CN105921793B - 一种钻头及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钻头及其制造方法，该钻头包括本体和形成于所述本体前端的刀头，其中，所述刀头包括：刃部，所述刃部形成于所述刀头的前端，且所述刃部的半径小于所述本体的半径，所述刃部的端面形成第一切削面；和过渡部，所述过渡部形成于所述刃部与所述本体之间，所述过渡部具有适配所述刃部与所述本体间半径差的跃阶过渡面，所述跃阶过渡面形成第二切削面。该钻头能够有效减小钻孔时的崩边尺寸，确保钻头的强度和刚度。

Description

一种钻头及其制造方法

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，特别涉及一种钻头及其制造方法。

背景技术

在机械加工技术领域中，孔是常需要加工的特征之一，通常采用空心钻刀具进行加工。

在孔加工的过程中，容易出现钻孔崩边和撕裂缺陷，对产品的装备的精度和使用性能均产生不利影响。特别是对光学玻璃、先进陶瓷及复合材料等硬脆材料，由于硬度高、断裂韧性低，进行孔的机械加工时，特别容易出现钻孔崩边和撕裂缺陷。

现有技术中，采用减小壁厚的钻头进行孔的加工，采用此种方法，虽然能够在一定程度上减小钻孔崩边和撕裂尺寸，但是，仍存在以下缺点：

第一、较小的壁厚刀具容易产生变形，增大了刀具的制造难度；

第二、较小的壁厚刀具强度低，加工时进给速度低，加工孔的效率低；

第三、较小的壁厚刀具刚度低，导致加工孔的圆柱度非常差。

有鉴于此，亟待提供一种结构优化的钻头，既能够确保钻头的强度和刚度，又能够有效的减小崩边。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钻头，通过对钻头结构的优化设计，能够有效减小钻孔时的崩边尺寸，确保钻头的强度和刚度。本发明的另一目的还在于提供一种用于制造该钻头的制造方法。

本发明提供了一种钻头，所述钻头包括本体和形成于所述本体前端的刀头，其中，所述刀头包括：

刃部，所述刃部形成于所述刀头的前端，且所述刃部的半径小于所述本体的半径，所述刃部的端面形成第一切削面；和

过渡部，所述过渡部形成于所述刃部与所述本体之间，所述过渡部具有适配所述刃部与所述本体间半径差的跃阶过渡面，所述跃阶过渡面形成第二切削面。

可选地，所述刀头的关键尺寸满足如下要求：

kp^α(a+b)^2α-kp^αb^2α≤h+atanθ

θ≥θ₀

式中，a为所述刃部与所述本体的半径之差，b为所述第一切削面的径向尺寸，h为所述刃部的轴向长度，θ为所述第二切削面相比于所述第一切削面的倾斜角度，θ₀为不产生崩边的临界特征角。

可选地，所述临界特征角满足：

θ₀＝atan(kp^αa^2α-1)

式中，k和α为预定系数。

可选地，所述刀头为与所述本体同轴设置的截锥，所述截锥的前端面形成所述第一切削面，所述截锥的锥面形成所述第二切削面。

可选地，所述刀头为与所述本体同轴设置的圆柱体，所述圆柱体的前端面形成所述第一切削面，所述本体外缘至所述圆柱体外缘之间的环形端面形成所述第二切削面。

可选地，所述刃部为圆柱体，所述圆柱体的前端面形成所述第一切削面；所述过渡部为截锥，所述截锥的锥面形成所述第二切削面。

可选地，所述刀头的表面、所述本体前部的表面镶嵌磨粒。

可选地，所述刀头和所述本体为同轴设置的空心体。

本发明还提供一种钻头的制造方法，包括以下步骤：

S1、确定样本钻头的轴向切削力：

式中，p为样本钻头的轴向切削力，c_i(i＝0,1,2,3)为预设系数，f_r为样本钻头的进给速度，S为样本钻头的主轴转速，A为样本钻头的振幅；

S2、确定样本钻头的崩边厚度：

d_t＝kp^αt^2α

式中，d_t为样本钻头的崩边厚度，p为样本钻头的轴向切削力，t为样本钻头的壁厚，k和α为预定系数；

S3、确定钻头的刀头关键尺寸：

kp^α(a+b)^2α-kp^αb^2α≤h+atanθ

θ≥θ₀

式中，a为所述刃部与所述本体的半径之差，b为所述第一切削面的径向尺寸，h为所述刃部的轴向长度，θ为所述第二切削面相比于所述第一切削面的倾斜角度，θ₀为不产生崩边的临界特征角；

