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CN108972169B - 一种非共轴螺旋后刀面微细钻削刀具及其刃磨方法 - Google Patents

一种非共轴螺旋后刀面微细钻削刀具及其刃磨方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种非共轴螺旋后刀面微细钻削刀具及其刃磨方法，属于机械加工技术领域。刀具的结构特点为其钻尖由连续的螺旋后刀面和S型横刃组成。该钻削刀具通过X、Y、Z、A、W的五轴联动实现非共轴螺旋后刀面的精确数控刃磨。该刃磨方法可以实现多种几何结构参数的非共轴螺旋面钻尖的磨削制备。并且将后刀面二次曲面方程离散为螺旋发生线的直线方程组，通过平行于钻头轴线平面和垂直于钻头轴线平面内的运动来确保砂轮与刀具之间的相对螺旋运动，计算过程高效精准，易于实现。本发明针对不锈钢等难加工材料微小深孔钻削加工的特点，该刀具不仅能够有效降低横刃磨损，提高入钻的定心性能，降低微小孔入口圆度误差；而且能够有效减轻微钻和工件间的摩擦，降低钻削力和后刀面磨损，提高微钻的使用寿命。

Description

一种非共轴螺旋后刀面微细钻削刀具及其刃磨方法
技术领域
本发明涉及一种非共轴螺旋后刀面微细钻削刀具及其刃磨方法，属于机械加工技术领域。
背景技术
随着科学技术和工业生产的迅猛发展，微小孔零件的应用日趋广泛，如航空航天惯性陀螺的仪表元件、发动机的喷油嘴、涡轮叶片的气膜冷却孔、计算机打印头、印刷电路板等。这些微小孔零件多采用不锈钢、高强度钢、钛合金等难加工材料，如高温高压部件以及发动机喷油嘴等经常采用1Cr18Ni9Ti不锈钢材料。微小孔加工一般采用微细钻削、微细电火花、微刻蚀等方法。其中微细钻削具有可加工材料广泛、不受材料导电的限制、材料去除率高、加工精度高、批量生产成本低等优点，成为目前微小孔高精密加工的主要方法。
在微细钻削加工中，由于不锈钢材料塑性变形大、导热系数低，切屑不易折断分离，容易缠绕堆积在螺旋槽中，影响加工表面质量。同时微细钻削过程中受尺寸效应的影响，材料的去除过程以挤压和耕犁为主，刀具刃口区域受力大，容易引起微崩刃和微裂纹，加剧刀具的磨破损失效。并且微细钻削刀具在刃磨过程中经常出现刀具断裂破损、加工效率低等问题。为提高微细钻削刀具的钻削性能和使用寿命，本发明针对上述不锈钢等难加工材料微小孔精密钻削刀具存在的问题和难点，设计一种新型微细钻削刀具的钻尖结构，并提出了其高质量的刃磨制备方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种非共轴螺旋后刀面微细钻削刀具及其刃磨方法。针对微细钻削加工的特点，该刀具的结构特征不仅能够有效降低横刃磨损，提高入钻的定心性能，降低微小孔入口圆度误差；而且能够有效减轻微钻和工件间的摩擦，降低钻削力和后刀面磨损，提高微钻的使用寿命；并且对该刀具进行刃磨试验，基于五轴联动完成微钻后刀面的精确数控刃磨，显著提高刃磨效率和质量。
本发明的技术方案是：一种非共轴螺旋后刀面微细钻削刀具，其特点是其钻尖由连续的螺旋后刀面和S型横刃组成。非共轴螺旋面可以在钻头(或砂轮)固定时砂轮(或钻头)绕某一固定轴线ZH(与刀具轴线相交)作螺旋运动得到，但是六轴数控磨床无法直接实现砂轮的复杂空间运动，需要将砂轮的螺旋运动分解为砂轮和钻头的多个平面运动。为了实现非共轴螺旋面的数控刃磨，需要将后刀面二次曲面方程离散为微钻与砂轮之间接触线AN的直线方程，即螺旋运动发生线OHM在螺旋运动过程中任一位置的方程。
