CN113618120A - 自定心防偏减振孔加工刀具 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械加工领域，具体涉及自定心防偏减振孔加工刀具，包括麻花钻、扩孔钻以及中心钻、扁钻、铰刀、镗刀等。在结构上有主切削刃、刃带和刃背。在刀具端面视图上，一部分刃背轮廓线为楔形轮廓线，与所加工孔的圆心不同，楔形轮廓线与所加工孔的孔壁形成楔形空间；液体被拖进楔形空间，从大间隙进入，从小间隙挤出或被封闭，液体压力升高；作用于刀具，防止刀具出现偏斜，将已加工孔作为工艺基准，引导刀具进给。液体可以将系统振动的能量变为液体的压力能，从而吸收系统振动，减小系统振动幅度，提高孔的加工质量。本发明针对麻花钻等标准件提出了实质性改进方案，具有广泛的应用前景。方案简单、易于实施、成本低，是技术上的突破。

Description

自定心防偏减振孔加工刀具

技术领域

本发明属于机械加工领域，具体涉及自定心防偏减振孔加工刀具。

背景技术

孔加工刀具包括麻花钻、扩孔钻、中心钻、扁钻、铰刀、镗刀等。孔加工刀具最为常用的是麻花钻，麻花钻因其容屑槽成螺旋状、形似麻花而得名。容屑槽有2槽、3槽或更多槽，但以2槽最为常见。麻花钻可被夹持在手动、电动的手持式钻孔工具或钻床、铣床、车床乃至加工中心上使用。钻头材料较多为高速工具钢或硬质合金。扩孔钻与钻头相似，钻头钻底孔，扩孔把底孔加以扩大。扩孔钻有3到4个刃带，无横刃，前角和后角沿切削刃的变化小，加工时导向效果好，轴向抗力小，切削条件优于钻孔。中心钻常常用于孔加工的第一道工序，铰刀加工精度高于钻头，镗刀也比较常用。扁钻在微小孔和大孔加工中也有应用。

麻花钻有容屑槽、主切削刃、刃带、刃背。刃背表面为螺旋面，在理论上，刃背的主要表面与钻头具有共同的轴线。在钻头的端面视图上，刃背轮廓线与所加工孔具有相同的圆心。其它孔加工刀具也具有相似结构，至少有主切削刃、刃带和刃背。

钻头细而长，容屑槽进一步降低了钻头的刚度，加之仅有两条刃带导向，所加工的孔的轴线容易偏斜。麻花钻的横刃使定心困难，轴向抗力增大，钻头容易摆动。因此，钻出孔的形位误差较大。总体而言，孔加工工艺难度高于外圆或外平面加工。

轴承的润滑形式包括动压润滑和静压润滑。

流体动压润滑也称为流体动力润滑(Hydrodynamic Lubrication，简称HDL)。《机械设计》教材在摩擦与润滑、滑动轴承等章节简单或详细介绍动压润滑的原理与设计。轴颈旋转将润滑油带入轴承摩擦表面，由于润滑油的粘性作用，当达到足够高的相对旋转速度时，润滑油被带入轴和轴瓦配合面间的楔形间隙时，润滑油内的压力上升，形成流体动压效应。因此油膜具有承载能力。当油膜压力与外载荷平衡时，轴与轴瓦之间形成稳定的油膜，从而实现流体动力润滑。流体动压润滑应满足的条件为：摩擦表面具有收敛楔；轴颈具有足够的转速；润滑油具有适当的黏度。

动压润滑中，轴颈与轴承孔间必须留有间隙。当轴颈静止时，轴颈处于轴承孔的最低位置，并与轴承孔壁下母线(或轴瓦)接触。此时，两表面间自然形成一个收敛的楔形空间。当轴开始转动时，速度较低，带入轴承间隙中的油量较少。随着转速的增加，轴颈表面的线速度加大，带入楔形空间的油量增加，这时，楔形油膜内产生动压力，使轴颈浮起，轴承内的摩擦阻力仅为液体的内阻力，摩擦系数很小，磨损少。

静压润滑则利用油泵供应高压液体，使轴颈与轴承孔壁分开。

发明内容

本发明的目的：将轴承动压润滑原理应用于钻头、铰刀、镗刀等刀具的孔加工过程中。通过改造刀具结构，形成楔形凸起、楔形空间、楔形油膜，并借助刀具与孔壁的相对旋转运动，使油膜内形成液压力，两处或三处或多处液压力作用于刀具，支撑、稳定刀具，防止刀具偏斜。同时，利用油膜吸收钻削过程中的振动，提高孔的加工质量。

