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二、试验研究内容
- 涂层钻头的寿命试验
- 钻头的寿命试验是本试验研究的重点，试验分两大部分：基本试验和扩大试验。在进行试验前曾先做了预试验，确定了最佳的切削条件，初步了解了涂层钻头的磨损与失效形式，从而确定了试验时统一的终止寿命试验的判据。
- 为 了更进一步的了解涂层钻头在高、中、低不同的切削条件下，其寿命的变化规律；摸清磨损后的涂层钻头直接重磨与切断10毫米以后再重开刃的涂层钻头，两者在 寿命上有哪些差别，又进行了扩大寿命试验。此外，为了将经氧、氮化表面强化处理的钻头和未经任何表面处理的钻头作为试验的对比对象，也将这两种钻头同时进 行了寿命试验。单是为了进行钻头的寿命试验，总共钻了近五万个孔，可见投入的人力、物力之大。
- 在进行钻头所有的寿命试验时，都使用了5%的乳化油水溶液作为冷却润滑液。统一采用后面的最大磨损Vbmax=0.6mm；转角处刃带磨损lland=1.0mm时，作为终止寿命试验的磨钝标准。
- 钻头寿命的基本试验组
- 从“九 厂一所”的涂层钻头中，各随机抽取了8支钻头，共80支钻头，组成1号基本试验组，然后又从各家的8支钻头中，各抽1支，组成8组钻头。每组10支钻头， 轮流依次钻孔，所以要这样做的目的是为了把试坯材质的不均匀性以及操作人员主观因素的影响减少到最低程度，使试验的结果更加客观。
- 在预试验中发现：经氧、氮化表面强化处理的钻头和未经任何表面处理的钻头，如果采用与涂层钻头相同的切削速度与进给量，其寿命将十分低，从而失去对比的价值，因此，这些钻头的切削速度与进给量均相应的低一档。
- 涂层钻头1号组寿命试验时，其切削条件如下：
- 切削速度v=35m/min；
- 进给量f=0.28mm/r；
- 钻孔深度lt=24mm；
- 钻头悬伸长度80mm；钻头安装在机床上后的径向跳动≤0.05mm；
- 磨钝标准 后面的最大磨损Vbmax=0.6mm；转角处刃带磨损lland=1.0mm经氧、氮化表面强化处理的2号试验组的钻头和未经任何表面处理的3号试验组的钻头，都是从同一批2000件的标本钻头中抽取的，其切削条件如下：
- 切削速度v=24m/min；
- 进给量f=0.17mm/r；
- 钻孔深度lt=24mm(不通孔)；其他条件同1号试验组。
- 表7是编号为1号、2号及3号基本试验组的涂层钻头的寿命试验结果。
表7 1号、2号及3号等基本试验组的涂层钻头的寿命试验结果 试验组号 厂家代号 钻头的寿命( 钻孔数 ) 钻头编号 平均钻孔数 1 A 1467 1513 1371 1281 1180 966 1115 1195 1261 A17 A1 A20 A13 A2 A14 A11 A16 B 522 350 126 794 512 538 538 644 478 B16 B17 B18 B3 B1 B1 B12 B6 C 84 45 10 10 7 32 178 4 46 C18 C20 C16 C8 C12 C19 C13 C7 D 466 203 252 844 66 634 347 346 395 D17 D15 D3 D19 D2 D9 D13 D5 E 126 128 39 20 7 100 68 46 67 E8 E1 E6 E17 E15 E11 12E E13 F 13 33 70 154 168 44 40 91 77 F13 F11 F6 F4 F8 F3 F5 F7 G 725 125 404 200 42 686 820 78 385 G G G G G G G G H 38 43 26 27 15 43 36 43 34 H1 H12 H3 H16 H10 H20 H17 H4 I 1085 425 764 556 1054 562 605 731 723 I15 I2 I12 I1 I18 I16 I17 I19 J 622 626 411 33 774 1198 715 74 556 J14 J13 J2 J3 J15 J4 J8 J11 2 K 251 196 165 185 114 100 217 354 198 K4 K6 K7 K9 K10 K11 K15 K19 3 L 27 36 288 152 331 159 86 86 146 L5 L6 L7 L8 L10 L12 L18 L20 - 钻头寿命的扩大试验组
