一种钻孔工具及钻孔工具设计方法发明专利

专利名称：一种钻孔工具及钻孔工具设计方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111265182.1

专利申请（专利权）人：深圳市金洲精工科技股份有限公司
权利人地址：广东省深圳市龙岗区中心城龙城北路高科技工业园区

专利发明（设计）人：屈建国,郭强,孙玉双,林春晖,张辉

专利摘要：本发明实施例公开了一种钻孔工具及钻孔工具设计方法。该钻孔工具包括：连接柄，由不锈钢制成，包括沿轴向连接的直柄部和第一渐扩部，直柄部与第一渐扩部的大端连接；钻头主体，由钨钴类硬质合金材料制成，包括沿轴向连接的凹槽部和钻孔部，凹槽部的一端与第一渐扩部的小端焊接，凹槽部的另一端与钻孔部连接，凹槽部设置有减重凹槽；其中，直柄部的直径为D11，凹槽部与第一渐扩部的焊接面直径为D21，D11＞D21。本发明实施例中，将钻孔工具的部分替换为不锈钢节省了硬质合金的用量，降低了钻孔工具的成本，通过凹槽部上的减重凹槽减轻了钻头主体的重量，有效的抑制了钻孔工具在工作时的动态振动，从而提高了钻孔工具的钻孔精确度。

主权利要求：
1.一种钻孔工具，其特征在于，包括：
连接柄，由不锈钢制成，包括沿轴向连接的直柄部和第一渐扩部，所述直柄部与所述第一渐扩部的大端连接；
钻头主体，由钨钴类硬质合金材料制成，包括沿轴向连接的凹槽部和钻孔部，所述凹槽部的一端与所述第一渐扩部的小端焊接，所述凹槽部的另一端与所述钻孔部连接；
所述第一渐扩部包括沿轴向连接的第二渐扩部和第三渐扩部，所述第二渐扩部的大端与所述直柄部连接，所述第三渐扩部的大端与所述第二渐扩部的小端连接，所述第三渐扩部的小端与所述凹槽部焊接，所述第二渐扩部和所述第三渐扩部之间设置有环形的退刀槽；
其中，所述第二渐扩部的小端直径为D12，所述退刀槽的最小直径为D13，所述第三渐扩部的大端直径为D14，D13＜D12且D13＜D14；
所述钻孔部包括第四渐扩部，所述第四渐扩部的大端与所述凹槽部连接；
所述直柄部的直径为D11，所述凹槽部与所述第三渐扩部的焊接面直径为D21，D11＞D21；
所述凹槽部设置有减重凹槽,所述减重凹槽包括环形凹槽或螺旋凹槽，所述环形凹槽的最小直径为D22、最大直径为D23，且D22＜D21，D22＜D23，D23≤D21；
所述退刀槽的最小直径为D13，所述环形凹槽的最小直径处与所述第三渐扩部的大端之间距离为 ，且0＜（D13‑D22）/ ≤0.35；
所述退刀槽的最小直径小于所述第二渐扩部的小端直径；
所述螺旋凹槽成对设置且对称分布，所述螺旋凹槽的内径为D26，其中D26＜D21，且所述螺旋凹槽上靠近所述第一渐扩部的一端与所述第一渐扩部的小端之间距离大于0。
2.根据权利要求1所述的钻孔工具，其特征在于：所述钻孔工具长度为L0，所述连接柄的长度为L1，所述钻头主体的长度为L2，2.5mm≤L2≤6.7mm。
3.根据权利要求1所述的钻孔工具，其特征在于：所述第四渐扩部呈锥形，且所述第四渐扩部的锥角角度为α，2°≤α≤15°。
4.根据权利要求1所述的钻孔工具，其特征在于：所述钻孔部还包括刃部，所述第四渐扩部的小端与所述刃部连接。
5.根据权利要求1所述的钻孔工具，其特征在于：所述第三渐扩部的焊接面直径为D21，
0.3mm≤D21≤0.8mm。
6.根据权利要求2‑5任一所述的钻孔工具，其特征在于：
若31mm≤L0≤32mm，则1.9mm≤D11≤2.1mm，若37mm≤L0≤40mm，则3.15mm≤D11≤
3.2mm；
其中，L0为钻孔工具的长度。
7.一种钻孔工具设计方法，其特征在于，包括：