本发明通过以下技术创新点实现。

1.自定心防偏减振孔加工刀具包括麻花钻、扩孔钻，在结构上有容屑槽、主切削刃、刃带和刃背，其特征在于：在端面视图上，一部分刃背轮廓线与所加工孔壁在理论上具有共同的圆心，称为同心轮廓线；另外一部分刃背轮廓线为楔形轮廓线，与所加工孔不同心，楔形轮廓线与所加工孔的孔壁形成楔形空间；在刀具与孔壁之间有冷却液或润滑液；钻削过程中，刀具与工件孔壁相对旋转，将冷却液或润滑液拖进楔形空间，从大间隙进入，从小间隙挤出，这时液体压力升高；两条、三条或多条刃背处的楔形液膜向刀具施加沿圆周分布的作用力；有时楔形空间的小间隙成为零间隙，冷却液或润滑液的出口被封闭，楔形液膜内液体压力升高，作用于刀具。

2.根据技术创新点1所述的自定心防偏减振孔加工刀具，其特征在于：在端面视图上，构成楔形空间的单个楔形轮廓线长度小于或等于或大于四分之一圆周，楔形轮廓线低点到刀具中心的距离大于或等于或小于同心轮廓线的半径；楔形轮廓线的高点到刀具中心的距离等于或小于刀具半径。

3.根据技术创新点1所述的自定心防偏减振孔加工刀具，其特征在于：楔形轮廓线由附加材料形成，或由去除材料形成；或由轧制形成，或由磨背形成；或由铣削形成，或由车削形成，或由拉削形成，或由刨削形成。

4.根据技术创新点1所述的自定心防偏减振孔加工刀具，其特征在于：楔形凸起有两种，第一种，楔形轮廓线高点靠近邻近的刃带，低点远离邻近的刃带；第二种，楔形轮廓线低点靠近邻近的刃带，高点远离邻近的刃带。

5.根据技术创新点1所述的自定心防偏减振孔加工刀具，其特征在于：刀具沿轴线的长度因为使用、重磨变短时，在刀具端面视图上，都存在楔形轮廓线。

6.根据技术创新点1所述的自定心防偏减振孔加工刀具，其特征在于：楔形轮廓线存在于直柄或锥柄钻头。

7.根据技术创新点1所述的自定心防偏减振孔加工刀具，其特征在于：冷却液或润滑液在钻削前供应或钻削过程中供应；由手工供应或油泵供油。

8.根据技术创新点1所述的自定心防偏减振孔加工刀具，其特征在于：钻削时无罩盖或有罩盖；在封闭式罩盖内，液体自然流入或被压入容屑槽、钻头与孔壁的其它间隙，使楔形空间充满液体。

9.自定心防偏减振孔加工刀具包括中心钻、扁钻、镗刀、铰刀，在结构上有主切削刃、刃带和刃背，其特征在于：在端面视图上，一部分刃背轮廓线与所加工孔壁在理论上具有共同的圆心，称为同心轮廓线；另外一部分刃背轮廓线为楔形轮廓线，与所加工的孔不同心，楔形轮廓线与所加工孔的孔壁形成楔形空间；在刀具与孔壁之间有冷却液或润滑液；加工过程中，刀具与工件孔壁相对旋转，将冷却液或润滑液拖进楔形空间，从大间隙进入，从小间隙挤出，这时液体压力升高；两条或三条或多条刃背处的楔形液膜向刀具施加沿圆周分布的作用力；有时楔形空间的小间隙成为零间隙，冷却液或润滑液的出口被封闭，楔形液膜内液体压力升高，作用于刀具。

10.根据技术创新点9所述的自定心防偏减振孔加工刀具，其特征在于：在端面视图上，构成楔形空间的单个楔形轮廓线长度小于或等于或大于四分之一圆周；楔形轮廓线低点到刀具中心的距离大于或等于或小于同心轮廓线的半径；楔形轮廓线的高点到刀具中心的距离等于或小于刀具半径；楔形轮廓线由附加材料形成，或由去除材料形成，或由轧制形成，或由磨背形成，或由铣削形成，或由车削形成，或由拉削形成，或由刨削形成；楔形凸起有两种，第一种，楔形轮廓线高点靠近邻近的刃带，低点远离邻近的刃带；第二种，楔形轮廓线低点靠近邻近的刃带，高点远离邻近的刃带；刀具沿轴线的长度因为使用、重磨变短时，在刀具端面视图上，都存在楔形轮廓线；冷却液或润滑液在加工前供应或加工过程中供应；由手工供应或油泵供油；加工时无罩盖或有罩盖；在封闭式罩盖内，液体自然流入或被压入刀具与孔壁的其它间隙，使楔形空间充满液体。

