文 献 综 述
直径小于3.175mm的钻头，简称为微钻。要使微钻在使用中发挥高效率，必须考虑一系列因素：如钻头本身的各项要素、加工参数、孔深、安装的完善性及工件的结构等。微钻在制造过程中对技术的要求也比较高，特别是在高精度的要求下，难度相当显著。因此要把这些相互影响又对钻削过程十分敏感的因素处理好，需要有科学的创新精神。Guhring(美国)公司的市场部经理Mark Megal说：“在很多场合，使用微钻你得边琢磨边干。”尽管目前工具制造商已经在微钻的材料和几何参数方面完成了很多开发，不需要每件事都从头试验，但是要把钻削过程中诸多因素都加以很好控制，仍然不是一项简单的工作。众所周知，钻头的长度和直径之比越大，其弯曲倾向增加。因此，减小长径比有利于减小挠曲力，从而避免钻头折断和孔径误差加大。通常较深的孔需要的钻头长径比都比较大，一般孔深超过三倍直径就是深“孔”，而微钻通常都超过这个限度，因此微钻的制造使用都有着比普通钻头更高的要求，在使用过程中，需要严格控制微钻的主轴方向不偏离，否则容易造成钻头损坏，加工出现严重误差。三菱金属材料(美国)公司的铣削和钻削部高级生产经理Larry Brenner建议：应尽量在钻头旋转的机床(如加工中心)上使用微钻，他指出，加工中心的主轴能给予钻头正确的中心线定位，而车床上工件的偏心会导致钻头挠曲。因此，假如在车床上使用微钻，则必须把每个影响同心度的因素事先调整好，特别对硬质合金钻头更要注意，因其不能适应弯曲变形。
钻头在工作过程中，开始的几转至关重要，因为开始切削时，钻头承受偏心力。此外，工件表面的不规则形状会引起横向滑步，导致刀具弯曲、折断，或者至少是增大孔的偏差。对于直径3mm以下的钻头，三菱公司建议先用刚性好的定心钻打一个深度为1～2倍直径的初始孔。定心钻的钻尖顶角应等于或大于最终钻孔的微钻顶角。若定心钻的顶角较小，则随后微钻切入时，两切削刃比顶尖先接触工件，容易引起崩刃。Brenner指出，微钻使用中的另一挑战是要尽量提高转速，以发挥生产潜力，但就最大转速规范而言，钻头往往走在机床的前面。有的机床在其最高转速下运行，仍未达到
微钻的最佳切削速度。例如直径为1mm的钻头，切削速度达到91.44m/min，要求机床主轴转速达到28000r/min。被加工材料的硬度，对于确定微钻切削速度和进给量的初始推荐值有很大影响。例如，M.A.Ford公司推荐：用直径为1.32mm的整体硬质合金钻头加工1018低碳钢(20HRC)时，其切削速度选用91.44m/min，进给量选用0.038mm/r。但是该钻头加工塑料和合成材料时，切削速度可达198.12m/min，进给量达0.127mm/r。加工难加工材料(如镍基合金、钛合金)时，切削速度仅为15.24～18.29m/min，进给量仅为0.0305mm/r。
钻头在使用时期内，对其修磨工作也不可忽视，它往往能很大限度的影响着钻头的使用寿命，特别是对于微钻而言。刃磨钻头主要掌握几个技巧：1、刃口要与砂轮面摆平。磨钻头前，先要将钻头的主切削刃与砂轮面放置在一个水平面上，也就是说，保证刃口接触砂轮面时，整个刃都要磨到。这是钻头与砂轮相对位置的第一步，位置摆好再慢慢往砂轮面上靠。2、钻头轴线要与砂轮面斜出60°的角度。这个角度就是钻头的锋角，此时的角度不对，将直接影响钻头顶角的大小及主切削刃的形状和横刃斜角。这里是指钻头轴心线与砂轮表面之间的位置关系，取60°就行，这个角度一般比较能看得准。这里要注意钻头刃磨前相对的水平位置和角度位置，二者要统筹兼顾，不要为了摆平刃口而忽略了摆好度角，或为了摆好角度而忽略了摆平刃口。3、由刃口往后磨后面。刃口接触砂轮后，要从主切削刃往后面磨，也就是从钻头的刃口先开始接触砂轮，而后沿着整个后刀面缓慢往下磨。钻头切入时可轻轻接触砂轮，先进行较少量的刃磨，并注意观察火花的均匀性，及时调整手上压力大小，还要注意钻头的冷却，不能让其磨过火，造成刃口变色，而至刃口退火。发现刃口温度高时，要及时将钻头冷却。4、钻头的刃口要上下摆动，钻头尾部不能起翘。这是一个标准的钻头磨削动作，主切削刃在砂轮上要上下摆动，也就是握钻头前部的手要均匀地将钻头在砂轮面上上下摆动。