基于线切割的麻花钻后刀面螺旋面法刃磨装置设计.docx

1、基于线切割的麻花钻后刀面螺旋面法刃磨装置设计基于线切割的麻花钻后刀面螺旋面法刃磨装置设计李剑（陕理工机械学院机自专业081班，陕西 汉中 723003）指导教师：白海清 摘要：钻头是机械制造中常用刀具之一，在机械制造业中，用来加工各种孔，占有很重要的地位。本设计主要是对我国现有麻花钻的刃磨方法，进行系统分析，在现有的刃磨原理以及结构基础上，提出采用基于线切割的麻花钻后刀面螺旋面法，设计出新型的工艺性能良好的刃磨机。解决当前麻花钻刃磨中存在的不足，节约了资源，满足了各厂商的需求。 关键字：线切割 麻花钻 后刀面 螺旋面法 刃磨装置Flank the Helical Surface Method

2、Based on the Wire Cutting Twist Drill Sharpening Device DesignLi Jian（Grade08,Class1, School of Mechanical EngineeringShaanxi University of Technology，Hanzhong 723003，Shaanxi）Tutor:Bai HaiqingAbstract: The drill is one of the commonly used tool in the machinery manufacturing, machinery manufacturing

3、, used to process a variety of holes to occupy a very important position. This design is mainly a systematic analysis of our existing twist drill grinding grinding principle and structure on the basis of the helical surface method using the twistdrill cutting based on the line flank, and designing a

4、 new process performance of the grinding machine. Address shortcomings in the current twist drill sharpening, saving resources and meet the needs of manufacturers.Key words:wire cutting twist drill flank helical surface sharpening device 1.绪论1.1研究目的及其意义钻孔是金属加工工艺系统的重要组成部分，是实现零件加工成形的主要工具，其性能和质量直接影响机械加

5、工的质量、效率和成本。为保证零件的加工质量，提高生产效率，降低加工成本，麻花钻在用钝后或根据加工工件的不同需要重磨(重新刃磨)然后才能继续使用。麻花钻刃磨是麻花钻制造中最终成形的加工阶段，麻花钻的形状、尺寸、各刀面及几何角度等，都是由刀具刃磨来完成的。因此，麻花钻刃磨是麻花钻制造工艺过程的一个重要工序，其质量好坏对麻花钻的切削性能和使用寿命起着关键的作用。随着机械制造技术向集成化、智能化等方向发展，其对刀具的材料及制造也提出了更高的要求。如何实现麻花钻高精度、高效率、高可靠性和专用化，已成为未来机械领域研究的主要课题之一。钻头是机械制造中常用的刀具之一，用来加工各种孔。钻头在机械加工中起着非常

6、重要的作用，消耗数量也较多。目前国内大部分厂家的钻头是在砂轮机上手工刃磨或在万能工具磨床上刃磨。手工刃磨主要依靠于工人师傅的技能，刃磨质量取决于工人技术水平，刃磨精度难以保证；在工具磨床上利用调整三向钳来刃磨，此种方法由于调整比较复杂，刃磨效率低下，实际应用较少。所以，这两种刃磨方法有很大的弊端，急需要改进。近些年来，数控机床、加工中心以及柔性制造单元在加工领域中得到迅速普及，而这些先进的加工装备也只有依靠先进、精密的切削刀具才能发挥其加工性能。数控机床对刀具的几何形状精度、表面质量等要求很高，国内由于长期对工具技术重视程度不够，麻花钻的加工水平与国外产品相比具有很大的差距，导致在引进国外先进

7、数控设备的同时也不得不引进配套麻花钻及刃磨设备。目前，国内还缺少专门刃磨麻花钻的经济型数控车刀刃磨机。1.2国内外发展状况及趋势1.2.1刃磨设备发展与现状在麻花钻刃磨以及其它形状刀具刃磨技术和数控研究方面，近些年来国内外专家作了不少的研究工作，也开发出一些较先进刀具刃磨设备目前国外的工具磨床生产均采用数控万能工具磨床和CNC磨削加工技术，其主要优点有： (1)一次装夹、定位，即可完成刀具所有加工表面的加工，能够很好的保证刀具精度；(2)数控万能工具磨床具有复杂运动控制能力，可以满足复杂形状刀具的加工要求；(3)通过改变加工程序就可以实现对不同类型、不同规格刀具的加工；(4)采用先进的自动检测

