金剛石鉆頭的設(shè)計制造及性能研究

引言

　　制造業(yè)是工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)行業(yè)，也是為各行各業(yè)提供生產(chǎn)儀器設(shè)備的關(guān)鍵性產(chǎn)業(yè)，制造業(yè)的綜合技術(shù)水平集中體現(xiàn)了一個國家的綜合工業(yè)實力。在制造業(yè)生產(chǎn)中，材料成型加工是一個重要的工藝環(huán)節(jié)，也是影響機械產(chǎn)品性能、質(zhì)量的關(guān)鍵性因素。在材料機械加工中，車、銑、刨、磨、鉆是最典型的加工方式，隨著零部件復雜性的日益提高，鉆孔加工在機械加工占據(jù)這越來越大的比例，目前來看，鉆削加工所用的刀具主要還是高速鋼，隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，新型材料技術(shù)得到了快速普及，這其中顆粒增強效應極強的金屬復合型材料、高性能半導體材料和高性能陶瓷材料尤為突出，這些材料在強度、剛度、耐熱性和抗腐蝕能力上都比傳統(tǒng)材料高出許多，能夠適應各行各業(yè)的使用需求，但是卻也給材料加工提出了新的挑戰(zhàn)，如何發(fā)展新一代的難加工材料的鉆削刀具，成為解決問題的關(guān)鍵所在。

　　1 金剛石鉆頭發(fā)展概述

　　金剛石刀具最顯著的特點就是其遠超于其他刀具的硬度和耐磨性，金剛石刀具的切削刃鋒利，而且在切削過程中不易粘結(jié)工件材料，快速加工中的熱導率較高，因此，金剛石刀具在加工非金屬類難加工材料時具有天然的優(yōu)勢，目前在高難度材料加工領(lǐng)域也得到了廣泛的應用，目前來看，金剛石刀具按照刀具制造工藝的差異，可以分為電鍍式金剛石鉆頭、釬焊式金剛石鉆頭及CVD。隨著機械設(shè)計制造技術(shù)的不斷發(fā)展，加工質(zhì)量的裝配質(zhì)量的要求也是逐漸提高，在代表了制造業(yè)核心技術(shù)的航空產(chǎn)品中，大量的使用了新型輕質(zhì)高性能材料，零部件之間連接方式也多是細孔鉚接，這對于小孔加工、孔加工精度都有很高的要求，金剛石鉆頭在此類加工領(lǐng)域有及其廣泛的應用前景。

　　2 金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

　　鉆削加工從運動軌跡來看，主要包括了主軸旋轉(zhuǎn)帶動的刀具旋轉(zhuǎn)，由于工件在夾具的夾持下安放在工件臺上，鉆削加工時，刀具作用面為工件的內(nèi)表面，這種內(nèi)孔加工對于刀具本身的結(jié)構(gòu)性能、導向性和排屑能力的要求尤為嚴格，鉆削加工由于屬于半封閉式加工，因此，再加工過程中，刀具與工件之間摩差大、產(chǎn)熱量大，切削刃各點的切削速度由高到零，刃口由初期的銳刃快，由于鉆削加工中要進行深孔鉆削，因此鉆頭刀具往往呈現(xiàn)懸臂梁式的夾持方式，這就會給刀具本身和夾具帶來極大的軸向沖擊，一旦刀具本身的剛性得不到保證，就會破壞刀具整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

　　對于直徑小于10mm的小型金剛石鉆頭，主要采用的是整體焊接方式，強化刀具系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)強度，但是一旦焊接完畢，刀具本身就無法進行調(diào)整，這對于焊接過程的精度控制有很高的要求；大型金剛石鉆頭主要采用的是機夾可轉(zhuǎn)位方式固定。

　　圖1為金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)示意圖，金剛石鉆頭中頂角指的是主切削刃在投影平面上平面夾角，隨著頂角的增大，金剛石刀具在鉆削加工過程中的切削深度會得到響應的增加，而切削寬度則會受到壓縮，由此帶來的切削應力的影響是，切向力較小，而軸向力有所增大，綜合來看，會使得總軸向力呈現(xiàn)增大的趨勢，在刀具設(shè)計中，頂角的設(shè)計十分重要；主切削刃上前角是在主剖面測量的前刀面與基面之間的夾角，而金剛石刀具主切削刃的后角則指的是切削面與后刀面之間在投影平面上的空間夾角。金剛石刀具的橫刃則主要影響的是刀具刃磨的方式和刀具刃磨參數(shù)的變化，通常來看，錐面刃磨法是目前最為常見的鉆頭刀具的刃磨方法。

　　金剛石鉆頭的前角、后角和刃傾角

　　金剛石鉆頭的溝形對于金剛石刀具的容屑、排屑能力有著巨大的影響，通常來說，鉆頭刀具的溝形主要是通過改變材料切屑流向來實現(xiàn)切削能力的改變，在鉆頭刀具前端，旋轉(zhuǎn)面之間形成前刀面，標準麻花鉆通常會將刀具前端做成直線型的切削刃，這就會造成刀具前端有一條沿刀具錐形體而上的雙曲螺旋線，由此形成刀具的刀具漸開面和螺旋槽。

　　3 金剛石鉆頭的性能研究

　　金剛石鉆頭的性能主要是針對其切削效率和切削可靠性而言的，SiCp/Al 復合材料在材料結(jié)構(gòu)性能，包括強度、彈性模量和剛度，以及材料使用性能，包括耐磨性、耐腐蝕性、導熱性等方面都有著突出的表現(xiàn)，因此，尤其是在輕量化和高強結(jié)構(gòu)性能的制造業(yè)發(fā)展趨勢的引導下，這些材料在先進制造業(yè)如航天航空、汽車、電子工業(yè)等領(lǐng)域得到了極其廣泛的應用，然而對于SiCp/Al 復合材料的加工質(zhì)量是目前限制該類型材料適用范圍的關(guān)鍵原因，刀具磨損效率、道具加工質(zhì)量和刀具加工工件表面質(zhì)量等，都是目前研究的重點，采用焊接金剛石鉆頭對高體積分數(shù)、大尺寸顆粒的 SiCp/Al 復合材料進行鉆削試驗，通過分析鉆削時的加工參數(shù)對鉆削力的影響規(guī)律，以及鉆削 SiCp/Al 復合材料時金剛石鉆頭的磨損、破損機理和形式和金剛石鉆頭鉆削 SiCp/Al 復合材料的孔的表面質(zhì)量，可以對金剛石鉆頭的性能質(zhì)量進行全方位的評估，金剛石鉆頭的磨損和斷折是金剛石鉆頭加工的常見磨損形式，也可以通過定量的磨損分析，對金剛石刀具的切削性能進行統(tǒng)計分析。

　　結(jié)論

　　傳統(tǒng)制造業(yè)的材料成型加工主要集中在金屬件上，但是隨著高性能復合材料、合金材料和陶瓷材料的普及，非金屬類難加工材料成為制造領(lǐng)域的新挑戰(zhàn)，新型加工刀具的使用已經(jīng)是勢在必然。金剛石刀具具有高硬度和高耐磨性的優(yōu)異性能，目前在車削、銑削加工中應用廣泛，本文以金剛石鉆頭為研究對象，重點分析了工業(yè)用金剛石鉆頭的設(shè)計、制造和性能特點。