CN116890131B - 一种麻花钻进刀角和槽前角的结构的选取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种麻花钻进刀角和槽前角的结构的选取方法,对于麻花钻的进刀角来说,选取进刀角为20°,槽前角为16°是最好的,进刀角为20°时,切削平均温度是最低的,平均轴向力是最小的,平均扭矩是最大的,当槽前角为16°,进刀角为20°时,拟合曲线与平均温度曲线的趋势整体一致;由时间‑轴向力拟合曲线、时间‑扭矩拟合曲线也可以看出轴向力和扭矩拟合曲线随时间的变化趋势较为平稳,故槽前角为16°,进刀角为20°时切削性能最优。
Description
技术领域
本发明涉及钻头技术领域,较为具体的,涉及到一种麻花钻进刀角和槽前角的结构的选取方法。
背景技术
高速切削加工作为一种先进制造技术,已成为切削加工技术发展的重要趋势。由于其具有切削效率高、加工质量好、加工成本低等优点,已广泛应用于航空航天、国防、 能源等领域高端装备关键构件的生产制造,取得了重大的经济效益。高速切削是实现高效率制造的核心技术,与传统切削加工相比,高速切削可使切削效率提高 3-6 倍,加工成本降低 20-40%。
在现代机械加工中,钻孔工序广泛应用于航空航天、电子、汽车制造以及医疗器械等领域,麻花钻是应用最广泛的孔加工工具,在各个领域使用刀具中,钻头需求量占刀具总量的60%,在机械加工中,孔是机械加工中占比最大的工序,约占30%-40%。普通麻花钻钻削工艺简单,成本低,效率高。
但在麻花钻钻削孔的过程中,刀屑界面剧烈的摩擦会产生高的切削温度,加剧了刀具磨损,最终导致刀具寿命下降和加工效率降低。对于麻花钻而言,其刀具角度对麻花钻钻削性能产生重要影响,因此,急需优化麻花钻刀具角度。
发明内容
有鉴于此,本发明提出一种麻花钻进刀角和槽前角的结构的选取方法,对于麻花钻的进刀角12来说,选取进刀角12为20°,槽前角10为16°是最好的,进刀角12为20°时,切削平均温度是最低的,平均轴向力是最小的,平均扭矩是最大的,当槽前角10为16°,进刀角12为20°时,拟合曲线与平均温度曲线的趋势整体一致;由时间-轴向力拟合曲线、时间-扭矩拟合曲线也可以看出轴向力和扭矩拟合曲线随时间的变化趋势较为平稳,故槽前角10为16°,进刀角12为20°时切削性能最优。
一种麻花钻进刀角和槽前角的选取方法,其特征在于,包括步骤如下:
步骤一,基于有限元切削仿真的关键技术建立三维钻削有限元仿真模型,提取钻削过程中的钻削力和温度、切屑形态仿真结果;
步骤二,分析槽前角10对钻削过程中钻削过程中力、温度和切屑形态的影响规律以及进刀角12对钻削过程中切屑形态的影响分析。
进一步的,在步骤一中,根据对麻花钻的钻头截形曲线和螺旋线进行数学建模,建立的数学模型包括:槽前角10为0°,进刀角12为14°、20°、23°的钻头模型;槽前角10为12°,进刀角12为14°、20°、23°的钻头模型;槽前角10为16°,进刀角12为14°、20°、23°的钻头模型。
进一步的, 在步骤一中,建模工件为直径为20 mm、高度为10 mm的圆柱体。
进一步的,在步骤一中,建模所用的软件为UG NX12.0,该软件主要用于二维与三维模型的创建,在UG NX12.0软件系列中,DEFORM-3D软件集成了多种功能,包括原材料、材料的成型与热处理以及材料的机加工等,Deform-3D相对于Deform-2D而言可以分析的材料复杂三维流动。尤其是用来分析空间中无法简化到二维平面的模型更为合适;此外,DEFORM-3D软件支持多种类型的文件接口,交互界面简单且直观,同时系统稳定性高。