8、装置和方法，有效的保证刀具的定位精度和加工精度；近几届的国际机床展览会上美国、德国、瑞典、瑞士等国都展出的多轴(五轴及五轴以上)联动数控万能工具磨床都可以用来制造和刃磨各种刀具。德国Walter公司的HELITRONIC POWER PRODUCTION CNC工具磨床是一台生产型(PRODUCTl0N)五轴CNCI具磨床，可用于制造各种金属切削刀具。机床配有测量定位系统，将测头固定安装在磨头上，用于实现刀具定位，可缩短磨削周期。该机床采用Walter公司自己开发的专用数控系统HMC500及其软件。除了能提供各种通用刀具磨削软件外，它还开发了一种新的“灵活编程”软件，通过该软件可以设计刀具。瑞

9、士SCHNEEBERGERl公司的GEMINI CNC工具磨床是一台五轴CNCI具磨床，它主要用于生产和修磨各种不同形状的小尺寸刀具。机床采用立柱移动式布局结构，刚性好，结构紧凑，精度高，同时配有自动测量系统，方便刀具的安装及磨削，它采用一个固定安装的三维测头，既可用于测定刀具毛坯几何形状，在刀具修磨前测量又可用来保证刀具磨削质量，它适合于磨削各类刀具。还包括有日本(株)宇都宫制作所开发生产的SGR003A型全自动小直径刀具磨床，五轴五联动的JUNGNER560cNC工具磨床，美国HUFFMAN公司的HS87R型数控工具磨床，日本牧野公司的NX40型十轴数控工具磨床等都是技术先进，性能优越的数

10、控机床。我国在过去的几十年里，由于对工具技术重视不够，导致在引进国外先进数控设备的同时，由于国内刀具质量不过关(材料和刃磨技术都有很大差距)，不得不同时进口刀具及刃磨设备，其几个相当昂贵，而且仅配有限的刃磨软件，如需刃磨各种刀具，真正实现机床的价值、充分发挥其优势还需另购其软件，生产成本更高了。这些厂家为了保持技术垄断，其系统往往是封闭的，用户想自行开发应用软件是非常困难的。万能数控磨床价格远远高于普通的加工中心，由此可见其技术含量较高。国内在数控工具磨床的研究、开发方面起步较晚，可以说是从80年代中期开始的，其研究、开发还处于样机或单台极少量试生产阶段。近些年，我国已有几家在研制数控工具磨床

11、，取得了一些成就。武汉机床厂的MK60253数控万能工具磨床是最近研制成功的新一代工具磨床。该机床采用了华中I型数控系统，实现三轴联动，并且配有华中理工大学各种刀具加工软件，能自动完成各类普通及复杂刀具的加工或刀具的刃磨，解决了普通工具磨床需要附件才能解决的复杂磨削问题。该机床还配备测量系统，在数控系统测量软件支持下，将被磨刀具的有关几何参数(如螺旋角或导程)及安装位置(如起始点位置)等参数自动输入计算机系统，自检测系统可以自动判断加工刀具的起始点，自动生成加工程序并实现整个加工过程的自动磨削。湖南大学研制的MK63403数控群钻刃磨机床。该机床五轴数控，交流伺服驱动，液压夹紧，TVGA彩显，

12、中文操作界面，固化一组标准群钻刃磨程序，使用这些程序时用户只需输入钻头的特征参数即可进行刃磨。用户可用标准数控语言进行编程，自行开发新钻型刃磨程序。可刃磨群钻、螺旋面钻、双平面钻及其它钻头。目前己有产品。陕西理工学院研制的“内锥面钻头刃磨机项目通过了陕西省科技厅技术成果鉴定，结论为“属国内首创，居国内领先水平，2003年获陕西省科学技术三等奖，并获国家专利。该成果已在生产实际中推广应用，取得了明显的社会经济效益。现在还在研究与开发“智能铣刀刃磨机和“智能车刀刃磨机”等项目。此外，北京航空航天大学从七十年代开始，在刀具刃磨方面开展了一系列的工作，先后研制开发了四代数控刀具刃磨机床。四代刃磨机都采

