CN114535666A - 一种仿生负泊松比钻头及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种仿生负泊松比钻头,包括钻头本体,钻头本体上设有螺旋槽,钻头本体的侧壁上和/或螺旋槽内设有若干个均匀分布的仿生负泊松比结构的开孔,负泊松比结构的开孔沿钻头本体的导向部分螺旋排列,形成特殊的负泊松比钻头结构,同时螺旋排列的负泊松比结构孔还形成独特的螺旋负泊松比结构,使钻头本体具备负泊松比性能,在粗加工或钻较硬材料时,由于钻头本体的负泊松比性能,使其受压变细,提升钻孔效率,这将是金属负泊松比材料应用于实际生活的一条思路,对于提高钻孔工作效率具有重要的理论和现实应用意义。
Description
技术领域
本发明涉及钻孔工具技术领域,尤其是涉及一种仿生负泊松比钻头及其设计方法。
背景技术
常用的传统钻头有麻花钻、扁钻、深孔钻、扩孔钻等,这些钻头在日常生活中应用非常广泛,尤其是麻花钻。
目前,理论负泊松比概念比较成熟,但实际应用思路却不广泛,大部分负泊松比结构都应用在汽车安全性能上,例如吸能盒、安全带、A柱、B柱、C柱等安全领域。负泊松比材料和结构有着独特的性能,在材料领域应用非常广泛,在金属机械和刀具上的应用尚且不多。负泊比材料又叫拉胀材料,在受拉时膨胀,受压时紧缩,因而采用负泊松比材料制成的刀具有比传统紧刀具更容易打入的特性。
传统钻头工作时受压力影响,会导致钻头变短变粗、钻孔效率下降、不利于工作过程中的散热、同时会使得工作人员越来越费力,钻头工作过程中受热膨胀变粗,易引起工作人员疲倦而导致钻孔误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种仿生负泊松比钻头及其设计方法,该钻头适用于粗加工,能达到提高工作效率、延长寿命等效果。
本发明提供一种仿生负泊松比钻头,包括钻头本体,所述钻头本体上设有螺旋槽,所述钻头本体的侧壁上和/或所述螺旋槽内设有若干个均匀分布的开孔,所述开孔为仿生负泊松比结构。
进一步的,所述钻头本体的末端设有键槽。
进一步的,所述螺旋槽内的所述开孔为贯穿所述钻头本体的通孔。
进一步的,所述开孔为内折六边形结构,所述内折六边形结构由两条相互平行且等长的第一侧边和四条等长的第二侧边围成,两条相连的所述第二侧边之间的外夹角小于180度。
进一步的,内折六边形结构的所述开孔呈横向和竖向交错设置在所述螺旋槽和/或所述钻头本体的侧壁上。
进一步的,所述开孔为双层多边形叠加结构,所述双层多边形叠加结构包括顶层的三角形结构和底层的等腰梯形结构,所述等腰梯形结构的两个侧边的顶端均与所述三角形结构的底边相交。
进一步的,所述开孔为仿四叶草形结构,所述仿四叶草形结构由八条完全相同的弧线围成。
进一步的,所述钻头本体仅限于粗加工时使用。
一种仿生负泊松比钻头的设计方法,具体包括以下步骤:
S1:首先在MATLAB软件里建立钻头本体的参数化模型;
S2:通过在钻头本体上利用遗传算法或序列二次规划算法计算得到的数据智能匹配出不同钻头使用的仿生负泊松比结构孔和排列方式;
S2:在钻头本体的螺旋槽和/或钻头本体的侧壁上加工仿生负泊松比结构的开孔。
进一步的,所述开孔由铣床加工而成。
本发明的技术方案通过提供了一种仿生负泊松比钻头及其设计方法,其在钻头本体的螺旋槽和/或钻头本体的侧壁上开设具有仿生负泊松比结构的开孔,使钻头本体使用时具备负泊松比性能,达到钻头本体工作受压变细的效果,有效提高钻头本体的工作效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式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,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,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为本发明中实施例1的整体结构示意图;
图2为本发明中实施例1的另一整体结构示意图;
