由小直径深孔刀具的革新谈创新设计 - 文章

由小直径深孔刀具的革新谈创新设计

作者：刘钢孙首群凌卫青丘大谋谢友柏

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摘要：通过分析小直径深孔刀具创新设计的过程，提出了进行创新设计应参考的基本原则和使用这些原则的实例。这些原则对激发创造性设计有积极的意义。
关键词：创新设计；深孔刀具；枪钻；

在当前市场竞争日趋激烈的情况下，提高产品的技术含量，不断进行技术创新，推出更加适应市场需求的产品已经成为企业占领市场的重要手段。因此，创新设计在产品设计过程中显得尤为重要。然而，创新设计是一个由设计者发挥主观能动性的过程，创新设计总是与非逻辑思维形式的思维—直觉、灵感、机遇等联系在一起[1]。因此，创新设计不是简单的逻辑推理，很难用固定的程式来描述。当然，创新设计的过程并不是不可认识的，许多国外的学者在总结有利于创新设计的思维方法方面做了大量的工作，提出了各种创造技法，如头脑风暴法、联想发明法、类比发明法、模仿发明法、设问法等,并在此基础上形成了创造学这一门新兴的学科[2]。这里，结合小直径深孔刀具的开发研制过程，提出了有利于创新设计的几项原则，并具体描述如何在小直径深孔刀具设计中运用这些原则，进行创新设计。

孔加工是机械制造业中的一个重要分支。据有关资料统计在机械制造行业中每年进行的孔加工占全部加工业的三分之一强，而深孔加工又占到孔加工的40%以上。所以深孔加工技术成为了机械制造业中的一项关键技术，它涉及面广、技术含量高、技术难度大。在深孔加工中，刀具，卡具，量具和机床设备等各个工艺环节都对深孔加工的质量有影响，其中深孔加工刀具影响最大。

小直径深孔加工的发展经历从传统的双刃麻花钻到单刃高速钢枪钻，到70年代的焊接刀片硬质合金枪钻，之后又出现了整体烧结硬质合金枪钻，90年代研制了SED（单管内排屑喷吸钻）。在这一过程中，小直径深孔钻的主要技术创新包括从双刃钻到单刃钻，从外排屑到内排屑，从焊接硬质合金刀片到整体硬质合金等一系列重大的技术革新。从这些革新中无疑可以强烈地感受到创新设计对于产品更新的巨大作用。这里仅以最有代表的SED钻（单管内排屑深孔钻）的开发过程为例，进行阐述。

1. 提出问题是产生创新设计的首要条件

创造的源动力来自对现实的不满。这一观点已被众多研究创新思维的学者所认同。创造的过程是一个发挥主观能动性的过程，因此首先必须在主观上产生进行创造的欲望。变化的市场需求不断对现有技术提出问题，产生进行创造的需求，这就是创新设计的源动力。所以有观点提出创造性思维中对问题的敏感至关重要，“问题的发现”是进行创新设计的前提[3]。

深孔加工与浅孔加工是两个有区别的概念。由于在加工深孔（长径比大于10）时，刀具的排屑、冷却润滑和导向问题难以解决，特别是对于加工小直径深孔，这三大问题就显得更加突出。传统上用于小直径深孔加工的刀具是枪钻，它采用内进油外排屑的方法进行切削，冷却润滑液由空心钻杆中的孔通到刀体部分，再由刀体前方的出油口喷射到切削区，其工作原理见图1。枪钻的发展经历了很长的历史，现在已经成为最为常用的小直径深孔加工刀具，枪钻在加工铸铁、易切屑钢时确实发挥了重要的作用，全国的几家生产深孔加工刀具的厂家也多年以其为主要产品。过去提到小直径深孔加工就马上想到枪钻，但是，随着刀具材料从高速钢变成硬质合金，切屑的线速度要求进一步提高；同时各种先进材料在生产中得到广泛的运用，例如钛合金和不锈钢等，在这些条件下用枪钻加工常常会出现加工质量低下，刀片崩刃和刀体被扭断等现象。