该钻削刀具在刃磨过程中，装夹在机床A轴上的微细钻削刀具共有四个运动，绕A轴和W轴的旋转运动，绕U轴和Y轴的直线运动。砂轮有三个运动，绕Z轴和X轴的直线运动，绕砂轮轴线的旋转运动。在后刀面刃磨过程中，首先通过U轴的移动实现钻尖中心的精确定位，以提高微细钻头几何结构的一致性，然后通过X、Y、Z、A、W的五轴联动实现微钻后刀面的精确数控刃磨。该刃磨方法可以实现后刀面五个磨削参数(θ，β，φ，B，H)的可控性，进而能够实现多种几何结构参数的非共轴螺旋面钻尖的磨削制备。并且该刃磨方法将后刀面二次曲面方程离散为螺旋发生线的直线方程组，通过平行于钻头轴线平面和垂直于钻头轴线平面内的运动来确保砂轮与刀具之间的相对螺旋运动，计算过程高效精准，易于实现。在螺旋槽的刃磨过程中，首先通过X、Y、Z和W轴移动旋转至螺旋槽磨削初始位置，然后U轴和A轴分别进行直线与旋转的插补运动，即A轴旋转角度
Figure BDA0001741721720000021
的同时U轴移动距离
Figure BDA0001741721720000022
其中d为微钻的直径，β0为螺旋槽的螺旋角。通过U轴和A轴的联合运动形成一个完整螺旋槽。
有益效果：
(1)本发明的非共轴螺旋面微钻横刃为S型曲线刃且较平滑，能有效降低横刃磨损，提高入钻的定心性能，降低微小孔入口圆度误差；并且主切削刃和横刃后角分布较合理，尾隙角较大，有效减轻微钻和工件间的摩擦，降低钻削力和后刀面磨损。
(2)本发明通过数控机床X、Y、Z、A、W的五轴联动实现非共轴螺旋后刀面微钻后刀面的精确数控刃磨和A、U的联合运动完成螺旋槽的刃磨，解决了非共轴螺旋后刀面微细钻削刀具刃磨困难的难题，减少了磨削过程中的产生的破损、断裂等现象，提高了刀具的刃磨质量，延长了刀具的使用寿命。
附图说明
图1是本发明非共轴螺旋后刀面数学模型；
图2是数控工具磨床砂轮安装示意图；
图3是非共轴螺旋后刀面微细钻削刀具后刀面刃磨过程示意图。
图4是非共轴螺旋后刀面微细钻削刀具螺旋槽刃磨过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述：
数控工具磨床砂轮安装示意图如图2所示。采用碟形砂轮1完成螺旋槽刃磨工序，采用平行砂轮2完成后刀面刃磨工序。此外，LX、LY、LZ为钻尖中心Od到机床原点O沿X、Y、Z轴的距离。Lw1、Lw2分别为碟形砂轮1和平行砂轮2到机床原点O沿Y轴的距离，DW2为平行砂轮直径，DW1为碟形砂轮直径。
非共轴螺旋后刀面数学模型如图1所示，后刀面F1由发生线OHM绕ZH轴做螺旋运动所形成的螺旋面的一部分构成，OH-XHYHZH为螺旋坐标系。Od-XdYdZd为微钻坐标系，坐标原点Od位于钻尖中心位置，Zd轴与钻头轴线重合，Xd轴方向满足使外缘转点C的Y坐标为yc＝-t(2t为钻芯厚度)。微钻坐标系Od-XdYdZd通过绕Zd轴旋转角度β，得到过渡坐标系Ot-XtYtZt。过渡坐标系Ot-XtYtZt通过坐标平移和绕Yt轴旋转角度φ，得到螺旋坐标系OH-XHYHZH。除了参数φ和β，还有三个刃磨参数B、H和θ，其中B是钻尖中心Od和点D的距离，点D为螺旋坐标系OH-XHYHZH的ZH轴与微钻坐标系Od-XdYdZd的Zd轴的交点，H是螺旋面的节距，θ是砂轮磨削面和ZH轴的夹角。
非共轴螺旋面后刀面在微钻坐标系OdXdYdZd中的方程F1为：
Figure BDA0001741721720000031
其中，Xt＝Xdcosβ-Ydsinβ，Yt＝Ydcosβ+Xdsinβ。
将Xd＝-Xd，Yd＝-Yd带入方程F1，即可获得后刀面F2的方程F2(Xd,Yd,Zd)＝0。
