直柄鉆頭磨尖定位分析及改進(jìn)研究

張曉崗, 甘露萍, 李榮鋼, 李　儉, 李　凱

(1.成都好特精密機(jī)械有限公司， 四川 成都　610503；2.成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都　610106)

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直柄鉆頭磨尖定位分析及改進(jìn)研究

張曉崗1, 甘露萍2, 李榮鋼1, 李儉2, 李凱1

(1.成都好特精密機(jī)械有限公司， 四川 成都610503；2.成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都610106)

摘要：進(jìn)行了直柄熱軋鉆頭鉆尖法跳實(shí)驗(yàn)，并依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了數(shù)理分析統(tǒng)計(jì)模型，得出磨削過程中影響鉆頭質(zhì)量的主要因素為鉆尖磨削前的定位方式.針對(duì)現(xiàn)有磨削設(shè)備定位裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，改進(jìn)了定位原理，設(shè)計(jì)了符合要求的驗(yàn)證性機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整改進(jìn)裝置.實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉆尖的定位調(diào)整，提高了鉆頭的定位精度、合格率和切削性能.

關(guān)鍵詞：直柄鉆頭；磨尖定位；分析及改進(jìn)

0引言

直柄鉆頭是一種常用的金屬切削刀具，其幾何形狀和角度參數(shù)直接影響刀具的切削性能和被加工工件的加工質(zhì)量[1].不同的鉆尖幾何形狀，如錐面鉆尖及螺旋面鉆尖等，在切削時(shí)產(chǎn)生的切削扭矩和軸向抗力有很大的差異.直柄鉆頭主要有熱軋鉆頭和磨制鉆頭2種.鉆尖刃磨主要是沿主后刀面刃磨，刃磨方法有平面磨法、錐面磨法、圓柱面磨法及螺旋面磨法等，設(shè)計(jì)人員根據(jù)這些原理設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的手動(dòng)和全自動(dòng)鉆尖磨削機(jī)床[2].此外，由于鉆頭鉆尖結(jié)構(gòu)參數(shù)的特性，在磨削鉆尖前對(duì)其磨削的初始位置的確定決定了最終產(chǎn)品的質(zhì)量.目前主要采用的定位方式是用一定位件接觸鉆尖部位的溝槽，從而實(shí)現(xiàn)鉆頭磨削前的初定位，其定位精度主要由定位裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式和鉆頭本身溝槽的一致性來確定.本研究通過對(duì)CH338M全自動(dòng)磨尖機(jī)的定位裝置結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，使定位頭的位置靠近鉆尖，此方案可以有效地提高鉆頭主后刀面的磨削質(zhì)量.

1直柄鉆頭磨尖方式及定位特點(diǎn)分析

目前，直柄鉆頭主要為熱軋、全磨制2種工藝方法加工的產(chǎn)品.在對(duì)鉆頭溝槽的加工過程中，由于制造工藝的不同使不同類型鉆頭的溝槽參數(shù)有一定的不同，從而直接影響鉆頭磨削時(shí)的定位精度.不同類型鉆頭的鉆尖幾何參數(shù)不同.生產(chǎn)過程中，在加工出鉆頭的溝槽與刃背之后，再對(duì)鉆頭的鉆尖進(jìn)行磨削，而溝槽的質(zhì)量關(guān)系到鉆尖磨削前的定位精度，通過提高定位精度可改善產(chǎn)品鉆尖表面質(zhì)量.

1.1磨尖機(jī)床原理

目前，常用的磨尖機(jī)床主要有CH338M型、P500型、CH322型和1000CC型等鉆頭磨尖機(jī).

CH338M型及P500型鉆頭磨尖機(jī)主要采用錐面刃磨法(見圖1(a))，采用此法磨削的鉆頭后角分配較為合理，主切削刃強(qiáng)度高，且形狀與散熱性好.P500型全自動(dòng)磨尖機(jī)的生產(chǎn)效率高，但設(shè)備成本較高，且其只能磨制小規(guī)格的磨制型鉆頭.CH322型磨尖機(jī)為早期設(shè)計(jì)的手動(dòng)磨尖機(jī)，可磨削大規(guī)格的軋制鉆頭，其工作原理亦采用錐面刃磨法，但該錐面為一小于1/2的不完全錐面.

1000CC型磨尖機(jī)采用螺旋面刃磨法(見圖1(b))，它以范成法磨制具有高光潔度表面的高同心度鉆頭.磨削過程中，通過自動(dòng)送料裝置將鉆頭送入夾緊主軸頭后，利用凸輪機(jī)構(gòu)形成主軸頭的螺旋運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)鉆尖的磨削.

