CN112507523A - 一种麻花钻模型的建立方法以及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种麻花钻模型的建立方法，属于麻花钻领域。包括确定径向截面图形；按照圆柱螺旋线的轨迹移动径向截面图形，确定钻头螺旋体模型；所述圆柱螺旋线的轴线与第一轴线重合，径向截面图形垂直于第一轴线；第一轴线为钻头螺旋体模型的中轴线；根据磨削曲面剪裁钻头螺旋体模型，确定麻花钻模型。通过径向截面曲线确定钻头螺旋体模型，再根据磨削曲面剪裁钻头螺旋体得到完整的麻花钻模型，利用麻花钻模型可有效分析麻花钻几何参数对加工性能的影响，从而避免加工过程中的反复调试。

Description

一种麻花钻模型的建立方法以及装置

技术领域

本申请属于麻花钻领域，更具体地说，是涉及一种麻花钻模型的建立方法以及装置。

背景技术

钻削加工是切削加工中常用的方法之一，在金属切削将工序中占到约三分之一的比重，而麻花钻在钻削加工中使用的最多，约占总量的80%以上。所以对麻花钻进行准确有效的参数化建模显得尤为重要，一方面可以帮助刀具制造厂商减少设计成本，另一方面也可以利用参数化设计建立各种形式的麻花钻模型，并通过有限元分析手段验证麻花钻几何结构参数对切削性能的影响。

麻花钻属于复杂切削刀具，其截面形状和顶角形状对顶角、橫刃斜角等标准参数互相影响，目前还没有形成一套固定的参数建模方法，使得在分析麻花钻几何参数对加工性能影响的实验中，需要费大量的力气去建模，这是非常费时的一件工作。

发明内容

本申请提供了一种麻花钻模型的建立方法，利用该方法对麻花钻建模，可以有效分析麻花钻几何参数对加工性能的影响，从而避免加工过程中的反复调试。

为了实现上述技术效果，本申请第一方面提供了一种麻花钻模型的建立方法，包括：

确定径向截面图形；

按照圆柱螺旋线的轨迹移动所述径向截面图形，确定钻头螺旋体模型；所述圆柱螺旋线的轴线与第一轴线重合，所述径向截面图形垂直于所述第一轴线；所述第一轴线为所述钻头螺旋体模型的中轴线；

根据磨削曲面剪裁所述钻头螺旋体模型，确定所述麻花钻模型。

进一步地，所述根据磨削曲面剪裁所述钻头螺旋体模型，确定所述麻花钻模型之前，还包括：

确定磨削曲面。

进一步地，所述确定磨削曲面包括：在所述钻头螺旋体模型的中剖面绘制母线和轴线，其中，所述轴线和所述第一轴线的夹角为A，所述母线和所述轴线的夹角为B,所述母线和所述轴线的交点与所述第一轴线之间的距离为L，将所述母线绕所述第二轴线旋转360°得到所述磨削曲面。

进一步地，所述根据磨削曲面剪裁所述钻头螺旋体模型，确定所述麻花钻模型包括：将所述磨削曲面绕所述第一轴线旋转第一角度,得到第一旋转磨削曲面；使用所述第一旋转磨削曲面对所述钻头螺旋体模型进行剪裁；将所述第一旋转磨削曲面绕所述第一轴线旋转阵列180°，得到第二旋转磨削曲面；使用所述第二旋转磨削曲面对所述钻头螺旋体模型进行剪裁，得到所述麻花钻模型。

进一步地，所述确定径向截面图形包括：

根据参数方程生成钻刃曲线，所述参数方程为x=r*cos(t)+b*t*sin(t)，y=r*sin(t)-b*t*cos(t)，b=R*tan(f)/tan(β)，其中，以所述径向截面图形的中心为坐标原点建立坐标系｛0：X，Y，Z｝，所述坐标系的Z轴和所述第一轴线重合，t的取值范围为（0，(R^2-r^2)^0.5/b），R为麻花钻模型外圆半径，r 为钻芯圆半径，f为麻花钻顶角的一半，β为所述螺旋线的螺旋角；

将所述钻刃曲线以X轴为对称轴进行镜像操作得到第一曲线，将所述第一曲线以Y轴为对称轴进行镜像操作得到第二曲线；

以所述径向截面图形的中心为圆心，分别绘制麻花钻模型外圆和麻花钻模型内圆，所述麻花钻模型外圆的直径大于所述麻花钻模型内圆的直径，所述麻花钻模型外圆的直径为D；

绘制刃带组，所述刃带组包括第一刃带和第二刃带，所述第一刃带和所述第二刃带关于所述径向截面图形的中心呈中心对称，所述第一刃带的宽为所述麻花钻模型外圆上的一段圆弧，且所述第一刃带的宽的第一端点为所述钻刃曲线与所述麻花钻模型外圆的交点，所述第一刃带的高的两个端点分别位于所述麻花钻模型外圆和所述麻花钻模型内圆上，且所述第一刃带的高的延长线经过所述径向截面图形的中心；

