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。

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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

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

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

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