而握柄部的手却不能摆动，还要防止后柄往上翘，即钻头的尾部不能高翘于砂轮水平中心线以上，否则会使刃口磨钝，无法切削。这是最关键的一步，钻头磨得好与坏，与此有很大的关系。在磨得差不多时，要从刃口开始，往后角再轻轻蹭一下，让刃后面更光洁一些。5、保证刃尖对轴线，两边对称慢慢修。一边刃口磨好后，再磨另一边刃口，必须保证刃口在钻头轴线的中间，两边刃口要对称。有经验的师傅会对着亮光察看钻尖的对称性，慢慢进行修磨。钻头切削刃的后角一般为10°-14°，后角大了，切削刃太薄，钻削时振动厉害，孔口呈三边或五边形，切屑呈针状；后角小了，钻削时轴向力很大，不易切入，切削力增加，温升大，钻头发热严重，甚至无法钻削。后角角度磨的适合，锋尖对中，两刃对称，钻削时，钻头排屑轻快，无振动，孔径也不会扩大。6、两刃磨好后，对直径大一些的钻头还要注意磨一下钻头锋尖。
钻头的使用范围很广，对技术要求高，因此生产钻头需要做大量的实验研究，由于制作成本及测试次数大，生产钻头拿来实验显然显得不合情理，因此利用Ansys有限元进行热、力等方面的模拟具有实际的价值，很多工作及科研人员都研究过钻头的不同方面对其工作的影响，随着科学技术的发展，以及工业化程度的提高，对微钻的加工、使用技术的要求也普遍提高，因此，微钻的使用还不是尽善尽美，需要做的工作还有。
以计算机技术为基础的有限元分析为钻头的设计以及优化提供了较为准确可靠的分析方法，以特定型号的微钻为研究对象，以三维参数化建模方法和有限元分析方法为理论依据，以CAD、Ansys软件为平台，可以对钻头从静态、动态、瞬态热应力三个方面进行较为全面系统的分析。
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针状；后角小了，钻削时轴向力很大，不易切入，切削力增加，温升大，钻头发热严重，甚至无法钻削。后角角度磨的适合，锋尖对中，两刃对称，钻削时，钻头排屑轻快，无振动，孔径也不会扩大。6、两刃磨好后，对直径大一些的钻头还要注意磨一下钻头锋尖。 钻头的使用范围很广，对技术要求高，因此生产钻头需要做大量的实验研究，由于制作成本及测试次数大，生产钻头拿来实验显然显得不合情理，因此利用Ansys有限元进行热、力等方面的模拟具有实际的价值，很多工作及科研人员都研究过钻头的不同方面对其工作的影响，随着科学技术的发展，以及工业化程度的提高，对微钻的加工、使用技术的要求也普遍提高，因此，微钻的使用还不是尽善尽美，需要做的工作还有。以计算机技术为基础的有限元分析为钻头的设计以及优化提供了较为准确可靠的分析方法，以特定型号的微钻为研究对象，以三维参数化建模方法和有限元分析方法为理论依据，以CAD、Ansys软件为平台，可以对钻头从静态、动态、瞬态热应力三个方面进行较为全面系统的分析。 参考文献 [1]B.K.Hinds, G.M.Treanor, Analysis of stresses in micro-drills using the finite element Method. International Journal of machine Tools amp; Manufacture 2000,(40):1443-1456 [2]Wen-Chou Chen, Applying the finite element method to drill design based on drill deformations, Finite Elements in Analysis and Design, 1997,(26):57-81 [3]R.H.Thornley, A.B.I.EL Wahab and J.D.Maiden, Some Aspects of Twist Drill Design, Int.J.Mach. Tools Manufact,1997,27(3):383-397 [4]S.V.Muthukrishna Selvam and C.Sujatha, Twist Drill Deformation and Optimum Drill Geometry, Computers amp; Structures, 1995.57(5):903-914 [5]现代印刷电路基础，中国印刷电路行业协会教材编写组，1999年 [6]言兰,周志雄.