人類認(rèn)識(shí)和使用鉆頭的歷史可以上溯到史前時(shí)代。燧人氏“鉆木取火”所使用的石鉆，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)，是一種形狀復(fù)雜的實(shí)工件孔加工刀具，誕生于一百多年前。現(xiàn)在，全世界每年消耗的各類鉆頭數(shù)以億計(jì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在美國(guó)的汽車(chē)制造業(yè)，機(jī)械加工中鉆孔工序的比重約占50%；而在飛機(jī)制造業(yè)，鉆孔工序所占的比重則更高。盡管鉆頭的使用如此廣泛，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。正因?yàn)槿绱耍藗円恢敝铝τ阢@頭的改進(jìn)和鉆削過(guò)程的研究。本文根據(jù)所能得到的英文文獻(xiàn)資料，對(duì)兩溝槽麻花鉆的有關(guān)技術(shù)問(wèn)題及鉆削研究的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行綜述。
　　
　　1.研究的主要領(lǐng)域和技術(shù)問(wèn)題
　　
　　近幾十年來(lái)，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，主要集中在以下五個(gè)方面：
　?、巽@頭數(shù)學(xué)模型和幾何設(shè)計(jì)研究：包括螺旋溝槽、后刀面、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，切削角度（分布）的計(jì)算與控制，鉆頭結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動(dòng)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。
　　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(píng)價(jià)與制造誤差的測(cè)控，鉆頭螺旋溝槽加工工具截形的設(shè)計(jì)計(jì)算，鉆頭加工設(shè)備特別是數(shù)控磨床與加工軟件的開(kāi)發(fā)等。
　?、坫@削過(guò)程與鉆削質(zhì)量研究：包括影響鉆削過(guò)程的各種因素及出現(xiàn)的各種物理現(xiàn)象的分析、建模與監(jiān)控（如鉆削力、切削刃應(yīng)力和溫度分布的測(cè)量、建模和預(yù)報(bào)）；鉆頭磨損、破損機(jī)理與鉆頭壽命的研究；鉆頭的變形、偏斜、入鉆時(shí)的打滑和鉆尖擺動(dòng)現(xiàn)象的研究；鉆削工藝（如振動(dòng)鉆削、高速鉆削、深孔鉆削、鉆削過(guò)程的穩(wěn)定性等）與鉆削質(zhì)量（孔的位置精度、直線度、表面粗糙度、圓柱度、直徑、孔口毛刺等）的研究。
　　④鉆削機(jī)理與各種高性能鉆頭（如群鉆、槍鉆、干切削鉆頭、微孔、深孔鉆頭、長(zhǎng)鉆頭、可轉(zhuǎn)位鉆頭、合成材料加工用鉆頭、木工鉆頭、多螺旋槽鉆頭等）的研究。
　　⑤鉆削過(guò)程模型驗(yàn)證和鉆頭性能評(píng)估過(guò)程的自動(dòng)化，切削條件及鉆頭形狀選用數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)的建立等。
　　目前，最具活力的研究領(lǐng)域是鉆頭數(shù)學(xué)模型、幾何設(shè)計(jì)和制造方法（設(shè)備）的研究，鉆削過(guò)程建模與鉆削質(zhì)量的研究等。
　　
　　2．鉆頭數(shù)學(xué)模型與幾何設(shè)計(jì)研究
　　
　　2．1 鉆頭的數(shù)學(xué)模型
　　
　　建立鉆頭的數(shù)學(xué)模型是對(duì)鉆頭進(jìn)行幾何設(shè)計(jì)、制造、切削性能分析和對(duì)鉆削過(guò)程進(jìn)行建模的基礎(chǔ)。第一個(gè)鉆頭數(shù)學(xué)模型由Galloway D F于1957年提出。他推導(dǎo)了直線刃鉆頭前刀面的參數(shù)方程，給出了主刃前、后角和橫刃斜角的定義、計(jì)算公式和測(cè)量方法，提出了“把鉆頭后刀面作為鉆頭在刃磨過(guò)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，F(xiàn)ujii S 等人對(duì)Galloway D F提出的模型進(jìn)行了進(jìn)一步研究，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，并開(kāi)發(fā)了一個(gè)麻花鉆計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序。