根据钻孔工具的柄径确定初始参数模型，所述钻头工具包括连接柄和钻头主体，所述连接柄包括沿轴向连接的直柄部和第一渐扩部，所述第一渐扩部包括沿轴向连接的第二渐扩部和第三渐扩部，所述第二渐扩部和所述第三渐扩部之间设置有环形的退刀槽，所述钻头主体包括沿轴向连接的凹槽部和钻孔部，所述钻孔部包括第四渐扩部，所述第三渐扩部的小端与所述凹槽部焊接，所述初始参数模型包括多个预设参数，所述预设参数包括L1、L2、D1、D2和α，其中L1为退刀槽到焊缝的长度，L2焊缝到钻尖的长度，D1为退刀槽直径，D2为焊缝处钻头主体直径，α为所述第四渐扩部的锥角角度；
基于所述初始参数模型以一阶频率为响应进行仿真实验得到仿真结果；
根据所述仿真结果确定所述多个预设参数与一阶频率的响应关系，所述响应关系包括：当31mm≤L0≤32mm，1.9mm≤D11≤2.1mm，一阶频率f1=8274.2‑187.1*L1‑278.2*L2+
54.4*D1‑383.7*D2‑368.1*a‑214.4*(L1*L2)+67*(L1*D1)，当37mm≤L0≤40mm，3.15mm≤D11≤3.2mm,一阶频率f2=9329‑1706*L1‑2758*L2+2235*D1‑90*D2‑802*a‑45*(L1*L2)+
865*(L1*D1)+35*(L1*D2)+445*(L1*a)‑511*(L2*D1)‑44*(L2*D2)‑83*(L2*a)+338*(D1*D2)+68(D1*a)‑735(D2*a)，其中L0为钻孔工具的长度，D11为所述直柄部的直径；
根据所述响应关系确定所述多个预设参数的最佳取值规则；
基于所述最佳取值规则设计钻孔工具。
8.根据权利要求7所述的钻孔工具设计方法，其特征在于，所述根据所述仿真结果确定所述多个预设参数与一阶频率的响应关系包括：基于所述仿真结果发现不显著参数因子并剔除所述不显著参数因子；
基于剔除所述不显著参数因子后的仿真结果，进行分析因子设计得到所述多个预设参数中的显著因子；
通过响应优化器确定一阶频率最大对应的最优参数值，基于所述最优参数值和所述显著因子进行爬坡设计确定所述显著因子与一阶频率的响应关系。
9.根据权利要求8所述的钻孔工具设计方法，其特征在于，所述通过响应优化器确定一阶频率最大对应的最优参数值之前，还包括：基于剔除所述不显著参数因子后的仿真结果检查是否需要进行BOXCOX转换。 说明书 : 一种钻孔工具及钻孔工具设计方法技术领域[0001] 本发明涉及钻孔工具技术领域，尤其涉及一种钻孔工具及钻孔工具设计方法。背景技术[0002] 目前电子设备中的印制电路板的尺寸变得越来越小，印制电路板上的芯片等器件的引脚直径越来越小，连接芯片引脚的印制电路板孔的位置精度的要求越来越高。机械钻孔是印制电路板的一种成孔方法，由于机械钻孔具有加工成本低、效率高等优点，其被广泛应用在印制电路板的加工领域中。[0003] 通常，机械钻孔设备中0.01‑0.2mm等钻径的极小径微型钻头采用的是整体式硬质合金微型钻头，硬质合金钻头具有较高的抗弯强度、抗压强度等特性，保证了钻孔质量。但是，硬质合金属于不可再生资源，为了保护生态资源，采用不锈钢材料制作的尾部夹持部位和硬质合金材料制作的前端开孔部位焊接的方式制造钻头，减小了硬质合金的使用量。[0004] 然而，钻头在高速旋转以进行钻孔工作时，钻头由于离心力而产生挠曲并振摆回转的动态振动，而且对具有硬质合金制的前端开孔部和不锈钢制的尾部夹持部位进行焊接而成的复合材料接合式的钻头，硬质合金和不锈钢的弹性模量不同，在该种钻头高速旋转时会产生较大的动态振动，较大的动态振动会导致钻头的定位精度下降。复合材料接合式中的不锈钢与硬质合金焊接式的钻头难以减轻动态振动，进而难以保证钻孔精度。