CN112643414A - 硬质合金钻头加工制造方法 - Google Patents

Abstract

硬质合金钻头加工制造方法，属于航空、航天难加工材料领域。本发明改变原有钻尖形式，创新研发复合形式钻尖、通过切削试验数据统计分析优化刀具切削角度，形成一种专用新型钻头刀具，主要用于高温合金、低膨胀合金钢、陶瓷复合基材料的产品钻孔加工中，有针对性的创新钻头钻尖形状、优化刀具角度的设计制造方法，用以满足科研生产中对加工难加工材料产品的钻孔加工。通过实验对钻头切削角度进行合理比较，选取最优的加工角度从而达到耐磨；增加切削刃，另一方面增加台阶式切削刃，防止钻头总利用第一切削刃加工使钻头温度过高，进而破损报废，本发明优化合理、实用可靠、可实现有效对难加工材料进行钻孔加工，填补国内此项方法领域的空白。

Description

硬质合金钻头加工制造方法

技术领域

本发明涉及一种硬质合金钻头加工制造方法，属于航空、航天难加工材料领域。

背景技术

目前在加工难加工材料如高温合金、低膨胀合金钢、陶瓷复合基材料的产品钻孔加工中，钻孔加工非常困难，由于材料较硬、切削性能不好，使用普通合金钻头，常常发生烧刀或折断问题，其孔径的精度与表面质量很难保证，只能不计效率与成本的频繁换刀，边修磨边加工，一点点的慢慢钻孔，致使其加工效率非常低，加工质量也很难保证，是一直困扰此类产品加工的技术瓶颈，是一项制约难加工材料科研生产的重要技术难题，属于国内一项技术空白。就此项技术难题，急需对加工此类产品的钻头进行针对性的技术攻关，研制出难加工材料产品特种专用钻头。

因此，亟需提出一种新型的硬质合金钻头加工制造方法，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的是主要用于高温合金、低膨胀合金钢、陶瓷复合基材料的产品钻孔加工中，有针对性的创新钻头钻尖形状、优化刀具角度的设计制造方法，实用可靠，用以满足科研生产中对加工难加工材料产品的钻孔加工。通过实验对钻头切削角度进行合理比较，选取最优的加工角度从而达到耐磨；增加切削刃，另一方面增加台阶式切削刃，防止钻头总利用第一切削刃加工使钻头温度过高，进而破损报废，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

本发明的技术方案：

硬质合金钻头加工制造方法，其特征在于：

步骤1，使用五轴高精度数控工具磨床，确保硬质合金钻头的一致性和精度；

步骤2，选则46号粒度金刚石砂轮，作为磨削工具；

步骤3，加工参数选用切削实验参数，实验优选参数为：前角11°、第一切削刃的水平夹角α、第二切削刃的水平夹角β、顶角γ和导程角21°；

步骤4，采用小进给，多次磨削法对硬质合金钻头进行加工制造，确保各项角度的精准度，多次磨削法中金刚石砂轮线速度为25m/s、磨削进给量为130mm/min；

步骤5，通过手工研磨方式对硬质合金钻头进行研磨处理，提高切削性能和耐用度。

步骤6，使用高精度对刀仪对硬质合金钻头进行检测，复查加工参数中各项角度的准确性。

2.根据权利要求1所述的硬质合金钻头加工制造方法，其特征在于：所述步骤3中切削实验优选参数的方法如下：

1)试验设计方法各项指标的确定

试验指标：作为试验研究过程的因变量，常为试验结果特征的量。试验指标确定为刀具耐用度；

因素：作为试验研究过程的自变量，常常是造成试验指标按某种规律发生变化的那些原因，确定刀具几何角度为顶角γ、第一切削刃的水平夹角α、第二切削刃的水平夹角β；

水平：试验中因素所处的具体状态或情况，又称为等级，下标1、2、3表示因素的不同水平，分别记为γ1、γ2、γ3。

通过以上的分析，挑选了关键因素，制定了此次试验的各项条件，确定切削试验设计方案；

2)试验设计方法试验条件的确定

确定试验的相关数据，并决定运用极差分析法进行数据处理，试验条件如下：

A.试验指标：刀具耐用度；

B.因素：以顶角γ、第一切削刃的水平夹角α和第二切削刃的水平夹角β这3个最主要的参数做为因素；

C.水平：每个因素选取3个水平，顶角γ为125°、135°、145°；第一切削刃的竖直方向夹角α为28°、38°、48°；第二切削刃的竖直方向夹角β为8°、10°、12°，各水平均从切削手册及实际加工经验中的选取角度；

