一种变螺旋角可转位浅孔钻及钻孔方法与流程

1.本发明涉及机械加工刀具设计制造领域，具体涉及一种变螺旋角可转位浅孔钻及其钻孔方法。


背景技术：

2.随着制造业的进步与发展，可转位浅孔钻已经越来越多的被应用于孔加工中。已加工内孔表面高光洁度、排屑流畅、径向力平衡等加工效果成为衡量可转位浅孔钻切削性能的重要标准。制造商在使用传统不变螺旋角的可转位浅孔钻加工孔时，经常会遇到一系列的问题，如：加工孔时稳定性较差，易产生振动、随着加工孔深度的增加容易产生堵屑和排屑不流畅问题。
3.目前，使用可转位浅孔钻进行孔加工的工艺方案均为传统的定切削参数方式，使用该方式进行孔加工时容易出现径向力不平衡、轴向力过大等问题，导致产品表面精度与刀具使用寿命降低。以上问题将导致产品质量下降和刀具损坏，从而影响正常加工。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明要解决的第一个技术问题在于提供一种变螺旋角可转位浅孔钻，采用该变螺旋角可转位浅孔钻加工金属产品后，有助于快速、顺畅排屑，提高刀具切削过程稳定性和加工精度。
5.本发明要解决的第二个技术问题是提供一种变螺旋角可转位浅孔钻的进给钻孔方法，有利于孔内残余切屑排出、避免产生堵屑，并减小刀具轴向力，进而减小刀具磨损，延长刀具的使用寿命。
6.本发明所采用的技术方案是：
7.一种变螺旋角可转位浅孔钻，其特征在于包括：
8.刀杆，外周设置两个螺旋槽，螺旋槽为由刀杆顶部到刀杆根部螺旋角逐渐缩小的变螺旋角结构；
9.内刀片，固定设置于刀杆顶部中心且位于其中一个螺旋槽中，内刀片设置具有径向过心距与径向过心量；
10.外刀片，固定设置于导杆顶部边缘且位于另一个螺旋槽中，内刀片和外刀片型号一致且均设有刃倾角；以外刀片的径向面为基准面，设置内刀片与外刀片之间具有轴向转角；
11.冷却孔，由刀尾的一个冷却孔y型分布延伸到刀杆顶部形成两个冷却孔，刀尾的一个冷却孔与刀杆顶部两个冷却孔分别连通。
12.上述技术方案中，刀杆顶部螺旋角最大为15
°
～20
°
，刀杆根部最小螺旋角为刀杆顶部螺旋角减少5
°
。
13.上述技术方案中，内刀片径向过心距为0.1mm～0.3mm，径向过心量为0.3mm～0.4mm。
14.上述技术方案中，刀杆顶部两个冷却孔与刀体轴线夹角均为14
°
～16
°
。
15.上述技术方案中，设置两个刀片沿着刀体轴向设置有轴向高度差。
16.上述技术方案中，以外刀片的径向面为基准面，设置内刀片与外刀片之间轴向转角为3
°
～5
°
。
17.上述技术方案中，各刀片的刀片后角为10
°
～12
°
。
18.上述技术方案中，各刀片的刀尖圆弧半径为0.3mm～0.5mm。
19.一种变螺旋角可转位浅孔钻进给钻孔方法，其特征在于：采用上述的变螺旋角可转位浅孔钻，按照刀具倍径将孔的深度划分为不同的进给段，刀头到各进给段交界处时均停止进给，在停止点刀具继续自转且转速不变，停止固定时间后，降低刀具进给速度但保持刀具转速不变的方式继续下一进给段加工，直至进给到刀杆的根部后停止进给。
20.不同的刀具时，每个刀具倍径的孔深度为一个进给段。
21.上述技术方案中，各进给段深度值依次递减。
22.由此，加工孔过程中采用间歇式变切削参数的方式，刀头钻削到设定的不同深度时刀具均停止进给，但继续自转且转速不变，停止时间固定，然后降低进给速度但机床主轴转速不变继续钻削加工。采用间歇加工方法，刀具间歇自转过程有利于孔内残余切屑排出、避免产生堵屑，进而提高工件表面精度；采用变切削参数方法可减小刀具轴向力，进而延长刀具的使用寿命。