1972年，Armarego E J A和Rotenbery A發(fā)現(xiàn)：后刀面錐面刃磨法有4個(gè)獨(dú)立的刃磨參數(shù)，而一般給出的鉆尖幾何參數(shù)只有3個(gè)，因此不能唯一確定鉆尖后刀面形狀和刃磨參數(shù)。為此，他們提出用后刀面尾隙角作為補(bǔ)充幾何參數(shù)，以獲得刃磨參數(shù)的唯一解。1979年，Tsai W D和Wu S M證明：錐面鉆頭、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(lái)表示，并提出了表示鉆頭幾何形狀的綜合數(shù)學(xué)模型，該模型可用于控制刃磨過(guò)程。1983年，Radhakrishnan L等人提出了十字鉆尖鉆頭后刀面的一個(gè)數(shù)學(xué)模型。他們將后刀面分為第一后刀面和第二后刀面：對(duì)第一后刀面，以Tsai模型為基礎(chǔ)，建立了一個(gè)改進(jìn)的錐面模型；對(duì)第二后刀面，建立了一個(gè)平面模型。Fugelso M A則提出了圓柱面鉆尖的數(shù)學(xué)模型。1985年，F(xiàn)uh K H等人建立了一個(gè)用二次曲面表示的鉆頭后刀面數(shù)學(xué)模型，以便用計(jì)算機(jī)將其設(shè)計(jì)成橢球面、雙曲面、錐面、圓柱面或它們的任意組合。
　　長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直將麻花鉆的主刃設(shè)計(jì)為直線。1990年，F(xiàn)ugelso M A發(fā)現(xiàn)，由于要求錐面麻花鉆的主刃為直線，使靠近鉆芯處的主刃后角變得過(guò)小，如果在刃磨之前，將鉆頭繞自身軸線旋轉(zhuǎn)5°～10°，就可以解決這一問(wèn)題，只是主刃將變得微微彎曲。同年，Wang Y將主刃看作曲線，利用多項(xiàng)式插補(bǔ)方法建立了鉆頭螺旋前刀面的幾何模型。1991年，Lin C和Cao Z提出了一種適合于直線和曲線刃，采用錐面、柱面和平面后刀面的麻花鉆綜合數(shù)學(xué)模型。1999年，Ren K C和Ni J提出用二項(xiàng)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，并用向量分析方法，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，人們一直致力于對(duì)其結(jié)構(gòu)（參數(shù)）和刃磨方法進(jìn)行改進(jìn)，先后提出了200多種互不相同的鉆頭形狀，以改善其切削性能。其中，Shi H M 等人提出了通過(guò)改變主刃走向控制主刃前角分布的方法，并于1990年開(kāi)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，Lee S J在考慮鉆頭偏斜的條件下，以消除鉆削過(guò)程中鉆尖的擺動(dòng)現(xiàn)象為目標(biāo)，提出了對(duì)鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。1995年，Selvamhe S V和Sujatha C在研究麻花鉆的變形時(shí)，用有限元方法對(duì)鉆頭幾何形狀進(jìn)行了優(yōu)化，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°，橫刃斜角Ψ=54°～80°，鋒角120°。1997年，Chen W C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，又具有合理的主刃和橫刃前角分布。2005年，Paul A等人為確保優(yōu)化鉆頭的可加工性，提出了一種基于刃磨參數(shù)的新鉆尖模型，并用它對(duì)錐面鉆尖、Racon鉆尖和螺旋面鉆尖進(jìn)行了優(yōu)化，以使其切削力達(dá)到最小。
　　
　　2.3 螺旋溝槽截形和加工工具截形的計(jì)算
　　