本发明主要针对1.9‑2.1mm(总长31.80±0.2mm)和3.15‑3.2mm(总长38.10±0.2mm)不锈钢柄径和硬质合金焊接产品的设计方法、结构参数、钻孔性能评估方法进行创新设计，缩短了原有整体合金微钻设计时间，降低生产成本，同时使得1.9‑2.1mm和3.15‑3.2mm不锈钢柄径和硬质合金焊接产品的钻孔品质与整体合金微型钻头接近，实现不锈钢柄替代硬质合金柄，节约硬质合金不可再生资源的使用量，从而减小对生态环境的影响。发明内容[0005] 有鉴于此，本发明实施例提供了一种钻孔工具及钻孔工具设计方法，可以使得由硬质合金和不锈钢焊接形成的复合材料接合式钻孔工具具备与硬质合金钻孔工具相近的性能，降低成本的同时保证钻孔精度。[0006] 第一方面，本发明实施例提供了一种钻孔工具，包括：[0007] 连接柄，由不锈钢制成，包括沿轴向连接的直柄部和第一渐扩部，所述直柄部与所述第一渐扩部的大端连接；[0008] 钻头主体，由钨钴类硬质合金材料制成，包括沿轴向连接的凹槽部和钻孔部，所述凹槽部的一端与所述第一渐扩部的小端焊接，所述凹槽部的另一端与所述钻孔部连接；[0009] 所述第一渐扩部包括沿轴向连接的第二渐扩部和第三渐扩部，所述第二渐扩部的大端与所述直柄部连接，所述第三渐扩部的大端与所述第二渐扩部的小端连接，所述第三渐扩部的小端与所述凹槽部焊接，所述第二渐扩部和所述第三渐扩部之间设置有环形的退刀槽；[0010] 所述钻孔部包括第四渐扩部，所述第四渐扩部的大端与所述凹槽部连接；[0011] 所述直柄部的直径为D11，所述凹槽部与所述第三渐扩部的焊接面直径为D21，D11＞D21；[0012] 所述凹槽部设置有减重凹槽,所述减重凹槽包括环形凹槽或螺旋凹槽，所述环形凹槽的最小直径为D22、最大直径为D23，且D22＜D21，D22＜D23，D23≤D21；[0013] 所述退刀槽的直径为D13，所述环形凹槽的最小直径处与所述第三渐扩部的大端之间距离为L′，且0＜(D13‑D22)/L′≤0.35。[0014] 可选的，在一些实施例中：所述钻孔工具长度为L0，所述连接柄的长度为L1，所述钻头主体的长度为L2，2.5mm≤L2≤6.7mm。[0015] 可选的，在一些实施例中：所述第四渐扩部呈锥形，且所述第四渐扩部的锥角角度为α，2°≤α≤15°。[0016] 可选的，在一些实施例中：所述钻孔部还包括刃部，所述第四渐扩部的小端与所述刃部连接。[0017] 可选的，在一些实施例中：所述第三渐扩部的焊接面直径为D21，0.3mm≤D21≤0.8mm。[0018] 可选的，在一些实施例中：所述螺旋凹槽成对设置且对称分布，所述螺旋凹槽的内径为D26，其中D26＜D21，且所述螺旋凹槽上靠近所述第一渐扩部的一端与所述第一渐扩部的小端之间距离大于0。[0019] 可选的，在一些实施例中：若31mm≤L0≤32mm，则1.9mm≤D11≤2.1mm，若37mm≤L0≤40mm，则3.15mm≤D11≤3.2mm。[0020] 第二方面，本发明实施例还提供了一种钻孔工具设计方法，包括：[0021] 根据钻孔工具的柄径确定初始参数模型，所述初始参数模型包括多个预设参数，所述预设参数包括L1、L2、D1、D2和a，其中L1为大斜面凹槽到焊缝的长度，L2焊缝到钻尖的长度，D1为大斜面凹槽直径，D2为焊缝处硬质合金直径，a为小斜面角度；[0022] 基于所述初始参数模型以一阶频率为响应进行仿真实验得到仿真结果；[0023] 