高精度深长孔加工方法

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高精度深长孔的精密加工

一、历史背景

枪钻与内排屑深孔钻两种加工孔的刀具分别出现于20世纪30年代初和40年代初的欧洲兵工厂，这并非历史的偶然。其主要历史背景是：

一次世界大战（1914〜1918年）首次使战争扩大到世界规模。帝国主义列强为瓜分殖民地而需要大量现代化的枪炮（特别是枪械和小口径火炮的需求量极大）。而继

续使用传统的扁钻、麻花钻、单刃炮钻，已经完全不能满足大量生产新式武器的要求，迫切需要进行根本性的技术更新。于是高精度深长孔的制造就成为了一个摆在制造者

面前的一个首要问题，并且一直延续到了现今。

第一次世界大战中的火炮

二、传统加工工艺及存在的问题

在现代机械加工中，也经常会遇到一些深孔的加工，例如长径比(L/D)≥10，精度

要求高，内孔粗糙度一般为Ra0.4～0.8的典型深孔零件，过去我们采用的传统工艺路线一般是：钻孔(加长标准麻花钻)→扩孔(双刃镗扩孔刀)→铰孔(标准六刃铰刀)→研磨

此工艺虽可达到精度要求，但也存在诸多缺点，特别是在最初工序采用加长麻花

钻钻孔时，切削刃越靠近中心，前脚就越大。若钻头刚性差，则震动更大，表面形状

误差难以控制，加工后孔的直线度误差，钻头易产生不均匀的磨损等现象，生产效率

和产品合格率低，而且研磨抛光时，工作环境比较脏，由于钻孔工序的缺点，而带来

的影响难以在后面的工序中克服，形状误差不能得以修正，因此加工质量差。

传统深孔的加工流程

三、工艺路线与刀具的改进

本着提高生产效率提高产品合格率的原则，结合深孔加工的一些特性，对加工工艺及刀具进行了改进，改进后的工艺路线是：钻孔(BTA钻)→扩孔(BTA扩)→铰孔(单刃铰刀)→研磨

1、钻孔与扩孔刀具及工艺的改进

单管内排屑深孔钻的由来

单管内排屑深孔钻产生于枪钻之后。其历史背景是:枪钻的发明，使小深孔加工中自动冷却润滑排屑和自导向问题获得了满意的解决，但由于存在钻头与钻杆难于快速拆装更换和钻杆刚性不足、进给量受到严格限制等先天缺陷，而不适用于较大直径深孔的加工。如能改为内排屑，则可以保持钻头和枪杆为中空圆柱体，使钻头快速拆装和提高刀具刚性问题同时得到解决。