　　1975年，Dibner L G提出了一種可以簡(jiǎn)化磨削螺旋溝槽砂輪截形計(jì)算、提高溝槽加工精度和完全排除砂輪直徑變化影響的方法。1990年，Ehmann K F提出了一個(gè)基于微分幾何和運(yùn)動(dòng)學(xué)原理的求麻花鉆螺旋溝槽加工工具截形的方法。1998～2003年，Kang D C和Armarego E J A對(duì)螺旋溝槽加工的“正問(wèn)題”和“反問(wèn)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(jì)和制造的計(jì)算機(jī)輔助幾何分析方法。
　　
　　2.4 關(guān)于群鉆與微型鉆頭的研究
　　
　　1982年，Shen J等人建立了群鉆的第一個(gè)數(shù)學(xué)模型。利用該模型，人們可以多次重復(fù)地磨制群鉆。1984年，Chen L和Wu S M對(duì)9種典型群鉆進(jìn)行了研究，改進(jìn)了群鉆的數(shù)學(xué)模型，為群鉆的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)提供了可能。1985年，Hsiao C和Wu S M提出了用計(jì)算機(jī)對(duì)群鉆進(jìn)行輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)的具體方法。1987年，F(xiàn)uh K H 提出了一種利用綜合二次曲面模型和有限元方法設(shè)計(jì)和分析群鉆的方法。Liang E J則提出了一個(gè)基于知識(shí)庫(kù)技術(shù)的群鉆刃磨CAD/CAM集成系統(tǒng)。1991年，Liu T I采用一種兩階段策略設(shè)計(jì)和優(yōu)化了一種加工機(jī)軸注油孔用群鉆。1994年，Huang H T等人推導(dǎo)了群鉆切削刃的工作法后角和法前角的公式，提出了考慮內(nèi)刃和圓弧刃之間過(guò)渡區(qū)的群鉆精確幾何模型。2001年，Wang G C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，解決了已有模型存在的橫刃幾何形狀不確定的問(wèn)題，保證了所設(shè)計(jì)群鉆的可加工性。
　　1992年開(kāi)始，Lin C、Kang S K、Ehmann K F和Chyan H C等人組成的研究小組對(duì)微型鉆頭進(jìn)行了系統(tǒng)研究。1992年，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。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，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。1997年，他們指出：螺旋面微型鉆尖與平面微型鉆尖相比，具有兩個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：①在同樣的工作切削角度分布條件下，可以允許更大的進(jìn)給量；②刃磨方法更簡(jiǎn)單，且不易受刃磨誤差的影響。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。
　　
　　3.鉆削力建模的研究
　　
　　3.1 鉆削力建模的歷史
　　
　　在過(guò)去的幾十年中，人們報(bào)道了許多預(yù)報(bào)鉆削力的方法，其中絕大部分是用于標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆的。由于缺乏先進(jìn)的計(jì)算機(jī)和測(cè)量設(shè)備，早期的研究主要集中在建立簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)性扭矩和軸向力模型上，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(guò)大量的切削實(shí)驗(yàn)，用統(tǒng)計(jì)方法擬合出鉆削力的經(jīng)驗(yàn)公式。
　　用分析方法建立的鉆削力模型是隨著人們對(duì)切削過(guò)程認(rèn)識(shí)的深入而逐步出現(xiàn)的。1955年，Oxford用顯微照片記錄下鉆頭主刃和橫刃的切屑變形過(guò)程，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：鉆削過(guò)程中，在鉆尖上存在三個(gè)主要的切削區(qū)域，即主刃切削區(qū)、第二切削刃（橫刃）切削區(qū)和鉆芯附近的刻劃區(qū)。稍后，Shaw M C和Oxford C J Jr證明了橫刃在鉆削加工中的重要性，因?yàn)樗a(chǎn)生了50%～60%的軸向力。1966年，Cook N H提出了一個(gè)用半分析法推導(dǎo)鉆削力公式的方法。