更进一步的,在Deform 3D软件建模前包括如下步骤:
步骤A:在前处理界面对麻花钻以及工件进行模型导入、材料设置、网格划分、边界条件(固定工件的X、Y、Z面)、体积补偿、刀具动作(进给量、转速)仿真参数进行定义并建模;
步骤B:对建模后的麻花钻和工件进行网格的划分;
步骤C:在Deform 3D软件中对建模后的麻花钻的动作进行设置,主要为麻花钻的进给运动和回转运动;
步骤D:对建模后的麻花钻与工件之间的摩擦类型及摩擦系数、热传导率进行设置;
步骤E:对仿真模拟步数、每步进给量、停止设定等条件进行设置。
进一步的,在步骤B中,麻花钻和工件的网格划分均采用相对网格划分的方法,麻花钻的网格设置为40000个,钻头部分进行细化,工件的网格要求较高,网格数量设置为20000个。
进一步的,在步骤C中,进给运动:沿+Z方向进给,进给量为12 mm/sec;回转运动:绕+Z进行回转,转速为2654 RPM,即277.926 rad/sec。
进一步的,在步骤D中,摩擦类型设置为“剪切摩擦”、摩擦系数设置为0.3、热传导率设置为45 N/sec/mm/C。
进一步的,在步骤E中,模拟步数设为20000步,每30步存储一次;每步进给量为0.1mm/step;停止设定为向+Z运动14 mm。
一种麻花钻,包括钻柄1及工作部2,其特征在于:所述工作部2整体为一圆柱体结构,在圆柱体上中心对称设置有两道沿轴向延伸至圆柱体顶端面的螺旋槽3,圆柱体结构的顶端面加工形成相对圆柱体轴线倾斜的一对后刀面4,两后刀面4之间的衔接处为横刃5,同一个螺旋槽3的最顶端部分以横刃5为分界线,一侧作为前刀面6,另一侧为沟背面7,前刀面6与后刀面4之间形成主切削刃11;两个主切削刃11连接处设置有钻尖角8,所述钻尖角8与所述排屑槽之间设置有出刀角9;所述出刀角9上设有与所述钻尖角8相连通的进刀角12,所述进刀角12的度数为20°,所述槽前角10为在正交平面内前刀面6和基面间的夹角,所述槽前角10的度数为16°。
本发明的有益效果,对于麻花钻的进刀角12来说,选取进刀角12为20°,槽前角10为16°是最好的,进刀角12为20°时,切削平均温度是最低的,平均轴向力是最小的,平均扭矩是最大的,当槽前角10为16°,进刀角12为20°时,拟合曲线与平均温度曲线的趋势整体一致;由时间-轴向力拟合曲线、时间-扭矩拟合曲线也可以看出轴向力和扭矩拟合曲线随时间的变化趋势较为平稳,故槽前角10为16°,进刀角12为20°时切削性能最优。
附图说明
如图1,为本发明的麻花钻的主视图。
如图2,为本发明的麻花钻的侧面图。
如图3,为本发明的槽前角为0°,进刀角为14°刀具温度、轴向力以及扭矩的仿真结果截图。
如图4,为本发明的槽前角为0°,进刀角为20°刀具温度、轴向力以及扭矩仿真结果截图。
如图5,为本发明的槽前角为0°,进刀角为23°刀具温度、轴向力以及扭矩仿真结果截图。
如图6,为本发明的槽前角为12°,进刀角为14°刀具温度、轴向力以及扭矩仿真结果截图。
如图7,为本发明的槽前角为12°,进刀角为20°刀具温度、轴向力以及扭矩仿真结果截图。
如图8,为本发明的槽前角为12°,进刀角为23°刀具温度、轴向力以及扭矩仿真结果截图。
如图9,为本发明的槽前角为16°,进刀角为14°刀具温度、轴向力以及扭矩仿真结果截图。
如图10,为本发明的槽前角为16°,进刀角为20°刀具温度、轴向力以及扭矩仿真结果截图。
如图11,为本发明的槽前角为16°,进刀角为23°刀具温度、轴向力以及扭矩仿真结果截图。
如图12,为本发明的不同槽前角和进刀角平均温度图。
如图13,为本发明的不同槽前角和进刀角平均轴向力图。
