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中原工學(xué)院畢業(yè)譯文翻譯
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
畢業(yè)設(shè)計(jì)譯文
題目名稱： 大直徑輥筒雙頭鏜孔專機(jī)
承載裝置和自定心裝置的設(shè)計(jì)
院系名稱： 機(jī) 電 學(xué) 院
班 級(jí)： 機(jī) 自 072
學(xué) 號(hào)： 200700314207
學(xué)生姓名： 邢 家 坤
指導(dǎo)教師: 肖 慶 和
2011年4月
22.7 鉆孔和鉆頭
當(dāng)你仔細(xì)觀察我們身邊不同類型的產(chǎn)品時(shí)，我們會(huì)意識(shí)到大多數(shù)產(chǎn)品都帶有一些孔。這些孔一般是和像螺栓、螺釘、鉚釘（每種零件都需要一個(gè)孔）等緊固件一起用于裝配，或者是這些孔使得產(chǎn)品內(nèi)部得以顯露。注意，例如，一架飛機(jī)機(jī)體上的鉚釘數(shù)量或者發(fā)動(dòng)機(jī)箱體上的螺栓以及一臺(tái)自動(dòng)裝置外殼內(nèi)的各種各樣的零部件。
孔加工是制造業(yè)中最重要的操作。在自動(dòng)化機(jī)器生產(chǎn)中，孔加工的成本是生產(chǎn)成本中最高之一。鉆孔是一個(gè)主要的和常見的孔加工過程；其它加工孔的過程有沖壓（第16.2節(jié)）和各種各樣的先進(jìn)加工方法（第26章）。
22.7.1 鉆頭
因?yàn)殂@頭通常有很大的長度與直徑比（圖22.22），所以它們能夠用于鉆相對(duì)比較深的孔?？椎纳疃扔幸稽c(diǎn)靈活，但是這取決于它的直徑，并且為了保證鉆孔的精度和防止鉆頭損壞應(yīng)該小心地使用。另外，工件內(nèi)部產(chǎn)生的切屑必須朝著與鉆頭軸線運(yùn)動(dòng)的反方向運(yùn)動(dòng)。因此，在鉆孔過程中切屑的排除和切削液的有效使用將會(huì)十分困難。
圖22.22 各種類型的鉆頭
一般地，由鉆孔加工出的孔直徑要比鉆頭的直徑略大，正如你所看到的鉆頭很容易在它剛加工出的孔中移動(dòng)?？字睆奖茹@頭直徑大出的數(shù)值取決于鉆頭的質(zhì)量和所用的設(shè)備，也和工人的操作有關(guān)。
一些金屬和非金屬材料由于鉆孔產(chǎn)生的熱而劇烈擴(kuò)張，因此，最后的孔會(huì)比鉆頭的直徑小，這取決于鉆頭的熱性能。已加工的孔為了得到更好的表面光潔度和尺寸精度或許受制于接下來的操作過程，比如鉸孔和珩磨。鉆孔通常會(huì)在工件下表面留下毛刺，一旦鉆頭穿破工件，這就需要去毛刺處理（第25.10節(jié)）。
麻花鉆 最常見的鉆頭是傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)刀尖麻花鉆（圖22.23a），主要的特征是刀尖角，鉆緣后角，橫刃角和螺旋角。鉆頭頂尖的幾何形狀從鉆頭的中心到邊緣距離不斷變化以至于有標(biāo)準(zhǔn)的前角和切削速度。
一般地，兩個(gè)螺旋槽趨向鉆頭的全長，產(chǎn)生的切屑通過這些溝槽被指引向前，溝槽也作為通道使切削液流至切削刃邊緣。一些鉆頭有內(nèi)部軸向的孔，切削液流過起到提高潤滑和冷卻的作用，而且可以沖走切屑。
圖22.23 （a）標(biāo)準(zhǔn)的橫刃鉆有著不同的特征，這對(duì)邊刃的作用是當(dāng)鉆頭進(jìn)入工件后為緊貼也內(nèi)壁而提供一個(gè)承載面。四刃鉆頭可以用來提高鉆頭的導(dǎo)向和鉆孔精度。帶有分屑槽的鉆頭也可以使用。（b）曲軸尖鉆（c）各種各樣的鉆頭刀尖和設(shè)計(jì)者：1.四面分割刀尖，美國高邁特。2.SE型刀尖，赫特爾。3.新型刀尖，三菱材料公司。4.Hosoi刀尖，OSG Tap & Die 5.螺旋尖