S4、制造满足步骤S3中刀头关键尺寸要求的钻头。

可选地，进一步确定步骤S3中临界特征角：

θ₀＝atan(kp^αa^2α-1)

可选地，进一步确定步骤S3中临界特征角，包括如下步骤：

S31、选取预定壁厚的样本钻头，和待钻孔材料；

S32、待钻孔材料的一端抵接放置于钻孔台面，使所述待钻孔材料的底面与所述钻孔台面倾斜角度β；

S33、利用所述样本钻头进行钻孔，获取靠近抵接侧的所钻出的孔的崩边尺寸；

S34、逐渐增大倾斜角度β，重复步骤S33；

S35、确定最小崩边尺寸对应的最小倾斜角度β₀，倾斜角度β₀为临界特征角θ₀。

附图说明

图1为第一种具体实施例中的钻头的前端部分结构示意图；

图2为图1中钻头的刀头的剖面结构示意图；

图3为第二种具体实施例中钻头的刀头的剖面结构示意图；

图4为第三种具体实施例中钻头的刀头的剖面结构示意图；

图5至图7为采用第一种具体实施例中刀头结构对应的锥面连接的本体、螺纹连接的本体、直杆连接的本体的三种钻头结构示意图；

图8为临界特征角确定的工位状态示意图。

标号说明：

1钻头；

10本体；

11连接锥面、12螺纹、13连接柱面；

20刀头；

21刃部；

211第一切削面；

22过渡部；

221第二切削面；

2样本钻头；

3待钻孔材料。

具体实施方式

本发明的核心在于提供一种钻头，通过对钻头的结构进行优化设计，利用第一切削面和第二切削面有效减少钻孔时的崩边尺寸，并且，确保钻头的强度和刚度。在此基础上，本发明的另一核心还在于提供一种用于制造该钻头的制造方法。

为了清楚表述本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的技术方案进行详细阐述。附图中相同的标号表示相同的部分。为了使附图的图面简洁，各图中仅示意性的表示出了与本发明相关的部分，并不代表作为产品的实际结构。

如图1和图2所示，其中，图1为第一种具体实施例中的钻头结构示意图；图2为图1中钻头的刀头的剖面结构示意图。

需要说明的是，本文中出现的方位词“前端”、“末端”是根据钻头1工作时的状态而设定的，其中，“前端”指的是朝向待钻孔件的方向，即为钻头1的刀头20方向；“末端”指的是背向待钻孔件的方向，即为钻头1的尾部方向。可以理解的是，这些方位词的出现仅是为了清楚表述技术方案，对本申请的技术方案并不构成限制。

本发明提供的一种钻头1，该钻头1包括本体10和形成于该本体10前端的刀头20，其中，刀头20包括：

刃部21，该刃部21形成于刀头20的前端，且刃部21的半径小于本体10的半径，其刃部21的端面形成第一切削面211；和

过渡部22，该过渡部22形成于刃部21与本体10之间，过渡部22具有适配刃部21与本体10间半径差的跃阶过渡面，该跃阶过渡面形成第二切削面221。

采用上述结构的钻头1，其刃部21的半径小于本体10的半径，过渡部22形成于刃部21与本体10之间，从而过渡衔接刃部21与本体10。在刃部21的端面形成了用于钻孔的第一切削面211，当钻孔时，第一切削面211先进行切削钻孔，并先钻出孔的端口；而过渡部22的跃阶过渡面形成于刃部21与本体10之间，以适配两者之间的半径差，由此可知，跃阶过渡面形成的第二切削面221在钻孔的过程中，可进一步切削孔的周边。一方面，利用上述结构能降低钻头1出孔时的切削力，减小崩边尺寸，另一方面，第二切削面221能够切削掉由第一切削面211阐述的崩边，而由于第二切削面221与待钻孔材料3接触面积小，切削力减小，几乎不会产生崩边，或者仅仅产生极其小的崩边，改善钻孔的质量。