图1.枪钻的工作原理图

针对这些现象，传统的枪钻加工小直径深孔的方法首先受到了置疑。枪钻是加工小直径深孔的唯一首选刀具吗？通过对过去进行枪钻加工的各个案件充分的分析、对比，可以总结出枪钻加工小直径深孔的几项缺点：a枪钻的钻头部分由于开有出油孔和排屑槽（图2），引出了出油口和排屑槽这一对矛盾。在保证刀具扭转强度的前提下，当出油口较大时，满足了油流量的要求，但为了保证钻头的强度，排屑槽又要减小，这样会影响排屑。反之，排屑槽扩大，满足了排屑要求，出油孔又要减小，这样又影响供油。b枪钻的刀杆太薄，又压出V型排屑槽，大大降低了其扭转强度、刚度。c切屑排出时，与以加工孔壁接触，易划伤孔壁降低了深孔的加工质量。d结构工艺性差，加工中，出油口和V型排屑槽难以加工，制造工艺性差。e进油空间小，油路油压要求太高。这些问题形成了对小直径深孔加工刀具进行创新设计的源动力。

图2.枪钻的结构示意图

2. 对问题进行抽象以认清问题本质

当对现实提出了置疑之后，是否应该马上去逐个解决这些问题？实践证明这种做法是行不通的。因为大多数问题都只是事物表象上缺点的反映，局限于这些表面的现象往往会束缚创造性的发挥。为了开拓创新思维的思路，应该从本质上对事物进行分析。创新思维理论告诉我们，“对问题整体产生新的认识比重新组织各部分更会产生创造性。”[3]

针对枪钻加工提出的问题纷繁复杂，涉及到刀体强度，刀杆刚度、供油、排屑、加工工艺性等等。在对枪钻提出了各种各样的问题后，逐个解决问题的试图失败了，这主要是因为这些问题往往是环环相扣的。例如，刀体的扭转强度是引起刀体扭断的主要原因。但是，要提高刀体强度，需要加大刀体的壁厚，可是这样作的后果是减小了出油口直径和排屑空间，引起润滑和排屑的困难，反过来又会增加切削时的扭矩，使刀体更容易扭断。在这种环环相扣的问题中，各种问题的解决都会随之产生另一个新的问题，所有的问题都好像无法解决。

这样，我们逐渐认识到要对一个个问题分别解决是很困难的。只有略去问题的表面现象，对各种问题的核心实质加以分析归纳才有利于创新设计。为此，我们针对刀具的各种问题进行了归纳和总结，从排屑原理的高度上进行抽象分析。经过分析发现了枪钻的各种缺点，都是由于润滑和排屑这一对矛盾造成的，而更深一层的思考这种进油和排屑的方式又是枪钻这种内进油外排屑刀具所必须采用的方式。这样，我们就提出了一个问题，能否使用新的加工原理解决这种内进油外排屑的加工方式，从而根本上解决润滑和排屑这一对矛盾。

3. 要站在较高的视点上进行发散思维

创新思维的理论告诉我们，汇聚思维和创新思维是人脑智力结构的两个重要组成部分。汇聚思维对某一个问题进行错误或正确的判断，而发散思维则针对可以有多个正确答案的问题，从多个方面进行思考，或搜索多种不同的答案。这两种思维方式在创新设计中均起作用，而发散思维对创新设计最为有利。[3]

在解决小直径深孔加工的技术难题上，我们不能够把目光尽局限于枪钻，要发散性地思维。当时大家提出了若干解决办法，例如：用特种加工的方法如电火花、线切割、电化学方法加工，或采用振动的方法。利用超声波进行振动切削等等众多的解决办法。

4. 采用联想的方法进行创新思维

进行创新思维的方式有许多种，联想思维是其中最重要的一种方法。多数人在解决问题时常不自觉地采用联想的方法。当我们思考问题时，在每个人的头脑中都有一张联想表，这张联想表按与所提问题的关系的紧密程度排列了相关的内容。一般的人在思考问题时，总是使用最初联想到的方法，它似乎可以解决面临的问题。但是创新思维要求我们能够进行远程联想，也就是按联想表进行深度搜索，寻找更高质量、更不寻常的联想以解决问题。

在众多的相关方案中，按照与小直径深孔加工的相关性可以建立如表1所示联想表。与小直径深孔加工刀具枪钻联系最为紧密的是其它小直径深孔刀具，比如麻花钻等。其上一层是其它加工大直径深孔的刀具，例如双管喷吸钻，DF钻，套料钻等。再上面一层是一般的孔加工刀具，比如麻花钻、扁钻，镗头等等。上面一层是其它的孔加工方法，如铸造、电火花、线切割和电化学方法。以此类推可以列出许多层与要解决问题相关联的方法。