根据所述仿真结果确定所述多个预设参数与一阶频率的响应关系，所述响应关系包括：当31mm≤L0≤32mm，1.9mm≤D11≤2.1mm，一阶频率f1＝8274.2‑187.1*L1‑278.2*L2+54.4*D1‑383.7*D2‑368.1*a‑214.4*(L1*L2)+67*(L1*D1)，当37mm≤L0≤40mm，3.15mm≤D11≤3.2mm,一阶频率f2＝9329‑1706*L1‑2758*L2+2235*D1‑90*D2‑802*a‑45*(L1*L2)+865*(L1*D1)+35*(L1*D2)+445*(L1*a)‑511*(L2*D1)‑44*(L2*D2)‑83*(L2*a)+338*(D1*D2)+68(D1*a)‑735(D2*a)，其中L0为钻孔工具的长度，D11为钻孔工具的柄径；[0024] 根据所述响应关系确定所述多个预设参数的最佳取值规则；[0025] 基于所述最佳取值规则设计钻孔工具。[0026] 可选的，在一些实施例中：所述根据所述仿真结果确定所述多个预设参数与一阶频率的响应关系包括：[0027] 基于所述仿真结果发现不显著参数因子并剔除所述不显著参数因子；[0028] 基于剔除所述不显著参数因子后的仿真结果进行分析因子设计得到所述多个预设参数中的显著因子；[0029] 通过响应优化器确定一阶频率最大对应的最优参数值，基于所述最优参数值和所述显著因子进行爬坡设计确定所述显著因子与一阶频率的响应关系。[0030] 可选的，在一些实施例中：所述通过响应优化器确定一阶频率最大对应的最优参数值之前，还包括：[0031] 基于剔除所述不显著参数因子后的仿真结果检查可能的转换。[0032] 本发明实施例提供的钻孔工具，包括两部分：由不锈钢制成的连接柄和由硬质合金制成的钻头主体，二者焊接连接，通过将钻孔工具的部分替换为不锈钢节省了硬质合金的用量，降低了钻孔工具的成本，并且，在钻头主体上设置了凹槽部，通过在凹槽部上设置减重凹槽以减轻钻头主体的重量，使得钻孔工具在高速旋转的工作状态下振动频率更高，从而与安装该钻孔工具的夹头的振动频率相差更大，避免了二者在工作时发生共振，有效的抑制了钻孔工具在工作时的动态振动，从而提高了钻孔工具的钻孔精确度；本发明实施例提供的钻孔工具设计方法，通过数据分析设计不锈钢连接柄和硬质合金钻头主体的焊接方式，通过CAE、试验设计方法及加工实际产品进行钻孔性能测评相结合，有效缩短了研发周期，并且缩短了加工工序，降低了生产成本，并且使用性能与整体硬质合金微钻相当。附图说明[0033] 图1是本发明实施例一中的一种钻孔工具的简化结构示意图；[0034] 图2是本发明实施例一中的一种钻孔工具的详细结构示意图；[0035] 图3是本发明实施例一中的另一种钻孔工具的详细结构示意图；[0036] 图4是本发明实施例二中的一种钻孔工具设计方法的流程图；[0037] 图5是本发明实施例二中的一种基础钻孔工具的结构示意图；[0038] 图6是本发明实施例二中的柄径1.9‑2.1mm钻孔工具的初始参数模型设计方案；[0039] 图7是本发明实施例二中的柄径3.15‑3.2mm钻孔工具的初始参数模型设计方案；[0040] 图8是本发明实施例二中柄径3.15‑3.2mm钻孔工具的部分仿真结果；[0041] 图9是本发明实施例二中的一种钻孔工具设计方法的子流程图；[0042] 图10是本发明实施例二中的图形化汇总图；[0043] 图11是本发明实施例二中的一阶频率与运行序散点图；[0044] 图12是本发明实施例二中的标准化效应柏拉图；[0045] 图13是本发明实施例二中的POA爬坡设计数据图；[0046] 图14是本发明实施例二提供的残差平方和vs.lambda图；[0047] 图15为本发明实施例二提供的一种一阶频率响应关系的系数和因子关系图；[0048] 图16为本发明实施例二提供的另一种一阶频率响应关系的系数和因子关系图。