图3为本发明实施例1中关于内折六边形结构的示意图;
图4为本发明中实施例2的整体结构示意图;
图5为本发明实施例2中关于双层多边形叠加结构的示意图;
图6为本发明实施例3的整体结构示意图;
图7为本发明实施例3中关于仿四叶草形结构的示意图。
附图标记说明:1-钻头本体、2-螺旋槽、3-内折六边形结构、301-第一侧边、302-第二侧边、4-键槽、5-双层多边形叠加结构、501-三角形结构、502-等腰梯形结构、6-仿四叶草形结构、601-弧线;
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,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他实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为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,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
此外,术语"第一"、"第二"仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中,"多个"的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。此外,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
如图1-图3所示,一种仿生负泊松比钻头,包括钻头本体1,钻头本体1上设有螺旋槽2,钻头本体1的侧壁上和/或螺旋槽2内设有若干个均匀分布的开孔,开孔为仿生负泊松比结构。负泊松比结构的开孔沿钻头本体1的导向部分螺旋排列,形成特殊的负泊松比钻头结构,同时螺旋排列的负泊松比结构孔还形成独特的螺旋负泊松比结构。
该钻头本体1仅限于粗加工时使用,并且该钻头本体1在钻较硬的材料或者开孔较大的场合时使用,使用时钻头本体1受到的压力较大,使用效果显著,即使是合金材料的钻头也能实现工作时受压变细,提高钻孔效率。
钻头本体1的末端设有键槽4,用于稳定连接电钻。
螺旋槽2内的开孔可以是贯穿钻头本体1的通孔,一是通孔便于加工,二是通孔能提升钻头本体1整体的负泊松比性能。
本实施例中,开孔为内折六边形结构3,内折六边形结构3由两条相互平行且等长的第一侧边301和四条等长的第二侧边302围成,两条相连的第二侧边302之间的外夹角小于180度。内折六边形结构3的开孔呈横向和竖向交错设置在螺旋槽2和/或钻头本体1的侧壁上。
实施例2
如图4-图5所示,本实施与实施例1相比,区别技术特征在于:开孔为双层多边形叠加结构5,双层多边形叠加结构5包括顶层的三角形结构501和底层的等腰梯形结构502,等腰梯形结构502的两个侧边的顶端均与三角形结构501的底边相交。本实施例中的其余技术特征与实施例1的特征完全相同,在此不再赘述。
实施例3
如图5-图6所示,本实施例与实施例1或实施例2相比,区别技术特征在于:开孔为仿四叶草形结构6,仿四叶草形结构6由八条完全相同的弧线601围成,形成四个完全相同的叶片状。本实施例中的其余技术特征与实施例1的特征完全相同,在此不再赘述。
本发明的技术方案还提供了一种仿生负泊松比钻头的设计方法,具体包括以下步骤:
首先根据所钻孔大小需要进行预测钻头本体1大小,然后在MATLAB软件里建立钻头本体1的参数化模型;
通过在钻头本体1上利用遗传算法或序列二次规划算法计算得到的数据智能匹配出不同钻头使用的仿生负泊松比结构孔和排列方式;
由于遗传算法和序列二次规划算法计算原理简单,且效率高,所以此两种算法进行计算,以钻头本体1泊松比最小和钻头本体1的直径最小为多目标函数,钻头本体1刚度为约束条件,以负泊松比孔的形状、负泊松比孔的深度、在钻头本体上的排列方式等为决策变量,建立任意负泊松比超材料多目标优化模型,优化模型数学表达式如下:
