一种深孔钻及基于UG二次开发的深孔钻建模方法与流程

本发明涉及一种深孔钻及其建模方法。

背景技术：

现今航空、船舶、发电、能源等行业的蓬勃发展都和动力输出装置制造水平的不断提高是密不可分的，在加工一系列工业设备必然会遇到钻削孔径加工，例如加工汽轮机凝汽器、冷凝室、热交换器等静止部件的高强度钢材料管板时，需钻削阵列深孔，现今深孔钻削(孔深大于10倍孔径时)大多使用BTA深孔钻，它是内排屑深孔钻的一种典型结构。深孔钻头的设计和研究是深孔加工中最重要的一个环节，因此深孔钻模型设计、加工工艺改进、几何参数优化和构建参数化平台具有广阔的应用前景。例如凝汽器加工的BTA深孔钻是在单刃内排屑深孔钻的基础上改进而成，其结构特点是：切削刃呈双面错齿状、刀齿交替切削圆结构、切屑双口入钻杆、切削力平衡和刀齿可分别选配材料。在加工汽轮机的大型零件时，深孔加工应用十分广泛，目前国内采用的进口刀具价格高，加工效率低，进行深孔加工用刀具的研制工作是十分有必要的。在实际的使用过程中，为了提高现有的BTA深孔钻的使用寿命，国内现有的方法大多是采用强度更高的材质加工BTA深孔钻及其刀片，只有较少的研究会针对钻头上刀片位置进行考虑，而且这种考虑一般只停留在理论设计层面，因为为了探索模型的加工使用寿命需要通过受力分析仿真进行验证，这就需要多次设计深孔钻的模型，并逐一仿真，如此针对一个结构系列下的深孔钻模型就需要依据不同参数建立很多个模型，针对不同结构的深孔钻模型就需要更多的设计和试验，所以导致了在实际的BTA深孔钻开发和试验过程中，周期较长、效率较低。

技术实现要素：

本发明为了解决目前基于相同材质的深孔钻的使用寿命有待于进一步提高的问题以及现有的基于深孔钻结构的设计开发周期较长的问题。进而提出一种能够提高深孔钻使用寿命的深孔钻及刀片的结构以及其建模方法。

一种深孔钻，包括：钻体、两个支撑块、中心刀片、中间刀片和周边刀片，深孔钻模型如图1所示；

所述的钻体为回转体，回转体的钻体主体的一端为钻体的钻头，钻头的回转体外径大于钻体主体的回转体外径；钻头需要镶嵌刀片的一侧呈回转圆锥状；

所述的支撑块为一面突出的长方体；所述的中心刀片、中间刀片和周边刀片均为一端设置刀刃的棱柱体；中心刀片、中间刀片或周边刀片开有刀刃的一侧记为刀刃面，刃锋将刀刃面分成两个平面，分别记为前刀刃面(前刀刃面实际是由刃锋与刀片主体侧面连接处的主体缺失形成的)和后刀刃面(后刀刃面实际为刃锋与刀片主体侧面的连接形成的斜面)，前刀刃面和与前刀刃面连接的刀片主体侧面之间的夹角记为前角，后刀刃面和与后刀刃面连接的刀片主体侧面之间夹角的余角记为后角；刀刃和刀片主体底面形成的夹角记为周边刀片主偏角；

中心刀片嵌入在钻体的钻头中心部位且中心刀片刀尖偏离钻头中心位置；两个支撑块和周边刀片均匀分布嵌入在钻体的钻头周边，在钻头嵌入刀片的表面上，以周边刀片为起点顺时针顺序，依次为周边刀片、支撑块、支撑块；并且以周边刀片为起点顺时针顺序，在支撑块与支撑块之间、支撑块与周边刀片之间分别开有排屑孔；在中心刀片于支撑块之间且在两个排屑孔之间嵌入中间刀片；当中间刀片、中心刀片和周边刀片全部嵌入钻体的钻头时，三个刀齿错齿排布，呈交替切削状态，错齿是指三个刀齿呈交替切削状态，中心刀片高出中间刀片δmm。