20世纪内排屑深孔钻的发展，可概括出以下6项里程碑式的成果：

①单出屑口单管内排肩深孔钻基本结构的形成。

②用硬质合金取代工具钢和高速钢做切削刃及导向条，使加工效率大幅度提髙。

③由单出屑口单切削刃发展成双出屑口的错齿结构。

④错齿焊接式结构进一步发展为硬质合金刀片机夹结构，最后发展为机夹可转位涂层刀片结构并实现了专业化制造。

⑤双管喷吸钻和DF系统喷吸钻的问世。

⑥SIED抽屑器和SIED刀具系列的发明。

最初的内排屑深孔钻结

构有三种模式。图2.1是由

双刃麻花钻演变而成的内排

屑莫尔斯钻头。为了易于排

屑，在麻花钻的对称切削刃

后刀面上磨出间隔有序的分

屑刃。这种钻头的柄部由于和刀杆同属圆柱体，可以很方便地实现可快速拆装的方牙

螺纹连接。为了保持钻头与钻杆的同轴度，同时在受力情况下有足够的结合刚度，在

连接螺纹的前后方各设一个互相同轴的短圆柱面（俗称“制口”）。这种可拆卸的钻

柄结构，一举克服了枪钻与钻杆不可拆卸的弊端，成为内排屑深孔刀具柄部的通用模式。

图2.2为一种比莫尔斯钻更

加完善的内排屑深孔钻头（又名

“维列梅丘克整体深孔钻”）。

钻头由整体的合金工具钢或高速

钢制成，其切削刃部继承了枪钻

的单边刃自导向结构，柄部则借

鉴了莫尔斯钻头和枪钻：当钻头

直径大于22mm时采用方牙螺纹

连接;钻头直径小于等于22mm时

采用钻柄与钻杆对焊。这种钻头

曾采用两种分屑方法以克服排屑

故障：图2.2(a)为在后刀面磨出

分屑刃(二三个）；图2.2(b)_为在前刀面磨出分削刃，其中前者应用最多。直到20世纪末,我国和国外一些兵工厂都仍有其应用，可认为它是现代内排屑深孔钻的原创结构。这种内排屑深孔钻的最

大缺点是制造成本高，

而且工效低(平均切削

速度不超过20m/min)，

不易重磨。

到二战后期的1942年,

德国人Beisner设计出

一种带3片硬质合金镶

片(一片为切削刃，其余2片为导向条）组成的单出屑口内排屑深孔钻(图2.3)。其外

刃后刀面上磨出一二个分屑刃，外刃前刀面磨有断屑台。钻头有一个封闭的空腔，后

部有制口和方牙螺纹，与钻杆相应的外制口和外方牙螺纹构成快速连接副。

直到Beisnei钻头的出现，内排屑深孔钻都是单出屑口的结构。这种内排屑钻头

的明显优点在于钻头和枪杆的快速拆卸功能和远大于枪钻的刚度，因而可以采用更大

的进给量，工效高于枪钻。但在实际应用中很快就暴露出以下各种缺陷：钻头出屑口

通道面积不足，对切屑的宽度和形态要求苛刻，必须根据工件材质的变化刃磨出与之

相适应的断屑台（高度、宽度和过渡圆角R，使切屑成为“C”形，并且_屑宽度不大

于钻头直径的1/3。曾经有不少史料报道过这种单出屑口的内排屑硬质合金深孔钻的

极限加工记录(例如，最小钻孔直径达令6mm，达到的钻孔深度超过孔径的300倍等）。但是，这些实验记录与生产实践中的应用效果并不能相提并论。要求操作人员

根据不同的工件材质、钻头直径、进给量大小相应地控制断屑台尺寸参数和分屑刃参数，并且在切削刃重磨时，保持断屑台的参数不变，这在实践中几乎是行不通的。基

于上述原因，当时欧洲的跨国研究机构“钻镗孔与套料协会"对这种内排屑钻头加以总结后，推出了由双出屑口单管内排屑深孔钻和扩孔钻、套料钻三种内排屑深孔刀具组

成的BTA刀具系列。20世纪60年代后，BTA刀具基本上由瑞典

SANDVIK/COROMANT公司独

家生产，单出屑口的实体钻结构

一律由双出屑口结构取代，又称

为STS(Single-TubeSystem,单

管钻）钻头。

STS钻采用

Φ18.4~Φ65mm焊接刀片结构，

Φ65~Φ180mm的大直径钻头采

取机夹可转位刀片的组装结构，

分别见图2.4(a)、2.4(b)。

焊接刀片型BTA钻原来为可重磨式，其切削刀片和导向条较长。但由于断屑台的刃磨涉及工件材质、进给量等复杂因素，加上刀具为错齿结构，中间齿的切削刃与其

他齿的切削刃不在一个圆锥面上(关于这方面的论述，详见本章以下各节），因而一般企业用户基本不具备重磨条件，不得不在一次使用后尚可重磨的情况下将钻头报废。20世纪80年代后，这种焊片式钻头一律改为短刀齿的一次性使用（Disposible)产品。

BTA扩钻由BTA实体钻所派生，其排屑方法与实体钻相同。BTA扩钻的主要用途是对工件已有的粗孔（无缝管孔、铸孔等）进行加工，也可对已钻出的较小孔进行扩大。