人類認(rèn)識和使用鉆頭的歷史可以上溯到史前時代毕亲。燧人氏“鉆木取火”所使用的石鉆农帝，可以看作最原始的鉆頭。現(xiàn)代工業(yè)加工中廣泛使用的麻花鉆(俗稱鉆頭)项蝉，是一種形狀復(fù)雜的實(shí)工件孔加工刀具舆飒，誕生于一百多年前。現(xiàn)在白找，全世界每年消耗的各類鉆頭數(shù)以億計能真。據(jù)統(tǒng)計，在美國的汽車制造業(yè)扰柠，機(jī)械加工中鉆孔工序的比重約占50%粉铐；而在飛機(jī)制造業(yè)，鉆孔工序所占的比重則更高卤档。盡管鉆頭的使用如此廣泛蝙泼，但眾所周知，鉆削加工也是最復(fù)雜的機(jī)械加工方法之一裆装。正因為如此踱承，人們一直致力于鉆頭的改進(jìn)和鉆削過程的研究。本文根據(jù)所能得到的英文文獻(xiàn)資料哨免，對兩溝槽麻花鉆的有關(guān)技術(shù)問題及鉆削研究的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行綜述。

　　1．研究的主要領(lǐng)域和技術(shù)問題

　　近幾十年來琢唾，人們關(guān)于鉆頭和鉆削的研究除了鉆頭制作材料的改進(jìn)以外载荔，主要集中在以下五個方面：

　　①鉆頭數(shù)學(xué)模型和幾何設(shè)計研究：包括螺旋溝槽采桃、后刀面懒熙、主刃和橫刃數(shù)學(xué)模型的建立，橫向截形與鉆尖結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化脂壁，切削角度(分布)的計算與控制囤乎，鉆頭結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動態(tài)特性分析，鉆尖幾何形狀與切削和排屑性能關(guān)系的研究揖帕。

　「冶　②鉆頭制造方法研究：包括鉆頭幾何參數(shù)與后刀面刃磨參數(shù)之間關(guān)系的建立與優(yōu)化，鉆頭制造精度和刃磨質(zhì)量的評價與制造誤差的測控挎茂，鉆頭螺旋溝槽加工工具截形的設(shè)計計算艇线，鉆頭加工設(shè)備特別是數(shù)控磨床與加工軟件的開發(fā)等。

　∪裙臁③鉆削過程與鉆削質(zhì)量研究：包括影響鉆削過程的各種因素及出現(xiàn)的各種物理現(xiàn)象的分析游鹿、建模與監(jiān)控(如鉆削力、切削刃應(yīng)力和溫度分布的測量梨耽、建模和預(yù)報)义誓；鉆頭磨損、破損機(jī)理與鉆頭壽命的研究统岭；鉆頭的變形蟋定、偏斜、入鉆時的打滑和鉆尖擺動現(xiàn)象的研究垢夹；鉆削工藝(如振動鉆削溢吻、高速鉆削、深孔鉆削果元、鉆削過程的穩(wěn)定性等)與鉆削質(zhì)量(孔的位置精度促王、直線度、表面粗糙度而晒、圓柱度蝇狼、直徑、孔口毛刺等)的研究倡怎。

　⊙冈拧④鉆削機(jī)理與各種高性能鉆頭(如群鉆、槍鉆监署、干切削鉆頭颤专、微孔、深孔鉆頭、長鉆頭衙猾、可轉(zhuǎn)位鉆頭柬激、合成材料加工用鉆頭、木工鉆頭斧与、多螺旋槽鉆頭等)的研究行忘。

　　⑤鉆削過程模型驗證和鉆頭性能評估過程的自動化筋劣，切削條件及鉆頭形狀選用數(shù)據(jù)庫和知識庫的建立等牡徘。

　　目前，最具活力的研究領(lǐng)域是鉆頭數(shù)學(xué)模型正脸、幾何設(shè)計和制造方法(設(shè)備)的研究式伶，鉆削過程建模與鉆削質(zhì)量的研究等。