优选地，所述深孔钻的尺寸如下：

所述中心刀片的前角为-5°至-10°，后角为15°，主偏角为18°至20°；

所述中间刀片的前角为5°，后角为15°，主偏角为18°；

所述周边刀片的前角为0°，后角为8°，主偏角为13°至15°。

优选地，所述深孔钻的尺寸如下：

中心刀片工作宽度尺寸为0.4D，中间刀片工作宽度尺寸为0.2D，周边刀片工作宽度尺寸为0.4D，支撑块S工作宽度尺寸为0.1D至0.2D；

排屑孔直径D₀＝0.5D～0.6D；钻头的回转体外径D₁＝(0.9～0.92)D；

其中，D＝15.6～65.0mm。

优选地，所述δ取值0.5mm。

一种基于UG二次开发的深孔钻模型建模方法，包括以下步骤：

步骤1、初步设计深孔钻模型：

将整个深孔钻模型分为5个部分：钻体、两个支撑块、中心刀片、中间刀片和周边刀片；

所述的钻体为回转体，回转体的一端为钻体主体，回转体的另一端为钻体的钻头，钻头的回转体外径大于钻体主体的回转体外径；钻头需要镶嵌刀片的一侧呈回转圆锥状；

所述的支撑块为一面突出的长方体；所述的中心刀片、中间刀片和周边刀片均为一端设置刀刃的棱柱体；中心刀片、中间刀片或周边刀片开有刀刃的一侧记为刀刃面，刃锋将刀刃面分成两个平面，分别记为前刀刃面(前刀刃面实际是由刃锋与刀片主体侧面连接处的主体缺失形成的)和后刀刃面(后刀刃面实际为刃锋与刀片主体侧面的连接形成的斜面)，前刀刃面和与前刀刃面连接的刀片主体侧面之间的夹角记为前角，后刀刃面和与后刀刃面连接的刀片主体侧面之间夹角的余角记为后角；刀刃和刀片主体底面形成的夹角记为周边刀片主偏角；

中心刀片嵌入在钻体的钻头中心部位且中心刀片刀尖偏离钻头中心位置；两个支撑块和周边刀片均匀分布嵌入在钻体的钻头周边，在钻头嵌入刀片的表面上，以周边刀片为起点顺时针顺序，依次为周边刀片、支撑块、支撑块；并且以周边刀片为起点顺时针顺序，在支撑块与支撑块之间、支撑块与周边刀片之间分别开有排屑孔；在中心刀片于支撑块之间且在两个排屑孔之间嵌入中间刀片；当中间刀片、中心刀片和周边刀片全部嵌入钻体的钻头时，三个刀齿错齿排布，呈交替切削状态，错齿是指三个刀齿呈交替切削状态，中心刀片高出中间刀片δmm，δ取值0.5mm；

同时设计深孔钻的尺寸如下：

所述中心刀片的前角为-5°至-10°，后角为15°，主偏角为18°至20°；

所述中间刀片的前角为5°，后角为15°，主偏角为18°；

所述周边刀片的前角为0°，后角为8°，主偏角为13°至15°。

中心刀片工作宽度尺寸为0.4D，中间刀片工作宽度尺寸为0.2D，周边刀片工作宽度尺寸为0.4D，支撑块S工作宽度尺寸为0.1D至0.2D；

排屑孔直径D₀＝0.5D～0.6D；钻头的回转体外径D₁＝(0.9～0.92)D；

其中，D＝15.6～65.0mm；

步骤2、基于UG环境下，创建深孔钻UI菜单设计，以及创建深孔钻UI对话框设计；

步骤3、基于步骤1设计深孔钻模型，利用GRIP建立深孔钻参数化工程；

步骤4、利用GRIP进行对参数化深孔钻的特征分析；

步骤5、编写深孔钻零件模型生成程序；进行GRIP程序的编译和链接，并对GRIP可执行程序的调试；最后，生成系列深孔钻模型建模结果，完成深孔钻模型的建模。

优选地，步骤3利用GRIP建立深孔钻参数化工程的具体过程包括以下步骤：

根据深孔钻模型各个部件的特点，找到基准点和基准线，通过二维轮廓线做出共同的特征，然后由基础特征推动整个模型的建立，最后利用API调用GRIP生成动态库文件。

优选地，步骤5所述的进行GRIP程序的编译和链接的过程中，在GRIP源程序中，除主程序之外，还包括能够单独地进行编写和编译的若干子程序，然后与主程序链接。

本发明具有以下优点：

基于相同材质的深孔钻，相比现有的深孔钻，通过本发明的深孔钻结构(包括刀片的位置设置关系和刀片的参数)不但能够光滑整齐的切削深孔，而且能够使得深孔钻在相同的切削任务条件下的使用寿命延长8％以上。在正常的给刀力度和合理的给刀行程范围内，由于本发明的深孔钻的刀片结构(包括尺寸)使得本发明减少出现崩坏刀片的情况。