Shaw M C(1962、1984年)在對(duì)切屑變形機(jī)理進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，提出了鉆頭主刃的切屑變形模型。Williams A R(1974年)提出了一個(gè)基于單點(diǎn)刀具二維切削模型的鉆頭主刃切削力模型，并確定了鉆頭刻劃區(qū)的直徑。Armarego E J A(1972年)應(yīng)用斜角切削理論，提出了平面鉆尖切削力預(yù)報(bào)模型。Wiriyacosol S(1979年)等人根據(jù)切屑變形的薄剪切區(qū)（剪切平面）理論，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(guò)累加這些單元刀具的切削力來(lái)預(yù)報(bào)鉆削力，即單元刀具線性綜合法。在剪切平面理論的基礎(chǔ)上，Oxley C J Jr(1959、1962年)、Armarego E J A(1972、1979年)和Waston A R(1985年)分別建立了不同的鉆削力模型；Stepenson D A(1988、1989年)提出了計(jì)算鉆削力的數(shù)學(xué)方法。
　　
　　3.2 鉆削力建模的發(fā)展
　　
　　對(duì)于鉆削力建模的研究是隨著人們對(duì)各種新型鉆頭和鉆削工藝的開(kāi)發(fā)而不斷深入的。Wu S M等人在建立群鉆切削力模型方面做了大量工作。其中，Lee S W(1986年)和Fuh K H(1987年)以工作切削角度為準(zhǔn)，對(duì)主切削刃使用斜角切削模型，對(duì)第二切削刃使用直角切削模型，建立了群鉆的切削力模型；Huang H T（1992年）等人提出了一個(gè)用普通麻花鉆的力學(xué)模型預(yù)報(bào)群鉆軸向力和扭矩的方法。Armarego E J A和Zhao H(1996年)建立了薄鉆芯標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆、薄鉆芯多溝槽鉆和圓弧中心刃麻花鉆切削力預(yù)報(bào)模型。Bhatnagar N(2004年)等人研究了用4種不同的鉆尖鉆削各向異性纖維補(bǔ)強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)工件的非預(yù)期損壞，建立了鉆削軸向力和扭矩的模型。Sahu S K(2004年)等人提出了帶斷屑槽錐面麻花鉆的切削力預(yù)報(bào)模型，該模型用具有四種不同斷屑槽的鉆頭進(jìn)行標(biāo)定，可適用于具有任意斷屑槽形狀的鉆頭。Elhachimi M(1999年)綜合應(yīng)用直角和斜角切削模型建立了高速切削鉆頭的切削力模型，在轉(zhuǎn)速為4000～18000r/min、進(jìn)給量為0.12～0.36mm/r時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型預(yù)報(bào)值一致。Wang L P(1998年)等人提出通過(guò)對(duì)組成主刃和橫刃的單元刀具的振動(dòng)分析得到整個(gè)鉆頭的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，并據(jù)此建立了振動(dòng)鉆削過(guò)程中動(dòng)態(tài)軸向力和扭矩的預(yù)報(bào)模型。
　　隨著研究的不斷深入，研究人員發(fā)現(xiàn)，由于結(jié)構(gòu)的差異，過(guò)去已經(jīng)建立的力學(xué)模型不能適用于新的鉆型。為此，Stepenson D A(1992年)采用一個(gè)用大量車(chē)削實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的單元刀具斜角切削力模型，建立了用任意刃形硬質(zhì)合金或鑲嵌硬質(zhì)合金鉆頭鉆削灰鑄鐵時(shí)的主刃扭矩、軸向力和徑向力預(yù)報(bào)模型。Lin G C (1982年)和Watson A R(1985年)指出，對(duì)鉆削扭矩和軸向力的低估是由于排屑干涉，這一發(fā)現(xiàn)最終導(dǎo)致了單元刀具非線性綜合法的產(chǎn)生，也使用分析方法建立復(fù)雜刃形鉆頭的切削力模型成為可能。Wang J L(1994年)研究了切削過(guò)程中的排屑干涉，應(yīng)用單元刀具非線性綜合法，建立了基于經(jīng)驗(yàn)性單元刀具斜角切削力模型的任意刃形鉆頭的切削力模型。