为了提高钻孔的质量，钻头1的刀头20和本体10为同轴设置的空心体，也就是说，该钻头1为具有一定壁厚的空心钻头1。结合上述钻头1的结构设计，对于空心钻头1能具有一定壁厚，确保钻头1的强度和刚度；并利用上述结构的刀头20钻出几乎崩边的孔，提升孔的质量。

进一步，为了提升钻头1钻孔的质量，对刀头20进行优化设计，使其关键尺寸满足下述要求：

kp^α(a+b)^2α-kp^αb^2α≤h+atanθ

θ≥θ₀

式中，a为所述刃部21与所述本体10的半径之差(mm)，b为所述第一切削面211的径向尺寸(mm)，h为所述刃部21的轴向长度(mm)，θ为所述第二切削面221相比于所述第一切削面211的倾斜角度(°)，θ₀为不产生崩边的临界特征角(°)。

并且，上述a和b均不为零，根据上述不等式的要求，可对钻头1进一步优化设计，提供三种具体实施例，下面结合附图1、图3和图4进行说明。

第一种具体实施例，如图1所示，刃部21为圆柱体，圆柱体的前端面形成了第一切削面211；而过渡部22为截锥，截锥的锥面形成第二切削面221。其中，截锥的小端形成于圆柱体的后端，并与圆柱体的半径相同，而截锥的大端形成于本体10的前端，并与本体10的半径相同，确保刀头20的整体性。

具有此种结构刀头20的钻头1，结合以下第二具体实施例和第三具体实施例中刀头20的特点，优化钻头1的结构，能够最大程度的降低孔的崩边尺寸，大大提升钻头1钻孔的质量。

对于第一种具体实施例，同时满足θ≠0，a≠0，b≠0，h≠0，通过改变其θ和h提供多种规格的刀头20。

第二种具体实施例，如图3所示，刀头20为与本体10同轴设置的截锥，截锥的前端面形成第一切削面211，截锥的锥面形成第二切削面221。可以理解的是，刀头20的刃部21为一个端面，即截锥的前端面作为刃部21的第一切削面211；而第二切削面221为截锥的锥面，由第一切削面211的边沿向本体10的边沿倾斜，且截锥的半径由本体10的前端向截锥的前端逐渐递减。

具有此种结构刀头20的钻头1，能够使与待钻孔材料3接触面积逐渐减少，从而降低切削力，减小崩边尺寸。

结合图3可知，此种结构的刀头20满足上述刀头20关键尺寸的要求，即仅当h＝0，a≠0，b≠0，θ≠0时，对应的刀头20结构，仍满足上述关键尺寸的设计要求。

第三种具体实施例，如图4所示，刀头20为与本体10同轴设置的圆柱体，其圆柱体的前端面形成第一切削面211，本体10外缘至圆柱体外缘之间的环形端面形成第二切削面221。可以理解的是，在本实施例中，圆柱体形成于本体10前端，且圆柱体的半径小于本体10的半径，从而在本体10前端面的外环形成了一个环形端面作为过渡部22，而第二切削面221即为该环形端面。

具有此种结构刀头20的钻头1，在钻头1出孔时，较小切削面的第二切削面221大大降低了对材料的切削力，切削掉第一切削面211产生的较大崩边的同时，仅产生非常小的崩边。

结合图4可知，此种结构的刀头20满足上述刀头20关键尺寸的要求，即仅当θ＝0，a≠0，b≠0，h≠0时，对应的刀头20结构，仍满足上述关键尺寸的设计要求。

为了进一步改善钻头1钻孔的质量，刀头20的表面和本体10的前部表面均镶嵌磨粒，可为金刚石磨粒或CBN磨粒。如图1所示，对于空心钻头1在其刀头20的外侧壁、内侧壁、端面均镶嵌上磨粒。