　　2.1鉆頭的數(shù)學(xué)模型

　　建立鉆頭的數(shù)學(xué)模型是對鉆頭進(jìn)行幾何設(shè)計睦忘、制造焦厘、切削性能分析和對鉆削過程進(jìn)行建模的基礎(chǔ)。第一個鉆頭數(shù)學(xué)模型由GallowayDF于1957年提出砖啄。他推導(dǎo)了直線刃鉆頭前刀面的參數(shù)方程绽脏，給出了主刃前、后角和橫刃斜角的定義蒸甜、計算公式和測量方法棠耕，提出了“把鉆頭后刀面作為鉆頭在刃磨過程中與砂輪相互作用后形成的磨削錐的一部分”的觀點(diǎn)。20世紀(jì)70年代初期柠新，F(xiàn)ujiiS等人對GallowayDF提出的模型進(jìn)行了進(jìn)一步研究窍荧，提出采用割平面法，將三維空間曲面后刀面化為二維平面曲線進(jìn)行分析恨憎，并開發(fā)了一個麻花鉆計算機(jī)輔助設(shè)計程序蕊退。1972年，ArmaregoEJA和RotenberyA發(fā)現(xiàn)：后刀面錐面刃磨法有4個獨(dú)立的刃磨參數(shù)憔恳，而一般給出的鉆尖幾何參數(shù)只有3個瓤荔，因此不能唯一確定鉆尖后刀面形狀和刃磨參數(shù)。為此钥组，他們提出用后刀面尾隙角作為補(bǔ)充幾何參數(shù)输硝，以獲得刃磨參數(shù)的唯一解。1979年程梦，TsaiWD和WuSM證明：錐面鉆頭点把、Racon鉆頭、螺旋鉆頭和Bickford鉆頭等的后刀面都可以用二次曲面來表示乞贡，并提出了表示鉆頭幾何形狀的綜合數(shù)學(xué)模型氢碰，該模型可用于控制刃磨過程克酿。1983年，RadhakrishnanL等人提出了十字鉆尖鉆頭后刀面的一個數(shù)學(xué)模型济谢。他們將后刀面分為第一后刀面和第二后刀面：對第一后刀面盏掉，以Tsai模型為基礎(chǔ)怨级，建立了一個改進(jìn)的錐面模型情腥；對第二后刀面，建立了一個平面模型钮核。FugelsoMA則提出了圓柱面鉆尖的數(shù)學(xué)模型辰张。1985年，F(xiàn)uhKH等人建立了一個用二次曲面表示的鉆頭后刀面數(shù)學(xué)模型新掸，以便用計算機(jī)將其設(shè)計成橢球面欢巡、雙曲面、錐面教九、圓柱面或它們的任意組合致驶。

　　長期以來，人們一直將麻花鉆的主刃設(shè)計為直線箱靴。1990年腺逛，F(xiàn)ugelsoMA發(fā)現(xiàn)，由于要求錐面麻花鉆的主刃為直線衡怀，使靠近鉆芯處的主刃后角變得過小棍矛，如果在刃磨之前，將鉆頭繞自身軸線旋轉(zhuǎn)5°～10°抛杨，就可以解決這一問題够委，只是主刃將變得微微彎曲。同年怖现，WangY將主刃看作曲線茁帽，利用多項式插補(bǔ)方法建立了鉆頭螺旋前刀面的幾何模型。1991年屈嗤，LinC和CaoZ提出了一種適合于直線和曲線刃潘拨，采用錐面、柱面和平面后刀面的麻花鉆綜合數(shù)學(xué)模型恢共。1999年战秋，RenKC和NiJ提出用二項式表示任意形狀的主刃曲線，鉆頭前刀面采用新的數(shù)學(xué)模型柴炉，并用向量分析方法辟堡，建立了二次曲面后刀面的刃磨參數(shù)與幾何參數(shù)之間的關(guān)系。

　　2.2鉆頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　由于廣泛使用的錐面麻花鉆的切削性能并不理想青竹，人們一直致力于對其結(jié)構(gòu)(參數(shù))和刃磨方法進(jìn)行改進(jìn)触晃，先后提出了200多種互不相同的鉆頭形狀冗吟，以改善其切削性能。其中皂计，ShiHM等人提出了通過改變主刃走向控制主刃前角分布的方法演侍，并于1990年開發(fā)出使鉆頭主刃上各點(diǎn)前角均達(dá)到可能的最大值的曲線刃麻花鉆。1987年辉九，LeeSJ在考慮鉆頭偏斜的條件下色递，以消除鉆削過程中鉆尖的擺動現(xiàn)象為目標(biāo)，提出了對鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的方法祷书。1995年粪趋，SelvamheSV和SujathaC在研究麻花鉆的變形時，用有限元方法對鉆頭幾何形狀進(jìn)行了優(yōu)化舔艾，得出的使鉆頭變形最小的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化值(鉆頭直徑25mm)為：螺旋角39.776°磺浙，橫刃斜角Ψ=54°～80°，鋒角120°徒坡。1997年撕氧，ChenWC提出了一種特殊截形的厚鉆芯麻花鉆，既具有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度喇完，又具有合理的主刃和橫刃前角分布伦泥。2005年，PaulA等人為確保優(yōu)化鉆頭的可加工性何暮，提出了一種基于刃磨參數(shù)的新鉆尖模型奄喂，并用它對錐面鉆尖、Racon鉆尖和螺旋面鉆尖進(jìn)行了優(yōu)化海洼，以使其切削力達(dá)到最小跨新。

