一种改进的内排屑深孔钻头

4 刀片材质的选择
目前，国内内排屑深孔钻刀片材料主要选 用硬质合金。 硬质合金的种类和牌号很多，除 普通硬质合金 (YG 类、YT 类、YW 类)外，发展了 许多新型硬质合金，如细晶粒和超细晶粒硬质 合 金 (YG6X、YD15)、 表 面 涂 层 硬 质 合 金 (YB120)、添加稀土元素的硬质合金(YW1R)等 等。 国内常用于内排屑深孔钻的刀片材料的牌 号主要是 YG8、YT15、YT798 和 YW1 等。
几何参数设计的不合理性主要表现在： （1）锋角 f 较小，钻尖较高 因锋角较小， 各刀齿在钻头锥面上沿半 径依次排列时， 刀齿间的轴向高度差相对较 大。 故在入钻、出钻阶段，中心齿要单独承受 较大的轴向力和径向力，使切削振动较大，定 心效果差，易产生硬质合金崩刃现象。 钻尖高度是指钻头的钻尖点到导向块前 端的轴向距离， 见图 1 中的 h。 钻尖高度越 大，入钻和出钻的时间就越长，不稳定钻削时 间也越长。 由于位于钻尖的中心齿切削速度 较低，切削力大，挤压摩擦严重，卷屑、断屑困 难，定心、导向较差。入钻时单刃独立作业，容 易产生摇晃，导致断齿或崩刃。 另外，出钻时 不易形成“切削帽”，钻尖首先钻穿工件，失去 孔底的反锥尖定心作用（见图 2），钻削力突 然失去平衡，钻头晃动突然加剧，非常容易崩 刃（特别是外齿）。
采用我公司自制的深孔钻床， 工件材料 为 45Cr1Mo1V 合金钢， 硬度 HRC 28~32，钻 头直径为准59 mm。 采用主铀（工件）转速 n= 43 r/min， 钻 头 转 速 n= 43r/min， 进 给 量 vf= 0.01~0.03 mm/r。 随着进给量增加，新型深孔 钻头切削力增加较为缓慢，如当 f=0.03 mm/r 时， 新型深孔钻头比普通型的深孔钻头的扭 矩轴向力和扭矩减小，机床电流负荷降低 10 %；由此可以看出，新型深孔钻头在大进给量 的切削过程中，切削更轻快平稳。
图 10 8 吋潜孔冲击器结构
塞的重量比为 1：1 左右，以保证最佳的能量传 递。 钻头与前接头的连接为花键连接。 冲击器 与钻杆的连接多数为锥形螺纹连接。
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削力变化较大， 刀片选择与钻削材料不协调 等缺陷。这些缺陷造成钻头钻削稳定性不够， 耐用度差，钻孔效率和钻孔质量低。
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定心反锥
定心 环形凸筋
图 2 加工孔底的形状
（2） 中 间 齿 、 外 齿 的 刀 尖 角 较 小 ， 尖 角 突 出，强度降低，一旦尖角出现磨损，齿间的搭 接量就遭到破坏，容易造成崩齿，导致上述现 象及扭钻事故。
（3）内刃偏角小。钻削时孔底反锥高度较 低，定心作用减弱，容易引发切削振动，钻孔 质量差，或影响钻头使用寿命。
（2）改中间齿为尖齿。 为了提高钻削稳定
凿 岩 机 械 气 动 工 具 ，2009（1）
性，我们将中间齿设计为尖齿（见图 1）。 切削
时，中间齿在孔底形成环形凸筋，与内折线刃
在孔底形成的反锥（见图 2）同时起到定心、稳
定钻削的作用。
（3）增加减振块。 普通深孔钻大都采用两
个导向块，与钻头外齿副刃基本上在 180°内布
