钻削建库钻头寿命的研究史晋蕾（中国航空信息中心北京１０００００）王林平（烟台大学机械系烟 台２６４００５）摘要调查研究了钻头使用现状以及建库面临的基本问题，从钻头全寿命期角度分 析了钻头的优化使用及其寿命分散性问题控制，提出了可能的解决方案。关键词钻削数据库麻花钻 钻头寿命全寿命期中国分类号ＴＧ５２７金属切削数据库对金属切削加工有极其重要的作用，美、 德等工业发达国家已建立了多个数据库，并有商品出售。近年来我国机床数控化率迅猛提高，ＣＩ ＭＳ研究应用也已取得举世注目的成就，开发面向ＦＭＳ和ＣＩＭＳ的切削数据库已刻不容缓，这 既是挑战，也是历史性机遇。我国１９８２年以成都工具研究所为主，联合五所高校开始筹建工作 ，其产品ＣＴＲＮ９０Ｖ３．０是国内目前较为成熟的车削数据库软件。迄今国内也开展了车削数 据库建库工作。钻头是最常用也是最复杂的切削刀具之一，半封闭切削性质导致其加工条件很差。 麻花钻自１８６３年问世以来人们对其进行了不懈的研究，特别是钻尖。，但却长时间只有少数研 究人员尝试其数学模型，进展艰难，直到１９９２年我国湖南大学的林丞等人所研究的关于钻尖的 数学模型及其求解的成果才达到较为成熟的阶段。钻头的平均寿命、寿命变异系数和成本是影响钻 头使用的三要素。钻头寿命优化与寿命分散性控制是钻削研究的基本问题。由于各因素对二者之间 的影响存在着一致性，在一定程度上为制订统一的切削性能或寿命试验标准提供了可能。但是由于 钻头寿命表现出较大的分散性，使不少以往的研究具有纯学术性质，无助于钻头实用性能与生产率 的改善。传统的麻花钻仍缺乏可靠的切削性能知识，钻头的设计与制造者，在向用户提供可靠切削 性能数据方面应承担的责任。要么不确定，要么不存在。钻削研究缺乏系统性，国内外现有标准基 本上是针对麻花钻的寿命对比和质量验收，至今尚无统一的钻头切削性能试验标准。国内外最新生 产的钻尖磨床均无法正确刃磨钻尖，虽然锥面磨应用最广，由于是凭经验调整机床，并采用试凑法 刃磨，所以，目前所刃磨钻尖后角αｆｃ精度最高也只能达±３°。作者对胜利油田总机厂和宝鸡 石油机械厂等单位进行的调查表明钻头使用状况很落后，工人手工刃磨，钻头寿命低，加工质量也 不稳定。在调查钻头研究与使用现状的基础上，试图从建库的角度系统分析影响钻头寿命的因素， 提出对策与建议，同时对某些问题进行探讨。１钻头全寿命期的影响因素影响钻头寿命的因素众多 ，传统的看法是钻头、工件、切削过程和机床。尽管对上述影响因素已有大量研究，但缺乏系统性 和统一性，钻头的寿命研究基本停留在单因素研究阶段。造成这一局面的重要原因是各因素间存在 错综复杂的影响与制约关系。为了便于了解存在的问题并提出解决的途径，作者从全寿命期的角度 出发，系统图示如下：图钻头全寿命期影响因素从图１中可以看到，影响钻头寿命的因素遍历其全 寿命期，即从设计阶段到制造阶段再到使用阶段直至报废，存在大量影响钻头寿命的因素，前一阶 段的因素对后面的因素有重要影响。２寿命优化与寿命变异系数的控制对主要因素进一步分析见表 ，可知各因素的性质不同，作用主体众多，可优化性与寿命分散性的可控性也不同，考虑到全寿命 期中所处的位置，必须系统研究，区别对待。考虑到钻削的具体特点：车、铣等刀具的几何形状由 刀具制造厂确定，而钻头在使用时本身需要用户修磨；钻头的直径分级众多（我国生产的０．２５ －８０ｍｍ标准麻花钻现有３４６级），几何形状（包括参数）如有多种变化则钻头规格太多。同 时考虑存在于钻头使用中的两对根本矛盾：钻头制造厂追求最大柔性，用户则需求对每一种工况最 有效的针对性。只有考虑了钻头全寿命期的所有寿命影响因素，理论上才能对其优化或控制。设计 与制造钻头时一般很难了解不同用户的具体要求，只有在整个寿命期中按作用时间先后顺序的前列 因素取值合理（优化）的情况下，后续因素才可能取得有实际意义的优化值；只有把前列影响因素 的寿命变异系数控制在合理范围，后续的优化及控制寿命变异系数才有实际意义。表钻头寿命及其 分散性主要因素分析影响因素作用主体因素类别随机性可优化性优化经济性对ＣＶ影响控制ＣＶ的 经济性优化优先级控制ＣＶ的优先级设计参数钻头设计人员几何参数否优最好有好１１钻头材料钻 头材料供应厂物性参数是控制因素有较好１制造质量钻头制造厂质量参数否控制因素有较好１刃磨 参数钻头制造厂几何参数否优最好有较好１１钻头涂层钻头涂层厂物性参数否控制因素○修磨类型 及参数用户几何参数否良较好有较好２２工件材料毛坯厂或用户物性参数是控制因素有一般２机床 机床制造厂过程因素○控制因素○钻头安装钻头用户过程因素否控制因素○切削液供应厂及用户过 程因数否差一般○３切削用量用户过程参数否优很好有好１１切削状态工艺系统及环境过程因素○ 控制因素○孔的规格产品设计人员产品参数否已有因素有３寿命标准用户过程因素否控制因素有好 ２注：１○表示目前尚未确定或未有足够研究；２控制因素指对寿命有影响，需控制在一定范围内 ，一般该因素是作为优化的条件给出的。