- 4号组是将钻削速度提高的条件下进行钻头寿命试验的组，从各厂家中任意抽取一支钻头，共有10支钻头编成混合的试验组，其切削条件如下：
- 切削速度v=40m/min；
- 进给量f=0.28mm/r；
- 钻孔深度lt=24mm(不通孔)；其他条件同1号试验组。
- 5号组是将钻削速度降低的条件下进行钻头寿命试验的组，也是从各厂家中任意抽取一支钻头，共有10支钻头编成混合的试验组，其切削条件如下：
- 切削速度v=30m/min；
- 进给量s=0.28mm/r；
- 钻孔深度lt=24mm(不通孔)；其他条件同1号试验组。
- 6号组是将已磨损的涂层钻头重开刃在与1号试验组相同的切削条件下进行钻头寿命试验的组，该组钻头由经过基本试验的A厂的钻头组成。选用A厂钻头的原因是该厂的钻头的寿命和可靠性最高，稳定性最好，用来验证涂层钻头在重开刃后，其寿命有多大的变化最为合适。
- 7 号组是将已磨损的涂层钻头，从钻尖起向后切短10mm后，经过重开刃仍在与1号试验组相同的切削条件下进行钻头寿命的试验组，该组钻头由经过基本试验的I 厂的钻头组成。用I厂钻头的原因是该厂的钻头的寿命和可靠性较高，稳定性也较好，故用来验证涂层钻头在切短后重开刃与直接重开刃有什么变化。
- 表8是编号为4号、5号、6号及7号扩大试验组的涂层钻头的寿命试验结果。
表8 4号、5号、6号及7号等扩大试验组的涂层钻头的寿命试验结果 试验组号 钻头的寿命( 钻孔数 ) 钻头编号 平均钻孔数 4 1069 299 6 57 66 4 421 13 279 63 285 A6 B2 C17 D7 E19 F15 G18 H13 I14 J20 5 1479 823 120 1010 12 12 152 29 918 255 601 A19 B5 C6 D16 E9 F14 G2 H8 I9 J19 6 467 504 515 494 426 705 725 540 - - 547 A7 A1 A20 A13 A2 A14 A11 A18 - - 7 311 318 399 505 555 269 299 232 - - 361 I15 I2 I12 I1 I18 I16 I17 I19 - - - 表9是将表7和表8中所得出的试验结果——钻孔数与中位秩的关系，按维泊尔方程作为其拟合数学模型，在日本产NEC9801型微机上运行自行编制的计算机回归分析程序所得到的最佳拟合方程式，所谓最佳的拟合方程式是按相关系数r为最大时，作为最佳拟合精度的判据。
表9 钻头寿命试验的结果按维泊尔方程式得到的拟合方程式 
- 表9中共列有16个拟合维泊尔方程式，在该方程式中，用五个参数分别表述钻头寿命的试验结果，即：
- x——钻头的寿命(钻孔数)。
- x0——钻头的初始寿命(钻孔数)。
- b——表述钻头寿命的稳定性或一致性，是将维泊尔方程式经线性转换后，在维泊尔坐标纸上所绘直线的斜率，其值如越大，表明寿命的稳定性越好。
- q0钻头的特征寿命，是当63.2%的钻头失效时的寿命，它与中位值相似，中位值是50%的钻头失效时的寿命。
- F(x)——是钻头寿命(钻孔数x)按维泊尔方程式变化的累计失效概率，是确定钻头寿命的可靠性的主要指标，其数值0≤F(x)≤1。
- 因此，全面评估钻头寿命的高低，应该用x0、b、和q0的值来比较，它们的数值越大，说明钻头的寿命越长、可靠性越高，稳定性越好。
- 表10和表11分别是基本试验组和扩大试验组中各厂家或试验组的试验结果按维泊尔方程式拟合时所得到的钻头的特征参数，即初始寿命x0、斜率b、特征寿命q、及可靠度为90%时的钻头寿命等参数的汇总表。