保留所述第一曲线、所述第二曲线、所述刃带组、所属麻花钻模型外圆以及所述麻花钻模型内圆围合形成的封闭曲线，裁剪剩余的曲线，所述封闭曲线即为所述径向截面图形。

进一步地，所述螺旋角β等于30°。

由此可见，本申请的麻花钻建模方法，通过径向截面曲线确定钻头螺旋体模型，再根据磨削曲面剪裁钻头螺旋体得到完整的麻花钻模型，利用麻花钻模型可有效分析麻花钻几何参数对加工性能的影响，从而避免加工过程中的反复调试。

第二方面，本申请还提供了一种麻花钻模型的建立装置，可以包括：

确定单元，用于确定径向截面图形；

移动单元，用于按照圆柱螺旋线的轨迹移动所述径向截面图形，确定钻头螺旋体模型；所述圆柱螺旋线的轴线与第一轴线重合，所述径向截面图形垂直于所述第一轴线；所述第一轴线为所述钻头螺旋体模型的中轴线；

模型单元，用于根据磨削曲面剪裁所述钻头螺旋体模型，确定所述麻花钻模型。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的麻花钻建模方法的麻花钻的结构示意图；

图2为本申请提供的麻花钻建模方法的径向截面图形的生成的原理图；

图3为本申请提供的麻花钻建模方法的径向截面图形的示意图；

图4为本申请提供的麻花钻建模方法的磨削曲面的绘制的原理图；

图5为本申请提供的麻花钻建模方法的钻头螺旋体的生成示意图。

图中：1、钻头螺旋体模型；11、后刀面；10、前刀面；12、主切削刃；201、钻刃曲线；20、第一曲线；21、第二曲线；202、麻花钻模型内圆；203、麻花钻模型外圆；204、钻芯圆；22、第一刃带；23、第二刃带；221、第一刃带的宽；222、第一刃带的高；2、径向截面图形；3、螺旋线；100、第一轴线；4、母线；5、第二轴线。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况下，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

下面结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

麻花钻切削部分模型主要包括由螺旋槽构成的前刀面10，以及由圆锥面形成的后刀面11两个部分。对于前刀面10的螺旋槽部分，根据钻头切削刃成形原理，可认为是由钻头螺旋体模型1的径向截面图形2沿钻头螺旋体模型1的中轴线作螺旋运动形成。因此，分析径向截面图形2的形状的组成及参数，以及分析螺旋轨迹是建立螺旋槽的关键，也是建立刀具主体部分的主要内容。对于后刀面11的建模，考虑实际加工过程，在钻头螺旋体模型1上磨削出刀具的后刀面11及主切削刃12，具体建模过程中，可根据刃磨参数生成磨削圆锥面，再以圆锥面为边界剪裁钻头螺旋体模型1，形成麻花钻的后刀面11、主切削刃12等。

本申请的麻花钻建模方法，包括建立前刀面10模型的步骤和建立后刀面11以及主切削刃12的步骤。其中，建立前刀面10模型的步骤包括确定钻头螺旋体模型1的径向截面图形2以及将径向截面图形2沿圆柱螺旋线3轨迹运动生成钻头螺旋体模型1的步骤，其中，径向截面图形2垂直于第一轴线，圆柱螺旋线3的中轴线与第一轴线重合，第一轴线100为钻头螺旋体模型1的中轴线。麻花钻的前刀面10是钻头螺旋体模型1的一部分，因此前刀面10的建模主要是钻头螺旋体模型1部分的建模。根据钻头螺旋体模型1的成形原理，其生成可由钻头的径向截面图形2沿第一轴线及螺旋线3轨迹运动生成，其形成原理见图4。因此，只要获取钻头的径向截面图形2及螺旋轨迹即可生成钻头螺旋体模型1模型。

首先考虑钻头螺旋体模型1的前刀面10，前刀面10包括前刀面螺旋面和前刀面切面，这两部分由相应截面曲线作螺旋运动生成。前刀面螺旋面由主切削刃12绕半径为ｒ的基圆柱作螺旋运动形成，r为钻芯圆204的半径，在一实施例中，r=0.175D。主切削刃12与第一轴线100的夹角为麻花钻顶角的一半。前刀面切面是与前刀面10光滑连接的面，不影响切削性能，与麻花钻的刚度及切削过程中的排屑性能有关。至于径向截面图形2形状中的其它部分，如棱边、刃背部分等，可以根据具体麻花钻的结构参数而建立。同时，径向截面图形2关于钻头螺旋体模型1的中心旋转对称，因此只需要建立其中的部分曲线，其它部分可通过镜像操作得到。钻头螺旋体模型1的径向截面图形2见图3。