具有分屑溝沿著刀具邊緣這一特性的鉆頭可以使用。這一特性在使用自動(dòng)化機(jī)器鉆孔中是十分重要的，對(duì)于沒有操作者輔助情況下長切屑的排除，鉆頭的這一特性是必須的。
在表22.10中給出了不同工件材料的鉆頭幾何形狀規(guī)范。這些角度以鉆孔操作的經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，被設(shè)計(jì)來加工有精度高的孔，使鉆削力和轉(zhuǎn)矩最小，同時(shí)使鉆頭壽命最長。
鉆尖的幾何形狀 鉆頭形狀的微小改變就會(huì)對(duì)鉆頭參數(shù)有很大的影響，特別是占鉆孔過程大約50%鉆削力的橫刃區(qū)。例如，太小的鉆緣后角（圖22.23 a）會(huì)增加鉆削力，產(chǎn)生過量的熱而加快鉆頭磨損。相反地，太大的角度會(huì)造成切削刃的剝落或損壞。因此，除了傳統(tǒng)的尖鉆，一些其它的鉆尖幾何形狀已經(jīng)被改善來提高鉆頭參數(shù)并且增加穿透速度（圖22.23 c）。特殊的研磨拋光技術(shù)和設(shè)備也用于加工這些幾何結(jié)構(gòu)。
其它形式的鉆頭 如圖22.24為幾種類型的鉆尖。階梯鉆頭可以加工出兩個(gè)或更多不同直徑的孔。擴(kuò)孔鉆用于擴(kuò)大已經(jīng)存在的孔。平底锪孔鉆和錐底锪孔鉆在工件表面加工出沉槽以容納螺釘和螺栓的頭部。中心鉆很短并用于在圓棒料的一端加工孔以至于可以被固定在車床的兩個(gè)中心（在主軸箱和尾座之間，圖22.2）。定心鉆是用來在工件指定的位置沖孔。
表22.10 高速麻花鉆鉆頭幾何結(jié)構(gòu)的一般性建議
工件材料 刀尖角 鉆緣后角 橫刃角 螺旋角 刀尖
鋁合金 90-118 12-15 125-135 24-48 標(biāo)準(zhǔn)
鎂合金 70-118 12-15 120-135 30-45 標(biāo)準(zhǔn)
銅合金 118 12-15 125-135 10-30 標(biāo)準(zhǔn)
鋼 118 10-15 125-135 24-32 標(biāo)準(zhǔn)
高強(qiáng)度鋼 118-135 7-10 125-135 24-32 曲軸
不銹鋼(低強(qiáng)度) 118 10-12 125-135 24-32 標(biāo)準(zhǔn)
不銹鋼(高強(qiáng)度) 118-135 7-10 120-130 24-32 曲軸
高溫合金 118-135 9-12 125-135 15-30 曲軸
耐熱合金 118 7-10 125-135 24-32 標(biāo)準(zhǔn)
鈦合金 118-135 7-10 125-135 15-32 曲軸
鑄鐵 118 8-12 125-135 24-32 標(biāo)準(zhǔn)
塑料 60-90 7 120-135 29 標(biāo)準(zhǔn)
圖22.24 各種類型的鉆孔和鉸孔(擴(kuò)孔)
扁鉆具有可更換的頂尖或刀頭，可以用來加工大而深的孔。它具有更高的剛度（因?yàn)樵阢@頭體上沒有開槽）這一優(yōu)勢(shì)，很容易磨削切削刃的邊緣，而且價(jià)格低廉。曲柄鉆（圖22.23）有很好的對(duì)心功能，因?yàn)榍行己苋菀灼屏眩蔬@類鉆頭適用于加工深孔。
深孔鉆 主要發(fā)展于槍筒的鉆孔，深孔鉆用于鉆深孔并需要一特殊的鉆頭（圖22.22 e和22.25 a）。加工的孔深和直徑比可達(dá)300:1，甚至更高。這個(gè)鉆削力（徑向力使鉆頭橫向傾斜）被鉆頭上沿著孔內(nèi)表面（圖22.25 a）滑動(dòng)的烏金軸瓦平衡掉。因此，深孔鉆可以自定心，當(dāng)鉆深孔直的孔時(shí)這是一個(gè)重要的性能。