13、用步进电机作为驱动单元，控制系统依次为单板机、单片机及微机。第一代为六轴数控刃磨机，第二代为七轴数控群钻刃磨机，它们的控制机采用TP841单板机，上位机采用APPLE II微机。第二代的改进型为单片机控制系统。第三代刃磨机采用美国HUFFMAN工具磨的结构，控制系统采用工业PC机为上位机，单片机为控制机。第四代采用六杆结构，在世界上率先将虚轴的结构引进到刃磨机上。还有华中理工大学研制了MK6026六轴五联动数控刃磨机，咸阳机床厂开发的MK60253数控万能工具磨床，营口冠华机床厂的M6025K万能工具磨床和武汉机床附件厂的GW1万能磨刀机，均为普通型工具刃磨机床。122发展趋势通过以上刃磨设备

14、的发展状况，不难看出数控刃磨是未来的发展方向。机械式刃磨机，它的刃磨运动由齿轮和凸轮来实现，要在一个刃磨机上实现多品种多规格的工具的刃磨，机床机构复杂，同时需要附带许多配件，即使这样也只能刃磨系列的产品，而不能刃磨用户随意要求的刀具。数控刃磨机的刃磨运动由数控轴运动合成，理论上可以实现各种刃磨，调整简便，功能扩展容易。随着数控技术的日益发展，数控系统成本的下降，可靠性增强，开发、使用和维护越来越简单，其性能价格比将远远高于机械式自动刃磨机，而且它更能适应未来市场小批量多品种多样化的需求，更有利于计算机集成制造。1.3存在的主要问题国内大部分厂家的对麻花钻的刃磨，还停留在由技术工人手工刃磨阶段，

15、而手工刃磨主要依靠工人的技能，刃磨质量受操作者技术水平的影响。工人劳动强度大，麻花钻几何角度不易控制，一致性差，随意性大，自动化程度低，刃磨效率低下，刃磨质量无法保证。在麻花钻数控刃磨技术研究方面，国内起步较晚，相关的设备和数控系统主要依赖于进口，因此，刀具的数控刃磨技术受到了很大的局限性。国外对于刀具的数控刃磨的研究较早，开发的设备主要是三轴、多轴联动的大型数控工具磨床或磨削加工中心，它们的价格昂贵，对于普通的车刀刃磨来讲，进口的成本过高，不合乎国情。1.4课题来源与主要研究内容 机械零件的加工工艺及工装设计是机械设计制造及其自动化专业学生必须具备 的能力，本次毕业设计就是进行麻花钻后刀面刃

16、磨装置设计。麻花钻是主要的孔加工刀具，目前主要釆用砂轮刃磨，刃磨方法有平面法、锥面法、螺旋面法、螺旋锥面法等。本次设计是釆用数控电火花线切割法刃磨，利用现有线切割机床，设计螺旋面法20麻花钻后刀面线切割刃磨装置。2.麻花钻理论分析 麻花钻是金属切削加工中使用最广泛刀具，它可以在各种零件加工中使用，其种类较多，由于它的作用不同，因此，它的形状、尺寸、结构等也就不同。本章只研究普通外麻花钻的几何特征以及参数，以下对钻头进行分析:2.1钻头几何特征 图2.1 图2.2查表得20的麻花钻基本数据为：锋角2=118 钻芯直径d=0.135d=2.7mm 偏距e=3.1mm 锥顶距A=14mm钻径倒锥：0

17、.145-0.125mm 刃带高度c=0.652.8mm 刃带宽度f=1.3-3.4mm 钻心间偏移距0.07mm 切削刃高度差r=0.015mm2.2钻头刃磨原理麻花钻是一种常用的孔加工刀具,制造和刃磨麻花钻常采用内锥面法刃磨。内锥面刃磨法是刃磨麻花钻的一种新方法,刃磨原理如图1 所示,砂轮修成内锥面,钻头放在砂轮的内锥面上磨削,形成麻花钻的圆锥面后刀面。刃磨钻头时,通过修整砂轮半锥角,调整轴间角、锥顶距A 、偏距e 、附加旋转角,可使钻头得到所需的后角,横刃斜角和顶角2 。根据参考文献 ,为使钻头刃磨后得到合理的主切削刃外缘后角,横刃斜角 和顶角2。 图2.22.3麻花钻螺旋面法的刃磨原理

