深孔加工技术

图12 套料加工
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u 内排屑深孔机床
2.3.2 BTA钻深孔机床
作为BTA深孔刀具和深孔加工技术的载体----BTA钻深孔机床，随着 刀具材料及控制技术的发展，同样向着高速、高效、多功能、精密、环 保的方向发展。
BTA钻深孔机床主要以卧式形式较多，由于钻孔大而长，所以显得这 类机床身长个大，其运动配置有工件旋转，刀具进给；工件旋转，刀具 进给并旋转；工件进给，刀具旋转；工件固定，刀具旋转并进给。
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二、深孔加工系统
2.1 分类 深孔加工系统通常以深孔加工中所用的冷却、排
屑装置来分类的。可分为枪钻系统、BTA系统、喷吸 钻系统和DF系统。下面分别就上述系统作一介绍： 2.2 枪钻系统及其配置 枪钻系统属于外排屑方式，其结构如图1所示，主要 由机床、枪钻、中心架、钻套、钻杆联结器和冷却润 滑油路系统组成。其工作原理是：切削液通过尾架上 输油入口进入钻杆内部，到达钻头头部进行冷却润滑 ，并将切除的切屑从钻头外部的V型槽中排出。由于 切屑由钻头和钻杆外部排出，容易擦伤已加工孔表面 ，其加工质量要低于内排屑方式的系统（随后介绍） 。该系统主要用于小直径（一般＜20 mm）深孔加工 。
目前，这类机床的主轴转速多在4000-6000RPM。这充分体现了深孔机 床向高速、高效、多功能、高自动化。绿色加工的方向发展。
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u 内排屑深孔机床
图13 BTA深孔机床
钻削范围：18-65mm（18-100mm） 转速：0-6000RPM 进给速度：0-1000mm/min 快进速度：4m/min
图6 微型深孔枪钻数控机 轴或4轴可选）
床（2
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u 枪钻机床
钻削范围：6mm - 50mm 转速：0 – 4500RPM 进给速度：0 - 4000mm/min 快进速度：12m/min
图7 深孔钻削单元：X、Y、Z、W、B、
C-6轴控制
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u BTA系统
2.3 BTA系统及其配置
由于枪钻的一些缺陷，1943年Beisner发明了一种内排屑深孔钻，由于该种 结构于1945年得到欧洲“钻孔与套料协会（Boring and Trepanning Association,缩写为BTA）”的确认和推广，通称为BTA钻。由此产生了BTA 钻削系统，如图8所示； 经BTA推荐的深孔刀具共有三种：用于实体材料钻深孔的BTA钻，扩钻和套 料钻。扩钻用于对已钻孔的进一步扩大和对毛坯粗孔的加工，特别用于以较 小尺寸规格的深孔机床钻较大的孔。套料钻用于从实体上取出大直径或贵重 金属料芯，其所需机床功率也小得多。在三种钻头中，以BTA（实体）钻应 用最广，对深孔钻发展的影响也最深远。
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u BTA系统
图8 BTA系统
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u BTA钻
2.3.1 BTA钻
图9显示了焊接式BTA钻头和机夹式BTA钻头的形式，包括单刃内排屑 钻头、多刃错齿内排屑钻；图10显示了BTA钻头的结构组成，包括钻头体、 刀片、导条；图11显示了其它BTA刀具形式，包括BTA扩钻、推镗头、拉 镗头及套料；扩孔、镗孔是对孔进一步加工，扩孔是以扩大已钻孔的大小 为目的，可以扩一次、二次或多次，并不特别注重孔的加工质量，而镗孔 则是以提高孔的加工质量为目的的；套料加工适合较大孔的加工，从中掏 出一个小于已加工孔径40-60mm芯棒，其结果是提高了材料的利用率，同 时，也减小了机床的功率负荷。图12显示了其套料的加工原理图。
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u 枪钻加工系统
图1 枪钻系统 枪钻是一种比较古老的深孔加工刀具，最初用于加工枪管，故名为枪钻。枪钻是外排 屑深孔钻的代表，也是小直径（φ10 mm以下）深孔加工的常用方法。目前，硬质合金 枪钻的最小直径为0.5mm；钻孔深度与直径之比超过100，最大可至250；钻孔精度为 IT7一IT9；钻孔表面粗糙度Ra为3. 2一0.4μm。
枪钻是一种加工较小直径孔的代表性工具，结构比较完善，运用范围广泛， 已被普遍使用。枪钻发明于1930年左右，它是历史上最早用于生产的具有连续供 油排屑、有自导功能、能钻出尺寸、形位精度很高深孔，而且生产率较高的深孔 钻头，以后出现的各种深孔刀具，都在很大程度上继承了它切削部分的基本特征。 与扁钻、麻花钻等传统的孔加工刀具对比，枪钻同时实现了深孔加工的三项基本 要求：
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u 枪钻机床