　　2.3螺旋溝槽截形和加工工具截形的計算

　　1975年，DibnerLG提出了一種可以簡化磨削螺旋溝槽砂輪截形計算坏逢、提高溝槽加工精度和完全排除砂輪直徑變化影響的方法域帐。1990年，EhmannKF提出了一個基于微分幾何和運(yùn)動學(xué)原理的求麻花鉆螺旋溝槽加工工具截形的方法是整。1998～2003年赚朱，KangDC和ArmaregoEJA對螺旋溝槽加工的“正問題”和“反問題”(“由溝槽截形求工具截形”和“由工具截形求溝槽截形”)進(jìn)行了研究，提出了直線刃麻花鉆螺旋溝槽設(shè)計和制造的計算機(jī)輔助幾何分析方法以叛。

　　2.4關(guān)于群鉆與微型鉆頭的研究

　　1982年谁班，ShenJ等人建立了群鉆的第一個數(shù)學(xué)模型。利用該模型疼喝，人們可以多次重復(fù)地磨制群鉆诊乐。1984年，ChenL和WuSM對9種典型群鉆進(jìn)行了研究我值，改進(jìn)了群鉆的數(shù)學(xué)模型晰等，為群鉆的計算機(jī)輔助設(shè)計提供了可能然怕。1985年，HsiaoC和WuSM提出了用計算機(jī)對群鉆進(jìn)行輔助優(yōu)化設(shè)計的具體方法歉莫。1987年鱼灶，F(xiàn)uhKH提出了一種利用綜合二次曲面模型和有限元方法設(shè)計和分析群鉆的方法。LiangEJ則提出了一個基于知識庫技術(shù)的群鉆刃磨CAD/CAM集成系統(tǒng)张绊。1991年信高，LiuTI采用一種兩階段策略設(shè)計和優(yōu)化了一種加工機(jī)軸注油孔用群鉆。1994年先嬉，HuangHT等人推導(dǎo)了群鉆切削刃的工作法后角和法前角的公式轧苫，提出了考慮內(nèi)刃和圓弧刃之間過渡區(qū)的群鉆精確幾何模型。2001年疫蔓，WangGC等人應(yīng)用一種傾斜立體塊方法，建立了群鉆新的數(shù)學(xué)模型身冬，解決了已有模型存在的橫刃幾何形狀不確定的問題衅胀，保證了所設(shè)計群鉆的可加工性。

　　1992年開始酥筝，LinC滚躯、KangSK、EhmannKF和ChyanHC等人組成的研究小組對微型鉆頭進(jìn)行了系統(tǒng)研究嘿歌。1992年掸掏，他們建立了平面微型鉆尖的數(shù)學(xué)模型，提出了相應(yīng)的刃磨方法宙帝。1993年丧凤，他們又提出了螺旋面微型鉆尖的數(shù)學(xué)模型和刃磨方法，并發(fā)現(xiàn)螺旋面微型鉆尖在幾何方面和切削性能方面均優(yōu)于常用的平面微型鉆尖步脓。1997年晰奉，他們指出：螺旋面微型鉆尖與平面微型鉆尖相比，具有兩個方面的優(yōu)點(diǎn)：①在同樣的工作切削角度分布條件下空崇，可以允許更大的進(jìn)給量措抒；②刃磨方法更簡單，且不易受刃磨誤差的影響居绸。2002年精克，他們制造出加工微孔用曲線刃形螺旋后刀面系列鉆尖。