3)切削试验过程与分析

用切削试验数据分析安排多因素试验的方法，称为切削试验设计法。用相应的极差分析方法、方差分析方法、回归分析方法等对试验结果进行分析，通过切削试验得出最佳刀具角度参数，最佳刀具角度参数是：顶角γ为135°，第一切削刃的竖直方向夹角α即第一切削刃角度为48°，第二切削刃的竖直方向夹角β即第二切削刃角度为8°。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明改变原有钻尖形式，创新研发复合形式钻尖、通过切削试验数据统计分析优化刀具切削角度，形成一种专用新型钻头刀具，从根本上解决了难加工材料的钻削加工刀具瓶颈，其复合切削刃刀尖具有较好的切削性能，在优化第一、第二切削刃角度后，可实现对难加工材料的钻削加工；

2.本发明创新设计新形式的复合钻尖，通过改变角度，增强钻尖的钻削性能，加工复合切削刃，有效保护钻尖的耐用度，提升钻尖的钻削能力；

3.本发明改进第一、第二切削刃角度，降低钻尖加工时产生的高温温度，保证其耐用度，达到对难加工材料钻孔加工有效，保障加工质量和效率的目的；

4.本发明设计新颖、优化合理、实用可靠、可实现有效对难加工材料进行钻孔加工，填补国内此项技术领域的空白；

5.本发明与现有技术对比更加具体化，目前市面上的硬质合金钻头顶角一般为128°到140°,我们此次通过实验得到数据进行比较，找到最优化的钻头角度达到提升刀具切削性能、加工效率和耐用度；

6.本发明通过大量实验改进钻头形式，实现高切削性能、高耐磨性，提升了加工效率和生产瓶颈，延长了钻头的单次修磨后的使用时长，大大提升了效率，极大的节省了刀具费用和相关修磨费用，降低了生产成本。

附图说明

图1是硬质合金钻头的俯视图；

图2是硬质合金钻头的侧视图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接，所述固定连接(即为不可拆卸连接) 包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式，所述可拆卸连接包括但不限于螺纹连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式，未明确限定具体连接方式时，默认为总能在现有连接方式中找到至少一种连接方式能够实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择。例如：固定连接选择焊接连接，可拆卸连接选择铰链连接。

具体实施方式一：结合图1-图2说明本实施方式，本实施方式的硬质合金钻头加工制造方法，硬质合金钻头加工制造方法，其特征在于：

步骤1，使用五轴高精度数控工具磨床，确保硬质合金钻头的一致性和精度；

步骤2，选则46号粒度金刚石砂轮，作为磨削工具；

步骤3，加工参数选用切削实验参数，实验优选参数为：前角11°、第一切削刃的水平夹角α、第二切削刃的水平夹角β、顶角γ和导程角21°；

步骤4，采用小进给，多次磨削法对硬质合金钻头进行加工制造，确保各项角度的精准度，多次磨削法中金刚石砂轮线速度为25m/s、磨削进给量为130mm/min；

步骤5，通过手工研磨方式对硬质合金钻头进行研磨处理，提高切削性能和耐用度。

步骤6，使用高精度对刀仪对硬质合金钻头进行检测，复查加工参数中各项角度的准确性。

所述步骤3中切削实验优选参数的方法如下：

1)试验设计方法各项指标的确定

试验指标：作为试验研究过程的因变量，常为试验结果特征的量。试验指标确定为刀具耐用度；

因素：作为试验研究过程的自变量，常常是造成试验指标按某种规律发生变化的那些原因，确定刀具几何角度为顶角γ、第一切削刃的水平夹角α、第二切削刃的水平夹角β；

水平：试验中因素所处的具体状态或情况，又称为等级，如例1的温度有3个水平。温度用T表示，下标1、2、3表示因素的不同水平，分别记为γ1、γ2、γ3。

通过以上的分析，挑选了关键因素，制定了此次试验的各项条件，确定切削试验设计方案；

2)试验设计方法试验条件的确定

确定试验的相关数据，并决定运用极差分析法进行数据处理，试验条件如下：

A.试验指标：刀具耐用度；

B.因素：以顶角γ、第一切削刃的水平夹角α和第二切削刃的水平夹角β这3个最主要的参数做为因素；

C.水平：每个因素选取3个水平，顶角γ为125°、135°、145°；第一切削刃的竖直方向夹角α为28°、38°、48°；第二切削刃的竖直方向夹角β为8°、10°、12°，各水平均从切削手册及实际加工经验中的选取角度；

3)切削试验过程与分析

用切削试验数据分析安排多因素试验的方法，称为切削试验设计法。其特点为：①完成试验要求所需的实验次数少。②数据点的分布很均匀。③可用相应的极差分析方法、方差分析方法、回归分析方法等对试验结果进行分析，引出许多有价值的结论，通过切削试验得出最佳刀具角度参数，最佳刀具角度参数是：顶角γ为135°，第一切削刃的竖直方向夹角α即第一切削刃角度为48°，第二切削刃的竖直方向夹角β即第二切削刃角度为 8°。