结合图2、图3和图4所示，在钻头进行切削的部位通过圆角过渡，满足加工工艺，利于镶嵌磨粒。

上述实施例中的钻头1对其刀头20进行了优化设计，该刀头20可用于不同结构的本体10上，本体10的具体结构可根据与刀柄连接的需求而设定。如图5所示，此种结构的本体10的末端具有连接锥面11，通过连接锥面11与超声刀柄连接；图6所示，此种结构的本体10的末端设置有螺纹12，以适应螺接的超声刀柄；图7所示，此种结构的本体10的末端设置为直杆状，具有连接柱面13，其可通过弹簧卡套与相应的超声刀柄连接。因此，该钻头1能够适用于不同的超声刀柄，具体连接方式并不对本申请请求保护的方案构成限制。

针对上述钻头1，本发明还提供了一种制造该钻头1的制造方法。具体地，该制造方法包括以下步骤：

S1、确定样本钻头2的轴向切削力：

式中，p为样本钻头2的轴向切削力，c_i(i＝0,1,2,3)为预设系数，f_r为样本钻头2的进给速度，S为样本钻头2的主轴转速，A为样本钻头2的振幅；

S2、确定样本钻头2的崩边厚度：

d_t＝kp^αt^2α

式中，d_t为样本钻头2的崩边厚度，p为样本钻头2的轴向切削力，t为样本钻头2的壁厚，k和α为预定系数；

S3、确定钻头1的刀头20关键尺寸：

kp^α(a+b)^2α-kp^αb^2α≤h+atanθ

θ≥θ₀

式中，a为刃部21与本体10的半径之差，b为第一切削面211的径向尺寸，h为刃部21的轴向长度，θ为第二切削面221相比于第一切削面211的倾斜角度，θ₀为不产生崩边的临界特征角；

S4、制造满足步骤S3中刀头20关键尺寸要求的钻头1。

需要说明的是，上述样本钻头2为现有技术中的空心钻头1，利用现有技术中的空心钻头1确定步骤S3中的k和α预定系数、与p样本钻头2的轴向切削力之间的关系，从而可利用步骤S3中的不等式确定刀头20的关键尺寸。

此处不产生崩边可理解为理论上不再有崩边，已最优化孔的质量，在实际中，崩边尺寸已为最小，几乎不再发生变化。

进一步地，对于不产生崩边的临界特征角θ₀可根据以下方法确定。

第一种方法，利用公式θ₀＝atan(kp^αa^2α-1)确定崩边尺寸最小或没有崩边时的临界特征角。

第二种方法，包括以下步骤：

S31、选取预定壁厚的样本钻头2，和待钻孔材料3；

S32、待钻孔材料3的一端抵接放置于钻孔台面，使待钻孔材料3的底面与钻孔台面倾斜角度β；

S33、利用样本钻头2进行钻孔，获取靠近抵接侧的所钻出的孔的崩边尺寸；也就是靠近钻孔台面的孔边缘的崩边位置，如图8所示，获取的为A区域的崩边尺寸；

S34、逐渐增大倾斜角度β，重复步骤S33；

S35、确定最小崩边尺寸对应的最小倾斜角度β₀，倾斜角度β₀为临界特征角θ₀。

为了更加准确确定临界特征角θ₀，样本钻头2的壁厚为a，即样本钻头2的壁厚设定为本申请中刃部21与本体10的半径之差。

在确定临界特征角的过程中，不断增大倾斜角度β，其崩边尺寸逐渐减小，当倾斜角度β增大到一定数值时，崩边尺寸不再减小或者减小的程度不明显，此时的倾斜角度β作为临界特征角θ₀。

此种方法简单可靠，能够准确获得本申请中钻头1的刀头20的关键尺寸。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种钻头，其特征在于，所述钻头(1)包括本体(10)和形成于所述本体(10)前端的刀头(20)，其中，所述刀头(20)包括：

刃部(21)，所述刃部(21)形成于所述刀头(20)的前端，且所述刃部(21)的半径小于所述本体(10)的半径，所述刃部(21)的端面形成第一切削面(211)；和