同时由于本发明的建模方法能够借助UG二次开发实现批量深孔钻建模，相比现有的刀具建模，本发明的建模方法不但能够省去针对每个刀具都需要建模的时间和流程，大量的节省建模和仿真的时间；而且操作简单，易于实现；这样能够极大的提高设计和开发的效率。

附图说明

图1为本发明所述深孔钻的结构示意图；

图2为钻体的结构示意图；

图3为支撑块的截面形状示意图；图4为支撑块的建模效果图；

图5为中心刀片的建模效果图；

图6为中间刀片的建模效果图；

图7为周边刀片的建模效果图；

图8和图9为中心刀片的前角示意图；

图10和图11为中心刀片的后角示意图；

图12和图13为中心刀片的主偏角示意图；

图14-图19是周边刀片5模型在不同角度尺寸时的切削力和扭矩图；其中，图14为前角尺寸的切削力图；图15为前角尺寸的扭矩图；图16为后角尺寸的切削力图；图17为后角尺寸的扭矩图；图18为主偏角尺寸的切削力图；图19为主偏角尺寸的扭矩图；

图20-图25是中心刀片3模型在不同角度尺寸下的切削力和扭矩图；图20为前角尺寸的切削力图；图21为前角尺寸的扭矩图；图22为后角尺寸的切削力图；图23为后角尺寸的扭矩图；图24为主偏角尺寸的切削力图；图25为主偏角尺寸的扭矩图；

图26-图31是中心刀片3模型在不同角度尺寸下的切削力和扭矩图；图26为前角尺寸的切削力图；图27为前角尺寸的扭矩图；图28为后角尺寸的切削力图；图29为后角尺寸的扭矩图；图30为主偏角尺寸的切削力图；图31为主偏角尺寸的扭矩图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明该实施方式，

一种深孔钻，包括：钻体1、两个支撑块2、中心刀片3、中间刀片4和周边刀片5，深孔钻模型如图1所示；

如图2所示，所述的钻体1为回转体，回转体的钻体主体110的一端为钻体1的钻头120，钻头120的回转体外径大于钻体主体110的回转体外径；钻头120需要镶嵌刀片的一侧呈回转圆锥状121；

如图3和图4所示，所述的支撑块2为一面突出的长方体；

所述的中心刀片3(图5所示)、中间刀片4(图6所示)和周边刀片5(图7所示)均为一端设置刀刃的棱柱体；中心刀片3、中间刀片4或周边刀片5开有刀刃的一侧记为刀刃面，刃锋将刀刃面分成两个平面，分别记为前刀刃面(前刀刃面实际是由刃锋与刀片主体侧面连接处的主体缺失形成的)和后刀刃面(后刀刃面实际为刃锋与刀片主体侧面的连接形成的斜面)，前刀刃面和与前刀刃面连接的刀片主体侧面之间的夹角记为前角，后刀刃面和与后刀刃面连接的刀片主体侧面之间夹角的余角记为后角；刀刃和刀片主体底面形成的夹角记为周边刀片5主偏角；由于中心刀片3、中间刀片4或周边刀片5结构相似，只是前角、后角、主偏角不同，以中心刀片3为例说明，图8和图9为前角示意图，图8中的前角为-5°，图9中的前角为5°；图10和图11为后角示意图，图10中的后角为10°，图11中的后角为18°；图12和图13为主偏角示意图，图12中的主偏角为18°，图13中的主偏角为22°；