以下对本发明作进一步说明。

1、本发明借鉴了滑动轴承动压润滑原理，特别是多油楔动压润滑的原理。动压润滑包括单油楔润滑和多油楔润滑。多油楔润滑在平面磨床、无心磨床的主轴系统中得到了广泛采用。多油楔润滑有三块或多块内表面浇有巴氏合金的瓦块，瓦块沿轴径外圆周均匀分布，瓦块在结构上能就地摆动，工作中可形成多个油楔，一般我们把二块以上巴氏合金瓦块的径向轴承叫多油楔轴承，可按数量直接称呼。多油楔常用的有三油楔到五油楔。三油楔轴承承载能力高，可用于高速重载场合，五油楔轴承适宜高速轻载场合。在钻孔开始时，刀具一般处于正确的位置，开始阶段所加工出的孔也没有偏斜。本发明中，刀具刃背上的楔形凸起，与开始加工出的孔的孔壁形成楔形空间。在钻孔开始前或钻孔过程中，供应液体，比如具有冷却、润滑作用的油液，利用刀具与工件的相对运动，使液体从楔形空间的大间隙进入，形成具有动压压强即压力的楔形油膜。不同位置的油膜对刀具的液压作用力的合力为零，但单个油膜的作用力不为零。几处油膜犹如三爪卡盘的三个卡爪定位、支撑刀具，防止其偏斜，利用已加工出的孔为基准，引导刀具沿正确的方向进给，防止出现偏斜。

2、一般情况下，刀具在加工过程中存在振动，部分原因如下，工件材料不够均匀，机床主轴系统旋转精度不足，刀具安装有误差，刀具受力变形。刀具的振动能降低所加工出的孔的尺寸精度、圆度、圆柱度、表面粗糙度及孔的垂直度、平行度、同轴度等位置误差。使振动衰减的各种摩擦和其他阻碍作用，被称为阻尼。阻尼器是安置在结构系统上的“特殊”装置，它可提供运动的阻力，耗减运动能量。理想的阻尼器之一是液体阻尼器。利用本发明刀具钻孔时，采用了冷却液或润滑油，液体可以将系统振动的能量变为液体的压力能，从而吸收系统振动，减小系统振动幅度。液体阻尼是一种对速度反应灵敏的振动控制方法。

3、采用本发明钻孔时，供油方式十分灵活，可以在钻削前供油，也可以在钻削过程中供油。油液可以来源于手工浇油，也可以来源于油泵供油。相比较而言，油泵供油利于将更多油液输入到刀具的容屑槽和及刀具与孔壁的其它间隙。由于所需的进入楔形空间、发挥动压润滑作用的液体的量不大，钻削前、钻削中简单的手工浇油也能发挥本发明的作用。钻削时无罩盖或无罩盖。有封闭式罩盖，有利于将液体输入容屑槽、刀具与孔壁的其它间隙，进而利于使楔形空间充满液体。

4、对于刀具旋转、工件旋转两种不同情况，楔形轮廓线高点、低点布置方案不同，不管哪种方案，都应使液体从楔形的大间隙流入，小间隙流出。

5、上述采用楔形油膜的原理，作为一种技术思路，通过适当和灵活的设计，也可推广应用于镗刀、扁钻、铰刀。

6、本发明具有以下特点。所改进的对象为国内外长期以来广泛应用的钻头，面广量大，意义突出，具有很大的市场价值和应用前景。针对麻花钻这样一个标准件、典型工具、传统零件提出了基于动压润滑原理的科学合理的改进方案，设计新颖、构思独特，提炼后的方案十分简单，成本低，容易实现，具有高度创造性。

本发明的有益效果：(1)基于轴承动压润滑原理，改造麻花钻、扩孔钻等刀具的刃背，使其具有楔形结构，刀具与孔壁的相对旋转运动，使油膜内形成液压力，沿圆周分布的液压力作用于刀具，支撑、稳定刀具，防止刀具偏斜。(2)利用油膜吸收钻削过程中的振动，提高孔的加工质量。(3)由于麻花钻、扩孔钻面广量大，本发明具有很大的商业价值和应用前景经济。(4)针对麻花钻等标准件、典型工具、传统零件提出了实质性改进，改进具有科学依据理，所提炼的方案简单、易于实施、成本低，是技术上的重要突破。

附图说明

图1现有麻花钻端面视图示意图。

图2楔形轮廓线高点接近邻近刃带示意图。

图3楔形轮廓线低点接近邻近刃带示意图。

图中：1-容屑槽，2-主切削刃，3-刃带，4-刃背，5-楔形轮廓线，6-楔形轮廓线低点，7-楔形轮廓线高点。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施方式作进一步说明，具体实施方式不对本发明做任何限制。

实施方式：楔形轮廓线使用于麻花钻或扩孔钻；楔形轮廓线使用于直柄钻头或锥柄钻头；楔形轮廓线使用于手工浇油或油泵供油情况；楔形轮廓线使用于有罩盖或无罩盖加工情况；楔形轮廓线使用于刀具旋转或工件旋转工作情况。楔形轮廓线使用于中心钻、扁钻、镗刀、铰刀。