非共轴螺旋面可以在钻头(或砂轮)固定时砂轮(或钻头)绕某一固定轴线ZH(与刀具轴线相交)作螺旋运动得到，但是六轴数控磨床无法直接实现砂轮的复杂空间运动，需要将砂轮的螺旋运动分解为砂轮和钻头的多个平面运动。为了实现非共轴螺旋面的数控刃磨，需要将后刀面二次曲面方程离散为微钻与砂轮之间接触线AN的直线方程，即螺旋运动发生线OHM在螺旋运动过程中任一位置的方程。
假设AN为螺旋运动过程中发生线的某一位置，N点位于后刀面F1和钻头外圆柱面的相交线L1上，在微钻坐标系Od-XdYdZd中N点坐标可表示为：
Nd(xd,yd,zd)＝(dcosαd/2,dsinαd/2,zd)＝(gx(αd),gy(αd),gz(αd))
其中，d为微钻直径，αd是OdN在钻头横截面的投影与Xd轴线的夹角，zd可通过后刀面方程F1(xd,yd,zd)＝0求解得到。
在螺旋坐标系OH-XHYHZH中，假设发生线OHM绕ZH轴旋转角度αH到达直线AN位置，因此点A在OH-XHYHZH坐标系中的表达式为：AH(xAH,yAH,zAH)＝(0,0,-HαH/2π)。通过坐标转换关系式可以得到点A在微钻坐标系Od-XdYdZd中的表达式为：
Figure BDA0001741721720000041
此外N点在微钻坐标系Od-XdYdZd中的坐标为Nd(xd,yd,zd)＝(dcosαd/2,dsinαd/2,zd)，通过坐标转换关系式，可以得到N点在OH-XHYHZH坐标系中的表达式NH(xH,yH,zH)。故αH可以表示为：αH＝tan(yH/xH)＝f(αd)。因此在微钻坐标系OdXdYdZd中，点A坐标为Ad(xAd,yAd,zAd)＝(px(f(αd)),py(f(αd)),pz(f(αd)))＝(fx(αd),fy(αd),fz(αd))。对于任意角度αd，发生线AN的方程是唯一确定的，因此后刀面二次曲面方程可以离散为一系列接触线的直线方程组，其方程可以表示为：
Figure BDA0001741721720000042
刃磨制备非共轴螺旋后刀面微小孔钻削刀具的具体方法如下：
1、首先将刀具毛坯装夹到数控磨床夹具上固定，通过传感器对刀，建立工件坐标系和机床坐标系的联系。
2、在步骤1的基础上开始刃磨微细钻削刀具的非共轴螺旋后刀面，其刃磨过程参见附图3，刃磨过程中钻头和砂轮的相对位置如图3(a)所示，使用平行砂轮外圆柱面进行后刀面刃磨，将砂轮与钻头之间的接触视为线接触。为了实现后刀面的数控刃磨，确保刃磨过程中砂轮与钻头的接触线位置为所确定的发生线LAN位置，需要获得机床坐标系O-XYZ中发生线LAN的方向向量以及点N的坐标。
在微钻坐标系Od-XdYdZd中，接触线AN的方向向量为AN＝(fx(αd)-gx(αd),fy(αd)-gy(αd),fz(αd)-gz(αd))。在机床坐标系O-XYZ中需要通过平行于钻头轴线平面和垂直于钻头轴线平面内的运动来确保其方向。在平行于钻头轴线平面内(如图3(b))，W轴需要旋转γ+π/2以确保接触线的方向，其中钻头轴线Zd轴与AN之间的夹角γ为：
Figure BDA0001741721720000043
在垂直于钻头轴线平面内(如图3(c))，假设OHM是接触线的初始位置，OHM需要绕Zd轴旋转角度αA，并沿Z轴移动距离z＝OdT才能到达线AN位置。点A到钻尖Od的距离为：
Figure BDA0001741721720000051
因此，
Figure BDA0001741721720000052
其中α1＝π-β-αd。