表10 钻头基本试验组的试验结果按维泊尔方程式拟合时的特征参数及90%可靠度的寿命 试验组号 厂家代号 钻头的初始寿命x0 维泊尔方程式的斜率b 钻头的特征寿命q0 可靠度为90%时钻头的寿命 相关系数r 1 A 456 4.51 1337 991 0.99 B 0 1.84 565 166 0.95 C 3 0.63 38 13 0.98 D 0 1.57 461 89 0.95 E 0 1.07 77 10 0.99 F 3 1.17 86 15 0.99 G 28 0.74 405 46 0.98 H 0 2.85 38 17 0.95 I 340 1.50 783 439 0.98 J 0 0.81 672 42 0.94 2 K 39 2.01 221 98.4 0.98 3 L 17 0.89 158 28.2 0.98 表11 钻头扩大试验组的试验结果按维泊尔方程式拟合时的特征参数及90%可靠度的寿命 试验组号 厂家代号 钻头的初始寿命x0 维泊尔方程式的斜率b 钻头的特征寿命q0 可靠度为90%时钻头的寿命 相关系数r 4 注 3.6 0.45 159 4.6 0.99 5 注 7.2 0.50 395 11.5 0.96 6 A 408 1.17 567 413 0.97 7 I 259 0.90 393 270 0.99 注：从十个试验厂家的涂层钻头中各取一支钻头组成试验组。 - 4号组是将钻削速度提高的条件下进行钻头寿命试验的组，从各厂家中任意抽取一支钻头，共有10支钻头编成混合的试验组，其切削条件如下：
- 涂层钻头的钻孔精度试验
- 为了比较涂层钻头与氧、氮化表面处理的钻头在钻孔精度与表面粗糙度上的差异，采用了与2号和3号试验组相同的切削条件，进行了钻孔精度与表面粗糙度的检测。涂层钻头取自A和D厂共5支，氧、氮化表面处理的钻头也是5支。
- 钻孔扩张量的检测
- 将试验组中每支钻头，各自钻100个孔，从第一个孔开始，每隔20个孔检测孔的直径一次，并在互相垂直的方向上进行测量，得d1和d2，故每支钻头共得其所钻孔直径的12个测量值。以扩张量∆d的大小表示钻孔的精度情况，扩张量∆d的计算公式如下：
式中：d钻头的实测直径；∆d= (d1+d2) -d 2 - d1，d2是孔直径在相互垂直的方向上的测量值，如图12所示。
- 钻孔扩张量的测量结果见表12，涂层钻头与氧、氮化表面处理的钻头，其钻孔精度(扩张量)的方差分析结果见表13。
表12 钻孔扩张量的测量结果(mm) 钻头表面 钻头号 第1孔 第20孔 第40孔 第60孔 第80孔 第100孔 涂层 A4 0.025 0.02 0.02 0.02 0.016 0.016 A8 0.025 0.019 0.02 0.02 0.019 0.019 A12 0.063 0.063 0.06 0.06 0.052 0.061 D18 0.04 0.025 0.02 0.025 0.02 0.02 D 0.075 0.06 0.065 0.062 0.07 0.067 氧氮化处理 K6 0.055 0.065 0.07 0.085 0.08 0.10 K7 0.063 0.073 0.058 0.06 0.07 0.06 K15 0.07 0.07 0.06 0.07 0.06 0.12 K19 0.07 0.307 0.065 0.05 0.06 0.05 K10 0.09 0.095 0.09 0.07 0.07 0.08 表13 钻孔扩张量的测量结果的方差分析 变差来源 平方和 自由度 平均平方 水平(不同的钻头) 0.0202 1 0.02020 54.594 误差 0.0215 58 0.00037 总计 0.0417 59 - 从表13钻孔扩张量的测量结果方差分析的结果看，如按0.01%的显著性水平查F分布表，得F158，(0.01)=7.1。因F0=54.595，远大于7.1，表明涂层钻头的钻孔扩张量可以99%的高置信度，比氧、氮化表面处理的钻头显著地小。
- 钻孔表面粗糙度的检测
- 由于直径为8mm的钻头孔径较小，需用轮廓仪检测孔的表面粗糙度，比较麻烦，故只检测了一支涂层钻头和一支氧、氮化表面处理的钻头最初钻的3个孔的表面粗糙度。检测结果见表14。
- 从表14可见涂层钻头的钻孔表面粗糙度之值，比氧、氮化表面处理钻头的低。
图12 钻孔扩张量的测量方法表14钻孔表面粗糙度Ra的测量(µm) 钻头名称与编号 测量孔的序号 第一孔 第二孔 第三孔 涂层钻头A4 3.18 1.08 1.10 氧氮处理钻头K6 3.5 3.8 3.4 V=24mm/min，f=0.17mm/r,at=24mm(不通孔) - 为了比较涂层钻头与氧、氮化表面处理的钻头在钻孔精度与表面粗糙度上的差异，采用了与2号和3号试验组相同的切削条件，进行了钻孔精度与表面粗糙度的检测。涂层钻头取自A和D厂共5支，氧、氮化表面处理的钻头也是5支。
- 涂层钻头的钻削力与扭矩的试验