圖22.25 (a)深孔鉆的各個(gè)特征；(b)鉆深孔的方法
來源：Eldorado刀具和制造公司
鉆深孔時(shí)的鉆削速度通常很高，進(jìn)給量較低。切削液在高壓下被迫流過鉆頭體（圖22.25 b）的軸向孔。除了潤滑和冷卻之外，切削液也可以沖走將會(huì)中斷正在鉆的深孔而干擾鉆孔操作的切屑。沒有必要通過退刀來清理切屑。
穿孔 在穿孔中，通過移動(dòng)盤狀的工件使切削刀具（圖22.26 a）加工出孔，這些盤狀工件通常是平板?？椎募庸な窃诓环纸獠牧鲜怪?yōu)榍行纪瓿傻模@和鉆孔類似。穿孔可以加工直徑達(dá)150mm（6英寸）的平板，也可以用于加工將會(huì)替代O型密封圈的環(huán)型槽。
穿孔可以在車床，鉆床（圖22.26）或其它機(jī)床上完成，可以用單刃刀具或多刃刀具。穿孔的一個(gè)變種為深孔穿孔，除了刀具有一個(gè)中心外所用刀具和深孔鉆類似。
圖22.26 (a)穿孔刀；(b)用架式單刀具穿孔
22.7.2材料切除率
鉆孔過程中材料的切除率是每單位時(shí)間內(nèi)被鉆頭切除的材料體積。對(duì)于一個(gè)直徑為D的鉆頭，它所鉆的孔的截面面積為πD2/4。鉆頭垂直工件方向的速度是進(jìn)給量f（鉆頭每轉(zhuǎn)鉆入工件的距離）和旋轉(zhuǎn)的速度N的乘積，此處N=V/πD。所以 MRR=（πD2/4）（f）（N）
我們可以檢查這個(gè)方程所達(dá)到尺寸的精度，就像方程（22.1）一樣，注意到MRR=(mm2)(mm/rev)(rev/min)=mm3/min，這是單位時(shí)間內(nèi)材料移除量的正確單位。
22.7.3 鉆削力和轉(zhuǎn)矩
鉆孔中的鉆削力作用于孔的軸線方向，如果這個(gè)力過大將會(huì)使鉆頭彎曲或損壞。過大的鉆削力也會(huì)使工件彎曲，尤其是工件沒有足夠剛度時(shí)（例如薄金屬片的結(jié)構(gòu)），或者使工件滑入工件夾緊裝置。
鉆削力范圍從用小鉆頭的幾牛頓到用大鉆頭鉆高硬材料的100千牛頓。同樣地，鉆入轉(zhuǎn)矩也可以達(dá)到4000N·m。這個(gè)鉆削力取決于以下幾個(gè)因素：(a)工件材料的硬度；(b)進(jìn)給量；(c)轉(zhuǎn)速；(d)鉆頭直徑；(e)鉆頭的幾何形狀；(f)切削液。精確計(jì)算出鉆頭上的鉆削力是很困難的。但是，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)、使用鉆頭和鉆孔設(shè)備中是可以做為幫助使用的。
為了估計(jì)所需功率的大小，必須知道鉆孔過程轉(zhuǎn)矩的大小。過大的轉(zhuǎn)矩會(huì)使工件彎曲或使工件滑入工件夾緊裝置。鉆孔的過程很難計(jì)算轉(zhuǎn)矩的大小?？梢杂盟o表20.1的數(shù)據(jù)得知鉆孔過程消耗的功率，這個(gè)功率是轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的乘積。因此，鉆頭的轉(zhuǎn)矩可以由先計(jì)算出來的材料切除率計(jì)算出來。
例子：材料切除率和轉(zhuǎn)矩
在一塊鎂合金上用一個(gè)直徑為10mm的鉆頭以0.2mm/r的進(jìn)給量鉆孔，主軸轉(zhuǎn)速為N=800r/min，計(jì)算材料切除率和鉆頭的轉(zhuǎn)矩。
解：首先用方程式22.3計(jì)算材料切除率
MRR=[(π)(10)2/4](0.2)(800)=12570mm3/min=210 mm3/s.