正交试验设计法的基本原理

使用正交表，来安排试验并进行数据分析的一种方法。它简单易行，计算表格化，能够迅速掌握。按照正交表来安排试验，既能使试验点分布得很均匀，又能大幅减少试验次数。

表6-1L9(3⁴)

试验方案：本次试验的正交表可选用L9(3⁴)，试验安排见表6-2；

表6－2因素水平L₉(3⁴)

所有的正交表与L9(3⁴)正交表一样，都具有以下两个特点：

(1)在每一列中，各个不同的数字出现的次数相同。在表L9(34)中，每一列有三个水平，水平1、2、3都是各出现3次。

(2)表6-1中任意两列并列在一起形成若干个数字对，不同数字对出现的次数也都相同。在表6-1中，任意两列并列在一起形成的数字对共有9个：(1,1)，(1,2)，(1,3)， (2,1)，(2,2)，(2,3)，(3,1)，(3,2)，(3,3)，每一个数字对各出现一次。

表6－3试验安排表

确定正交表后，就可以套用表格做试验了。在确定因素的水平数时，应将主要因素宜多安排几个水平，次要因素可少安排几个水平。有交互作用的因素时，试验设计则必须严格地按规定来；若不考虑交互作用，则试验安排可以是任意的，只要把所考察的每一个因子任意地对应于正交表的一列(一个因子只能对应一列)，然后把每列的数字"翻译"成所对应因子的水平。这样，每一行的各水平组合就构成了一个试验条件(不考虑没安排因子的列)。

对于之前刀具而言，因子A、B、C都是三水平的，试验次数要不少于3×(3-1)+1＝ 7(次)。可考虑选用L9(34)。因子A、B、C可任意地对应于L9(34)的三列，例如A、B、C 分别放在l、2、3列(顺序不限)，每一行中各因素的水平组合就是每一次的试验条件，从上到下就是这个正交试验的方案，见表6-4。

表6-4试验方案

因子安排试验方案

3个3水平的因子，做全面试验需要33＝27次试验，现用L9(34)来设计试验方案，只要做9次，工作量减少了2/3，而在一定意义上代表了27次试验。此方案数据点分布的均匀性极好，因素和水平的搭配十分全面，唯一的缺点是实验次数多达33＝27次(指数3代表3个因素，底数3代表每因素有3个水平)。

试验过程与分析

用正交表安排多因素试验的方法，称为正交试验设计法。其特点为：①完成试验要求所需的实验次数少。②数据点的分布很均匀。③可用相应的极差分析方法、方差分析方法、回归分析方法等对试验结果进行分析，引出许多有价值的结论。

1、正交试验表

表7-1刀具正交试验表

2、试验结果：见表7-2。

表7-2试验结果

实验结果分析对试验结果判定标准为：每30、60分钟检测1次刀具。结果见表8-1。

表8－1试验结果

通过正交试验得出最佳刀具结果为6号刀具角度参数，刀具在试验中磨损最小，耐用度最高。我们通过多次正交试验，细化了刀具参数在顶角135度、第一切削刃角度为48度、第二切削刃角度为8度，最终优先出最佳刀具角度参数，实现了难加工材料产品的专用硬质合金钻头加工制造方法。

由图1可知，改变钻尖形状，创新使用新形式的复合钻尖，增加各项角度优化，实现此项技术专利目的。在加工连接环产品中，由于材料为低膨胀合金钢，硬度高、切削性差而使用普通合金钻头根本无法加工，由于材料的难加工，在加工孔时，需要进行多次钻孔加工，1支合金钻头钻几个孔就磨损严重需要更换，往往一件产品下来需要近20多支合金钻头才能加工完成，而且常常出现位置度超差、孔径尺寸超差等问题，质量很难保证。

通过试验发现，钻头在加工2个孔就会发生钻尖严重磨损，出现烧刀或破损现象，所以有针对性的从钻尖的改进入手，不断进行角度优化试验，改变钻尖加工形式。通过大量的试验摸索，最终取得突破性进展，在进行合金钻头的钻尖技术优化改进的同时，改变钻尖角度，大胆尝试创新使用新形式的复合钻尖(第一切削刃、第二切削刃)，通过改变横刃角度加大横刃宽度，以增强钻尖的钻削性能，加工复合切削刃，在横刃的基础上增加第二切削刃，提高钻尖的切削性和耐用性，有效保护钻尖的耐用度，提升钻尖的钻削能力，改进切削槽角度，有效将切屑导向切削槽，减少切屑对钻尖的磨损及影响，降低钻尖加工温度，保证其耐用度。在加工高温合金泵壳体组合件打斜孔时，需要直径只有4.5mm的孔需要钻入近60mm，使用普通合金钻头，很容易钻头折断造成产品报废，在加工中只能边钻边修磨，生产效率极慢，钳工一天只能加工一件，现在使用专用特种钻头加工该产品， 1支钻头2个小时就可以加工1件，中间不需要修磨，加工两件产品后，钻头基本没有磨损还可以继续使用，提高生产效率4倍，保证了产品的生产进度和产品质量。在接下来的某重点型号难加工材料高温合金涡轮泵产品的钻孔加工中也起到了重要作用。加工高温合金零件喷嘴环产品时，需要加工4个孔，由于高温合金是非常难加工的材料，以前使用普通合金钻头，加工1个孔就得换1支钻头，现在使用经过新研制出的专用特种钻头，1支就可以加工6件产品共计24个孔，极大的提高了生产效率。