微钻头刚度的有限元分析[J].工具技术,2006,40(4):65-67.DOI:10.3969/j.issn.1000-7008.2006.04.018. [7]刘小川,张平宽.采用Pro/E和ANSYS的微小钻头刚度分析[J].现代制造工程,2008,(8):69-70,83.DOI:10.3969/j.issn.1671-3133.2008.08.021. [8]言兰.微钻头CAD与仿真系统的开发及基于有限元的结构优化设计[D].湖南大学,2006.DOI:10.7666/d.y892246. [9]付连宇,余振超,屈建国等.PCB微钻有限元分析的几个关键问题[J].印制电路信息,2007,(1):47-50.DOI:10.3969/j.issn.1009-0096.2007.01.012. [10]陈海斌,付连宇,罗春峰等.PCB用微钻技术的趋势研究[J].印制电路信息,2008,(8):34-37,69.DOI:10.3969/j.issn.1009-0096.2008.08.008. [11]侯文峰,张宪民.PCB 微钻切削刃结构参数化分析[J].工具技术,2011,45(5):31-36.DOI:10.3969/j.issn.1000-7008.2011.05.008. [12]望军,蒋显全,杨锦等.印刷电路板用硬质合金微钻的发展现状与展望[J].功能材料,2014,(4):4023-4026.DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2014.04.004. [13]姜正健,张伟,李铸宇等.微钻的前角计算及其钻削试验[J].大连工业大学学报,2011,30(2):145-147.DOI:10.3969/j.issn.1674-1404.2011.02.019. [14] 汤宏群.印刷电路板微孔钻削加工过程动态特性研究[D].广东工业大学,2012.DOI:10.7666/d.y2097629. [15] 郑李娟.微细钻头钻削印刷电路板加工机理研究[D].广东工业大学,2011.DOI:10.7666/d.y2027985. [16] 陈汉泉,石红雁.PCB微钻的三维精确建模[J].工具技术,2010,44(11):40-42.DOI:10.3969/j.issn.1000-7008.2010.11.011. |
文 献 综 述
直径小于3.175mm的钻头，简称为微钻。要使微钻在使用中发挥高效率，必须考虑一系列因素：如钻头本身的各项要素、加工参数、孔深、安装的完善性及工件的结构等。微钻在制造过程中对技术的要求也比较高，特别是在高精度的要求下，难度相当显著。因此要把这些相互影响又对钻削过程十分敏感的因素处理好，需要有科学的创新精神。Guhring(美国)公司的市场部经理Mark Megal说：“在很多场合，使用微钻你得边琢磨边干。”尽管目前工具制造商已经在微钻的材料和几何参数方面完成了很多开发，不需要每件事都从头试验，但是要把钻削过程中诸多因素都加以很好控制，仍然不是一项简单的工作。众所周知，钻头的长度和直径之比越大，其弯曲倾向增加。因此，减小长径比有利于减小挠曲力，从而避免钻头折断和孔径误差加大。通常较深的孔需要的钻头长径比都比较大，一般孔深超过三倍直径就是深“孔”，而微钻通常都超过这个限度，因此微钻的制造使用都有着比普通钻头更高的要求，在使用过程中，需要严格控制微钻的主轴方向不偏离，否则容易造成钻头损坏，加工出现严重误差。三菱金属材料(美国)公司的铣削和钻削部高级生产经理Larry Brenner建议：应尽量在钻头旋转的机床(如加工中心)上使用微钻，他指出，加工中心的主轴能给予钻头正确的中心线定位，而车床上工件的偏心会导致钻头挠曲。因此，假如在车床上使用微钻，则必须把每个影响同心度的因素事先调整好，特别对硬质合金钻头更要注意，因其不能适应弯曲变形。