钻削范围：2mm - 22mm 转速：0 – 12000RPM 进给速度：0 - 1000mm/min 快进速度：10m/min
图5 通用枪钻数控机床（1轴到4轴可选）
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u 枪钻机床
钻削范围：0.6mm - 6mm 转速：0 – 25000RPM 进给速度：0 - 1000mm/min 快进速度：4m/min
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在实体材料上钻削，但是套料钻不是将所有的材料钻削为切屑，
而是在孔的中央留下了一个实体的“核”。由于这种方法所需机床功率小，所以 经常用于小功率要求的场合。若加工工件材料十分昂贵，中间剩下的材料也可用 作材料检测分析，或重新处理作它用。
钻盲孔时，当“核”掉下有可能引起崩刃，因此必须将钻头取下更换刀片，此 时，再次将钻头导向入孔将会十分困难。
深孔加工技术
庞俊忠
中北大学，太原
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u几个相关问题
u 因为时间的关系，就以下几个问题做个简单 的介绍： u深孔加工技术介绍 u深孔加工技术的现状及发展趋势 u中北大学工艺所深孔加工技术的研究情况
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一、引言
1、深孔的定义
孔加工分为浅孔加工和深孔加工两类，也包括介于两者 之间的中深孔加工。一般规定孔深L与孔径d之比大于5， 即L/d＞5的孔称为深孔；L/d<5的孔称为浅孔。
金属被挤压而引起轴向力大为增加，使钻头强烈振动，钻头容易走偏，钻出的孔
偏斜；
2).钻顶和工件形成M形的槽，该槽有定向作用；
3).加工过程中形成一根零位芯棒，减小了轴向力。减小了孔中心线的走偏，并
给钻头以附加的引导；⑷.能连续排屑，工件一次装夹钻通，不用掉头装夹，节
约工时。
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u 枪钻
枪钻主要不足之处有： 冷却系统压力很高，例如钻长径比为30，直径为4mm的深孔，至 少要达到9.5MPa的压强才能保证顺利排屑； 当采用钻头回转方式加工时，钻头的转速和钻杆的长度均受到严 格的制约；由于钻杆的中心不对称性，和圆型钻杆相比，其扭转刚 度、弯曲刚度较低； 钻通深孔后，必须从原路返回，容易划伤孔壁并可能损伤钻头 由于切屑与已加工孔表面接触，也容易产生表面划伤；
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u 引言
深孔加工技术，通常指的就是深孔钻削技术，它和车削、铣削等加工方法不 同，其刀具本身进入工件，并在封闭的条件下进行切削，因而受到较多的限制。 其特点有： (1)、在工作过程中，无法直接观察刀具的工作情况，目前只能凭经验通过不断 观察铁屑形状和手摸钻杆等手段来判断刀具的工作情况； (2)、不可能制成具有足够的刚度与足够牢靠的刀具和夹具，如钻杆细而长，钻 出的孔不可避免地会产生某些偏差。如走偏，孔中心线弯曲等。 (3)、钻头工作条件恶劣；切屑是在不能保证其正常形成的不良条件下产生的： 整个切削刃全部参加工作，切屑宽度大，易产生振动；切削刃上各点的切削速 度不同等。 (4)、断屑与排屑困难，在孔内钻头钻杆要占据很大一部分空间，排屑空间受到 限制，而且切屑难以自动排出。 (5)、刀具的散热冷却条件不好。
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u 枪钻
图2 枪钻外观及所加工深孔的形式
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u 枪钻
图3 枪钻刀头的外观及形式
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u 枪钻
图4 枪钻的结构
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u 枪钻机床
2.2.2 枪钻机床 作为刀具和加工方法的载体----机床，随着刀具材料及控制技术的发展也得到了
很大的提高。向着高速、高效、多功能、精密、环保的方向发展。 深孔机床从控制方面来讲，有两轴控制的加工回转体的通用枪钻机床，也有三轴
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u 引言
3、背景及应用
起源：深孔加工技术产生于对枪炮管的制造过程。二战结束前的几个世纪中， 深孔加工技术的发展和应用一直被局限于相对封闭的军工领域，并以其高难度、 高成本和神秘性而闻名于制造业。 应用领域：20世纪50年代。世界格局进入以和平和建设为主调的时代，深孔加 工技术随之脱颖而出，成为“军转民”技术中的一朵奇葩，迅速被扩展应用于能 源采掘、航空航天、发动机制造、机床汽车制造、石化及轻重化工、纺织机械、 饲料机械、冶金、仪器仪表等广泛的产业领域。 现状：欧、日、美等先进工业国，早在20世纪50年代就纷纷开展了深孔加工技 术的学术和应用研究，六七十年代形成专业化的深孔刀具和深孔机床装备制造体 系，少数跨国公司迄今仍垄断着世界深孔加工装备市场，如瑞典山特维克 （SANDVIK）、德国TBT公司、BOTEK公司等。使深孔加工技术成为制造技术门类 中成本最为昂贵的技术之一。