　　鉆頭的基本幾何形狀以外，鉆削過(guò)程中的許多因素都會(huì)對(duì)鉆削力產(chǎn)生影響。1996年，Chandrasekharan V等人考慮了鉆頭的制造和刃磨誤差如兩主刃的等高性、半徑誤差、軸向偏斜等的影響，建立了錐面鉆頭完整的三維切削力模型，隨后又將其拓展到預(yù)報(bào)任意形狀鉆尖鉆頭（如群鉆）的切削力。Sriram R在考慮了鉆頭刃磨和安裝誤差對(duì)鉆削力影響的條件下，建立了預(yù)報(bào)鉆削徑向力的模型。2001年，Gong Y P和Ehmann K建立了一個(gè)綜合考慮到鉆頭幾何特性、刃磨和安裝誤差以及鉆頭偏斜對(duì)主刃和橫刃動(dòng)態(tài)切削厚度和切削面積影響的微孔鉆頭軸向力、扭矩和徑向力模型。
　　
　　3.3 鉆削力建模方法
　　
　　隨著科技的進(jìn)步，建立預(yù)報(bào)鉆削力模型的方法也在不斷發(fā)展。1997年，Islam A U和Liu M C提出了用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)群鉆軸向力和扭矩的方法，其訓(xùn)練用數(shù)據(jù)直接從文獻(xiàn)資料中提取。
　　2001年Kawaji S等人也提出了一種用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型估計(jì)和控制鉆削軸向力的方法：①離線構(gòu)建一個(gè)軸向力神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；②以該模型為基礎(chǔ)，通過(guò)在線最小二乘法訓(xùn)練，建立一個(gè)模擬神經(jīng)控制器；③將經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的神經(jīng)控制器應(yīng)用于鉆削系統(tǒng)，得到軸向力。1999年，Chen Y應(yīng)用有限元方法分析具有刃口圓弧半徑刀具的斜角切削過(guò)程，建立了一個(gè)用有限次任意刃形鉆頭標(biāo)定的任意刃形鉆頭鉆削力模型。2004年，Strenkowski J S等人用一個(gè)歐拉有限單元模型模擬組成切削刃的單元刀具的切削力，提出了用有限元技術(shù)預(yù)報(bào)麻花鉆軸向力和扭矩的方法。2002年，Yang J A等人提出了一種用I-DEAS CAE軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的鉆削過(guò)程仿真模型，可以預(yù)報(bào)動(dòng)態(tài)鉆削力。
　　
　　4.研究發(fā)展趨勢(shì)
　　
　　(1)鉆削過(guò)程建模成為研究熱點(diǎn)
　　影響鉆削過(guò)程的各種因素，包括鉆頭幾何結(jié)構(gòu)、制造和安裝誤差、物理特性（靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性）、切削條件、環(huán)境溫度、工件尺寸和材料等都將逐步納入建模研究的范圍，各種鉆型、切削條件和鉆削工藝有關(guān)的鉆削力、鉆削溫度、鉆頭磨損與壽命、切屑變形與排出、鉆削質(zhì)量、鉆削效率和鉆削成本等都將成為鉆削過(guò)程建模的對(duì)象，建模方法將更加多元化，模型預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性將進(jìn)一步提高，鉆削模型將不僅用于仿真和預(yù)報(bào)，而且將更多地用于指導(dǎo)鉆頭設(shè)計(jì)、制造和鉆削過(guò)程的優(yōu)化與監(jiān)控。
　　(2)鉆頭的幾何設(shè)計(jì)和制造方法仍將是研究的重點(diǎn)
　　適合于加工各種材料和加工條件的新鉆型將繼續(xù)涌現(xiàn)，適用于微機(jī)械制造和印刷電路板制造的微型鉆頭的研究將走向深入。鉆頭制造方法的研究將向集成制造系統(tǒng)的方向發(fā)展，鉆頭特別是群鉆的自動(dòng)刃磨問(wèn)題將得到解決，并會(huì)特別注重設(shè)計(jì)與制造的一體化、自動(dòng)化和智能化。
　　(3)鉆削機(jī)理的研究將逐漸受到重視
　　鉆頭與鉆削過(guò)程研究越來(lái)越需要鉆削機(jī)理研究的支持，鉆削機(jī)理研究是制約鉆頭與鉆削工藝研究的瓶頸；鉆削是最為復(fù)雜的切削加工過(guò)程之一，而關(guān)于切削原理的基礎(chǔ)研究必然會(huì)從相對(duì)簡(jiǎn)單的車(chē)削加工研究向更復(fù)雜的鉆削加工研究過(guò)渡。
　　
　　
　　作者: 師漢民 陳永潔 熊良山