综合以上分析，优化钻头几何形状与控制寿命分散性理论 上有以下作法：（１）对每一种具体工况均优化或控制寿命影响因素，这最“理想”。这样做费用 巨大或根本无法实现，因素间的相互影响也需进一步研究；（２）继续“标准化”方法，参数由制 造厂确定，不修磨，用户只能优化或控制使用过程因素。这样做钻头未充分优化，成本虽然低，带 来的经济利益也低；（３）由用户修磨，一些参数无法改变（如β），改变某些参数钻头性能可能 达到一定程度的“近优”。由于手工修磨参数不太可能优化，将会产生切削刃不对称等新问题，实 际效益低；（４）对寿命影响因素规范化或合理化，吸取各种新钻型的特点，使钻型型谱化，比如 设想针对工件可加工性设计６到９种钻型（同时减少直径大于２０ｍｍ的级数），对其它因素给出 指导实用信息（目前国内厂家产品样本缺乏），这样尽管增加了钻头成本，缩小了单品种产量，由 于钻头实用性能提高，可望从价格上补偿；（５）某参数（用户改变不了的如β）少量多级化生产 ，同时研制推广高性能钻尖修磨机床。这会给用户增加一定的费用，还需要掌握根据实际情况修靡 。很明显，（１）不可能，（４）和（５）较为理想。当然有关具体实施仍有大量工作要做。３结 论（１）需要从钻头的全寿命期角度系统研究钻削建库的钻头寿命问题，目前钻头仍缺乏可靠的切 削性能数据，建立数据库非常必要。（２）钻头设计、制造参数和质量很关键，对其优化与控制是 研究与应用的基础与根本，应明确钻头厂家在提供可靠切削性能数据方面的责任，且对全寿命期的 各因素提出各自的优化目标及寿命变异系数控制的范围。（３）钻头使用过程也应优化，由于使用 因素复杂且难控制，控制寿命变异系数的经济性也差，须研究合理控制精度。例如，把工件材料的 硬度控制在±５％的范围内。（４）为了解决制造者追求柔性与用户追求针对性之间的矛盾以及钻 头结构参数与制造参数的优化问题，麻花钻的设计、制造要型谱化。本文的调查与部分研究工作受 清华大学金之垣教授指导，特此致谢！参考文献１张兴模，彭贝。大型多用户车削数据库软件ＣＴ ＲＮ９０的开发及其应用．工具技术，１９９２（４）：２１－２８．２曹正铨，等．钻尖的数学 模型与钻削试验研究．北京理工大学出版社，１９９３．２．３刘战强，李兆前，艾兴．刀具寿命 变异系数的试验研究．工具技术，１９９５（５）：３１－３４．钻削建库钻头寿命的研究@史晋 蕾$中国航空信息中心@王林平$烟台大学机械系钻削数据库,麻花钻,钻头寿命,全寿命期调查 研究了钻头使用现状以及建库面临的基本问题，从钻头全寿命期角度分析了钻头的优化使用及其寿 命分散性问题控制，提出了可能的解决方案。１张兴模，彭贝。大型多用户车削数据库软件ＣＴＲ Ｎ９０的开发及其应用．工具技术，１９９２（４）：２１－２８．２曹正铨，等．钻尖的数学模 型与钻削试验研究．北京理工大学出版社，１９９３．２．３刘战强，李兆前，艾兴．刀具寿命变 异系数的试验研究．工具技术，１９９５（５）：３１－３４．２控制因素指对寿命有影响，需控 制在一定范围内，一般该因素是作为优化的条件给出的。综合以上分析，优化钻头几何形状与控制 寿命分散性理论上有以下作法：（１）对每一种具体工况均优化或控制寿命影响因素，这最“理想 ”。这样做费用巨大或根本无法实现，因素间的相互影响也需进一步研究；（２）继续“标准化” 方法，参数由制造厂确定，不修磨，用户只能优化或控制使用过程因素。这样做钻头未充分优化， 成本虽然低，带来的经济利益也低；（３）由用户修磨，一些参数无法改变（如β），改变某些参 数钻头性能可能达到一定程度的“近优”。由于手工修磨参数不太可能优化，将会产生切削刃不对 称等新问题，实际效益低；（４）对寿命影响因素规范化或合理化，吸取各种新钻型的特点，使钻 型型谱化，比如设想针对工件可加工性设计６到９种钻型（同时减少直径大于２０ｍｍ的级数）， 对其它因素给出指导实用信息（目前国内厂家产品样本缺乏），这样尽管增加了钻头成本，缩小了 单品种产量，由于钻头实用性能提高，可望从价格上补偿；（５）某参数（用户改变不了的如β） 少量多级化生产，同时研制推广高性能钻尖修磨机床。这会给用户增加一定的费用，还需要掌握根 据实际情况修靡。很明显，（１）不可能，（４）和（５）较为理想。当然有关具体实施仍有大量 工作要做。３结论（１）需要从钻头的全寿命期角度系统研究钻削建库的钻头寿命问题，目前钻头 仍缺乏可靠的切削性能数据，建立数据库非常必要。（２）钻头设计、制造参数和质量很关键，对其优化与控制是研究与应用的基础与根本，应明确钻头厂家在提供可靠切削性能数据方面的责任，且对全寿命期的各因素提出各自的优化目标及寿命变异系数控制的范围。（３）钻头使用过程也应优化，由于使用因素复杂且难控制，控制寿命变异系数的经济性也差，须研究合理控制精度。例如
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