查表20.1，對(duì)應(yīng)鎂合金取單位功率的平均值為0.5W·s/ mm3
因此，所需功率為P=(210)(0.5)=105W
功率是鉆頭轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的乘積，在此轉(zhuǎn)速為(800)(2π)/60=83.8r/s
注意到W=J/S，J = N·m
故得T=105/83.8=1.25 N·m
22.7.4鉆頭材料和尺寸
鉆頭通常由高速鋼(M1,M7,M10)制成，為了提高鉆頭的耐磨性，現(xiàn)在許多鉆頭表面都鍍有氮化鈦。硬質(zhì)合金（圖22.22f,g）或者整體硬質(zhì)合金鉆頭可以用于鉆鑄鐵、鋼、硬質(zhì)耐高溫金屬和研磨材料，如混凝土和磚(石工鉆)，以及摻有研磨纖維的合成材料，如玻璃，石墨。
表面覆有多晶金剛石的鉆頭現(xiàn)在廣泛用于在加固塑料上加工鈕扣孔，如石墨環(huán)氧樹脂。因?yàn)樗鼈冇泻芨叩哪湍バ?，故鉆成千上萬個(gè)孔對(duì)鉆頭材料的磨損仍很小。
標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆的尺寸包含以下四個(gè)系列：
a. 數(shù)值的：從97號(hào)(0.0059英寸)到1號(hào)(0.228英寸)；
b. 字母：從A(0.234英寸)到Z(0.413英寸)；
c. 分?jǐn)?shù)的：直柄尺寸從1/64英寸到5/4英寸(以1/64英寸增加)到3/2英寸(以1/32英寸增加)，更大的鉆頭則有更大的增加量；
d. 毫米：從0.05mm(0.002英寸)，以0.01mm增加。
鉆孔和鏜孔的性能列在表22.11中。
22.7.5鉆孔操作
鉆頭和類似的孔加工刀具通常被夾在帶或不帶鍵的鉆頭夾盤，。特殊的卡盤和夾頭具有不需要停下主軸就可實(shí)現(xiàn)各種鉆頭的快換，這以特性可以用于機(jī)器的生產(chǎn)。
因?yàn)殂@頭沒有自定心功能，在鉆孔開始時(shí)，它在工件表面有游移的趨勢(shì)。這個(gè)問題對(duì)于小直徑的鉆頭來說尤其嚴(yán)重，為了使鉆孔順利，鉆頭需要被指引，用固定裝置(如軸襯)來防止鉆頭偏向。
可以用一個(gè)中心鉆(通常刀尖角為60°)來鉆一個(gè)小起始孔，或者用鉆尖類似于S形的。這種形狀的自定心功能減少了鉆中心孔的需要，可加工出高精度的孔并提高鉆頭的壽命。在加工中心自動(dòng)化生產(chǎn)中這些因素是非常重要的，通常的操作是使用118°刀尖角的定心鉆。當(dāng)定心鉆的刀尖角度和鉆頭相結(jié)合使用時(shí)鉆頭游移的現(xiàn)象就更少了。
因?yàn)殂@頭是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，鉆出的孔會(huì)有圓周方向的痕跡，相反，沖孔會(huì)有軸向的痕跡(看圖16.5a)?？紤]到孔的疲勞性能(第30.5節(jié))，上述的不同點(diǎn)有重要的意義。
表22.11 鉆孔和鏜孔操作的性能
孔深與直徑的比
刀具類型 直徑變化范圍(mm) 典型值 最大值
麻花鉆 0.5-150 8 50
扁鉆 25-150 30 100
深孔鉆 2-50 100 300
穿孔鉆 40-250 10 100
鏜孔鉆 3-1200 5 8
表22.12 鉆孔過程速度和進(jìn)給量的一般性建議
進(jìn)給量，mm/r(in./r)
表面速度 鉆頭直徑 r/m
工件材料 m/min ft/min 1.5mm(0.060in.) 12.5mm(0.5in.) 1.5mm 12.5mm
鋁合金 30-120 100-400 0.025(0.001) 0.30(0.012) 6400-25000 800-3000
鎂合金 45-120 150-400 0.025(0.001) 0.30(0.012) 9600-25000 1100-3000
銅合金 15-60 50-200 0.025(0.001) 0.25(0.010) 3200-12000 400-1500
鋼 20-30 60-100 0.025(0.001) 0.30(0.012) 4300-6400 500-800
不銹鋼 10-20 40-60 0.025(0.001) 0.18(0.007) 2100-4300 250-500
鈦合金 6-20 20-60 0.010(0.0004) 0.15(0.006) 1300-4300 150-500
鑄鐵 20-60 60-200 0.025(0.001) 0.30(0.012) 4300-12000 500-1500
熱塑性塑料 30-60 100-200 0.025(0.001) 0.13(0.005) 6400-12000 800-1500