表1 解决小直径深孔加工刀具的联想表

在这里，我们逐渐注意到了大直径深孔加工刀具DF钻。由于DF钻采用了外进油内排屑的方式，同时配备了负压抽屑装置（参见图4），能充分保障供油和排屑，因此在使用中不存在出油口和排屑槽的矛盾问题，同时它环形的横截面也大大提高了刀体的刚度，从而克服了枪钻众多的缺点。但是如果直接把DF钻这样一种外进油内排屑的刀具运用到小深孔的加工过程中，又有许多不适合的地方。例如，DF刀体采用碳素钢，硬质合金刀片焊接在刀体的刀槽中，刀体后部用方牙螺纹与钻杆联接，这样复杂的形式在直径很小的深孔中能实现吗？为此，使用用联想的方法，考虑枪钻的刀体采用焊接在刀杆上的办法，而整个刀体用硬质合金整体烧结而成，这种结构是否能用在DF钻上？最后，我们制定出了采用DF钻的外进油内排屑的方式，采用枪钻的整体烧结硬质合金刀体，刀体与刀杆部分焊接的方案，这样一种新型的小深孔加工刀具就诞生了，我们对其命名为SED钻，其结构和工作原理见图3和图4。经过多次生产实践检验，SED钻克服了枪钻结构不合理，力学性能差，制造困难等缺点，它的结构工艺性完善，性能优越，易于国产化。

图3.SED钻的结构示意图

图4.SED钻的工作原理图

5. 不断获取新知识，在创新中加以运用

从上面的例子不难看出，获取新知识是通过联想进行创新设计的必要条件。为了有效地进行远程联想，需要构造更加丰富有更深层次的的联想表，这就要求我们获取更为广泛和先进的知识。获取新知识的过程包括对新知识进行归纳，编码，按它与问题的紧密程度加入联想表。在进行联想的时候能够对它进行检索。

虽然SED钻在深孔加工中性能大大优于枪钻，完全能够适应普通材料深孔的加工，而且我们也对它做了系列化、规范化的工作，研制了它的CAD/CAPP软件，但是，在加工难加工材料时，特别是孔径小于8mm的难加工材料如钛合金，不锈钢等，由于这些材料在加工中产生了很大的塑性变形，刀具在切削中受到了很大的扭矩作用，容易使刀体和刀杆在焊接部分产生断裂。经过分析，这主要是由于刀体和刀杆在焊接时，刀体的硬质合金经受高温，产生退火现象，使得焊接部分刀体强度降低所致。如何解决这样的难题？经过翻阅大量的资料，我们得知国内某大学正在研究用高分子材料粘结剂进行金属粘结试验，并初步获得成功。那么如果刀体与刀杆也采用粘结的办法，就可以避免刀体硬质合金因受高温而产生退火现象。现在，我们正准备把这项技术应用于钻头刀体与刀杆的联接上。当然，研究工作中还存在许多问题，例如，这种联接是否能承受切削时强大的扭矩，在高温时粘结性是否会发生变化等等。

另外，更加可喜的是随着振动加工技术的发展，一种更为有效的切削方法正逐渐产生成熟。超声加工具有切削力小，切削产生的切屑力很小，可以忽略不计。切削产生的铁屑为粉末状，不存在排屑问题等优点。现在已有研究机构将机械振动和超声波加工应用在深孔加工上。相信，只要不断的创新，深孔加工刀具必然有天翻地覆的变化。

6．结束语

创新设计在产品开发过程中的决定性作用已得到充分的认识，但是根据当前对创新思维的研究水平，还很难用一种固定的模式来描述创新设计的产生过程。基于这种情况，一方面需要继续研究人类创新思维的规律，另一方面要将现有的创新新设计的有益的经验，运用到产品的开发设计过程中去，本文提出的这些经验对总结创新设计规律，推进创新设计都有积极的作用。

参考文献
[1] 贾玉健，钱承耀. 发明创造学. 西安：西安交通大学出版社，1990.
[2] 刘志光. 创造学. 福州：福建人民出版社，1988.
[3] 约翰×达西. 创造性开发. 席酉民，冯耕中编译. 西安：陕西科技教育出版社，1992.
[4] 刘钢. 单管喷吸钻（SED）系列化设计及CAD软件的研制：[硕士学位论文]. 太原：华北工学院，1996.

刘钢，男，１９72年生。西安交通大学（西安市　７１００４９）工程与科学研究院博士研究生。主要研究方向为深孔加工刀具及设备、现代设计、CAD\CAM。

孙首群、凌卫青西安交通大学工程与科学研究院博士研究生
丘大谋西安交通大学博士生导师
谢友柏西安交通大学博士生导师，中国工程院院士(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/24/2005)


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