18、麻花钻的螺旋后刀面(除靠近横刃附近的钻心部分)是由砂轮外圆母线作螺旋运动包络而成的， 钻头的圆周后角fc的定义与普通圆锥刃磨法钻头是一致的，如图1所示。用渐开螺旋面法刃磨麻花钻的成形原理一般如图2所示。常用的刃磨方法有3种：钻头绕自身轴线作旋转运动，钻头沿砂轮轴方向的平移运动V和砂轮 沿垂直于自身轴线方向的运动V2，钻头轴线与砂轮 轴线之间的夹角始终为。钻头绕自身轴线的旋 转运动，钻头沿自身轴线的平移运动V1和钻头沿 砂轮轴线方向的平移运动V2，钻头轴线与砂轮轴线的夹角始终为。钻头绕自身轴线的旋转运动， 钻头沿自身轴线的平移运动V1和钻头沿自身轴线垂直方向的平行运动V2，钻头轴线和砂轮轴线的夹

19、角始终为。2.3.2.圆周后角fc的计算分析由于后刀面是由砂轮外圆母线相对于钻头作螺 旋运动形成的，所以往往会给人以一种误解，认为fc只和沿钻头轴线方向的平 移运动与钻头绕自身旋转运动有关，事实并非如此。如图3所示，设钻头绕自身轴线旋转90。，沿轴线移动距离h，沿垂直于轴线 方向的位移为零，则有若钻头绕自身轴线旋转90，钻头沿轴向没有位 移，而沿垂直于轴线方向位移，由图3可知其效果与前面情况是等效的，即： 如果在磨削过程中成形运动不是匀速的，那么 圆周上各点的后角也是不相等的，这时的后角值就 不是位移比，而是瞬时的速度比，即： 或 由以上分析可知钻头后角与磨削成形运动中的三个方向速度有关，即钻

20、头绕轴线的旋转运动，钻头沿自身轴线的平移运动,钻头沿垂直于自身轴线的平移运动2.3.3各种常用刃磨方法的圆周后角计算公式一般地，设刃磨钻头时旋转速度为，平移速度为，它与钻头轴线夹角为，则有：（1）当时，即V垂直于砂轮轴线（2）当时，即V平行于砂轮轴线 (3)当时，即V平行于钻头轴线 (4)当时，即V垂直于钻头轴线 (5)由以上分析可知，钻头相对于砂轮轴线的平移运动对后角没有影响。因此，上述的渐开螺旋面刃磨的方法所形成的后角可直接用式（2）计算；方法 所形成的后角可直接用式（4）计算；方法所形成的 后角可用式（1）计算。由式（1）还可知后角大小除了与成形运动速度有关外，还和切削刃各点离钻心距离有

21、关，半径越小处后角越大，这点似乎满足麻花钻刃磨的基本要求，但事实上用渐开螺旋面法刃磨出来的后角随半径的 改变变化太大，如直径为25mm的钻头外时，近钻心d=4.5mm处后角=45，显然这里的切削刃强度很低，所以用渐开螺旋面法刃磨的钻头不适宜切削高强度材料。设计中采用刃磨方法为第种，即钻头绕自身轴线的旋转运动，钻头沿自身轴线的平移运动和钻头沿砂轮轴线方向的平移运动，钻头轴线与砂轮轴线的夹角始终为。3.线切割3.1线切割的概念电火花线切割简称线切割。它是在电火花穿孔、成形加工的基础上发展起来的。它不仅使电火花加工的应用得到了发展，而且某些方面已取代了电火花穿孔、成形加工。如今，线切割机床已占电火花

22、机床的大半。 3.2线切割的介绍及原理电火花线切割机（Wire cut Electrical Discharge Machining简称WEDM），属电加工范畴，是由前苏联拉扎林科夫妇研究开关触点受火花放电腐蚀损坏的现象和原因时，发现电火花的瞬时高温可以使局部的金属熔化、氧化而被腐蚀掉，从而开创和发明了电火花加工方法。线切割机也于1960年发明于前苏联，我国是第一个用于工业生产的国家。其基本物理原理是自由正离子和电子在场中积累，很快形成一个被电离的导电通道。在这个阶段，两板间形成电流。导致粒子间发生无数次碰撞，形成一个等离子区，并很快升高到8000到12000度的高温，在两导体表面瞬间熔化一些