Claims (10)

1.自定心防偏减振孔加工刀具包括麻花钻、扩孔钻，在结构上有容屑槽、主切削刃、刃带和刃背，其特征在于：在端面视图上，一部分刃背轮廓线与所加工孔壁在理论上具有共同的圆心，称为同心轮廓线；另外一部分刃背轮廓线为楔形轮廓线，与所加工孔不同心，楔形轮廓线与所加工孔的孔壁形成楔形空间；在刀具与孔壁之间有冷却液或润滑液；钻削过程中，刀具与工件孔壁相对旋转，将冷却液或润滑液拖进楔形空间，从大间隙进入，从小间隙挤出，这时液体压力升高；两条、三条或多条刃背处的楔形液膜向刀具施加沿圆周分布的作用力；有时楔形空间的小间隙成为零间隙，冷却液或润滑液的出口被封闭，楔形液膜内液体压力升高，作用于刀具。

2.根据权利要求1所述的自定心防偏减振孔加工刀具，其特征在于：在端面视图上，构成楔形空间的单个楔形轮廓线长度小于或等于或大于四分之一圆周，楔形轮廓线低点到刀具中心的距离大于或等于或小于同心轮廓线的半径；楔形轮廓线的高点到刀具中心的距离等于或小于刀具半径。

3.根据权利要求1所述的自定心防偏减振孔加工刀具，其特征在于：楔形轮廓线由附加材料形成，或由去除材料形成；或由轧制形成，或由磨背形成；或由铣削形成，或由车削形成，或由拉削形成，或由刨削形成。

4.根据权利要求1所述的自定心防偏减振孔加工刀具，其特征在于：楔形凸起有两种，第一种，楔形轮廓线高点靠近邻近的刃带，低点远离邻近的刃带；第二种，楔形轮廓线低点靠近邻近的刃带，高点远离邻近的刃带。

5.根据权利要求1所述的自定心防偏减振孔加工刀具，其特征在于：刀具沿轴线的长度因为使用、重磨变短时，在刀具端面视图上，都存在楔形轮廓线。

6.根据权利要求1所述的自定心防偏减振孔加工刀具，其特征在于：楔形轮廓线存在于直柄或锥柄钻头。

7.根据权利要求1所述的自定心防偏减振孔加工刀具，其特征在于：冷却液或润滑液在钻削前供应或钻削过程中供应；由手工供应或油泵供油。

8.根据权利要求1所述的自定心防偏减振孔加工刀具，其特征在于：钻削时无罩盖或有罩盖；在封闭式罩盖内，液体自然流入或被压入容屑槽、钻头与孔壁的其它间隙，使楔形空间充满液体。

9.自定心防偏减振孔加工刀具包括中心钻、扁钻、镗刀、铰刀，在结构上有主切削刃、刃带和刃背，其特征在于：在端面视图上，一部分刃背轮廓线与所加工孔壁在理论上具有共同的圆心，称为同心轮廓线；另外一部分刃背轮廓线为楔形轮廓线，与所加工的孔不同心，楔形轮廓线与所加工孔的孔壁形成楔形空间；在刀具与孔壁之间有冷却液或润滑液；加工过程中，刀具与工件孔壁相对旋转，将冷却液或润滑液拖进楔形空间，从大间隙进入，从小间隙挤出，这时液体压力升高；两条或三条或多条刃背处的楔形液膜向刀具施加沿圆周分布的作用力；有时楔形空间的小间隙成为零间隙，冷却液或润滑液的出口被封闭，楔形液膜内液体压力升高，作用于刀具。

10.根据权利要求9所述的自定心防偏减振孔加工刀具，其特征在于：在端面视图上，构成楔形空间的单个楔形轮廓线长度小于或等于或大于四分之一圆周；楔形轮廓线低点到刀具中心的距离大于或等于或小于同心轮廓线的半径；楔形轮廓线的高点到刀具中心的距离等于或小于刀具半径；楔形轮廓线由附加材料形成，或由去除材料形成，或由轧制形成，或由磨背形成，或由铣削形成，或由车削形成，或由拉削形成，或由刨削形成；楔形凸起有两种，第一种，楔形轮廓线高点靠近邻近的刃带，低点远离邻近的刃带；第二种，楔形轮廓线低点靠近邻近的刃带，高点远离邻近的刃带；刀具沿轴线的长度因为使用、重磨变短时，在刀具端面视图上，都存在楔形轮廓线；冷却液或润滑液在加工前供应或加工过程中供应；由手工供应或油泵供油；加工时无罩盖或有罩盖；在封闭式罩盖内，液体自然流入或被压入刀具与孔壁的其它间隙，使楔形空间充满液体。

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