在刃磨过程中，U轴需要移动距离B将机床W轴旋转中心定在钻头D点，通过D点、N点之间的相对距离来确保机床坐标系O-XYZ中N点的坐标位置。点D与点N之间的相对距离(x，y)为：
Figure BDA0001741721720000053
Figure BDA0001741721720000054
其中，过点N作钻头轴线的平行线，过点D作钻头轴线的垂直线，二者交于点Q，
Figure BDA0001741721720000055
为点D到点Q之间的距离。
综上所述，根据图2所示的砂轮安装参数和砂轮几何结构参数，X、Y、Z、A、W各轴运动方程分别为：-LX-DW2/2-x，-LY+LW2+y，-LZ-z，αA，γ+π/2。
3、在步骤2的基础上开始刃磨非共轴螺旋后刀面微细钻削刀具的螺旋槽，其刃磨过程参见附图4。砂轮和刀具的相对螺旋运动形成螺旋槽曲面，当砂轮固定时，刀具沿自身轴线作螺旋运动，砂轮与刀具运动轨迹的重叠部分形成螺旋槽。
磨削开始之前，X、Y、Z和W轴移动旋转至螺旋槽磨削初始位置。W轴旋转角度90°-λ，本专利中λ＝β0+20°，β0为螺旋槽的螺旋角。Z轴移动距离z1以保证微钻钻芯厚度的大小符合设计要求，z1＝LZ-ax。X、Y轴移动距离分别为x1、y1，以保证钻尖中心与砂轮大端面中心重合，其中x1＝LX+azsinλ+aycosλ，y1＝LY+azcosλ-aysinλ。磨削时U轴和A轴分别进行直线与旋转的插补运动，即A轴旋转角度
Figure BDA0001741721720000056
的同时U轴移动距离
Figure BDA0001741721720000057
其中d为微钻的直径，β0为螺旋槽的螺旋角。通过U轴和A轴的联合运动形成一个完整螺旋槽。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种非共轴螺旋后刀面微细钻削刀具的刃磨方法，该微细钻削刀具的钻尖由连续的螺旋后刀面和S型横刃组成，所述微细钻削刀具的非共轴螺旋后刀面在微钻坐标系Od-XdYdZd中的方程F1为：
Figure FDA0002413724310000011
其中，Xt＝Xdcosβ-Ydsinβ，Yt＝Ydcosβ+Xdsinβ，B是钻尖中心Od和点D的距离，H是螺旋面的节距，θ是砂轮磨削面和螺旋坐标系OH-XHYHZH的ZH轴的夹角，φ为过渡坐标系Ot-XtYtZt的Zt轴和微钻坐标系的Zd轴的夹角，β为微钻坐标系的Zd轴与过渡坐标系Ot-XtYtZt的Xd轴的夹角；
其特征在于，
所述刃磨方法包括将后刀面二次曲面方程离散为微钻与砂轮之间接触线AN的直线方程，即螺旋运动发生线OHM在螺旋运动过程中任一位置的方程，通过平行于钻头轴线平面和垂直于钻头轴线平面内的运动来确保砂轮与刀具之间的相对螺旋运动，具体方法如下：
AN为螺旋运动过程中发生线的某一位置，N点位于后刀面F1和钻头外圆柱面的相交线L1上，在微钻坐标系OdXdYdZd中N点坐标可表示为：
Nd(xd,yd,zd)＝(dcosαd/2,dsinαd/2,zd)＝(gx(αd),gy(αd),gz(αd))
其中，d为微钻直径，αd是OdN在钻头横截面的投影与Xd轴线的夹角，zd可通过后刀面方程F1(xd,yd,zd)＝0求解得到，
在螺旋坐标系OHXHYHZH中，发生线OHM绕ZH轴旋转角度αH到达直线AN位置，由此可得点A在OHXHYHZH坐标系中的表达式为：
AH(xAH,yAH,zAH)＝(0,0,-HαH/2π)
通过坐标转换关系式可以得到点A在微钻坐标系OdXdYdZd中的表达式为
Figure FDA0002413724310000012