[0049] 主要元件符号说明[0050] 1连接柄[0051] 11直柄部[0052] 12第一渐扩部[0053] 121第二渐扩部[0054] 122第三渐扩部[0055] 123退刀槽[0056] 2钻头主体[0057] 21凹槽部[0058] 211减重凹槽[0059] 22钻孔部[0060] 221第四渐扩部[0061] 222刃部具体实施方式[0062] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。[0063] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。[0064] 此外，术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种方向、动作、步骤或元件等，但这些方向、动作、步骤或元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个方向、动作、步骤或元件与另一个方向、动作、步骤或元件区分。举例来说，在不脱离本发明的范围的情况下，可以将第一连接端称为第二连接端，且类似地，可将第二连接端称为第一连接端。第一连接端和第二连接端两者都是连接端，但其不是同一连接端，具体的，二者可以为一个输入端，另一个为输出端，也可以都是输入端/输出端。术语“第一”、“第二”等而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。需要说明的是，当部被称为“固定于”另一个部，它可以直接在另一个部上也可以存在居中的部。当一个部被认为是“连接”到另一个部，它可以是直接连接到另一个部或者可能同时存在居中部。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述，只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。[0065] 实施例一[0066] 本发明实施例一提供的了一种钻孔工具，该钻孔工具能够应用于各种印制电路板的板孔加工过程，例如手机等移动终端的主板的加工过程，图1为本实施例提供的钻孔工具的简化示意图，包括：[0067] 连接柄1，由不锈钢制成，包括沿轴向连接的直柄部11和第一渐扩部12，所述直柄部11与所述第一渐扩部12的大端连接。也即，整体而言第一渐扩部12越靠近直柄部11其直径越大。[0068] 钻头主体2，由钨钴类硬质合金材料制成，包括沿轴向连接的凹槽部21和钻孔部22，所述凹槽部21的一端与所述第一渐扩部12的小端焊接，所述凹槽部21的另一端与所述钻孔部22连接，所述凹槽部21设置有减重凹槽211。[0069] 其中，所述直柄部11的直径为D11，所述凹槽部21与所述第一渐扩部12的焊接面直径为D21，D11＞D21。[0070] 本实施例中，钻孔工具包括两部分：由不锈钢制成的连接柄1和由硬质合金制成的钻头主体2，二者焊接连接，通过将钻孔工具的部分替换为不锈钢节省了硬质合金的用量，降低了钻孔工具的成本，并且，本实施例在钻头主体2上设置了凹槽部21，通过在凹槽部21上设置减重凹槽211以减轻钻头主体2的重量，使得钻孔工具在高速旋转的工作状态下振动频率更高，从而与安装该钻孔工具的夹头的振动频率相差更大，避免了二者在工作时发生共振，有效的抑制了钻孔工具在工作时的动态振动，从而提高了钻孔工具的钻孔精确度。[0071] 如图2所示，为本实施例提供的钻孔工具的具体结构示意图，其中，所述第一渐扩部12包括沿轴向连接的第二渐扩部121和第三渐扩部122，所述第二渐扩部121的大端与所述直柄部11连接，所述第三渐扩部122的大端与所述第二渐扩部121的小端连接，所述第二渐扩部121的小端与所述凹槽部21焊接，所述第二渐扩部121和所述第三渐扩部122之间设置有环形的退刀槽123。