23、材料，同时，由于电极和电介液的汽化，形成一个气泡，并且它的压力规则上升直到非常高。然后电流中断，温度突然降低，引起气泡内向爆炸，产生的动力把溶化的物质抛出弹坑，并被电介液排走。然后通过NC控制的监测和管控，伺服机构执行，使这种放电现象均匀一致，从而达到加工物被加工，使之成为合乎要求之尺寸大小及形状精度的产品。电火花线切割机按走丝速度可分为高速往复走丝电火花线切割机（Reciprocating type High Speed Wire cut Electrical Discharge Machining俗称“快走丝”）、低速单向走丝电火花线切割机（Low Speed one-way walk W

24、ire cut Electrical Discharge Machining俗称“慢走丝”）和立式自旋转电火花线切割机（Vertical Wire Electrical Discharge Machining machine tool With Rotation Wire）三类。又可按工作台形式分成单立柱十字工作台型和双立柱型（俗称龙门型）。 线切割的原理：其工作原理如下图所示。绕在运丝筒4上的电极丝1沿运丝筒的回转方向以一定的速度移动，装在机床工作台上的工件3由工作台按预定控制轨迹相对与电极丝做成型运动。脉冲电源的一极接工件，另一极接电极丝。在工件与电极丝之间总是保持一定的放电间隙且喷洒工作

25、液，电极之间的火花放电蚀出一定的缝隙，连续不断的脉冲放电就切出了所需形状和尺寸的工件。 加工原理图3.3线切割的作用低速走丝线切割机电极丝以铜线作为工具电极，一般以低于0.2m/s的速度作单向运动，在铜线与铜、钢或超硬合金等被加工物材料之间施加60300V的脉冲电压，并保持550um间隙，间隙中充满脱离子水(接近蒸馏水)等绝缘介质，使电极与被加工物之间发生火花放电，并彼此被消耗、腐蚀，在工件表面上电蚀出无数的小坑，通过NC控制的监测和管控，伺服机构执行，使这种放电现象均匀一致，从而达到加工物被加工，使之成为合乎要求之尺寸大小及形状精度的产品。目前精度可达0.001mm级，表面质量也接近磨削水平

26、。工作平稳、均匀、抖动小、加工精度高、表面质量好，但不宜加工大厚度工件。由于机床结构精密，技术含量高，机床价格高，因此使用成本也高。 单向走丝电火花线切割机床早期只有国外公司的独有机种。台湾的低速走丝电火花线切割机起步虽然较晚，但这几年来发展迅速。其关键的一个举措就是由若干家电加工机床制造企业共同出资，在有关部门一定限度的支持下，由台湾工业技术研究院投入大量的人力、物力做关键技术的开发。经过10多年的攻关，在控制系统及电源等关键技术上取得了突破。台湾各企业制造的低速走丝电火花线切割机目前应属中档机的范围，近3年每年达到20%30%的增长率，估计未来5年，台湾低速走丝电火花线切割机的年产量能达2

27、000台，可占世界市场的25%以上。低速走丝电火花线切割机的技术含量高、市场前景好，可以获得较高的回报，是电加工行业各个厂家的“必争之地”、“战略高地”。目前还有一些国内企业则希望通过与台湾相关企业的合作，来发展低速走丝电火花线切割加工技术。 立式自旋转电火花线切割机（卧式自旋转电火花线切割机）。立式回转电火花线切割机的特点与传统的高速走丝和低速走丝电火花线切割加工均有不同，首先是电极丝的运动方式比传统两种的电火花线切割加工多了一个电极丝的回转运动；其次，电极丝走丝速度介于高速走丝和低速走丝直接，速度为12m/s。由于加工过程中电极丝增加了旋转运动，所以立式回旋电火花线切割机与其他类型线切割机