中心刀片3嵌入在钻体1的钻头中心部位且中心刀片3刀尖偏离钻头中心位置；两个支撑块2和周边刀片5均匀分布嵌入在钻体1的钻头周边，在钻头嵌入刀片的表面上，以周边刀片5为起点顺时针顺序，依次为周边刀片5、支撑块2、支撑块2；并且以周边刀片5为起点顺时针顺序，在支撑块2与支撑块2之间、支撑块2与周边刀片5之间分别开有排屑孔6；在中心刀片3于支撑块2之间且在两个排屑孔之间嵌入中间刀片4；当中间刀片4、中心刀片3和周边刀片5全部嵌入钻体1的钻头时，三个刀齿错齿排布，呈交替切削状态，错齿是指三个刀齿呈交替切削状态，中心刀片3高出中间刀片4δmm；在钻削时中心刀片3切入后，中间刀片4就会切削中心刀片3加工后的表面，同时中间刀片4还在切削周边刀片5即将加工的工件表面，之后周边刀片5也会切削中心刀片3即将加工的工件表面，三齿交替切削可以避免刀尖受到力的瞬间冲击，同时保持切削刃的锋利程度；支撑块2和周边刀片5副切削刃控制孔径及加工表面精度、保持深孔钻轴向线性平稳；周边刀片5加大刃宽提高长条切屑产生，中间刀片4加大后角提高加工表面精度。

具体实施方式二：结合图8至图13说明该实施方式，

本实施方式所述深孔钻的尺寸如下：

所述中心刀片3的前角为-5°至-10°，后角为15°，主偏角为18°至20°；

所述中间刀片4的前角为5°，后角为15°，主偏角为18°；

所述周边刀片5的前角为0°，后角为8°，主偏角为13°至15°。

1)周边刀片5的影响规律：

图14-图19是周边刀片5模型在不同角度尺寸时的切削力和扭矩图，大的前角明显有利于切削。

图14、图15分别是不同前角角度下的切削力和扭矩数据曲线，前角越大，力和扭矩逐渐减小，正的前角有利于切削，0°前角和正的前角对扭矩的影响区别不大，考虑到周边刀片5控制着孔的表面加工质量，建议选择0°前角。图16、图17分别是不同后角角度下的切削力和扭矩数据曲线，后角对切削力的影响不大，在6°至8°时扭矩逐渐减小，大于8°后扭矩又变大了，切削力F_Z减小但扭矩变大，这是因为切削力合力变大的缘故，因此后角取值8°。图18、图19分别是不同主偏角角度下的切削力和扭矩数据曲线，切削力在主偏角15°之前逐渐变大，15°之后减小，扭矩随着主偏角的增大而减小，18°以后扭矩变化不大，究其原因是切削刃与工件的有效接触面积减小了，虽然主偏角较小有利于切削，但不宜过小，外刃主偏角可取13°至15°之间。

2)中心刀片3的影响规律：

中心刀齿也叫内齿，切削环境最差，切速低切削力最大，图20-图25是中心刀片3模型在不同角度尺寸下的切削力和扭矩图，负的前角明显有利于切削。

图20、图21分别是不同前角角度下的切削力和扭矩数据曲线，前角越小越有利于切削，前角取值可在-5°至-10°之间，考虑中心刀片3大部分切削刃都在工作，不宜取值过小。图22、图23分别是不同后角角度下的切削力和扭矩数据曲线，图中扭矩基本保持在1.67N·m左右，切削力在后角15°之前呈下降趋势，之后切削力急剧变大，切屑增多，排屑困难所致，在10°至15°之间，增大后角有利于切削。图24、24分别是不同主偏角角度下的切削力和扭矩数据曲线，主偏角越大，切削力越小，扭矩呈平缓上升趋势且幅度不大，主偏角增大，切削量增大，导致整体受力加大所致。考虑中心齿切削量大，主偏角可取较大值18°至20°范围内。主偏角越大，切削力越小。

3)中间刀片4的影响规律：

中间刀片4的切削状态处于两者之间，和周边刀片5情况相似。图26-图31是中心刀片3模型在不同角度尺寸下的切削力和扭矩图，大的前角明显有利于切削。

图26、图27分别是不同前角角度下的切削力和扭矩数据曲线，切削力随前角增大而减小，对比理论取值范围，取5°即可。图28、图29分别是不同后角角度下的切削力和扭矩数据曲线，图中后角较大时明显有所利于切削，可取15°以上。图30、图31分别是不同主偏角角度下的切削力和扭矩数据曲线，随着主偏角的增大，切削力逐渐减小，而扭矩却有所增大，主偏角18°时切削力为395N、扭矩为4.15N·m，比较符合中间刀片4切削状态。