23.相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
24.1)本发明变螺旋角可转位浅孔钻，刀杆采用变螺旋角结构可减小排屑路程、增大轴向速度，有助于快速、顺畅排屑，提高加工效率，而且有效降低了钻削过程中较高的震颤，使钻削过程更加稳定。
25.2)通过内刀片径向过心距离、轴向转角和刃倾角，外刀片刃倾角、内外刀片高度差的设置，该条件下刀片的摆放位置可满足在加工过程中降低切削力以及保证径向力平衡。
26.3)在孔加工过程中采用间歇式变切削参数的方式，钻削到设定的不同深度时刀具均停止进给，但继续自转且转速不变，停止时间固定，然后降低进给速度但机床主轴转速不变继续钻削加工。采用间歇加工方法，刀具间歇自转过程有利于孔内残余切屑排出、避免产生堵屑，进而提高工件表面精度；采用变切削参数方法可减小刀具轴向力，进而延长刀具的使用寿命。
27.4)根据刀具倍径的与孔深度的匹配设置进给段，精确加工，降低能耗。
附图说明
28.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
29.图1是本发明变螺旋角可转位浅孔钻的整体结构示意图。
30.图2是本发明变螺旋角可转位浅孔钻的截面结构示意图(截取线选择垂直于螺旋线的目的是为了刀具制造出来后检验尺寸)。
31.图3是本发明变螺旋角可转位浅孔钻的刀头端俯视结构示意图。
32.图4是图3的a区域局部放大图。
33.图5是本发明变螺旋角可转位浅孔钻的刀头端侧视结构示意图。
34.图6是本发明变螺旋角可转位浅孔钻的变螺旋结构示意图。
35.图7是本发明变螺旋角可转位浅孔钻的冷却孔结构示意图。
36.图8是本发明变螺旋角可转位浅孔钻的间歇式变切削参数加工方法示意图。
37.图9是本发明变螺旋角可转位浅孔钻的间歇式变切削参数加工轴向力仿真结果图。
具体实施方式
38.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
39.实施例1：
40.结合图1-5所示，图1是本发明实施例的变螺旋角可转位浅孔钻的整体结构示意图。包括位于刀杆顶部中心的内刀片1、位于刀杆顶部外边缘的外刀片2、刀片固定件3、刀杆4。内刀片1和外刀片2型号一致且设有刃倾角；如图3，内刀片1设置具有径向过心距和径向过心量。
41.优选内刀片1设置具有径向过心距为0.1mm～0.3mm与径向过心量为0.3mm～0.4mm。
42.结合图6所示，刀杆主体4的两个排屑槽41采用变螺旋角结构，螺旋角在刀杆端部螺旋角a最大为15
°
～20
°
，根部螺旋角b最小为(a-5)
°
。
43.设置内刀片1相对外刀片2具有轴向高度差；如图3，以外刀片2的径向面为基准面，设置内刀片1与外刀片2之间具有轴向转角。优选，以外刀片2的径向面为基准面，设置内刀片1与外刀片2之间具有轴向转角为3
°
～5
°
。
44.如图3-5，内刀片1和外刀片2型号一致且刀片后角为10
°
～12
°
、刀尖圆弧半径为0.3mm～0.5mm。
45.内刀片1径向过心量为0.3mm～0.4mm、轴向转角为3
°
～5
°
、刃倾角为3
°
～6
°
，外刀片2刃倾角为2
°
～5
°
、内外刀片高度差为0.17mm～0.19mm。