28、相比，最大的区别在于走丝系统。立式回转电火花线切割机的走丝系统由走丝端和放丝端两套结构完全相同的两端做为走丝结构，实现了电极丝的高速旋转运动和低速走丝的复合运动。两套主轴头之间的区域为有效加工区域。除走丝系统外，机床其他组成部分与高速走丝线切割机相同。 与单向低速走丝电火花线切割机床相比，往复高速走丝电火花线切割机床在平均生产率、切割精度及表面粗糙度等关键技术指标上还存在较大差距。针对这些差距，本世纪初，国内有数家高速往复走丝电火花线切割机生产企业实现了在高速走丝机上的多次切割加工（该类机床被俗称为“中走丝” Medium Speed Wire cut Electrical Discharge

29、 Machining）。所谓“中走丝”并非指走丝速度介于高速与低速之间，而是复合走丝线切割机床，其走丝原理是在粗加工时采用8-12m/s高速走丝，精加工时采用1-3m/s低速走丝，这样工作相对平稳、抖动小，并通过多次切割减少材料变形及钼丝损耗带来的误差，使加工质量也相对提高，加工质量可介于高速走丝机与低速走丝机之间。经过几年的发展，国内几乎所有生产高速走丝电火花线切割机床的厂家都在生产及销售中走丝，但最终表明不是所有的往复走丝电火花线切割机都能进行多次切割，或者说不是所有的往复走丝电火花线切割机采用多次切割技术后都能获得好的工艺效果。因此我们的生产企业必须充分注意到这个问题，一定要按系统工程来

30、做，真正把这一技术用好，把这一产品做好。往复走丝电火花线切割机采用多次切割技术后，虽加工质量有明显提高，但它仍然属于高速走丝电火花线切割机的范畴，切割精度和光洁度仍与低速走丝机存在较大差距，且精度和光洁度的保持性也需要进一步提高。“中走丝机”具有结构简单、造价低以及使用消耗少等特点，因此也有其生存的空间，目前执行的标准仍然是高速走丝机的相关标准，因此生产企业在对用户的宣传上一定要实事求是。 3.4线切割加工锥度时产生的刀位误差用线切割加工切削刀具是一种既经济又有效的方法，尤其是可以加工出传统方法无法加工复杂几何形状的刀具。在切割某些刀具要求的大锥度时，一般采用两种方法：一是将被加工刀具偏摆成一

31、定的角度， 即顶刃后角（图1）；二是将钼丝在V向偏摆成一定的角度，其值亦为礼（图2）。通常认为，应用图1所示方法时，应确保刀具偏摆角的精度(采用正弦规），因而将直接影响前刀面上廓形曲线在水平面上的投影曲线的精度；应用图2所示方法时，钼丝偏摆角的精度可不作严格要求。当大尺寸刀具呈一定角度安装，或一定尺寸刀具 呈大角度安装时，如图1所示，导致钼丝的上下导向轮 相距较远，这样势必会增加钼丝露出的长度，使钼丝在 加工过程中更容易弯曲而产生误差，同时还会减小切 削液对工件的冲洗作用，从而难于达到和保持一定的 重复性和精度。如果将钼丝安装成一定角度（图2）， 上下导向轮之间的距离就不必随加工的大锥度或大尺

32、寸刀具而相距很远，这样就避免了切割时钼丝露出过 长，从而保证了切割精度。所以偏摆钼丝法比偏摆刀具法得到了更广泛的应用。小结：综上分析可知：设计时麻花钻绕自身轴线旋转的同时沿自身轴线做进给运动，钻头与钼丝的夹角与偏摆钼丝法中的相等，即=59；麻花钻后刀面切削部分的长度为=6.0086mm，即设计时的丝杠进给量不足7mm，因此，把装置分为回转系统和进给系统，具体介绍如下：4.回转系统的设计说明：麻花钻通过扳手三爪钻头夹安装在主轴的一段，主轴通过轴承安装在轴承座中，轴承座装上支撑板上，上支撑板安装在连接板上；主轴的另一段通过联轴器与步进电机相连。需要用到的机械元件有：扳手三爪钻头夹，主轴，轴承，联轴器，步进电机。4.1扳手三爪钻头夹：本设计的麻花钻直径为20mm，为了满足设计要求，决定采用扳手三