其中:I维向量X={x1,x2,x3,x4,…,xn}为钻头本体1结构设计区域仿生负泊松比结构孔的尺寸和排列方式的决策变量;n为决策变量的数目;I为等式约束的数目;J为不等式约束的数目。将上述相应数据输入到MATLAB软件中调用遗传算法或序列二次规划算法进行计算,得到所需的多目标函数。
最后将计算得到的数据智能匹配转化到相应仿生负泊松比钻头结构孔和排列方式上,在钻头本体1的螺旋槽2和/或钻头本体1的侧壁上利用数控铣床加工仿生负泊松比结构的开孔。
通过在钻头本体1上绕工作部分设计多种负泊松比结构的开孔,使其在工作时产生旋转负泊松比效应,进一步提高钻头的工作效率。钻头本体1具备负泊松比性能,工作人员使用过程中,钻头越容易钻进,提高钻孔效率。此外负泊松比结构的开孔能加快散热,钻头本体1工作时产生的热量可以通过工作部分中的开孔加快散失,提高钻头本体1的使用寿命。在钻头本体1的工作部分设置开孔使得钻头头本体更加轻量化,节省材料,开出来的金属屑可以通过各种工艺重新利用。
钻头本体1上的开孔可减少工作飞沫,工作过程中产生的碎屑可填充在开孔中,有效避免了碎屑飞溅,能提高使用时的安全性。
本发明提出的一种仿生负泊松比钻头,通过在钻头本体1的工作部分螺旋开设负泊松比结构的钻孔,使钻头本体1具备负泊松比性能,在粗加工或钻较硬材料时,由于钻头本体1的负泊松比性能,使其受压变细,提升钻孔效率,这将是金属负泊松比材料应用于实际生活的一条思路,对于提高钻孔工作效率具有重要的理论和现实应用意义。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,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,或者对其中部分或者全部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发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种仿生负泊松比钻头,其特征在于,包括钻头本体,所述钻头本体上设有螺旋槽,所述钻头本体的侧壁上和/或所述螺旋槽内设有若干个均匀分布的开孔,所述开孔为仿生负泊松比结构。
2.根据权利要求1所述的仿生负泊松比钻头,其特征在于,所述钻头本体的末端设有键槽。
3.根据权利要求1所述的仿生负泊松比钻头,其特征在于,所述螺旋槽内的所述开孔为贯穿所述钻头本体的通孔。
4.根据权利要求1所述的仿生负泊松比钻头,其特征在于,所述开孔为内折六边形结构,所述内折六边形结构由两条相互平行且等长的第一侧边和四条等长的第二侧边围成,两条相连的所述第二侧边之间的外夹角小于180度。
5.根据权利要求4所述的仿生负泊松比钻头,其特征在于,内折六边形结构的所述开孔呈横向和竖向交错设置在所述螺旋槽和/或所述钻头本体的侧壁上。
6.根据权利要求1所述的仿生负泊松比钻头,其特征在于,所述开孔为双层多边形叠加结构,所述双层多边形叠加结构包括顶层的三角形结构和底层的等腰梯形结构,所述等腰梯形结构的两个侧边的顶端均与所述三角形结构的底边相交。
7.根据权利要求1所述的仿生负泊松比钻头,其特征在于,所述开孔为仿四叶草形结构,所述仿四叶草形结构由八条完全相同的弧线围成。
8.根据权利要求4或6或7所述的仿生负泊松比钻头,其特征在于,所述钻头本体仅限于粗加工时使用。
9.一种仿生负泊松比钻头的设计方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
S1:首先在MATLAB软件里建立钻头本体的参数化模型;
S2:通过在钻头本体上利用遗传算法或序列二次规划算法计算得到的数据智能匹配出不同钻头使用的仿生负泊松比结构孔和排列方式;
S2:在钻头本体的螺旋槽和/或钻头本体的侧壁上加工仿生负泊松比结构的开孔。
10.根据权利要求9所述的仿生负泊松比钻头的设计方法,其特征在于,所述开孔由铣床加工而成。
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