圖1鉆頭磨尖原理示意圖

1.2定位特點(diǎn)分析

CH338M型、1000CC型、CH322型原機(jī)定位機(jī)構(gòu)的工作原理如圖2所示.

圖2定位機(jī)構(gòu)工作原理示意圖

CH338M型原機(jī)是以鉆尖后端半個(gè)導(dǎo)程的螺旋槽作為定位基準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)磨尖的定位.對(duì)于磨制鉆頭來說，其溝槽一致性較好，定位精度高.由于熱軋鉆頭的工藝特點(diǎn)決定了它的螺旋槽的誤差及一致性較磨制鉆頭差,因?yàn)槎ㄎ稽c(diǎn)在螺旋槽短尖部半個(gè)導(dǎo)程處，而軋制鉆頭由于熱加工引起的導(dǎo)程變化和鉆身的彎曲使得定位后的鉆尖起始點(diǎn)發(fā)生變化，其結(jié)果是直接反映磨出的鉆頭切削刃分布不均，鉆尖后角變化大，產(chǎn)品質(zhì)量不高.CH322型原機(jī)在定位過程中，2次分別以兩切削刃定位，同樣由于熱軋鉆頭加工的誤差使得磨出的鉆尖切削刃不對(duì)稱，質(zhì)量不高.1000CC型原機(jī)是以螺旋槽在鉆尖的起始處為定位點(diǎn)，這樣可將螺旋導(dǎo)程的誤差帶來定位不準(zhǔn)的影響降到最小.綜合各磨尖方式的優(yōu)缺點(diǎn)，本研究擬將1000CC型原機(jī)定位原理移植到CH338M上，結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn)改進(jìn)定位準(zhǔn)確度，以適應(yīng)產(chǎn)量較大熱軋鉆頭的磨削加工.

2熱軋鉆頭鉆尖跳動(dòng)數(shù)據(jù)分析

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，磨制鉆頭定位精度好于軋制鉆頭，因此磨制鉆的產(chǎn)品質(zhì)量好于軋制鉆頭.現(xiàn)以熱軋鉆頭為研究對(duì)象，通過對(duì)已完成鉆尖磨削的熱軋鉆頭相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣調(diào)查，分析產(chǎn)品質(zhì)量狀態(tài)分布情況，為生產(chǎn)工藝的改進(jìn)提供一個(gè)可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)[3].

采集鉆頭數(shù)據(jù)初始值：規(guī)格，d=Φ5.4 mm(熱軋鉆頭)；磨尖機(jī)床，P500全自動(dòng)磨尖機(jī)；定位方式，球頭后定位式(未改進(jìn)定位方式)；法跳公差，δh≤0.13 mm；直柄鉆頭主切削刃對(duì)工作部分軸線的斜向圓跳動(dòng)，δh=0.075d0.317(普通級(jí)，d為工件直徑).抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)共100個(gè)，如表1所示.

表1　熱扎鉆頭鉆尖法跳(δh)數(shù)據(jù)抽樣(單位:mm)

對(duì)所采數(shù)據(jù)進(jìn)行組距式和單項(xiàng)式數(shù)列式分組，其頻數(shù)分布如表2所示.

表2　熱扎鉆頭鉆尖法跳數(shù)據(jù)抽樣排序(單位：mm)

從以上分組的頻數(shù)看數(shù)據(jù)，熱扎鉆頭鉆尖法跳值主要集中于≤0.02 mm范圍內(nèi).

在數(shù)據(jù)分析中，本研究利用平均數(shù)、中位數(shù)和眾數(shù)[4]來分析數(shù)據(jù)集中趨勢的特征.其中，平均數(shù)是總體內(nèi)各單位數(shù)量標(biāo)志不同數(shù)值類型的典型水平；中位數(shù)是將總體數(shù)量標(biāo)志的各個(gè)數(shù)值按大小順序排列，形成一個(gè)數(shù)列，處在數(shù)列中間位置的數(shù)值；眾數(shù)是統(tǒng)計(jì)分布上具有明顯集中趨勢點(diǎn)的數(shù)值，代表數(shù)據(jù)的一般水平.

2.1平均數(shù)

平均數(shù)反映了集合中各變量數(shù)據(jù)的集中趨勢.其基本算式及計(jì)算數(shù)據(jù)如下：

1)簡算式.

=(0.01×4+0.02×5+0.03×10+0.04×8+0.05×21+0.06×254+0.07×1+0.08×7+0.09×2+0.11×1+0.12×1+0.14×1+0.15×1)/100

=0.0555

2)加權(quán)式.