同枪钻相比，BTA钻具有以下优点： ⑴.钻头与钻杆装卸方便；
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u BTA系统
⑵.排屑难度相应减小，使BTA钻削系统适合于加工大直径深孔； ⑶.由于BTA钻的相对供油面积比枪钻的大得多，排屑空间 大，BTA钻削系统的冷 却系统的压力明显降低； ⑷.在钻头直径，钻杆全长和钻杆材质相同的条件前提下，BTA钻杆的扭转刚度约 为枪钻钻杆的2.4倍，弯曲刚度也远高于枪钻钻杆，因而BTA钻可采用大进给量， 钻杆的抗振能力也高于枪钻，这对提高钻孔工效和加工质量均为有利； ⑸.钻杆的质心与中轴重合，且扭转强度与刚度大于枪钻的V形钻杆，这一优势使 BTA钻特别适合于“工件固定，钻头旋转”的钻深孔方式； (6).由于切屑从钻杆内部排出，切屑不会划伤已加工表面，已加工表面质量较好；
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u BTA钻
(a) 单刃焊接BTA钻头
(b) 多刃错齿焊接BTA钻头
(c) 单刃机夹BTA钻头
(d) 多刃错齿机夹BTA钻头
图9 BTA钻头
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u BTA钻
图10 BTA钻头结构组成
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u BTA钻
(a) BTA扩钻
(b) BTA拉镗头
(c) BTA推镗头
(d) BTA套料钻
图11 其它BTA深孔加工刀具
控制的加工非回转体的通用枪钻机床及加工中心FMC，以及针对加工特殊工件而设计 的专用深孔机床。
目前，对于微小孔深孔枪钻机床，其转速已达到25000RPM；柔性制造单元的出现， 极大地提高了加工效率，进给速度达4m/min；中等孔径的机床，其主轴转速多在 4000-6000RPM。这充分体现了深孔机床向高速、高效、多功能、高自动化。绿色加工 的方向发展。
2、深孔加工技术
深孔加工技术是深孔刀具、辅具和机床及其相关技术的 统称。其中，深孔刀具及其排屑技术是决定整个技术发展 的关键。深孔加工技术最初是在国防军工生产部门应用， 用来加工枪管和炮筒。二战后，深孔加工技术的主阵地由 枪炮制造逐步向广泛的经济建设领域转移，成为机械制造 技术的一个重要分支。从而对深孔加工技术提出了商品化 的要求（可靠性、高工效、高加工质量、低成本、易操作 ）。但深孔加工刀具和技术的发展，始终是围绕着解决顺 利排屑，提高加工质量，提高加工效率，降低加工成本和 易操作性等中心课题而进行的。
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u 枪钻
2.2.1 枪钻
作为枪钻系统的一个重要组成部分----枪钻(刀具)，在其加工系统中占有极 其重要的地位。图2显示了枪钻的外观以及所加工深孔的类别；图3显示了枪钻刀 头的外观结构及形式；图4显示了枪钻的结构与组成，枪钻由头部1、钻杆2和传 动部3组成，头部材料由高速钢和硬质合金两种，并与钻杆焊接在一起，目前主 要是硬质合金枪钻。焊接后校直、精磨。
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u 枪钻
(1)具有完善的供油排屑通道，可在高压切削液作用下连续进
行
刀具的润滑冷却和排屑；
(2)由于采用单边刃结构使轴向切削力和扭矩明显降低，使钻头的稳定性增大；
(3)由于导条的导向作用和对孔壁的挤压作用，不会走偏；
其特点有：
1).避免了双刃钻因有横刃而在轴心线上的零切削速度，有横刃的钻头，切削时
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u 内排屑深孔机床
图14 BTA深孔机床加工齿轮箱轴
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u 内排屑深孔机床
图15 带有液压加紧虎钳的BTA深孔机床
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u 内排屑深孔机床
图16 带有龙门式上下料的的BTA深孔机床
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u 喷吸钻系统
2.4 喷吸钻系统及其配置 喷吸钻系统是为了克服枪钻系统造价太高、而BTA钻容易堵屑的
缺陷，瑞典SANDVIK公司于1963年推出了一种利用高速流体负压效应， 从钻杆后部抽吸切屑的“喷吸钻”，大大改善了排屑状况，提高了切 削效率。喷吸钻的特点是：首先，由于负压效应的帮助，不仅改善了 排屑状况，还使整个液压系统油压明显降低；其次，由于这种系统不 需要严格的密封，对机床结构要求也比较简单，即便通用车床经简单 改造也可用于深孔加工，从而大大降低了设备投资。图17为喷吸钻系 统及加工原理图。