单管内排屑深孔钻削技术

3）Beisner深孔钻 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1~2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。
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。

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。
2）将工件钻入端的外部车出60°锥面，在输油器
前端相应设置带有60°内锥的定位套，如图2.12。


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。φ50mm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入手加 以保证。φ50mm以内的钻头，其直径公差不大于 0.005mm，φ50mm以上不大于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。一般是先研出钻套孔，再以孔为基准， 套在锥度芯棒上磨出外圆。
2.2 BTA刀具的工作原理



单管内排屑深孔机床的基本配置如图2-7。 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 力的切削液进入输油器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入钻头的出屑口，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 供油泵抽出，反复使用。


如进一步比较内排屑钻排屑与供油通道面积得 A′/B′=72%。这意味着，切削液通过钻头喉部时， 其流速必须增大30%左右。但如果考虑到切削液在 流经喉部之间的瞬间，还必须以其动量将切削刃部 产生的切屑一起带入喉部。此时，受切屑干扰的一 部分切削液，流速将会降低，并同时产生干扰流。 在这种情况下，切屑如何顺利通过喉部进入面积为 0.09D2的空腔，将成为一个焦点。 这就是内排屑深孔钻排屑问题的实质所在。



直到Beisner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刚度远大于枪钻，因而可 以采用更大的进给量，工效高于枪钻。 但在实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），使切屑成为小 “C”形，并且切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φ6mm，达到的钻孔深度超过孔径的300倍以上， 等等）。
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入通道和切屑排出通 道的走向。
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。 其直径由φ120~250mm，可套出料芯 φ32.5~142.5mm，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。



再比较二者的供油通道面积。 与前相反，枪钻头部进油孔的截面积是供油通道中面积最小 的部位。按出油孔直径为D/4计，则其有效供油面积为： B=π（D/4）2/4=0.049D2。 单出屑口内排屑钻头的进油通道最小截面积，位于钻头体外 圆与孔壁之间，并扣除二导条宽度所占有的部分。每一导条 的宽度按直径的25%计，则其进油通道断面积为： B′=（π/4）〔D2-（0.9D）2〕· （1-0.50/π）=0.125D2 相应求得B′/B=2.5。 从上述对比可知，在钻头直径相等的条件下，单出屑口内排 屑深孔钻的排屑通道截面仅及枪钻的37.5%，但供油面积为 枪钻的2.5倍。从而证明，内排屑钻头的主要障碍在于排屑， 枪钻由于供油通道不足，必须依靠加大油压，但排屑条件远 比内排屑钻头为佳。


不难设想，要想让切削液携带切屑加速而顺利地通 过钻头喉部，必要的条件应当是：切屑必须具有适 当的轮廓尺寸而且切屑形态规律一致，切屑液的粘 度也不应太大。所谓“适当的轮廓尺寸”，就是要 切屑的长、宽、高任何一项，均必须小于喉部的最 狭窄部位（d/2）。所谓“切屑形态规律一致”， 就是要保持切屑轮廓尺寸不发生大的变化，特别要 避免长卷切屑和漫卷无规律切屑的出现。 在各种可能产生的切屑形态中，显然以“小C形”、 锥形片状切屑两种为最佳，其次为短螺卷状，见图 2.14（a）、（b）、（c）。

1.2 最初的内排屑深孔钻结构有三种模式 1) 图2-1莫尔斯钻头。可以很方便地实现可快速拆 装的方牙螺纹连接，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。

2)整体深孔钻头
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＞22mm 时采用方牙螺纹连接； 钻头直径≤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）， 不易重磨。

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”（Boring and Trepanning Association,简 称BTA）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-tube system，单管钻）钻头。



为了获得以上的切屑形态，可供选择的措施有三项： 1、将外刃形成的切屑分割为2~4条，即“分屑”； 2、采取断屑措施，使切屑长度受到控制； 3、对钻头进给方向施加周期性的脉冲振动，以获 得理想的断屑效果。 由于第3项措施实施起来有种种困难，一般难于采 用。只有在特定情况下（例如工件材质加工难度高， 但又有足够的产量时）才考虑采用。另外，在数控 机床上通过编程实现钻头的周期性进给中断，也是 一个有前景的方向。 在实践中，分屑和断屑就成为解决内排屑深孔钻排 屑问题的基本措施。

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。顶尖孔推 荐图2.10所示三种型式


当工件过重、过 长或弯曲度较大 时，不适于采用 带有外锥的空心 顶尖。常见的对 策有两种： （1）工件以钻入 一端支承在中心 架上，用带有平 头端面和密封环 的钻套顶紧工件 的端面（见图 2.11）。工件旋 转时，钻套也随 之旋转。

3 内排屑深孔钻设计中的分屑、断屑和导向条 设计问题



2.3.1 由于解决排屑通道不足而采取的对策之一— —分屑和断屑 最大难题是如何克服排屑通道截面积不足的问题。 图2.13是同一直径枪钻和单出屑内排屑深孔钻的横 截面示意。 枪钻的排屑通道（图2.13a）是前后一致的1100V形 槽。设两种钻头的直径相同，并以D表示，则枪钻 的排屑通道断面积为：






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。 （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 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。
单管内排屑深孔钻削技术
1 单管内排屑深孔钻的产生和发展 1.1 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。
STS钻由
φ18.4~65mm为焊接 刀片结构， φ65~180mm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）和 （b）。


焊接刀片型BTA钻原来为可重磨式，其切削刀 片和导条较长。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，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（如无缝管孔、铸孔等）进行加工，也可对已 钻出的较小孔进行扩大。





20世纪内排屑深孔钻的发展，可概括为以下6项有 里程碑的成果： 1、单出屑口单管内排屑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作切削刃及导 条，使加工效率大幅度提高； 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； 6、SIED抽屑器和SIED刀具系列的发明。

A=（πD2/4）· （110/360）=0.24D2



再看单出屑口内排屑钻头的情况（图2.13b）。与 枪钻不同，内排屑钻头的排屑通道截面是先后不一 致的：在切屑的入口处（钻头喉部），切屑通道最 狭窄；当切屑进入钻头内腔后，通道变大，直到钻 杆的末端均保持不变。因此，喉部的最小断面积就 是实际的排屑通道面积。按照内排屑钻头设计的通 常数据，取钻头内腔（同钻杆孔径）直径为0.55D， 出屑口张角θ=1350，可求得其喉部通道面积为： A′=〔π（0.55D）2/4〕· （135/360）=0.09D2 仅为枪钻的A′/A=37.5%。