46.如图7所示，所述的刀杆部4内部设有y型冷却孔6，冷却孔6由刀尾的一个冷却孔逐渐到刀头分成两个冷却孔，两个冷却孔与刀体轴线夹角均为14
°
～16
°
。
47.刀片固定件3可以采用通用的螺钉。本实施例中螺钉型号为m2.2。
48.最优实施例中，变螺旋角可转位浅孔钻的内刀片径向过心距离为0.3mm～0.4mm、轴向转角为3
°
～5
°
、刃倾角为3
°
～6
°
，外刀片刃倾角为2
°
～5
°
、内外刀片高度差为0.17mm～0.19mm，该条件下刀片的摆放位置可满足在加工过程中降低切削力以及保证径向力平衡。
49.本发明的变螺旋角结构依照下述渐变螺旋线模型建立：
[0050][0051]
其中，为回转角，单位为度；ρ(z)为刀具半径，单位为mm；β0为初始螺旋角，单位为度；k为螺旋角由端部向根部变化值；l为螺旋线轴向长度，单位为mm；z为当前点轴向长度，单位为mm。
[0052]
同时，本发明变螺旋角结构满足广义螺旋角模型
[0053]
其中，β为螺旋角，单位为度；va为螺旋线上任意一点的轴向速度，单位为mm/s；vr为螺旋线上任意一点的径向速度，单位为mm/s；v
t
为螺旋线上任意一点的切向速度，单位为mm/s；为螺旋线上任意一点的轴向高度，单位为mm；为刀具回转半径，单位为mm，ω为角速度，单位为rad/s。
[0054]
螺旋角由端部向根部均匀减小，此结构可减小排屑路程、增大轴向速度，增大排屑速度，有助于快速、顺畅排屑，并且提高刀具切削过程稳定性和加工精度。
[0055]
本发明还提供一种变螺旋角可转位浅孔钻的进给方法，在加工孔过程中采用间歇式加工方法和变切削参数相结合的方法，钻削到设定的不同深度时刀具停止进给，但刀具继续自转且转速不变，刀具停止时间固定，然后降低进给速度但机床主轴转速不变继续钻削加工。
[0056]
结合图8所示，变螺旋角可转位浅孔钻刀头端加工到a、b、c、d处时刀具停止进给，但刀具继续自转且转速不变，停止时间固定，然后改变参数继续加工。其中加工h1阶段进给量为f1，主轴转速为n；加工h2阶段进给量为f2，主轴转速为n；加工h3阶段进给量为f3，主轴转速为n；加工h4阶段进给量为f4，主轴转速为n；加工h5阶段进给量为f5，主轴转速为n；其中f1》f2》f3》f4》f5，在钻削过程中刀具主轴转速n恒定不变。采用间歇加工方法，刀具间歇自转过程有利于孔内残余切屑排出、避免产生堵屑，进而提高工件表面精度；采用变切削参数方法可减小刀具轴向力，进而延长刀具的使用寿命。
[0057]
结合图9所示，使用abaqus软件对变螺旋角可转位浅孔钻的变切削参数进给过程进行仿真分析。
[0058]
首先在ug软件中建立刀具和工件模型，以sat格式文件导入abaqus中进行装配，定义工件材料为42crmo钢、刀片材料为硬质合金；其次，设置分析步类型为“动力，温度-位移，显式”，划分刀片网格类型为“c3d4t：四结点热耦合四面体单元”、工件网格类型为“c3d8rt：八结点热耦合六面体单元”；然后定义接触属性为“表面与表面接触”，创建载荷过程中第一阶段设置0.25s前为初始参数工况钻削过程，此时主轴转速n为3200r/min、进给速度为320mm/min，第二阶段在0.25s-0.3s为刀具间歇过程，该过程刀具以转速3200r/min自转而不进给，第三阶段在0.3s后为变参数工况钻削过程，此时主轴转速n为3200r/min、进给速度为256mm/min；最后创建作业并提交分析，由分析结果可以看出，第一阶段轴向力峰值平均值为1290n，第二阶段轴向力几乎为0n，第三阶段轴向力峰值平均值降低为973n。因此，采取变切削参数的加工方法可以有效降低轴向力，进而提高刀具使用寿命。