=(0.01×4×4+0.02×5×5+0.03×10×10+0.04×8×8+0.05×21×21+0.06×

25×25+0.07×14×14+0.08×7×7+0.09×2×2+0.11×1×1+0.12×1×1+0.14×1×1+0.15×1×1)/(4+

5+10+8+21+25+14+7+2+1+1+1+1)

=0.8429

式中，n為變量數(shù)據(jù)集合中被觀測值的個(gè)數(shù)；fi為頻數(shù)；xi為測試數(shù)據(jù).

2.2眾數(shù)Mo

眾數(shù)是變量數(shù)據(jù)集合中發(fā)生次數(shù)最多的數(shù)據(jù)，它代表整個(gè)數(shù)據(jù)集合的一般水平，直觀地體現(xiàn)了集中趨勢，可以此為基礎(chǔ)根據(jù)高峰和低谷予以統(tǒng)籌.其上下限公式分別如下：

1)下限公式，

(1)

2)上限公式，

(2)

式中，l為眾數(shù)組下限；d1為眾數(shù)組次數(shù)與上一組次數(shù)之差；d2為眾數(shù)組次數(shù)與下一組次數(shù)之差；i為眾數(shù)組距；u為眾數(shù)組上限.

對(duì)抽樣順序排列表1進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在100個(gè)數(shù)據(jù)中0.06有25個(gè)，為數(shù)最多，因此該變量數(shù)據(jù)集合的眾數(shù)為0.06.

2.3中位數(shù)Me

其上下限公式分別如下：

1)中位數(shù)下限公式，

(3)

2)中位數(shù)上限公式，

(4)

式中，l為中位數(shù)所在組下限；fm為中位數(shù)所在組次數(shù)；Sm-1為中位數(shù)組前一組的累計(jì)次數(shù)；i為中位數(shù)所在組的組距；u為中位數(shù)所在組上限；Sm+1為中位數(shù)組后一組的累計(jì)次數(shù).

中位數(shù)是變量數(shù)據(jù)集合中變量值有序排列后，位于中間位置上的變量值，中位數(shù)表示數(shù)據(jù)集合的一般水平.依據(jù)表1的有序排列，中位數(shù)為0.07.數(shù)據(jù)分布如圖3所示.

圖3熱扎鉆頭鉆尖跳動(dòng)測試數(shù)據(jù)正態(tài)分布

數(shù)據(jù)采集樣本N=100>30，屬于大樣本.雖然總體分布狀況未知，但根據(jù)中心極限定理，樣本服從正態(tài)分布，由此得出總體也服從正態(tài)分布.從平均數(shù)、眾數(shù)、中位數(shù)的性質(zhì)來看，平均數(shù)受極端值的影響較大，而眾數(shù)、中位數(shù)不受極端值影響.它們反映鉆頭跳動(dòng)數(shù)據(jù)之間的分布集中趨勢和總體數(shù)量分布的特征.三者可相互補(bǔ)充，反映樣本的集中趨勢.

據(jù)此得到平均值、眾數(shù)、中位數(shù)，即X

(5)

因?yàn)闃颖究傮w服從正態(tài)分布，為大樣本，可進(jìn)行區(qū)間估計(jì)，以置信水平95%的可信度進(jìn)行估計(jì)，相對(duì)應(yīng)的z值為1.96，則置信區(qū)間u為，

0.0521

(6)

因而，有95%的把握表明平均值介于0.0521～0.0589之間.

3定位誤差對(duì)熱扎鉆頭磨尖的影響

由于CH338M型機(jī)床是以鉆頭螺旋溝的半個(gè)導(dǎo)程為定位點(diǎn)，但是軋制鉆頭的螺旋升角隨導(dǎo)程的增加而產(chǎn)生不規(guī)則的變化，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生定位誤差[5].直接反映為磨削尖切削橫刃的分布不均，鉆尖后角變化較大.鉆尖跳動(dòng)和定位誤差之間關(guān)系如圖4所示.

圖4誤差關(guān)系示意圖

其計(jì)算公式為，

(7)

鉆頭磨削時(shí)，中心的運(yùn)動(dòng)軌跡為一個(gè)以Z為半徑的圓，其中，半徑Z和定位誤差帶M、鉆頭全長L成正比，即M、L越大，Z就越大，也即誤差越大.