具体地，选取钻刃曲线201为上述部分曲线。首先建立钻刃曲线201，可在辅助软件Solidworks上进行建模。钻刃曲线201的方程为x=r*cos(t)+b*t*sin(t)，y=r*sin(t)-b*t*cos(t)，b=R*tan(f)/tan(β)，其中，建立坐标系｛0：X，Y，Z｝，以坐标原点为径向截面图形2的中心，钻刃曲线201基于该坐标系建立，坐标系的Z轴和第一轴线100重合，t的取值范围为（0，(R^2-r^2)^0.5/b），R为麻花钻模型外圆203的半径，r 为钻芯圆204的半径，半径 f为麻花钻顶角的一半，β为螺旋角，在本申请的一优选实施例中，β＝30°。

钻刃曲线201建立完成后，将钻刃曲线201以X轴为对称轴进行镜像操作得到第一曲线20，然后将第一曲线20以Y轴为对称轴进行镜像操作得到第二曲线21，当然，也可以先将钻刃曲线201以Y轴为对称轴进行镜像操作，然后再将得到的曲线以X轴为对称轴镜像操作。这两种方法得到的最终曲线是一样的。

得到第一曲线20和第二曲线21后，以坐标原点为圆心，分别绘制麻花钻模型外圆203和麻花钻模型内圆202，麻花钻模型外圆203的直径大于麻花钻模型内圆202的直径，麻花钻模型外圆203的直径为D，D=2R，D的大小可以视情况而定，D决定了麻花钻的大小。

在一实施例中，麻花钻模型内圆202直径为0.93D。

然后绘制刃带组，刃带组包括关于径向截面图形2的中心呈中心对称的第一刃带22和第二刃带23，第一刃带的宽221为麻花钻模型外圆203上的一段圆弧，圆弧的弧长f =0.174D^0.675，且第一刃带的宽221的第一端点为钻刃曲线201与麻花钻模型外圆203的交点，第一刃带的高222的两个端点分别位于麻花钻模型外圆203和麻花钻模型内圆202上，且第一刃带的高222的延长线经过径向截面图形2的中心，第一刃带的高222与第一端点与径向截面图形2的中心的连线的夹角为θ，θ=360*f*cos(β)/π/D。

绘制完成刃带组后，保留第一曲线20、第二曲线21、刃带组、麻花钻模型外圆203以及麻花钻模型内圆202围合形成的封闭曲线，裁剪剩余的曲线，该封闭曲线即为径向截面图形2。

生成径向截面图形2后，进行螺旋线3的扫描操作，即将径向截面图形2沿垂直第一 轴线100的方向及螺旋线3的轨迹运动，其中，螺旋线3方程为

，P为螺旋线3 的螺距，即可得到钻头螺旋体模型1。

建立完成钻头螺旋体模型1模型后即得到麻花钻的前刀面10模型，然后还需建立麻花钻的后刀面11模型。麻花钻的主切削刃12由后刀面11和前刀面10相交形成，麻花钻在钻削过程中后刀面11磨损最为严重，后刀面11的刃磨对麻花钻寿命有极大影响。所以麻花钻建模的另一个关键点在后刀面11，后刀面11根据麻花钻的锥面刃磨原理成形，其建模过程为以下步骤：

（1）绘制磨削曲面，磨削曲面为圆锥面，实现方法为在钻头螺旋体模型1的中剖面绘制圆锥面的第二轴线5和母线4，第二轴线5和钻头螺旋体模型的中轴线100的夹角为A，母线4和第二轴线5的夹角为B，母线4和第二轴线5的交点与钻头螺旋体模型的中轴线100之间的距离为L，将母线4绕第二轴线5旋转360°得到磨削曲面。具体见图5所示。

需要说明的是，上述钻头螺旋体模型1的中剖面为Y轴和Z轴所在平面。母线4和第二轴线5的长度可以取多个值，只需保证磨削曲面穿过钻头螺旋体模型1即可。

在一优选实施例中，A等于30°，B等于29°，L可根据麻花钻的性能参数需要取具体值，优选地，L=1.7647D。

（2）将磨削曲面绕钻头螺旋体模型的中轴线100旋转第一角度，得到第一旋转磨削曲面。优选地，为能够得到标准的橫刃斜角为55°的麻花钻，需要将磨削曲面绕钻头螺旋体模型的中轴线100旋转35°（即第一角度的度数为35度）。