如图14,为本发明的不同槽前角和进刀角平均扭矩图。
如图15,为本发明的不同槽前角和不同进刀角的时间-温度拟合曲线
如图16,为本发明的不同槽前角和不同进刀角的时间-轴向力拟合曲线
如图17,为本发明的不同槽前角和不同进刀角的时间-扭矩拟合曲线
如图18,为本发明的麻花钻的出刀角立体图。
主要元件符号说明
钻柄1、工作部2、螺旋槽3、后刀面4、横刃5、前刀面6、沟背面7、钻尖角8、出刀角9、槽前角10、主切削刃11、进刀角12。
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
实施方式
一种麻花钻进刀角和槽前角的选取方法,步骤如下:
步骤一,基于有限元切削仿真的关键技术建立三维钻削有限元仿真模型,提取钻削过程中的钻削力和温度、切屑形态仿真结果;
步骤二,分析槽前角10对钻削过程中钻削过程中力、温度和切屑形态的影响规律以及进刀角12对钻削过程中切屑形态的影响分析。
进一步的,在步骤一中,根据对麻花钻的钻头截形曲线和螺旋线进行数学建模,建立的数学模型包括:槽前角10为0°,进刀角12为14°、20°、23°的钻头模型;槽前角10为12°,进刀角12为14°、20°、23°的钻头模型;槽前角10为16°,进刀角12为14°、20°、23°的钻头模型。
进一步的, 在步骤一中,建模工件为直径为20 mm、高度为10 mm的圆柱体。
进一步的,在步骤一中,建模所用的软件为UG NX12.0,该软件主要用于二维与三维模型的创建,在UG NX12.0软件系列中,DEFORM-3D软件集成了多种功能,包括原材料、材料的成型与热处理以及材料的机加工等,Deform-3D相对于Deform-2D而言可以分析的材料复杂三维流动。尤其是用来分析空间中无法简化到二维平面的模型更为合适;此外,DEFORM-3D软件支持多种类型的文件接口,交互界面简单且直观,同时系统稳定性高。
更进一步的,在Deform 3D软件建模前包括如下步骤:
步骤A:在前处理界面对麻花钻以及工件进行模型导入、材料设置、网格划分、边界条件(固定工件的X、Y、Z面)、体积补偿、刀具动作(进给量、转速)仿真参数进行定义并建模;
步骤B:对建模后的麻花钻和工件进行网格的划分;
步骤C:在Deform 3D软件中对建模后的麻花钻的动作进行设置,主要为麻花钻的进给运动和回转运动;
步骤D:对建模后的麻花钻与工件之间的摩擦类型及摩擦系数、热传导率进行设置;
步骤E:对仿真模拟步数、每步进给量、停止设定等条件进行设置。
进一步的,在步骤B中,麻花钻和工件的网格划分均采用相对网格划分的方法,麻花钻的网格设置为40000个,钻头部分进行细化,工件的网格要求较高,网格数量设置为20000个。
进一步的,在步骤C中,进给运动:沿+Z方向进给,进给量为12 mm/sec;回转运动:绕+Z进行回转,转速为2654 RPM,即277.926 rad/sec。
进一步的,在步骤D中,摩擦类型设置为“剪切摩擦”、摩擦系数设置为0.3、热传导率设置为45 N/sec/mm/C。
进一步的,在步骤E中,模拟步数设为20000步,每30步存储一次;每步进给量为0.1mm/step;停止设定为向+Z运动14 mm。
分析槽前角10对钻削过程中钻削过程中力、温度和切屑形态的影响规律以及进刀角12对钻削过程中切屑形态的影响分析,将仿真结果导出得到钻削过程中麻花钻的温度、麻花钻的Z轴轴向力以及麻花钻的扭矩随钻削时间的变化曲线,如图3-11所示。