本实施例中设置的退刀槽123能够避免使用第三渐扩部122进行加工时形成台阶，台阶会降低钻孔工具的抗振能力，因此本实施例通过退刀槽123进一步抑制了钻孔工具在工作时的动态振动。[0072] 其中，第二渐扩部121的小端直径为D12，退刀槽123的最小直径为D13，第三渐扩部122的大端直径为D14，D13＜D12且D13＜D14。[0073] 所述钻孔部22包括第四渐扩部221和刃部222，所述第四渐扩部221的大端与所述凹槽部21连接，所述第四渐扩部221的小端与所述刃部222连接。其中，刃部222的直径与所述第四渐扩部221的小端直径相等，通常情况下刃部222的直径D25满足0.01mm≤D25≤0.6mm。[0074] 本实施例中，减重凹槽211主要包括两种结构：[0075] 第一种，即如图1和/或图2所示，所述减重凹槽211包括一个或多个环形凹槽，所述环形凹槽的最小直径为D22、最大直径为D23，且D22＜D21，D22＜D23，D23≤D21。[0076] 进一步的，在采用环形凹槽的实施例中，所述退刀槽123的直径为D13，所述环形凹槽的最小直径处与所述第三渐扩部122的大端之间距离为L′，且0＜(D13‑D22)/L′≤0.35。[0077] 第二种，如图3所示，为本实施例提供的另一种钻孔工具的具体结构示意图，所述减重凹槽211包括成对设置且对称分布的螺旋凹槽，所述螺旋凹槽的内径为D26，其中D26＜D21，且所述螺旋凹槽上靠近所述第二渐扩部121的一端与所述第二渐扩部121的小端之间距离L″大于0。[0078] 下面以一些具体示例对钻孔工具的尺寸做进一步解释，进一步的，在一些实施例中：[0079] 所述钻孔工具的长度为L0，当31mm≤L0≤32mm，1.9mm≤D11≤2.1mm，当37mm≤L0≤40mm，3.15mm≤D11≤3.2mm。[0080] 以当31mm≤L0≤32mm为例，大斜面凹槽到焊缝的长度为L1，钻头主体2的长度为L2，钻孔部22的长度为L22，2.5mm≤L22≤6.7mm，第二渐扩部121的小端直径为D12，退刀槽123的直径为D13，1.2mm≤D13≤1.8mm，第三渐扩部122为锥形，其锥角角度为β，3°≤β≤6°焊接面直径D21(也即第三渐扩部122的小端直径)满足0.3mm≤D21≤0.8mm，第四渐扩部221为锥形，其大端直径为D24，其锥角角度为α，2°≤α≤15°。[0081] 本实施例给出了减重凹槽211的两种结构，考虑到不同尺寸和不同结构的减重凹槽对钻孔工具的性能有一定影响，例如环形凹槽的最小直径过小可能会导致钻孔工具的强度不够容易损坏，因此实际需要根据减重凹槽的加工难度、减重要求等实际情况自行设计合适的减重凹槽，本实施例还给出了钻孔工具中各个部件的具体尺寸要求以及示例，进一步示出了钻孔工具的具体结构。[0082] 实施例二[0083] 本发明实施例四提供了一种钻孔工具设计方法，其能够设计如本发明任一实施例所提供的钻孔工具，如图4所示，该方法具体包括：[0084] S410、根据钻孔工具的柄径确定初始参数模型，所述初始参数模型包括多个预设参数。[0085] 本实施例中，多个预设参数主要包括5个因子：以图5所示的基础钻孔工具为例，包括L1、L2、D1、D2和a，其中L1为大斜面凹槽到焊缝的长度，L2焊缝到钻尖的长度，D1为大斜面凹槽直径，D2为焊缝处硬质合金直径，a为小斜面角度。[0086] 在确定初始参数模型时，构建包括5个因子2水平加3个中心点的初始参数模型，其中具体的数值与钻孔工具的柄径有关，柄径即连接柄的直柄部直径，图6和图7所示为两种柄径(图6为柄径1.9‑2.1mm钻孔工具的初始参数模型设计方案，图7为柄径3.15‑3.2mm钻孔工具的初始参数模型设计方案)的初始参数模型设计方案，其中低、高表示2水平，例如L1的低水平取值3，高水平取值6，中心点即为5个因子中的部分因子取低水平和高水平之间的中间值，例如L1取4.5，具体设置中心点需要哪几个因子取中间值可以自行定义。