钻头在工作过程中，开始的几转至关重要，因为开始切削时，钻头承受偏心力。此外，工件表面的不规则形状会引起横向滑步，导致刀具弯曲、折断，或者至少是增大孔的偏差。对于直径3mm以下的钻头，三菱公司建议先用刚性好的定心钻打一个深度为1～2倍直径的初始孔。定心钻的钻尖顶角应等于或大于最终钻孔的微钻顶角。若定心钻的顶角较小，则随后微钻切入时，两切削刃比顶尖先接触工件，容易引起崩刃。Brenner指出，微钻使用中的另一挑战是要尽量提高转速，以发挥生产潜力，但就最大转速规范而言，钻头往往走在机床的前面。有的机床在其最高转速下运行，仍未达到
微钻的最佳切削速度。例如直径为1mm的钻头，切削速度达到91.44m/min，要求机床主轴转速达到28000r/min。被加工材料的硬度，对于确定微钻切削速度和进给量的初始推荐值有很大影响。例如，M.A.Ford公司推荐：用直径为1.32mm的整体硬质合金钻头加工1018低碳钢(20HRC)时，其切削速度选用91.44m/min，进给量选用0.038mm/r。但是该钻头加工塑料和合成材料时，切削速度可达198.12m/min，进给量达0.127mm/r。加工难加工材料(如镍基合金、钛合金)时，切削速度仅为15.24～18.29m/min，进给量仅为0.0305mm/r。
钻头在使用时期内，对其修磨工作也不可忽视，它往往能很大限度的影响着钻头的使用寿命，特别是对于微钻而言。刃磨钻头主要掌握几个技巧：1、刃口要与砂轮面摆平。磨钻头前，先要将钻头的主切削刃与砂轮面放置在一个水平面上，也就是说，保证刃口接触砂轮面时，整个刃都要磨到。这是钻头与砂轮相对位置的第一步，位置摆好再慢慢往砂轮面上靠。2、钻头轴线要与砂轮面斜出60°的角度。这个角度就是钻头的锋角，此时的角度不对，将直接影响钻头顶角的大小及主切削刃的形状和横刃斜角。这里是指钻头轴心线与砂轮表面之间的位置关系，取60°就行，这个角度一般比较能看得准。这里要注意钻头刃磨前相对的水平位置和角度位置，二者要统筹兼顾，不要为了摆平刃口而忽略了摆好度角，或为了摆好角度而忽略了摆平刃口。3、由刃口往后磨后面。刃口接触砂轮后，要从主切削刃往后面磨，也就是从钻头的刃口先开始接触砂轮，而后沿着整个后刀面缓慢往下磨。钻头切入时可轻轻接触砂轮，先进行较少量的刃磨，并注意观察火花的均匀性，及时调整手上压力大小，还要注意钻头的冷却，不能让其磨过火，造成刃口变色，而至刃口退火。发现刃口温度高时，要及时将钻头冷却。4、钻头的刃口要上下摆动，钻头尾部不能起翘。这是一个标准的钻头磨削动作，主切削刃在砂轮上要上下摆动，也就是握钻头前部的手要均匀地将钻头在砂轮面上上下摆动。而握柄部的手却不能摆动，还要防止后柄往上翘，即钻头的尾部不能高翘于砂轮水平中心线以上，否则会使刃口磨钝，无法切削。这是最关键的一步，钻头磨得好与坏，与此有很大的关系。在磨得差不多时，要从刃口开始，往后角再轻轻蹭一下，让刃后面更光洁一些。5、保证刃尖对轴线，两边对称慢慢修。一边刃口磨好后，再磨另一边刃口，必须保证刃口在钻头轴线的中间，两边刃口要对称。有经验的师傅会对着亮光察看钻尖的对称性，慢慢进行修磨。钻头切削刃的后角一般为10°-14°，后角大了，切削刃太薄，钻削时振动厉害，孔口呈三边或五边形，切屑呈针状；后角小了，钻削时轴向力很大，不易切入，切削力增加，温升大，钻头发热严重，甚至无法钻削。后角角度磨的适合，锋尖对中，两刃对称，钻削时，钻头排屑轻快，无振动，孔径也不会扩大。6、两刃磨好后，对直径大一些的钻头还要注意磨一下钻头锋尖。
钻头的使用范围很广，对技术要求高，因此生产钻头需要做大量的实验研究，由于制作成本及测试次数大，生产钻头拿来实验显然显得不合情理，因此利用Ansys有限元进行热、力等方面的模拟具有实际的价值，很多工作及科研人员都研究过钻头的不同方面对其工作的影响，随着科学技术的发展，以及工业化程度的提高，对微钻的加工、使用技术的要求也普遍提高，因此，微钻的使用还不是尽善尽美，需要做的工作还有。
以计算机技术为基础的有限元分析为钻头的设计以及优化提供了较为准确可靠的分析方法，以特定型号的微钻为研究对象，以三维参数化建模方法和有限元分析方法为理论依据，以CAD、Ansys软件为平台，可以对钻头从静态、动态、瞬态热应力三个方面进行较为全面系统的分析。
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