将本硬质合金钻头加工制造方法应用在加工高温合金材料打斜孔时，由原来的多支合金钻头一天只能加工一件，到现在应用本硬质合金钻头加工制造方法的钻头加工该产品1 支钻头2个小时就可以加工1件，中间不需要修磨，加工两件产品后，钻头基本没有磨损还可以继续使用，提高生产效率4倍，保证了产品的生产进度和产品质量。

本硬质合金钻头加工制造方法通过对低膨胀合金钢、高温合金、陶瓷复合基材料等多种难加工材料产品的钻孔加工验证，本硬质合金钻头加工制造方法钻头无论在生产效率、钻头耐用度，还是在加工质量上都有显著提升，突破了难加工材料钻孔加工的技术难题，提高生产效率4倍，钻头耐用度提升10倍，极大的减少了刀具损耗，减少了生产成本及钻头修磨时间及费用，为各项难加工材料的科研生产的顺利进行起到了重要的作用。本硬质合金钻头加工制造方法创新成果的研制成功，填补了国内在难加工材料钻孔加工的技术空白，为今后日新月异的难加工材料领域的科研生产探索出了一条光明大道。

表1实际应用数据

加工材料	改进前钻孔数量	改进后钻孔数量	效果对比
				低膨胀合金钢	3	15个孔	性能提升5倍
高温合金零件	1	24	性能提升24倍

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90 度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.硬质合金钻头加工制造方法，其特征在于：

步骤1，使用五轴高精度数控工具磨床，确保硬质合金钻头的一致性和精度；

步骤2，选则46号粒度金刚石砂轮，作为磨削工具；

步骤3，加工参数选用切削实验参数，实验优选参数为：前角11°、第一切削刃的水平夹角α、第二切削刃的水平夹角β、顶角γ和导程角21°；

步骤4，采用小进给，多次磨削法对硬质合金钻头进行加工制造，确保各项角度的精准度，多次磨削法中金刚石砂轮线速度为25m/s、磨削进给量为130mm/min；

步骤5，通过手工研磨方式对硬质合金钻头进行研磨处理，提高切削性能和耐用度。

步骤6，使用高精度对刀仪对硬质合金钻头进行检测，复查加工参数中各项角度的准确性。

2.根据权利要求1所述的硬质合金钻头加工制造方法，其特征在于：所述步骤3中切削实验优选参数的方法如下：

1)试验设计方法各项指标的确定

试验指标：作为试验研究过程的因变量，常为试验结果特征的量。试验指标确定为刀具耐用度；

因素：作为试验研究过程的自变量，常常是造成试验指标按某种规律发生变化的那些原因，确定刀具几何角度为顶角γ、第一切削刃的水平夹角α、第二切削刃的水平夹角β；

水平：试验中因素所处的具体状态或情况，又称为等级，下标1、2、3表示因素的不同水平，分别记为γ1、γ2、γ3。

通过以上的分析，挑选了关键因素，制定了此次试验的各项条件，确定切削试验设计方案；

2)试验设计方法试验条件的确定

确定试验的相关数据，并决定运用极差分析法进行数据处理，试验条件如下：

A.试验指标：刀具耐用度；

B.因素：以顶角γ、第一切削刃的水平夹角α和第二切削刃的水平夹角β这3个最主要的参数做为因素；

C.水平：每个因素选取3个水平，顶角γ为125°、135°、145°；第一切削刃的竖直方向夹角α为28°、38°、48°；第二切削刃的竖直方向夹角β为8°、10°、12°，各水平均从切削手册及实际加工经验中的选取角度；

3)切削试验过程与分析

用切削试验数据分析安排多因素试验的方法，称为切削试验设计法。用相应的极差分析方法、方差分析方法、回归分析方法等对试验结果进行分析，通过切削试验得出最佳刀具角度参数，最佳刀具角度参数是：顶角γ为135°，第一切削刃的竖直方向夹角α即第一切削刃角度为48°，第二切削刃的竖直方向夹角β即第二切削刃角度为8°。

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