[0059]
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

技术特征：
1.一种变螺旋角可转位浅孔钻，其特征在于包括：刀杆，外周设置两个螺旋槽，螺旋槽为由刀杆顶部到刀杆根部螺旋角逐渐缩小的变螺旋角结构；内刀片，固定设置于刀杆顶部中心且位于其中一个螺旋槽中，内刀片设置具有径向过心距与径向过心量；外刀片，固定设置于导杆顶部边缘且位于另一个螺旋槽中，内刀片和外刀片型号一致且均设有刃倾角；以外刀片的径向面为基准面，设置内刀片与外刀片之间具有轴向转角；冷却孔，由刀尾的一个冷却孔y型分布延伸到刀杆顶部形成两个冷却孔，刀尾的一个冷却孔与刀杆顶部两个冷却孔分别连通。2.根据权利要求1所述的变螺旋角可转位浅孔钻，其特征在于刀杆顶部螺旋角最大为15
°
～20
°
，刀杆根部最小螺旋角为刀杆顶部螺旋角减少5
°
。3.根据权利要求1所述的变螺旋角可转位浅孔钻，其特征在于内刀片径向过心距为0.1mm～0.3mm，径向过心量为0.3mm～0.4mm。4.根据权利要求1所述的变螺旋角可转位浅孔钻，其特征在于刀杆顶部两个冷却孔与刀体轴线夹角均为14
°
～16
°
。5.根据权利要求1所述的变螺旋角可转位浅孔钻，其特征在于设置两个刀片沿着刀体轴向设置有轴向高度差。6.根据权利要求1所述的变螺旋角可转位浅孔钻，其特征在于以外刀片的径向面为基准面，设置内刀片与外刀片之间轴向转角为3
°
～5
°
。7.根据权利要求1所述的变螺旋角可转位浅孔钻，其特征在于各刀片的刀片后角为10
°
～12
°
。8.根据权利要求1所述的变螺旋角可转位浅孔钻，其特征在于各刀片的刀尖圆弧半径为0.3mm～0.5mm。9.一种变螺旋角可转位浅孔钻进给钻孔方法，其特征在于：采用上述权利要求1-8任一项所述的变螺旋角可转位浅孔钻，按照刀具倍径将孔的深度划分为不同的进给段，刀头到各进给段交界处时均停止进给，在停止点刀具继续自转且转速不变，停止固定时间后，降低刀具进给速度但保持刀具转速不变的方式继续下一进给段加工，直至进给到刀杆的根部后停止进给。10.根据权利要求9所述的变螺旋角可转位浅孔钻进给钻孔方法，其特征在于：各进给段深度值依次递减。

技术总结
本发明公开了一种变螺旋角可转位浅孔钻及钻孔方法，刀杆外周为由刀杆顶部到刀杆根部螺旋角逐渐缩小的变螺旋角结构；内刀片设置具有径向过心距与径向过心量；以外刀片的径向面为基准面，设置内刀片与外刀片之间具有轴向转角；冷却孔，由刀尾的一个冷却孔Y型分布延伸到刀杆顶部形成两个冷却孔，刀尾的一个冷却孔与刀杆顶部两个冷却孔分别连通。照刀具倍径将孔的深度划分为不同的进给段，刀头到各进给段交界处时均停止进给，在停止点刀具继续自转且转速不变，停止固定时间后，降低刀具进给速度但保持刀具转速不变的方式继续下一进给段加工，直至进给到刀杆的根部后停止进给。有助于快速、顺畅排屑，提高刀具切削过程稳定性和加工精度。精度。精度。


技术研发人员：岳彩旭 胡德生 刘献礼 姜志鹏 林智 王世鹏 程显敏 张越
受保护的技术使用者：通用技术集团哈尔滨量具刃具有限责任公司
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/10/7