人類(lèi)認(rèn)識(shí)和使用鉆頭的歷史可以上溯到史前時(shí)代。燧人氏“鉆木取火”所使用的石鉆，可以看作最原始的鉆頭?，F(xiàn)代工業(yè)加工中廣泛使用的麻花鉆(俗稱(chēng)鉆頭)，是一種形狀復(fù)雜的實(shí)工件孔加工刀具，誕生于一百多年前。現(xiàn)在，全世界每年消耗的各類(lèi)鉆頭數(shù)以?xún)|計(jì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在美國(guó)的汽車(chē)制造業(yè)，機(jī)械加工中鉆孔工序的比重約占
人類(lèi)認(rèn)識(shí)和使用鉆頭的歷史可以上溯到史前時(shí)代。燧人氏“鉆木取火”所使用的石鉆，可以看作最原始的鉆頭。現(xiàn)代工業(yè)加工中廣泛使用的麻花鉆(俗稱(chēng)鉆頭)，是一種形狀復(fù)雜的實(shí)工件孔加工刀具，誕生于一百多年前?，F(xiàn)在，全世界每年消耗的各類(lèi)鉆頭數(shù)以?xún)|計(jì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在美國(guó)的汽車(chē)制造業(yè)，機(jī)械加工中鉆孔工序的比重約占50%；而在飛機(jī)制造業(yè)，鉆孔工序所占的比重則更高。盡管鉆頭的使用如此廣泛，但眾所周知，鉆削加工也是最復(fù)雜的機(jī)械加工方法之一。正因?yàn)槿绱?，人們一直致力于鉆頭的改進(jìn)和鉆削過(guò)程的研究。本文根據(jù)所能得到的英文文獻(xiàn)資料，對(duì)兩溝槽麻花鉆的有關(guān)技術(shù)問(wèn)題及鉆削研究的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行綜述。
1.研究的主要領(lǐng)域和技術(shù)問(wèn)題
近幾十年來(lái)，人們關(guān)于鉆頭和鉆削的研究除了鉆頭制作材料的改進(jìn)以外，主要集中在以下五個(gè)方面：
①鉆頭數(shù)學(xué)模型和幾何設(shè)計(jì)研究：包括螺旋溝槽、后刀面、主刃和橫刃數(shù)學(xué)模型的建立，橫向截形與鉆尖結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，切削角度(分布)的計(jì)算與控制，鉆頭結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性分析，鉆尖幾何形狀與切削和排屑性能關(guān)系的研究。
②鉆頭制造方法研究：包括鉆頭幾何參數(shù)與后刀面刃磨參數(shù)之間關(guān)系的建立與優(yōu)化，鉆頭制造精度和刃磨質(zhì)量的評(píng)價(jià)與制造誤差的測(cè)控，鉆頭螺旋溝槽加工工具截形的設(shè)計(jì)計(jì)算，鉆頭加工設(shè)備特別是數(shù)控磨床與加工軟件的開(kāi)發(fā)等。
③鉆削過(guò)程與鉆削質(zhì)量研究：包括影響鉆削過(guò)程的各種因素及出現(xiàn)的各種物理現(xiàn)象的分析、建模與監(jiān)控(如鉆削力、切削刃應(yīng)力和溫度分布的測(cè)量、建模和預(yù)報(bào))；鉆頭磨損、破損機(jī)理與鉆頭壽命的研究；鉆頭的變形、偏斜、入鉆時(shí)的打滑和鉆尖擺動(dòng)現(xiàn)象的研究；鉆削工藝(如振動(dòng)鉆削、高速鉆削、深孔鉆削、鉆削過(guò)程的穩(wěn)定性等)與鉆削質(zhì)量(孔的位置精度、直線度、表面粗糙度、圓柱度、直徑、孔口毛刺等)的研究。
④鉆削機(jī)理與各種高性能鉆頭(如群鉆、槍鉆、干切削鉆頭、微孔、深孔鉆頭、長(zhǎng)鉆頭、可轉(zhuǎn)位鉆頭、合成材料加工用鉆頭、木工鉆頭、多螺旋槽鉆頭等)的研究。
