高精度深长孔的精密加工方法

高精度深长孔的精密加工法一、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。

目前，以商品形式提供的BTA扩钻，一律采用机夹可转位刀片型结构,仅有一片刀齿，见图2.5。

直径大于100mm的扩钻，则设计成一种结构更复杂的直径可调式机夹结构。

图2.6为BTA套料钻，其直径为Φ120~Φ250mm,可套出料心Φ32.5~Φ142.5mm,全部为机夹可转位结构。

套料钻用于在大型棒料上钻出Φ120mm以上的深孔。

2、BTA刀具的工作原理单管内排屑深孔机床的基本配置见图2.7。

不论是实体钻、扩钻或套料钻，都采用相同的供油和排屑方式。

钻头的柄部有方牙螺纹与钻杆相连接。

具有一定压力的切削液进人输油器5后通过钻杆外部的环状空隙流向切削刃部（钻杆与输油器的右端有密封），将切削刃上形成的切屑反向压人钻头的出屑口，经钻杆的中空内腔向后排出，直至积屑盘。

切削液经过滤网回落到油箱中，经过若干层过滤网后，重新被供油泵抽出，反复使用。

20世纪70年代以前，内排屑深孔钻床主要用于加工管形工件，绝大多数深孔机床属于主轴（带工件）旋转、刀具进给或刀具与主轴反向旋转工件进给的运动方式。

80年代以后，在固定工件上钻系列孔、坐标孔的事例越来越多，工件固定、刀具旋转并进给的内排屑深孔机床已经很常见。

图2.8(a)、(b)、(c)分别示出BTA实体钻、扩孔钻和套料钻的供油和出屑情况。

图中箭头表示切削液进人通道和切屑排出通道的走向。

图2.9为输油器(或称油压头）的示意图。

输油器是内排屑深孔钻床上一个十分重要的部件（也称辅具），它同时要承担以下三项重要功能。

①将高压切削液输向钻头切削刃，以完成冷却、润滑和排屑三重使命。

由图可见，切削液从输油器中间的孔口进人空腔后，由于其右方是封闭的，切削液只能向左通过钻套与钻杆之间的环状空隙和切削刃与导向条之间的空隙流向切削刃部，然后将切屑以反方向推入钻头出屑口，进人钻杆内腔并向后排出。

②对工件定心和实行轴向夹紧。

③对钻头进行导向。

以上②、③两项功能一般都由钻套来完成。

钻套的外部与车床的尾顶尖相似，通常加工成60°锥面，而内腔为钻头导向孔。

钻套的内外径须高度精确同轴，轴的中心线与主轴中心严格保持一致。

钻套孔与钻头之间的间隙必须严格控制。

这种兼有工件后顶尖作用的导向套，又称空心顶尖，是棒料毛坯钻深孔时常见的一种定位和钻头导向方法。

采用这种定位方法的棒料，在钻深孔之前一般应先切平端面，预钻顶尖孔并粗车外圆，以保证在工件旋转情况下不发生振摆。

推荐采用图2.10所示三种顶尖孔型式之一。

当工件过重、过长或弯曲度较中心架大时，不适于采用带有外锥的空心顶尖。

常见的对策有两种：①工件钻人端支承在中心架上，用带有平头端面和密封环的钻套顶紧工件的端面（图2.11)。

工件旋转时，钻套也随之旋转。

采用本方案时，工件的后端必须切平，与中心架接触的外圆部分应先行预车。

②将工件钻人端的外部车出60°锥面，在输油器前端相应置带有60°内锥的定位套，见图2.12。

钻套内径与钻头之间的间隙，对深孔钻切入阶段的正常工作有重大影响，间隙过大还会加大钻头走偏。

根据国内外的实践经验，对于Φ50mm以下的钻头，新钻头与新钻套之间的直径差应不大于0.01mm;已磨损的钻套，其直径的最大磨损量应控制在0.005mm范围内。

Φ50rnm以上的钻头与新钻套之间的间隙应不大于0.02mm,钻套的直径磨损量应不大于0.01mm。

为此，应从钻头直径和钻套内径两方面加以保证。

Φ50mm以内的钻头，其直径公差不大于0.005mm,Φ50mm以上的钻头不大于0.01mm。

钻套内径一般经研磨而成，新钻套的内径应允许尺寸为钻头直径上限的柱塞规刚刚能通过。

钻套的内外径应严格同轴。

—般是先研出钻套孔，再以孔为基准，套在锥度心棒上磨出外圆。

输油器后端与钻杆的密封也很重要。

除了保证切削液不泄露这一基本功能以外，密封件实际上还起到钻杆辅助支承的作用。

密封件因磨损而必须及时调节或更换，当更换不同直径的钻杆时，需相应地换装不同直径的密封件。

因此，换装密封件是否方便快速，将直接影响机床的工作效率。

装配好的输油器，其钻套中心线应与机床主轴的回转中心严格保持一致。

在深孔钻削工序的精度指标中，钻孔偏移量常常是受普遍重视的一项技术指标。

对于缸体类零件来说，走偏量越大，工件毛坯的外径必须按走偏量的2倍增大其毛坯余量，否则将会导致零件报废。