熱固性塑料 20-60 60-200 0.025(0.001) 0.10(0.004) 4300-12000 500-1500
注意：隨著孔的深度增加，轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量應(yīng)該減小。轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的選擇也取決于要求的表面光潔度。
鉆孔建議：推薦的鉆孔速度和進(jìn)給量范圍在表22.12給出。速度是鉆頭邊緣的表面速度。因此，一個(gè)0.5英寸(12.7mm)的鉆頭以300r/min旋轉(zhuǎn)的表面速度為(0.5/2 in.)(300r/min)(2πrad/r)(1/12ft/ in)=39 ft/min=12m/min.。當(dāng)鉆孔直徑比1mm(0.040英寸)小時(shí)，轉(zhuǎn)速可以達(dá)到3000r/min，要由工件材料來定。
鉆孔進(jìn)給量是鉆頭每轉(zhuǎn)一圈鉆頭進(jìn)入工件的長度。例如，表22.12建議，對(duì)于大多數(shù)工件材料直徑為1.5mm(0.06英寸)的鉆頭進(jìn)給量應(yīng)為0.025mm/r。如果表中的速度一欄表明鉆頭應(yīng)該以2000r/min旋轉(zhuǎn)，那么鉆頭應(yīng)該以線速度(0.025mm/r)(2000r/min)=50mm/min=2in./min進(jìn)入工件。
鉆孔過程排除切屑會(huì)比較難，尤其是在軟的和易延伸的材料上鉆深孔時(shí)，鉆頭應(yīng)該定時(shí)地退回以排除可能已經(jīng)堵滿切屑槽的切屑。而且，鉆頭可能因?yàn)檫^大轉(zhuǎn)矩而破裂，或者會(huì)偏向而鉆出異形孔。在鉆孔操作中對(duì)造成問題的可能原因的說明列在表22.13中。
鉆頭的修整 通過人工或特殊裝置磨削來修整鉆頭。鉆頭的適當(dāng)修整是重要的，尤其是在計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的自動(dòng)化生產(chǎn)中，手工磨削是很困難的，而且需要很高的技術(shù)以保證勻稱的切削刃。在裝置上磨削可保證精度并在特殊的計(jì)算機(jī)控制磨削機(jī)上完成。鍍有氮化鈦的鉆頭可以重新鍍層。
表22.13 鉆孔操作問題檢修指南
問題 造成問題的原因
鉆頭破損 鉆頭變鈍；因?yàn)榍行级氯@頭卡在孔中；進(jìn)給量過大；鉆緣后角太小。
鉆頭過度磨損 切削速度太高；無效的切削液；鉆頭前角太大；鉆頭變尖鉆頭磨損，失去強(qiáng)度。
孔為圓錐形 鉆頭偏移或彎曲；邊緣刃不相等；鉆心偏移。
孔變大 機(jī)床主軸松動(dòng)；橫刃不在中心；工件上有側(cè)壓力；也包括圓錐孔的三個(gè)原因。
孔的表面光潔度低 鉆頭變鈍；無效的切削液；切屑粘在鉆頭邊緣；不當(dāng)?shù)哪ハ縻@頭；不當(dāng)?shù)男?zhǔn)。
圖22.27
根據(jù)已經(jīng)鉆孔的數(shù)量
來檢測(cè)鉆削力和轉(zhuǎn)矩
的增加，以此來估量
鉆頭的壽命。
這一測(cè)試也可以用于
沖床沖頭的壽命。
鉆削力和轉(zhuǎn)矩
鉆孔的數(shù)量
22.7.6估量鉆頭的壽命
減少或替代已鈍化的鉆頭很重要，尤其在自動(dòng)化生產(chǎn)中。使用鈍的鉆頭會(huì)增加鉆削力和功率，造成表面破損，而且加工的孔沒有精度。鉆頭的壽命通常以它們變鈍前所鉆孔的數(shù)量來估量。
測(cè)試過程包括在合適的測(cè)力計(jì)或力傳感器上夾住一塊材料并鉆若干孔，同時(shí)記錄每一個(gè)成功操作過程的轉(zhuǎn)矩和鉆削力。鉆過許多孔之后，因刀具開始變鈍，轉(zhuǎn)矩和鉆削力的數(shù)值開始增加(圖22.27)。
鉆頭壽命被定義為在這一轉(zhuǎn)變過程開始之前，鉆頭已鉆孔的數(shù)量。其它一些技術(shù)如振動(dòng)監(jiān)測(cè)，聲波發(fā)射(第20.7.5節(jié))，或許也可以用來估量鉆頭的壽命。這些技術(shù)在計(jì)算機(jī)控制加工中尤其重要。
本文摘自制造工程與技術(shù)（機(jī)加工）（英文版）
Manufacturing?Engineering?and?Technology-Machining?
美?S.卡爾帕基安（Serape?Kalpak Ian)?S.R.施密德（Stern?R.Schmid)著
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