其他结构和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：

本实施方式所述深孔钻的尺寸如下：

中心刀片3工作宽度尺寸为0.4D，中间刀片4工作宽度尺寸为0.2D，周边刀片5工作宽度尺寸为0.4D，支撑块2S工作宽度尺寸为0.1D至0.2D；

排屑孔直径D₀＝0.5D～0.6D；钻头的回转体外径D₁＝(0.9～0.92)D；

其中，D＝15.6～65.0mm。

其他结构和参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：

本实施方式所述δ取值0.5mm。

其他结构和参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：

一种基于UG二次开发的深孔钻模型建模方法，包括以下步骤：

步骤1、初步设计深孔钻模型：

通过对深孔钻初步的理论设计，结合实际深孔钻加工的关键切削尺寸，将整个深孔钻模型分为5个部分：钻体1、两个支撑块2、中心刀片3、中间刀片4和周边刀片5；

所述的钻体1为回转体，回转体的一端为钻体主体(110)，回转体的另一端为钻体1的钻头(120)，钻头(120)的回转体外径大于钻体主体(110)的回转体外径；钻头(120)需要镶嵌刀片的一侧呈回转圆锥状；

所述的支撑块2为一面突出的长方体；所述的中心刀片3、中间刀片4和周边刀片5的刀片主体均为与梯形体类似的柱体，刀片主体的一侧开有刀刃；中心刀片3嵌入在钻体1的钻头中心部位且中心刀片3刀尖偏离钻头中心位置；两个支撑块2和周边刀片5均匀分布嵌入在钻体1的钻头周边，在钻头嵌入刀片的表面上，以周边刀片5为起点顺时针顺序，依次为周边刀片5、支撑块2、支撑块2；并且以周边刀片5为起点顺时针顺序，在支撑块2与支撑块2之间、支撑块2与周边刀片5之间分别开有排屑孔；在中心刀片3于支撑块2之间且在两个排屑孔之间嵌入中间刀片4；当中间刀片4、中心刀片3和周边刀片5全部嵌入钻体1的钻头时，三个刀齿错齿排布，呈交替切削状态，错齿是指三个刀齿呈交替切削状态，中心刀片3高出中间刀片4δmm，δ取值0.5mm；

同时设计深孔钻的尺寸如下：

所述中心刀片3的前角为-5°至-10°，后角为15°，主偏角为18°至20°；

所述中间刀片4的前角为5°，后角为15°，主偏角为18°；

所述周边刀片5的前角为0°，后角为8°，主偏角为13°至15°。

中心刀片3工作宽度尺寸为0.4D，中间刀片4工作宽度尺寸为0.2D，周边刀片5工作宽度尺寸为0.4D，支撑块2S工作宽度尺寸为0.1D至0.2D；

排屑孔直径D₀＝0.5D～0.6D；钻头的回转体外径D₁＝(0.9～0.92)D；

其中，D＝15.6～65.0mm；

步骤2、基于UG环境下，创建深孔钻UI菜单设计，以及创建深孔钻UI对话框设计；

步骤3、基于步骤1设计深孔钻模型，利用GRIP建立深孔钻参数化工程；

步骤4、利用GRIP进行对参数化深孔钻的特征分析；

步骤5、编写深孔钻零件模型生成程序；进行GRIP程序的编译和链接，并对GRIP可执行程序的调试；最后，生成系列深孔钻模型建模结果，完成深孔钻模型的建模。

编写深孔钻零件模型生成程序的过程中，利用GRADE编辑器编写钻体1、两个支撑块2、中心刀片3、中间刀片4和周边刀片5的源代码，编写完成后分别记为B.grs、S.grs、C.grs、I.grs、P.grs，该文件能够用记事本(Notepad)打。

具体实施方式六：

本实施方式的步骤3利用GRIP建立深孔钻参数化工程的具体过程包括以下步骤：

GRIP和API是NX/Open二次开发的语言工具，建模方法的主程序采用GRIP来编写实现，根据深孔钻模型各个部件的特点，找到基准点和基准线，通过二维轮廓线做出共同的特征，然后由基础特征推动整个模型的建立，最后利用API调用GRIP生成*.dll的动态库文件。

其他步骤和参数与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：

本实施方式的步骤5所述的进行GRIP程序的编译和链接的过程中，在GRIP源程序中，除必须有的主程序之外，还包括能够单独地进行编写和编译的若干子程序，然后与主程序链接。

其他步骤和参数与具体实施方式五或六相同。