[0087] S420、基于所述初始参数模型以一阶频率为响应进行仿真实验得到仿真结果。[0088] 一阶频率即初始模型中钻孔工具在模拟工作时的振动频率，基于上述初始参数模型取不同的参数值进行仿真实验即可得到与参数对应的钻孔工具的振动频率，具体的，图8为柄径3.15‑3.2mm钻孔工具的部分仿真结果，图8中C3列中1表示非中心点，0表示中心点，C4列表示本实施例中仅分为1个区组，C5列、C6列、C7列、C8列和C9列分别表示L1、L2、D1、D2和a的取值，C10列表示仿真结果中的一阶频率数值。[0089] S430、根据所述仿真结果确定所述多个预设参数与一阶频率的响应关系。[0090] 步骤S430为数据分析步骤，其基于步骤S420中的仿真结果分析上述5个因子对一阶频率的响应关系，基于前述实施例可以理解的是，本实施例中钻孔工具的设计目标是一阶频率越大越好，一阶频率越大钻孔工具与机床零件(主要是夹头)越不可能发生共振，因此步骤S430实际目的是通过数据分析挖掘出对增大一阶频率影响较大的因子。[0091] 具体的，本实施例中通过分析因子设计与标准化效应柏拉图(Pareto图)分析不同因子与一阶频率的响应关系，并逐步筛选出影响较大的因子，得到显著因子，实际也即对初始参数模型的简化，剔除影响较低的因子，最后确定显著因子与一阶频率的响应关系。[0092] 具体的，如图9所示，为步骤S430的进一步细分，包括步骤S431‑433：[0093] S431、基于所述仿真结果发现不显著参数因子数据并剔除所述发现不显著参数因子数据。[0094] 本步骤是对仿真结果进行观察，以检查仿真实验的数据中是否存在着不应该有的时间趋势，具体的，本实施例中主要进行正态性检验和运行序散点图检验，如图10所示为本实施例中对仿真结果进行的图形化汇总图，根据图示，正态性检验P值大于0.05，图11为本实施例中根据仿真结果生成的一阶频率与运行序散点图，其中中心点0一阶频率偏差很小，因此本实施例中仿真结果不存在异常数据。也即本步骤中剔除异常数据后的仿真结果仍是步骤S420得到的仿真结果。[0095] S432、基于剔除所述异常数据后的仿真结果进行分析因子设计得到所述多个预设参数中的显著因子。[0096] 步骤S432为根据剔除所述异常数据后的仿真结果筛选显著因子的过程，本步骤实际是对模型的简化，本实施例中仅考虑了5个因子的作用和2交互的作用，而对3交互及更高阶因子的交互作用没有考虑，其标准化效应柏拉图如图12所示，图12中横坐标表示效应值，效应值越高对应因子与一阶频率的响应关系越密切，也即代表其实显著因子，本实施例中将效应值为3.18以上的因子和交互保留。[0097] S433、通过响应优化器确定一阶频率最大对应的最优参数值，基于所述最优参数值和所述显著因子进行爬坡设计确定所述显著因子与一阶频率的响应关系。[0098] 步骤S432提取显著因子后得到的实际是简化后的模型，步骤S433就是对该简化后的模型进行诠释，具体在本实施例中，通过调用响应优化器，以一阶频率望大，以确定一届频率最大时对应的最优参数值，以柄径3.15‑3.2mm钻孔工具为例，其计算得到的最优参数值为L1为3mm，L2为5.4mm，D1为1.8mm，D2为0.9mm，a为8°。根据最优参数值进行POA爬坡设计，如图13为POA爬坡设计数据图，结合显著因子排序从高到低为L2、D1、L1、L1*D1(交互)、a、D2*a(交互)、L2*D1(交互)、L1*a(交互)、D2，能够进一步确定提高一阶频率时，各个显著因子与一阶频率的响应关系。