（3）使用得到第一旋转磨削曲面对钻头螺旋体模型1进行剪裁，同时第一旋转磨削曲面进行旋转阵列180°，得到第二旋转磨削曲面，用第二旋转磨削曲面再次剪裁钻头螺旋体模型1，得到最终的麻花钻模型。如图5所示，以第二轴线5为第一旋转磨削曲面的轴线，母线4为第一旋转磨削曲面（该面形成的空间形状近似为圆锥体）的侧边，形成的曲面是第一旋转磨削曲面。根据前述要求，旋转180度之后得到第二旋转磨削曲面。根据第一旋转磨削曲面和第二旋转磨削曲面对钻头螺旋体模型进行剪裁，可以最终得到麻花钻模型。本发明实施例对利用磨削曲面进行剪裁的顺序不做限定。

上述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种麻花钻模型的建立方法，其特征在于，包括：

确定径向截面图形；

按照圆柱螺旋线的轨迹移动所述径向截面图形，确定钻头螺旋体模型；所述圆柱螺旋线的轴线与第一轴线重合，所述径向截面图形垂直于所述第一轴线；所述第一轴线为所述钻头螺旋体模型的中轴线；

根据磨削曲面剪裁所述钻头螺旋体模型，确定所述麻花钻模型。

2.根据权利要求1所述的麻花钻模型的建立方法，其特征在于，所述根据磨削曲面剪裁所述钻头螺旋体模型，确定所述麻花钻模型之前，还包括：

确定所述磨削曲面。

3.根据权利要求2所述的麻花钻模型的建立方法，其特征在于，所述确定所述磨削曲面包括：在所述钻头螺旋体模型的中剖面绘制母线和第二轴线，其中，所述第二轴线和所述第一轴线的夹角为A，所述母线和所述第二轴线的夹角为B,所述母线和所述第二轴线的交点与所述第一轴线之间的距离为L，将所述母线绕所述第二轴线旋转360°得到所述磨削曲面。

4.根据权利要求1所述的麻花钻模型的建立方法，其特征在于，所述根据磨削曲面剪裁所述钻头螺旋体模型，确定所述麻花钻模型包括：将所述磨削曲面绕所述第一轴线旋转第一角度,得到第一旋转磨削曲面；使用所述第一旋转磨削曲面对所述钻头螺旋体模型进行剪裁；将所述第一旋转磨削曲面绕所述第一轴线旋转阵列180°，得到第二旋转磨削曲面；使用所述第二旋转磨削曲面对所述钻头螺旋体模型进行剪裁，得到所述麻花钻模型。

5.根据权利要求1所述的麻花钻模型的建立方法，其特征在于，所述确定径向截面图形包括：

根据参数方程生成钻刃曲线，所述参数方程为x=r*cos(t)+b*t*sin(t)，y=r*sin(t)-b*t*cos(t)，b=R*tan(f)/tan(β)，其中，建立坐标系｛0：X，Y，Z｝，所述坐标系的原点为所述径向截面图形的中心，所述坐标系的Z轴和所述第一轴线重合，t的取值范围为（0，(R^2-r^2)^0.5/b），R为麻花钻模型外圆的半径，r 为钻芯圆的半径，f为麻花钻的顶角的一半，β为所述螺旋线的螺旋角；

将所述钻刃曲线以X轴为对称轴进行镜像操作得到第一曲线，将所述第一曲线以Y轴为对称轴进行镜像操作得到第二曲线；

以所述径向截面图形的中心为圆心，分别绘制麻花钻模型外圆和麻花钻模型内圆，所述麻花钻模型外圆的直径大于所述麻花钻模型内圆的直径，所述麻花钻模型外圆的直径为D；

绘制刃带组，所述刃带组包括第一刃带和第二刃带，所述第一刃带和所述第二刃带关于所述径向截面图形的中心呈中心对称；所述第一刃带的宽为所述麻花钻模型外圆上的一段圆弧，所述圆弧的弧长f = 0.174D^0.675，且所述第一刃带的宽的第一端点为所述钻刃曲线与所述麻花钻模型外圆的交点；所述第一刃带的高的两个端点分别位于所述麻花钻模型外圆和所述麻花钻模型内圆上，且所述第一刃带的高的延长线经过所述径向截面图形的中心；

保留所述第一曲线、所述第二曲线、所述刃带组、所述麻花钻模型外圆以及所述麻花钻模型内圆围合形成的封闭曲线，所述封闭曲线为所述径向截面图形。

6.根据权利要求5所述的麻花钻模型的建立方法，其特征在于，所述螺旋角β等于30°。

7.一种麻花钻模型的建立装置，其特征在于，包括：

确定单元，用于确定径向截面图形；

移动单元，用于按照圆柱螺旋线的轨迹移动所述径向截面图形，确定钻头螺旋体模型；所述圆柱螺旋线的轴线与第一轴线重合，所述径向截面图形垂直于所述第一轴线；所述第一轴线为所述钻头螺旋体模型的中轴线；

模型单元，用于根据磨削曲面剪裁所述钻头螺旋体模型，确定所述麻花钻模型。

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