钻头的切削性能。因此根据全螺旋面钻头钻尖特征，我们研究了一种简单易行、适用于微钻头的横刃修磨方法，即根据横刃修磨参数调整好砂轮与钻头位置之后，钻头或者砂轮沿Z^*轴方向移动一个距离，使砂轮磨至钻心，在钻尖原后刀面的尾隙部分形成一个平面，即第二后刀面F₃和F₄，用这种方法修磨横刃后，在钻头原后刀面的尾隙部分形成一个平面，如图6所示。

因此，通过修磨横刃，最终能得到根据四个钻尖几何参数(ρ、ψ、α_fc及α_h，η ^r)设计的全螺旋面钻头。

根据被加工工件材料的不同，选用的钻尖各几何角度也不同。全螺旋面钻头钻尖后刀面尾隙角取8°～20°；钻尖半角取50°～75°；用于普通钻头的横刃斜角一般取40°～65°，而用于微钻头，进行横刃修磨前的横刃斜角一般取65°～85°；结构圆周后角一般取8°～20°。

Claims (4)

1、一种全螺旋面钻尖钻头，包括钻头本体及其钻尖，其特征是：所述的钻尖的后刀面是一螺旋面，此螺旋面的轴线与钻头本体的轴线相交成一角度，此角度为10°～45°。

2、根据权利要求1所述的全螺旋面钻尖钻头，其特征是：所述的钻头除满足三个设计参数即钻尖半角、横刃斜角及外缘转点结构圆周后角外，还满足后刀面区域的尾隙角几何参数，该尾隙角的几何参数是这样确定的：在后刀面上选定点b，则主切削刃上存在与点b半径相同的一点a，b点的尾隙角的正切值等于a、b两点的Z坐标差值与a、b两点弧长之比值，假定“a”、“b”距钻头中心为r，则“b”点处的后刀面尾隙角为：

${\mathrm{\α}}_{h,b}^r={\tan }^{-1}\left(\frac{360h}{2\mathrm{\πr\Ω}}\right)={\tan }^{-1}\left[\frac{360(Z_a-Z_b)}{2\mathrm{\πr}({\mathrm{\Ω}}_a-{\mathrm{\Ω}}_b)}\right],$ 该钻尖后刀面尾隙角取8°～20°。

3、根据权利要求2所述的全螺旋面钻尖钻头，其特征是：所述的钻尖半角取50°～75°；用于普通钻头的横刃斜角取40°～65°，而用于微钻头，进行横刃修磨前的横刃斜角取65°～85°；结构圆周后角取8°～20°。

4、根据权利要求1或2所述的全螺旋面钻尖钻头，其特征是：用于微小钻头钻尖时，通过横刃修磨，在所述的钻尖的螺旋面的尾隙部分形成有一个平面，即第二后刀面F₃和F₄。

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