大孔径钻头设计

1. 问题描述

在板材类零件上开设小孔时，一般选用钻孔的方式进行加工，并且所需钻头的大小与开设的孔径成正比。对于大孔径孔的加工，就需要选择较大的钻头。这不仅会导致钻头的质量较大，而且会造成资源的浪费。因此，对大孔径钻头进行优化就显得尤为重要。

2. 基于基元模型的问题分析

先建立大钻头物元M1，即

拟达到的目标是在保证钻孔可靠性的前提下，钻头的质量尽可能地轻，即

显然，在目前已有条件下，目标基元不能实现。因此，该问题是一个不相容问题模型，建立不相容问题模型为

P=G∗L=M↑M 1

从不相容问题模型的分析中可以看出，该问题的产生是由于对象的两个特征间既相互制约又相互依存而导致的矛盾。即钻孔的可靠性与钻头的质量不匹配之间的矛盾。对于矛盾问题，可用TRIZ冲突矩阵工具求解。

将上述冲突用标准参数描述，待改善的参数为：运动件的质量（NO.1）；导致恶化的参数为：可靠性（NO.27）。

3. 基于TRIZ创新原理的可行解预测

查询经典的TRIZ矛盾矩阵表，得到推荐的发明原理为：#1分割原理；#3局部特性原理；#11预先防范原理；#27廉价替代原理。这些发明原理的具体内容如下。

分割原理#1 a. 将物体分成独立的部分；b. 使物体成为可拆卸的；c. 增加物体的分割程度。

局部特性原理#3 a. 从物体或外部介质（外部作用）的一致结构过渡到不一致结构；b. 物体的不同部分应当具有不同的功能；c. 物体的每一部分均应具备最适于它工作的条件。

预先防范原理#11 以事先准备好的应急手段补偿物品的可靠性。

廉价替代原理#27 用廉价的不持久性代替昂贵的持久性原则用一组廉价物体代替一个昂贵物体，放弃某些品质（如持久性）。

根据原理#1和#3可以得到启示：将钻头分割成几个相互独立的部分，使一部分完成定位功能，另一部分完成切削功能。

4. 可行解的基元变换

根据TRIZ原理解的提示，先对钻头物元进行功能分解，即做变换T1，使

T1 M1={M11 ，M12}={钻头1，钻头2}

M 11=(钻头1,功能,定位)；

M 12=(钻头2,功能,切削)。

在加工孔时，一般都是依靠圆心点来定位，不需要钻头有较大的体积。因此，可做变换T2，使

T 2M1=M11=αM1

要实现切削动作，就必须考察钻孔加工的实质。其过程只需保证孔径边缘的材料与板材的分离即可。因此，只需考虑用怎样的刀具来实现此切割过程。

结合铣刀铣削过程，可以在一个环面上沿圆周布置数把小铣刀。给定旋转速度，则可以保证板型材料的切除。于是，可做一置换变换T3，使

T 3 M12=M2

这样就完成了对大孔径钻头的改进，中间是一个定位用的小钻头，外部有一铣刀环，从而减少了钻头材料的浪费。

5. 最终方案

根据上述分析，得到最终改进方案为图7−20所示的套料钻结构，以环形切削的方式在工件上加工大型孔，能够留下料芯，节省工件材料。同时，也可作为从材料中心取出试样的特殊刀具。

图7−20 钻大型孔的套料钻实物图