4定位誤差的消除與解決方案

CH338M原機(jī)定位機(jī)構(gòu)的定位由鉆尖后端的螺旋槽作為定位基準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)磨尖的定位，通過導(dǎo)套對(duì)鉆尖進(jìn)行導(dǎo)向和導(dǎo)套缺口控制定位指的移動(dòng)位置,而且原機(jī)定位機(jī)構(gòu)的定位指在鉆頭的柄部未進(jìn)入導(dǎo)套時(shí)就移進(jìn)導(dǎo)套的缺口，而當(dāng)鉆頭的尾部左移漲開定位指時(shí)，定位指在壓力作用下，將沿鉆頭柄部滑移進(jìn)入螺旋槽中，以實(shí)現(xiàn)定位.當(dāng)定位銷未正確滑入鉆頭溝槽時(shí),則定位馬達(dá)帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn),待定位指進(jìn)入溝槽后,才能開始磨削.定位指移向鉆尖以后，從定位機(jī)構(gòu)的裝配位置分析，定位指端部為圓球形，按照原機(jī)定位機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)，完全可以實(shí)現(xiàn)原定位位置不變的要求[6-7].

改進(jìn)后的前定位機(jī)構(gòu)如圖5所示，通過改進(jìn)將定位指移向鉆尖，減少螺旋導(dǎo)程變化不均的影響，同

圖5改進(jìn)后的前定位機(jī)構(gòu)示意圖

時(shí)取消導(dǎo)套的定位缺口，使鉆頭的支承穩(wěn)定性相應(yīng)提高.而且必須在鉆頭的尾部送進(jìn)導(dǎo)套之后及夾緊鉆頭之前，定位指才能移向鉆尖，否則，定位指將移至空檔位置，阻礙鉆頭進(jìn)入導(dǎo)套.這樣一來，由于鉆尖送料桿左移和定位指上移有一固定的時(shí)間差，定位指上移移動(dòng)信號(hào)，必須有專門的移動(dòng)信號(hào)開關(guān)LS-A控制電磁閥V-W和定位油缸，而不是只由送料桿終止行程開關(guān)LS-Y控制.因此，定位指移動(dòng)油缸的油路系統(tǒng)，必須將原機(jī)并聯(lián)于送料油缸電磁閥V-L和砂輪進(jìn)給油缸電磁閥V-C的進(jìn)出油路中分離出來，另外設(shè)計(jì)獨(dú)立的定位油缸油路[8].其中，液壓原理圖如圖6所示，動(dòng)作順序圖如圖7所示.

與此改進(jìn)相適應(yīng)，信號(hào)桿機(jī)械結(jié)構(gòu)必須布置在原機(jī)送料桿移動(dòng)的軌跡范圍以內(nèi)，且安裝調(diào)試要十分方便可靠，更換鉆頭時(shí)工序調(diào)整才會(huì)比較方便.通過方案分析，上述電器系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，完全可以實(shí)現(xiàn).

圖6液壓原理示意圖

圖7動(dòng)作順序示意圖

5結(jié)語

磨削過程中定位精度對(duì)鉆尖磨削質(zhì)量的影響較大.結(jié)合現(xiàn)有的磨削設(shè)備，通過改進(jìn)定位原理和定位裝置，保證了鉆頭鉆尖磨削面的質(zhì)量，提高了鉆頭的合格率，降低了鉆尖磨削的返修率，間接提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)有效提升了直鉆產(chǎn)品的品質(zhì)，有著較大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益.

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Positioning Analysis and Improvements of Straight Shank Drill Sharpening

ZHANGXiaogang1，GANLuping2，LIRonggang1，LIJian2，LIKai1

(1.Chengdu Haote Presicion Machinery Co., Ltd., Chengdu 610503, China;2.School of Mechanical Engineering, Chengdu University, Chengdu 610106, China)

Abstract：The paper establishes mathematical statistical analysis models based on the data from the drilling tool bouncing experiments on the hot rolling straight shank drill and drill tip,and puts forward a conclusion that the positioning method before drill grinding mainly influences the quality of the drill through grinding.By analyzing the merits and drawbacks of the present positioning devices for grinding equipment,the researcher improves the positioning principle and designs a mechanical structure adjusting and improving equipment which meets the requirements and is verifiable.Therefore,the author realizes the positioning adjustment of the drill bit and improves positioning accuracy,qualified rate and cutting performance.

Key words：straight shank drill;sharpening positioning;analysis and improvement

文章編號(hào)：1004-5422(2016)02-0165-05

收稿日期：2016-03-25.

作者簡介：張曉崗(1960 — )， 男， 碩士， 高級(jí)工程師， 從事機(jī)械制造裝備領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)研究.

中圖分類號(hào)：TG713+.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A