第 1 章 绪论
1.1 研究背景
钻削加工作为机械制造业中最传统的加工方法，并凭借着加工成本低、适用范围广等特点在制造业中发挥着重要作用[1]。钻削是使用钻头在实体材料上加工孔的常用方法，其加工尺寸精度可达 IT12~IT11，是攻螺纹、铰孔、镗孔和扩孔等加工方式的预加工[2]。而孔加工刀具则是切削加工中使用最早的刀具之一，同样是目前应用最为广泛的一种刀具，据统计，金属切削加工中孔（钻孔）加工占了将近三成。孔加工的使用刀具中，常见的有麻花钻、中心钻和群钻等，并且随着现代制造业的飞速发展，钻削刀具的种类不断增多，然而麻花钻仍然在孔加工中占主流，它的优势包括可以在常见工件上加工，还可通过二次刃磨改造后加工一些难加工材料。
麻花钻是一种形状复杂的钻削刀具，自研发并投入使用至今已有百年的历史，但人们对其研究仍未停止过，尤其在当下制造业蓬勃发展的新时代下，对于麻花钻的研究和制造仍是一个重要课题[3,4]，如今庞大的机械制造业产量与日俱增，麻花钻作为一种易损工具，生产中对其消耗量同样十分巨大，切削技术也朝着高精度、高质量的方向发展，尤其是数控机床及加工中心的广泛使用，对麻花钻的结构性能及生产精度提出了更高的要求[5]。
标准麻花钻的工作部分由两条螺旋槽组成，是钻头的主要部分，麻花钻的螺旋槽与钻头前面相交形成主切削刃担任主要的切削工作，并负责将切屑排出，是钻头的关键结构[6]。麻花钻的螺旋槽往往是钻头结构设计、优化以及加工的重点，然而在麻花钻结构设计中复杂的绘图和计算限制了研发效率，在螺旋槽刃磨加工过程中大多根据生产者经验进行，很多厂家仍采用试凑的方法来加工麻花钻，通过实验来确定砂轮的形状及加工安装位置，这种传统刃磨加工方法没有具体的理论指导，存在钻头刃磨精度低、研制效率低以及刃磨机床调整难度大等问题，刃磨制造水平达不到现代高精密机械加工的要求[7]。
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1.2 麻花钻的设计及加工技术研究
钻削加工在机械加工中发挥着重要的作用，麻花钻则是在实际的钻削加工过程中，使用频率最高的刀具之一，又因为其复杂的结构和加工工艺特点，故自麻花钻问世以来，大量国内外研究者都一直致力于其结构设计优化和切削过程的研究，对于优化钻头结构、提高钻头钻削性能上取得了很多研究成果，主要集中在钻头数学模型及几何结构设计、复合材料与涂层高性能钻头、钻削刃磨加工制造等几大方面的研究[10,11]。
麻花钻工作部分可分为切削和导向两部分：麻花钻的切削部分包括前后刀面、主切削刃、横刃等；麻花钻的导向部分包括螺旋槽、刃带等[12]，如图 1-1 所示。螺旋槽作为钻头的最主要结构之一，螺旋槽前刀面几何参数直接对主切削刃的几何角度造成影响，也就直接关系着麻花钻的实际钻削加工性能，并且其槽型影响着排屑的顺畅，螺旋槽的各几何结构参数对钻削加工过程起着决定性作用[13]；又因螺旋槽其数学模型复杂、刃磨加工困难等特点，所以国内外研究者常把螺旋槽作为麻花钻结构设计的难点和重点。
图 1-1 麻花钻工作部分结构简图
第 2 章 麻花钻螺旋槽参数化设计数学模型
2.1 引言
如前文所述，麻花钻螺旋槽作为最主要的结构之一，对其各关键几何结构参数进行合理、科学的选择，对刀具的钻削性能起着尤为重要的影响。参数化设计是以数学模型为基础，将所被设计工件产品的各关键几何结构参数作为约束条件，随后对整体产品零件进行建立数学模型，直接通过更改被加工零件的结构参数，便可迅速且精确实现对零件模型的修改[41,42]。要对麻花钻的螺旋槽结构进行参数化设计，首先要描述各空间结构尺寸并对钻头各关键结构参数进行确定。但各几何结构参数之间的拓扑关系十分复杂，需要根据刀具的结构特点将各几何参数进行联动，建立其精确数学模型。本章任务是确定钻头螺旋槽的关键结构参数，通过分析螺旋槽端截面几何特点，运用曲线拟合的方法求出螺旋槽径向截形，借助空间几何关系和数学方法建立麻花钻螺旋槽曲面的数学模型。随后根据钻头螺旋槽在刃磨加工时的实际工况，以及所用砂轮的截形及安装位置对曲面的干涉情况，反求出所用砂轮的截形。
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2.2 标准麻花钻螺旋槽数学模型
钻削工况要求麻花钻螺旋槽结构首先要保证钻头有足够的刚度，并且螺旋槽曲面的金属分布也要合理，并且恰当的螺旋槽几何结构可以保证良好切屑的产生，且易于排屑。螺旋槽的结构形状是由钻头切削刃的形状、螺旋槽槽宽及螺距、钻芯厚度等方面的综合影响的。确定麻花钻螺旋槽的基本参数包括直径 d、钻芯半径 d0、螺旋角β以及切削刃曲线形状等。