- 为了比较涂层钻头与未经表面处理或经氧、氮表面处理的钻头，在钻孔时的轴向力与扭矩上的差异，从A、B、C、D、E、F、H、I、J、K各组钻头中，各取6支钻头进行了轴向力与扭矩试验。
- 试验条件如下：
- 机床：Z525立式钻床
- 试坯：45号钢(轧制状态)
- 测力仪：Q13-06钻削测力仪
- 冷却液：5%乳化油水溶液
- 切削条件：
- v=29.4m/min
- f=0.17mm/r
- lt=24mm
- 不通孔。
- 因为只做比较用，所测的轴向力和扭矩的实际大小，未进行标定，数值的大小仅是记录图上的高度(毫米)，本身没有意义。
- 钻头轴向力和扭矩的试验值
- 表15是所有钻头轴向力和扭矩试验的结果。
表15 各厂钻头的轴向力与扭矩的相对大小的记录表 
- 表15是所有钻头轴向力和扭矩试验的结果。
- 轴向力和扭矩的数值的方差分析
表16 轴向力和扭矩大小的方差分析 分析项目 变差来源 平方和 自由度 平均平方 F0 轴向力 厂间 2821.955 11 256.542 34.314 误差 628 84 7.476 总计 3449.958 95 扭矩 厂间 1756.366 11 159.670 7.193 误差 1364.621 84 22.198 总计 3620.989 95 - 表16是对轴向力和扭矩的数值进行方差分析后的结果。
- 仍按a=0.01的显著性水平作F检验，查F分布表，得F1184，(0.01)=2.48，因为试验钻头的轴向力和扭矩的F0分别等于34.31和7.193，都大于2.48，所以各厂钻头之间，其轴向力和扭矩有显著的差异。
- 轴向力和扭矩的平均值及其95%置信度的置信区间的计算
- 表17是轴向力和扭矩的平均值及其95%置信度的置信区间的计算结果。
表17轴向力和扭矩的平均值及其95%置信度的置信区间 厂家或试验钻头组的代号 A B C D E F G H I J K L 轴向力的平均值Fm 40 39.5 48.625 42 46.473 40.25 41.35 39.25 43 42.75 53.625 56 轴向力值的标准差s 2.4381 3.4641 2.5036 1.1952 2.6693 1.9821 2.4349 1.8322 3.8914 2.6592 2.5036 4.5356 Fm的95%置信度的置信区间±fc 1.9112 3.0965 2.2379 1.0684 2.3860 1.7718 2.1785 1.6378 3.4785 2.3770 2.2379 4.0543 扭矩的平均值Mn 68.25 69 79.875 72 77.25 72.625 71.375 69.625 72.125 71.875 80.625 79.95 扭矩值的标准差s 5.4182 4.2426 5.7183 3.8173 5.6252 6.8855 4.4058 3.5026 5.0267 5.7181 3.1595 0.8864 Mm的95%置信度的置信区间±fc 4.8433 3.7924 5.1113 3.4122 5.0283 6.1549 3.9383 3.309 4.4973 5.1113 2.8242 0.7923 - 轴向力的平均值及其95%置信度的置信区间计算公式如下：
- 平均值Fm=∑(f1+f2+f3+…fi……fn)/n ；i=1-n
- 标准差s=[∑(fi-Fm)2/(n-1)]½；i=1-n
- 95%置信度的置信区间fc=Fm±ta(s/n½)
- 扭矩的平均值及其95%置信度的置信区间计算公式如下：
- 平均值Mm=∑(m1+m2+m3+……mn)/n；i=1-n
- 标准差s=[∑(mi-Mm)2/(n-1)]½；i=1-n
- 95%置信度的置信区间mc=Mm±ta(s/n½)上式中ta表示按要求的置信度1-ta%时查student表，自由度为n-1的student值。
- 表17是轴向力和扭矩的平均值及其95%置信度的置信区间的计算结果。
- 为了比较涂层钻头与未经表面处理或经氧、氮表面处理的钻头，在钻孔时的轴向力与扭矩上的差异，从A、B、C、D、E、F、H、I、J、K各组钻头中，各取6支钻头进行了轴向力与扭矩试验。
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