经过MATLAB筛选数据,轴向力大于3500 N舍弃,扭矩大于35000 N/mm舍弃,得到麻花钻的平均温度、麻花钻的平均Z轴轴向力以及麻花钻的平均扭矩,将每一项都放入同一个图中,得到三幅平均温度、麻花钻的平均Z轴轴向力以及麻花钻的平均扭矩随进刀角12变化的柱状图,如图12-14所示。
将仿真数据从软件中导出,后用MATLAB读取这些数据,编写程序,得到与仿真数据相拟合的高阶曲线方程,得到不同前角和不同槽前角10的拟合曲线方程。使用MATLAB输入编辑好的程序得到如下的三个时间-温度拟合曲线、时间-轴向力拟合曲线和时间-扭矩拟合曲线,如图15-17所示。
对上面得到的麻花钻平均温度图、平均轴向力图、平均扭矩图和时间-温度拟合曲线、时间-轴向力拟合曲线、时间-扭矩拟合曲线进行分析。
首先对温度进行分析可以得到,在槽前角10为0°时,切削的平均温度随进刀角12的增加而逐渐降低;槽前角10为12°时,平均温度随进刀角12的增加微微增加而后继续下降;槽前角10为16°时,平均温度随进刀角12的增加先减少后增加。因此选取进刀角12为20°,在切削过程中平均切削温度相对来说是比较低的。
后对轴向力进行分析可以得到,在槽前角10为0°、12°、16°时,切削的平均轴向力都随进刀角12的增加而增加,但是在槽前角10为0°时,进刀角12又14°增加到20°平均轴向力并未发生较大改变;在槽前角10为16°时,进刀角12又20°增加到23°平均轴向力并未发生较大改变。因此选取进刀角12为较小的两个14°和20°,在切削过程中平均轴向力相对来说是比较小的。
最后对扭矩进行分析可以得到,在槽前角10为0°时,切削的平均扭矩随进刀角12的增加而增加;槽前角10为12°时,平均扭矩随进刀角12的增加而增加;槽前角10为16°时,平均扭矩随进刀角12的增加先增加后减小。因此选取进刀角12为较大的两个20°和23°,在切削过程中平均扭矩相对来说是比较高的。
因此,对于进刀角12来说,选取进刀角12为20°是最好的,然后对进刀角12都为20°的但是槽前角10为不同的三个0°、12°、14度进行分析,由平均温度图、平均轴向力图、平均扭矩图可以看出当槽前角10为16°,进刀角12为20°时,切削平均温度是最低的,平均轴向力是最小的,平均扭矩是最大的。并且由时间-温度拟合曲线也可以看出,当槽前角10为16°,进刀角12为20°时,拟合曲线与平均温度曲线的趋势整体一致;由时间-轴向力拟合曲线、时间-扭矩拟合曲线也可以看出轴向力和扭矩拟合曲线随时间的变化趋势较为平稳。故槽前角10为16°,进刀角12为20°时切削性能最优。
故而采用上述方法制成的麻花钻,如图1-2和图18所示,包括钻柄1及工作部2,所述工作部2整体为一圆柱体结构,在圆柱体上中心对称设置有两道沿轴向延伸至圆柱体顶端面的螺旋槽3,圆柱体结构的顶端面加工形成相对圆柱体轴线倾斜的一对后刀面4,两后刀面4之间的衔接处为横刃5,同一个螺旋槽3的最顶端部分以横刃5为分界线,一侧作为前刀面6,另一侧为沟背面7,前刀面6与后刀面4之间形成主切削刃11;两个主切削刃11连接处设置有钻尖角8,所述钻尖角8与所述排屑槽之间设置有出刀角9;所述出刀角9上设有与所述钻尖角8相连通的进刀角12,所述进刀角12的度数为20°,所述槽前角10为在正交平面内前刀面6和基面间的夹角,所述槽前角10的度数为16°。