然而在钻头实际磨削加工中，麻花钻的螺旋槽槽型取决于所用磨削砂轮的截形、磨削时砂轮的安装位置以及磨削机床的调整参数。如何确定所用磨削砂轮的截面形状是对于刀具螺旋槽设计及加工的重难点之一，在工厂的实际加工中，一般都是采用固定规格的砂轮通过修型并进行试切实验来完成的。为了使砂轮能够更好地匹配各种新型结构钻头螺旋槽的加工，要将钻削刀具螺旋槽的相关参数借助数学公式进行联立，从而对钻头螺旋槽结构进行参数化设计。模型建立流程如图 2-1 所示。
图 2-1 钻头螺旋槽结构参数化设计流程图
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第 3 章 麻花钻钻削加工仿真与实验设计........................26
3.1 引言...................................26
3.2 钻削仿真加工方案设计..................................26
第 4 章 仿真与实验的结果分析........................35
4.1 引言..........................35
4.2 钻削加工仿真及实验的结果与分析.................................. 35
第 5 章 麻花钻螺旋槽参数化设计系统的开发设计.......................41
5.1 引言......................................41
5.2 麻花钻螺旋槽参数化设计系统的功能................................41
第 5 章 麻花钻螺旋槽参数化设计系统的开发设计
5.1 引言
本文第 2 章对麻花钻螺旋槽结构进行空间分析，确定其结构参数后建立螺旋槽曲面结构参数化设计数学模型，随后根据螺旋槽的实际刃磨加工工况，借助图形几何解法分析砂轮磨削临界运动位置，反推出所匹配的砂轮截形。由于钻头螺旋槽复杂的结构特点及刃磨加工过程的特殊性，需要建立庞大的数学模型，分析求解各种空间位置关系，并将各空间点的数据进行处理采集，求解过程十分的繁琐，普通使用者较难进行操作获得所需结果。如今 CAD 集成系统正广泛运用在产品的参数化设计研发工作中，极大的缩短了产品的研发周期。而借助 Matlab 软件的 GUI 功能，可将前期所建立的麻花钻螺旋槽结构参数化设计数学模型及砂轮反求模型进行软件封装，设计直观、简洁的操作界面，开发方便、快捷的麻花钻螺旋槽参数化设计仿真系统。
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第 6 章 结论与展望
本文分析了钻头螺旋槽的几何结构特点以及传统加工技术，建立麻花钻螺旋槽参数化设计数学模型及砂轮反求模型。首先根据刀具的结构特点将各几何参数进行联动，根据实际各结构特征的空间理论建立各结构的数学表达式，构建精确、简洁的数学模型对螺旋槽曲面进行描述，实现麻花钻螺旋槽的快速参数化三维设计，以钻头螺旋槽实际的磨削加工工况，分析磨削砂轮的截形和安装位置对所设计的螺旋槽曲面进行干涉情况，将最佳接触离散点进行处理得到所匹配的砂轮截形。随后进行有限元钻削仿真分析和实际钻削加工实验，对比不同结构型号刀具在同一切削用量下和同一型号刀具在不同切削用量下的切削性能，主要结论如下：
（1）确定钻头螺旋槽的关键结构参数，分析钻头螺旋槽端截面的几何特点，运用曲线拟合的方法求解螺旋槽径向截形，并借助空间几何关系和数学方法建立螺旋槽曲面的数学模型，借助 MATLAB 软件对数学模型进行运算，改变麻花钻的关键结构参数分析对本模型的误差影响，并与实际刀具端截面曲线进行分析，验证其模型的准确性。
（2）根据钻头螺旋槽的实际磨削加工机理，在构建螺旋槽曲面的三维模型上，借助图形几何解法对砂轮磨削螺旋槽时的位置进行分析，推导得出砂轮磨削的临界运动位置；在 MATLAB 中建立的螺旋槽曲面三维模型中用等半径等厚度的圆柱代替砂轮进行磨削，在接触处进行干涉分析得到接触离散点，并根据磨削情况对接触处分区后处理接触离散点得到最佳接触点，进行拟合得到所对应的砂轮截形，并进行实例分析验证了方法及结果的正确性和有效性。
（3）采用有限元仿真与实验相结合的方法，借助专业的金属切削加工仿真软件 ThirdWave Systems AdvantEdge 对所设计刀具进行钻削加工有限元仿真，对单一切削条件下钻头钻削加工的钻削轴向力、轴向扭矩进行采集和分析，与相同实验条件下钻削加工实验结果进行对比，误差均在 10%以内，对比仿真值与实验值验证了有限元仿真的可靠性，并分析了刀具在不同切削条件下钻削性能的变化规律。随后控制麻花钻结构参数进行单因素钻削仿真加工，分析了麻花钻参数化设计的各关键结构参数对刀具钻削性能的影响，为钻头几何结构参数的合理优化选择提供了参考依据。
参考文献（略）