钻头刃型数对屑形的影响： （1）圆弧刃半径 R R 过小，形成分屑点尖角小，切屑易分开， 外刃出带状屑，圆弧刃出扇面块状屑。 R 过大，形成分屑点尖角大，圆弧刃屑易 连成一体，形成短的螺旋扇面形屑。 R 适中，外刃流屑方向与相临圆弧刃后流 向夹角较小，时连时分，此时正是生成“c”字形 屑的条件。 最佳角与材料韧性、切屑厚度等因 素有关，不是常数。 可通过试验找出最佳值。 （2）内、外刃高度差 Δh 圆弧刃较深时，外刃与圆弧刃形成自然分 屑点，外刃出带状屑，圆弧刃出块状屑。 圆弧刃 较浅时， 外刃与圆弧刃形不成自然分屑点，切 屑连成一体生成短的螺旋扇面形屑。 圆弧刃深度用内外刃垂直高度差 Δh 来控 制，较为合适的 Δh 值，应根据材料情况和进给 量由试验确定。 （3）外刃锋角 外刃锋角 f 过小时（ f<125°）难以磨出适宜 尖角。 切屑易卷在容屑槽内，不宜排除。 实验表
普通的准50-准72 mm 深孔钻头，可分为 3 刃或 5 刃结构，外齿、内齿和中间齿不在同一 锥面上，因此有比较好的分屑效果，因此得到
技术中心，对钻头的设计，开展了系统的研究 广泛的应用。但存在几何参数设计不合理，切
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该钻头钻削一般钢材时 vc= 70 ~100 m /s ， f = 0.15 ~ 0.30 mm /r 目前，常采用静力学中“稳定度”的概念作 为合理布置导向块位置的理论依据。 稳定度在 这里是指以所要考察的那个导向块作为支点， 使非考察的那个导向块压向孔壁的力矩与使 非考察的那个导向块脱离孔壁的力矩的比值。 这样，一个钻头就有两个稳定度，对于整个钻 头的稳定度，应该把两者中最小的作为该钻头 的稳定度 s，s 值越大，钻削稳定性越好，即 s > 1 时，钻头处于稳定状态；s = 1 时，钻头处于临界 状态；s<1 时，钻头处于不稳定状态。 其它参数不再赘述，详见图 3。 改进后的钻头，应用效果良好。
（4）导向块位置的影响。深孔钻利用外齿 副刃和两个导向块三点定圆自行导向进行切 削。导向块必须始终保持与已加工孔壁接触， 并有一定的压力存在， 才能保证加工过程的 稳定性。
2 提高钻头稳定性途径的研究
消除或减小前述各因素的影响即可提高 钻削稳定性。 本文主要从深孔钻头结构等方 面进行了改进研究 （改进的钻头详见图 1）。 与普通钻头相比进行了以下改进。
高的强度、硬度、耐磨性和红硬性；内排 屑深孔钻钻削时切削力大，切削温度高，钻削 刀刃的磨料磨损、 扩散磨损乃至氧化磨损都 较严重， 尤其当工件中存在一些硬质化合物 时，磨损更加严重，所以要求刀具材料的硬度 高于被加工材料的硬度， 能在高温下保持高 的硬度，有好的耐磨性和耐用度。
抗冲击性强；内排屑深孔钻削时刀具易崩 刃和扭断，故刀片材料应具有强抗冲击性。
法对铸造钢坯进行加工后轧制， 因此我们制 造了 10 余台内排屑深孔钻床，每天要消耗大 量的准50-准72 mm 焊接齿内排屑普通深孔钻 头。普通的内排屑焊接齿深孔钻头，普遍存在
的内排屑深孔钻头(以下简称钻头)。 本文基 于钻头的研制和实验，予以介绍。
1 普通钻头存在的问题
一些技术设计问题，致使钻头早期破损失效， 消耗大、效率低。因此钻孔成了制约轧钢生产 的“瓶颈”工序。为此，我们钎钢钎具工程研究
刃上方与之成 90°的位置（见图 3）。在正常切削