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种麻花钻进刀角和槽前角的结构的选取方法,其特征在于,所述的麻花钻进刀角和槽前角的结构包括包括钻柄(1)及工作部(2),所述工作部(2)整体为一圆柱体结构,在圆柱体上中心对称设置有两道沿轴向延伸至圆柱体顶端面的螺旋槽(3),圆柱体结构的顶端面加工形成相对圆柱体轴线倾斜的一对后刀面(4),两后刀面(4)之间的衔接处为横刃(5),同一个螺旋槽(3)的最顶端部分以横刃(5)为分界线,一侧作为前刀面(6),另一侧为沟背面(7),前刀面(6)与后刀面(4)之间形成主切削刃(11);两个主切削刃(11)连接处设置有钻尖角(8),所述钻尖角(8)与所述排屑槽之间设置有出刀角(9);所述出刀角(9)上设有与所述钻尖角(8)相连通的进刀角(12),所述进刀角(12)的度数为20°,所述槽前角(10)为在正交平面内前刀面(6)和基面间的夹角,所述槽前角(10)的度数为16°;所述麻花钻进刀角和槽前角的选取方法包括步骤如下:
步骤一,基于有限元切削仿真的关键技术建立三维钻削有限元仿真模型,提取钻削过程中的钻削力和温度、切屑形态仿真结果,根据对麻花钻的钻头截形曲线和螺旋线进行数学建模,建立的数学模型包括:槽前角(10)为0°,进刀角(12)为14°、20°、23°的钻头模型;槽前角(10)为12°,进刀角(12)为14°、20°、23°的钻头模型;槽前角(10)为16°,进刀角(12)为14°、20°、23°的钻头模型;
步骤二,分析槽前角(10)对钻削过程中钻削过程中力、温度和切屑形态的影响规律以及进刀角(12)对钻削过程中切屑形态的影响分析。
2.如权利要求1所述的麻花钻进刀角和槽前角的结构的选取方法,其特征在于:在步骤一中,建模工件为直径为20 mm、高度为10 mm的圆柱体。
3.如权利要求1所述的麻花钻进刀角和槽前角的结构的选取方法,其特征在于:在步骤一中,建模所用的软件为UG NX12.0,该软件主要用于二维与三维模型的创建。
4.如权利要求3所述的麻花钻进刀角和槽前角的结构的选取方法,其特征在于:在Deform 3D软件建模前包括如下步骤:
步骤A:在前处理界面对麻花钻以及工件进行模型导入、材料设置、网格划分、边界条件、体积补偿、刀具动作仿真参数进行定义并建模;
步骤B:对建模后的麻花钻和工件进行网格的划分;
步骤C:在Deform 3D软件中对建模后的麻花钻的动作进行设置,主要为麻花钻的进给运动和回转运动;
步骤D:对建模后的麻花钻与工件之间的摩擦类型及摩擦系数、热传导率进行设置;
步骤E:对仿真模拟步数、每步进给量、停止设定等条件进行设置。
5.如权利要求4所述的麻花钻进刀角和槽前角的结构的选取方法,其特征在于:在步骤B中,麻花钻和工件的网格划分均采用相对网格划分的方法,麻花钻的网格设置为40000个,钻头部分进行细化,工件的网格要求较高,网格数量设置为20000个。
6.如权利要求4所述的麻花钻进刀角和槽前角的结构的选取方法,其特征在于:在步骤C中,进给运动:沿+Z方向进给,进给量为12 mm/sec;回转运动:绕+Z进行回转,转速为2654RPM,即277.926 rad/sec。
7.如权利要求4所述的麻花钻进刀角和槽前角的结构的选取方法,其特征在于:在步骤D中,摩擦类型设置为“剪切摩擦”、摩擦系数设置为0.3、热传导率设置为45 N/sec/mm/C。
8.如权利要求4所述的麻花钻进刀角和槽前角的结构的选取方法,其特征在于:在步骤E中,模拟步数设为20000步,每30步存储一次;每步进给量为0.1 mm/step;停止设定为向+Z运动14 mm。
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- 2023-08-14 CN CN202311016566.9A patent/CN116890131B/zh active Active
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