[0099] 为了便于理解，在一些具体示例中，给出了多个预设参数与一阶频率的具体相应关系式，以当31mm≤L0≤32mm，1.9mm≤D11≤2.1mm为例，其一阶频率f1＝8274.2‑187.1*L1‑278.2*L2+54.4*D1‑383.7*D2‑368.1*a‑214.4*(L1*L2)+67*(L1*D1)，其中各项系数和因子的关系如图14所示，再以37mm≤L0≤40mm，3.15mm≤D11≤3.2mm为例，其一阶频率f2＝9329‑1706*L1‑2758*L2+2235*D1‑90*D2‑802*a‑45*(L1*L2)+865*(L1*D1)+35*(L1*D2)+445*(L1*a)‑511*(L2*D1)‑44*(L2*D2)‑83*(L2*a)+338*(D1*D2)+68(D1*a)‑735(D2*a),其中各项系数和因子的关系如图16所示，其中L0为钻孔工具的长度，D11为钻孔工具的柄径。[0100] S440、根据所述响应关系确定所述多个预设参数的最佳取值规则。[0101] 基于步骤S433的响应关系，可以得出，在提高一阶频率时，L2的长度越来越短，a的角度由大减小，因此预设参数的最佳取值规则为在保证焊接面积的前提下，减轻前端硬质合金(也即钻头本体)的重量。[0102] S450、基于所述最佳参数模型设计钻孔工具。[0103] 基于步骤S440中得出的最佳取值规则，在设计钻孔工具时，以减轻前端钻头本体的质量为准则，提供了在钻头本体切凹槽、磨对称螺旋凹槽以及缩短L2长度的方式。考虑到当L2长度过短时，加工难度以及废品率较高，本实施例中优选的采用在钻头本体切凹槽以及磨对称螺旋凹槽两种优化方案降低钻头本体的质量。[0104] 更具体的，在一些实施例中，在通过响应优化器确定一阶频率最大对应的最优参数值之前，还包括步骤S400(图未示)：[0105] S400、基于剔除所述异常数据后的仿真结果检查可能的转换。[0106] 步骤S400是基于剔除所述异常数据后的仿真结果调用BoxCoxReg.Mac宏文件得到的残差平方和vs.lambda(λ)图进行的分析，如图14所示，在‑2到+2范围内，当λ＝1时最小值虚线以下，不需要进行BOXCOX转换，也即检查可能的转换结果为无需进行转换，表示不具备比步骤S432简化后的模型更好的模型。[0107] 更具体的，在一些实施例中，在完成了钻孔工具的设计后，还包括进行钻孔实验验证钻孔工具性能的步骤：制造规格相同的全硬质合金的第一钻孔工具以及采用步骤S450两种优化方案的第二钻孔工具，分别使用第一钻孔工具和第二钻孔工具进行钻孔实验，比较二者的孔位精度。经实际测验，二者的钻孔精度接近，例如钻针型号为H229USF0.105‑1.8的CPK为2.599，而钻针型号为A229USF0.105‑1.8的CPK为2.526。[0108] 本实施例提供了一种钻孔工具设计方法，通过数据分析设计不锈钢连接柄和硬质合金钻头主体的焊接方式，通过CAE、试验设计方法及加工实际产品进行钻孔性能测评相结合，有效缩短了研发周期，并且缩短了加工工序，降低了生产成本，并且使用性能与整体硬质合金微钻相当。[0109] 在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“其他实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。[0110] 注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

专利地区：广东

专利申请日期：2021-10-28

专利公开日期：2024-07-26

专利公告号：CN113878148B