过渡部(22)，所述过渡部(22)形成于所述刃部(21)与所述本体(10)之间，所述过渡部(22)具有适配所述刃部(21)与所述本体(10)间半径差的跃阶过渡面，所述跃阶过渡面形成第二切削面(221)；

所述刀头(20)的关键尺寸满足如下要求：

kp^α(a+b)^2α-kp^αb^2α≤h+atanθ

θ≥θ₀

式中，a为所述刃部(21)与所述本体(10)的半径之差，b为所述第一切削面(211)的径向尺寸，h为所述刃部(21)的轴向长度，θ为所述第二切削面(221)相比于所述第一切削面(211)的倾斜角度，θ₀为不产生崩边的临界特征角，k和α为预定系数，p为样本钻头(2)的轴向切削力，θ≠0。

2.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述临界特征角满足：

θ₀＝atan(kp^αa^2α-1)

式中，k和α为预定系数，p为样本钻头(2)的轴向切削力。

3.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述刀头(20)为与所述本体(10)同轴设置的截锥，所述截锥的前端面形成所述第一切削面(211)，所述截锥的锥面形成所述第二切削面(221)。

4.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述刃部(21)为圆柱体，所述圆柱体的前端面形成所述第一切削面(211)；所述过渡部(22)为截锥，所述截锥的锥面形成所述第二切削面(221)。

5.根据权利要求1-4任一项所述的钻头，其特征在于，所述刀头(20)的表面、所述本体(10)前部的表面镶嵌磨粒。

6.根据权利要求1-4任一项所述的钻头，其特征在于，所述刀头(20)和所述本体(10)为同轴设置的空心体。

7.一种钻头的制造方法，其特征在于，该钻头(1)包括本体(10)和形成于所述本体(10)前端的刀头(20)，其中，所述刀头(20)包括：

刃部(21)，所述刃部(21)形成于所述刀头(20)的前端，且所述刃部(21)的半径小于所述本体(10)的半径，所述刃部(21)的端面形成第一切削面(211)；和

过渡部(22)，所述过渡部(22)形成于所述刃部(21)与所述本体(10)之间，所述过渡部(22)具有适配所述刃部(21)与所述本体(10)间半径差的跃阶过渡面，所述跃阶过渡面形成第二切削面(221)，该制造方法包括以下步骤：

S1、确定样本钻头(2)的轴向切削力：

式中，p为样本钻头(2)的轴向切削力，c_i(i＝0,1,2,3)为预设系数，f_r为样本钻头(2)的进给速度，S为样本钻头(2)的主轴转速，A为样本钻头(2)的振幅；

S2、确定样本钻头(2)的崩边厚度：

d_t＝kp^αt^2α

式中，d_t为样本钻头(2)的崩边厚度，p为样本钻头(2)的轴向切削力，t为样本钻头(2)的壁厚，k和α为预定系数；

S3、确定钻头(1)的刀头(20)关键尺寸：

kp^α(a+b)^2α-kp^αb^2α≤h+atanθ

θ≥θ₀

式中，a为所述刃部(21)与所述本体(10)的半径之差，b为所述第一切削面(211)的径向尺寸，h为所述刃部(21)的轴向长度，θ为所述第二切削面(221)相比于所述第一切削面(211)的倾斜角度，θ₀为不产生崩边的临界特征角，θ≠0；

S4、制造满足步骤S3中刀头(20)关键尺寸要求的钻头(1)。

8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，进一步确定步骤S3中临界特征角：

θ₀＝atan(kp^αa^2α-1) 。

9.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，进一步确定步骤S3中临界特征角，包括如下步骤：

S31、选取预定壁厚的样本钻头(2)，和待钻孔材料(3)；

S32、待钻孔材料(3)的一端抵接放置于钻孔台面，使所述待钻孔材料(3)的底面与所述钻孔台面倾斜角度β；

S33、利用所述样本钻头(2)进行钻孔，获取靠近抵接侧的所钻出的孔的崩边尺寸；

S34、逐渐增大倾斜角度β，重复步骤S33；

S35、确定最小崩边尺寸对应的最小倾斜角度β₀，倾斜角度β₀为临界特征角θ₀。