时，切削合力指向两导向块之间，使导向块紧
贴己加工孔壁，起导向作用，而减 振块位于后
端， 刃齿有倒锥使与己加工孔壁有一定的间
隙，不起作用；当钻削力失去平衡发生振动，产
生偏离导向块方向的位移时， 减振块才起作
用，可以减振、消振，保护刀刃和提高加工孔的
形状精度。
（1）增大了钻头锋角，降低钻尖高度。 这 是通过加大偏心量、 将中心齿的内刃磨成两 条折线刃来实现的。 其特点是:可以有效地降 低钻尖高度（图 1 中的钻尖由 h1 降低到 h2）， 缩短入钻和出钻的时间。入钻时，中心齿和中 间齿几乎同时切入工件， 入钻后很快就可以 进入正常切削状态;出钻时，切削帽减薄，各 刀齿上切削力几乎同时消失， 有效地提高了 入钻和出钻过程的钻削稳定性。另外，内折线 刃还增大了中心齿的散热体积和钻尖强度。
内排屑深孔钻削是在封闭或半封闭的状 况下进行，切削热不易传散，排屑困难，工艺 系统刚性差。 当钻削中产生切屑不断或排屑 不畅引起堵塞时，常会崩刃或扭断钻杆；当钻 削中冷却液进不到切削区，造成冷却润滑不 良时，刀具温度急剧上升，加速刀具磨损，随 着钻孔的深度增加，刀具悬伸量增大，钻削时
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的工艺系统刚性也随之降低。所有这些，对合 理选择内排屑深孔钻刀具的刀片材料提出了 一些特别的要求：
（5）减 小 导 向 块 与 刀 体 之 间 的 高 度 ， 提 高 导向块的抗弯强度。
（6）为 了 增 大 冷 却 流 液 面 积 ， 在 刀 体 上 铣 有半圆形输液槽，从而可使流液面积增大 20% ~ 30%，增大冷却液流量，以增强钻削过程中的 冷却润滑效果。
3 刀具几何参数
切削塑性金属时，断屑是需要解决的主要 矛盾。 为有利于断屑，应尽可能增大切屑的基 本变形和附加变形。 此外，随着切屑在前刀面 上流动，其底层受到挤压，晶粒被拉长，造成切 屑底部膨胀，促使切屑进一步弯曲变形，引起 切屑卷曲。
（4）除 外 齿 与 外 缘 一 侧 为 尖 角 外 ， 其 余 刀
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中间尖齿
15°
146°
中心齿
减震块
5°
5°
6°
外刀齿
图 3 改进的深孔钻头 凿 岩 机 械 气 动 工 具 ，2009（1）
齿都进行了倒角， 同时带有 6°~12°的侧后角， 消除了尖角，增大了刀齿的散热体积，同时也 增强了刀齿强度，不易崩刃，有利于提高钻头 的耐用度。
置，稳定度 s > l，当切削力波动不大时，可以保
证钻削过程稳定。 但是，由于作导向的已加工
孔表面有圆度误差，以及工件材质不均，特别
是入钻和出钻， 难免在钻削过程中引起振动，
尤其是扭振，使钻头以某一个导向块为支点转
动。 这种情况，普通深孔钻无法抑制。 为此，我
们在钻头体后端增设一减振块，布置 在外齿刀
内排屑深孔钻刀片材料的合理选择，同常 规切削加工相似，对不同材料的钻削，钻头刀 片材料的选择也有所不同。
对普通碳钢和合金结构钢的钻削， 刀片 材料牌号的选择一般为： 导向块用 YT15，钻 头外刃刀齿用 YT789， 中间刀齿和中心刀齿 用 YT789 或 YG8。
5 实验验证
为了验证新型钻头的切削性能，进行了批 量零件的钻削试验， 以测试新型钻头的耐用 度、加工质量以及加工效率。