　　2.4關(guān)于群鉆與微型鉆頭的研究

　　1982年因登，ShenJ等人建立了群鉆的第一個數(shù)學(xué)模型硅魁。利用該模型，人們可以多次重復(fù)地磨制群鉆矩修。1984年叫砚，ChenL和WuSM對9種典型群鉆進(jìn)行了研究啼康，改進(jìn)了群鉆的數(shù)學(xué)模型，為群鉆的計算機(jī)輔助設(shè)計提供了可能铡涣。1985年凑逗，HsiaoC和WuSM提出了用計算機(jī)對群鉆進(jìn)行輔助優(yōu)化設(shè)計的具體方法。1987年否淤，F(xiàn)uhKH提出了一種利用綜合二次曲面模型和有限元方法設(shè)計和分析群鉆的方法悄但。LiangEJ則提出了一個基于知識庫技術(shù)的群鉆刃磨CAD/CAM集成系統(tǒng)。1991年石抡，LiuTI采用一種兩階段策略設(shè)計和優(yōu)化了一種加工機(jī)軸注油孔用群鉆檐嚣。1994年，HuangHT等人推導(dǎo)了群鉆切削刃的工作法后角和法前角的公式啰扛，提出了考慮內(nèi)刃和圓弧刃之間過渡區(qū)的群鉆精確幾何模型嚎京。2001年，WangGC等人應(yīng)用一種傾斜立體塊方法隐解，建立了群鉆新的數(shù)學(xué)模型鞍帝，解決了已有模型存在的橫刃幾何形狀不確定的問題，保證了所設(shè)計群鉆的可加工性煞茫。

　　1992年開始帕涌，LinC、KangSK续徽、EhmannKF和ChyanHC等人組成的研究小組對微型鉆頭進(jìn)行了系統(tǒng)研究蚓曼。1992年，他們建立了平面微型鉆尖的數(shù)學(xué)模型袒忿，提出了相應(yīng)的刃磨方法价烘。1993年，他們又提出了螺旋面微型鉆尖的數(shù)學(xué)模型和刃磨方法莽简，并發(fā)現(xiàn)螺旋面微型鉆尖在幾何方面和切削性能方面均優(yōu)于常用的平面微型鉆尖扶楣。1997年，他們指出：螺旋面微型鉆尖與平面微型鉆尖相比淹宽，具有兩個方面的優(yōu)點(diǎn)：①在同樣的工作切削角度分布條件下睬毒，可以允許更大的進(jìn)給量；②刃磨方法更簡單劫丧，且不易受刃磨誤差的影響遣株。2002年，他們制造出加工微孔用曲線刃形螺旋后刀面系列鉆尖浊待。

　　3．鉆削力建模的研究

　　3.1鉆削力建模的歷史

　　在過去的幾十年中革哄，人們報道了許多預(yù)報鉆削力的方法，其中絕大部分是用于標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆的缔类。由于缺乏先進(jìn)的計算機(jī)和測量設(shè)備庭叙，早期的研究主要集中在建立簡單的經(jīng)驗性扭矩和軸向力模型上劲阎，模型參數(shù)就是鉆頭的幾何參數(shù)(如鉆頭直徑)和切削用量，建模方法是通過大量的切削實(shí)驗鸠真，用統(tǒng)計方法擬合出鉆削力的經(jīng)驗公式悯仙。

　　用分析方法建立的鉆削力模型是隨著人們對切削過程認(rèn)識的深入而逐步出現(xiàn)的。1955年吠卷，Oxford用顯微照片記錄下鉆頭主刃和橫刃的切屑變形過程锡垄，并通過實(shí)驗發(fā)現(xiàn)：鉆削過程中，在鉆尖上存在三個主要的切削區(qū)域祭隔，即主刃切削區(qū)货岭、第二切削刃(橫刃)切削區(qū)和鉆芯附近的刻劃區(qū)。稍后疾渴，ShawMC和OxfordCJJr證明了橫刃在鉆削加工中的重要性千贯，因為它產(chǎn)生了50%～60%的軸向力。1966年程奠，CookNH提出了一個用半分析法推導(dǎo)鉆削力公式的方法丈牢。ShawMC(1962、1984年)在對切屑變形機(jī)理進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上瞄沙，提出了鉆頭主刃的切屑變形模型。WilliamsAR(1974年)提出了一個基于單點(diǎn)刀具二維切削模型的鉆頭主刃切削力模型危晕，并確定了鉆頭刻劃區(qū)的直徑坟荤。ArmaregoEJA(1972年)應(yīng)用斜角切削理論，提出了平面鉆尖切削力預(yù)報模型饼尾。WiriyacosolS(1979年)等人根據(jù)切屑變形的薄剪切區(qū)(剪切平面)理論挽沧，將鉆頭主刃和橫刃看作一系列與切削條件有關(guān)的單元斜角或直角切削刀具的組合，通過累加這些單元刀具的切削力來預(yù)報鉆削力谐昌，即單元刀具線性綜合法糙官。在剪切平面理論的基礎(chǔ)上，OxleyCJJr(1959筒啄、1962年)鱼催、ArmaregoEJA(1972、1979年)和WastonAR(1985年)分別建立了不同的鉆削力模型贤方；StepensonDA(1988见毒、1989年)提出了計算鉆削力的數(shù)學(xué)方法。

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