⑤鉆削過(guò)程模型驗(yàn)證和鉆頭性能評(píng)估過(guò)程的自動(dòng)化，切削條件及鉆頭形狀選用數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)的建立等。
目前，最具活力的研究領(lǐng)域是鉆頭數(shù)學(xué)模型、幾何設(shè)計(jì)和制造方法(設(shè)備)的研究，鉆削過(guò)程建模與鉆削質(zhì)量的研究等。
2.鉆頭數(shù)學(xué)模型與幾何設(shè)計(jì)研究
2.1鉆頭的數(shù)學(xué)模型
建立鉆頭的數(shù)學(xué)模型是對(duì)鉆頭進(jìn)行幾何設(shè)計(jì)、制造、切削性能分析和對(duì)鉆削過(guò)程進(jìn)行建模的基礎(chǔ)。第一個(gè)鉆頭數(shù)學(xué)模型由Galloway D F于1957年提出。他推導(dǎo)了直線刃鉆頭前刀面的參數(shù)方程，給出了主刃前、后角和橫刃斜角的定義、計(jì)算公式和測(cè)量方法，提出了“把鉆頭后刀面作為鉆頭在刃磨過(guò)程中與砂輪相互作用后形成的磨削錐的一部分”的觀點(diǎn)。20世紀(jì)70年代初期，F(xiàn)ujii S等人對(duì)Galloway D F提出的模型進(jìn)行了進(jìn)一步研究，提出采用割平面法，將三維空間曲面后刀面化為二維平面曲線進(jìn)行分析，并開(kāi)發(fā)了一個(gè)麻花鉆計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序。1972年，Armarego E J A和Rotenbery A發(fā)現(xiàn)：后刀面錐面刃磨法有4個(gè)獨(dú)立的刃磨參數(shù)，而一般給出的鉆尖幾何參數(shù)只有3個(gè)，因此不能唯一確定鉆尖后刀面形狀和刃磨參數(shù)。為此，他們提出用后刀面尾隙角作為補(bǔ)充幾何參數(shù)，以獲得刃磨參數(shù)的唯一解。1979年，Tsai W D和Wu S M證明：錐面鉆頭、Racon鉆頭、螺旋鉆頭和Bickford鉆頭等的后刀面都可以用二次曲面來(lái)表示，并提出了表示鉆頭幾何形狀的綜合數(shù)學(xué)模型，該模型可用于控制刃磨過(guò)程。1983年，Radhakrishnan L等人提出了十字鉆尖鉆頭后刀面的一個(gè)數(shù)學(xué)模型。他們將后刀面分為第一后刀面和第二后刀面：對(duì)第一后刀面，以Tsai模型為基礎(chǔ)，建立了一個(gè)改進(jìn)的錐面模型；對(duì)第二后刀面，建立了一個(gè)平面模型。Fugelso M A則提出了圓柱面鉆尖的數(shù)學(xué)模型。1985年，F(xiàn)uh K H等人建立了一個(gè)用二次曲面表示的鉆頭后刀面數(shù)學(xué)模型，以便用計(jì)算機(jī)將其設(shè)計(jì)成橢球面、雙曲面、錐面、圓柱面或它們的任意組合。
長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直將麻花鉆的主刃設(shè)計(jì)為直線。1990年，F(xiàn)ugelso M A發(fā)現(xiàn)，由于要求錐面麻花鉆的主刃為直線，使靠近鉆芯處的主刃后角變得過(guò)小，如果在刃磨之前，將鉆頭繞自身軸線旋轉(zhuǎn)5°～10°，就可以解決這一問(wèn)題，只是主刃將變得微微彎曲。同年，Wang Y將主刃看作曲線，利用多項(xiàng)式插補(bǔ)方法建立了鉆頭螺旋前刀面的幾何模型。1991年，Lin C和Cao Z提出了一種適合于直線和曲線刃，采用錐面、柱面和平面后刀面的麻花鉆綜合數(shù)學(xué)模型。1999年，Ren K C和Ni J提出用二項(xiàng)式表示