N点在微钻坐标系OdXdYdZd中的坐标为Nd(xd,yd,zd)＝(dcosαd/2,dsinαd/2,zd)，通过坐标转换关系式，可以得到N点在OHXHYHZH坐标系中的表达式NH(xH,yH,zH)，由此，αH可以表示为：
αH＝tan(yH/xH)＝f(αd)
在微钻坐标系OdXdYdZd中，点A坐标为
Ad(xAd,yAd,zAd)＝(px(f(αd)),py(f(αd)),pz(f(αd)))＝(fx(αd),fy(αd),fz(αd))
对于任意角度αd，发生线AN的方程是唯一确定的，因此后刀面二次曲面方程可以离散为一系列接触线的直线方程组，其方程可以表示为：
Figure FDA0002413724310000021
2.根据权利要求1所述的刃磨方法，其特征在于：所述微细钻削刀具采用碟形砂轮完成螺旋槽刃磨工序，采用平行砂轮外圆柱面完成后刀面刃磨工序。
3.根据权利要求1或2所述的刃磨方法，其特征在于，所述微细钻削刀具装夹在A轴，在刃磨过程中共有四个运动，绕A轴和W轴的旋转运动以及沿U轴和Y轴的直线运动，砂轮有三个运动，沿Z轴和X轴的直线运动以及绕砂轮轴线的旋转运动。
4.根据权利要求3所述的刃磨方法，其特征在于，所述微细钻削刀具在后刀面刃磨过程中，首先U轴需要移动距离B将机床W轴旋转中心定在钻头D点，实现钻尖中心的精确定位；然后通过X、Y、Z、A、W的五轴联动实现微钻后刀面的精确数控刃磨，X、Y、Z、A、W各轴运动方程分别为：-LX-DW2/2-x，-LY+LW2+y，-LZ-z，αA，γ+π/2，其中，LX、LY、LZ为钻尖中心Od到机床原点O沿X、Y、Z轴的距离，Lw2为平行砂轮到机床原点O沿Z轴的距离，DW2为平行砂轮直径，在垂直于钻头轴线平面内，螺旋运动发生线OHM与接触线AN的夹角为αA；在平行于钻头轴线平面内，钻头轴线Zd轴与接触线AN之间的夹角为γ，
Figure FDA0002413724310000022
Figure FDA0002413724310000023
为点A到点Od的距离，
Figure FDA0002413724310000024
Figure FDA0002413724310000025
B为D到点Od的距离，zd为Nd的z坐标值，可通过后刀面F1求解得到，
Figure FDA0002413724310000026
为点D到点Q之间的距离。
5.根据权利要求4所述的刃磨方法，其特征在于，所述微细钻削刀具在螺旋槽刃磨过程中，首先通过X、Y、Z和W轴移动旋转至螺旋槽磨削初始位置，然后U轴和A轴分别进行直线与旋转的插补运动，即A轴旋转角度
Figure FDA0002413724310000027
的同时U轴移动距离
Figure FDA0002413724310000028
其中d为微钻的直径，β0为螺旋槽的螺旋角，通过U轴和A轴的联合运动形成一个完整螺旋槽。
6.根据权利要求5所述的刃磨方法，其特征在于：在磨削螺旋槽前W轴逆时针旋转角度λ，其中，λ＝β0+20°，β0为螺旋槽的螺旋角，Z轴移动距离z1以保证微细钻削刀具钻芯厚度的大小符合设计要求，z1＝LZ-DW1/2-t，2t为微细钻削刀具的钻芯厚度，X、Y轴移动距离分别为x1、y1，以保证钻尖中心与砂轮大端面中心重合，其中x1＝LX，y1＝LY-Lw1。
7.根据权利要求1或2所述的刃磨方法，其特征在于：该刃磨方法可以实现后刀面五个磨削参数θ、β、φ、B和H的可控性，进而能够实现多种几何结构参数的非共轴螺旋面钻尖的磨削制备。
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