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1、机夹式深孔刀具设计摘 要：深孔加工作为二战以后发展起来的一种新型加工工艺，在国民经济发展中发挥着越来越巨大的作用。然而，由于我国深孔加工技术起步较晚，发展不容乐观。本文研究了深孔加工原理。并针对难加工材料钛合金设计了适合加工中小直径深孔的刀具。本文重点在于分析深孔加工过程尤其是深孔钻削过程的工艺特点。初步地对深孔加工工艺特点进行分析。同时立足于石油石化行业，针对当前行业内对钛合金材料的深孔产品的需求，选择难加工材料钛合金作为加工对象。本文介绍分析了目前国内外深孔刀具现状，指出了焊接式深孔钻的缺点。针对焊接式深孔钻的缺点提出了机夹式深孔钻结构。并选择具有代表性的尺寸进行结构设计。提出了适合小直径
2、深孔加工的紧凑型刀具和适合中等直径加工的普通型刀具。针对目前国内深孔机床造价昂贵，装备周期长的问题。本文提出并初步尝试了把普通车床改造为深孔机床的改造设计方案。关键字：深孔刀具；内排屑深孔钻；深孔镗刀；钛合金；机夹式Design of Clip-on Deep Hole Machine ToolAbstract：Deep-hole drilling processing, as a new processing technology developed after World War II , is playing an increasingly significant role in nat
3、ional economic development. However, due to late start of deep hole processing technology, the development of it is not optimistic. In this paper, deep hole principle. And designed processing middle and small diameter hole tools , which was for the titanium alloy which difficult to process materials
4、 . of the tool. This article focuses on analysis of deep hole drilling process, especially the process of drilling. Preliminary processing of the hole were analyzed. At the same time based on the petroleum and petrochemical industry, select the titanium alloy as the processing objects. This article
5、describes and analyzes the current status deep hole machining process in domestic and foreign , and pointed out the shortcomings of welding deep hole drilling. Deep hole drilling for the shortcomings of welding made clip-on deep hole drilling machine structure. And select the size of typical structu
6、ral to design. Put forward the compact tool for the small-diameter deep holes and the general type of medium-diameter machining. For the present problems of Deep hole machine tool like expensive and equipment in long period. This paper initially tried to transform and design to transformate the ordi
7、nary lathe machine to a deep deep hole machining.Key word；Deep-hole Tools，Chip-in Deep-hole drilling，Deep Hole Boring Tool，titanium alloy，Machine-clip tools目 录1 绪论11.1本课题研究的目的与意义11.2国内外发展与现状21.2.1深孔钻削技术的发展21.2.2国内外现状31.3深孔加工简介41.3.1深孔的定义41.3.2 深孔加工的分类51.3.3 深孔加工的特点62 钛合金深孔钻削技术研究72.1 深孔钻的结构及切削角度72.1.
8、1 深孔钻的结构72.1.2 深孔钻标注角度参考系72.1.3 深孔钻的标注角度82.2 深孔刀具的受力分析92.2.1 力学模型的建立92.2.2 切削力计算112.3 钛合金加工特性研究122.3.1 钛合金理化性质122.3.2 钛合金的加工特点及深孔钻削中的问题142.4 刀具选择研究152.4.1 刀具材料应具备的性能152.4.2 硬质合金刀具简介172.4.3 刀齿材料选择182.4.4 刀齿产品初步选择193 机夹式深孔钻设计203.1 工况分析及刀具结构选择203.2 刀具几何参数设计223.2.1 刀齿角度设计223.2.2 刀齿相关尺寸设计233.3 刀具结构设计243.
9、3.1 30紧凑型机夹式多齿内排屑深孔钻结构设计243.3.2 70普通型机夹式多齿内排屑深孔钻结构设计273.4 小结304 机夹式内排屑深孔镗刀设计314.1 镗刀几何参数确定314.2 刀体结构设计314.2.1 70普通型深孔镗刀设计324.2.2 30紧凑型深孔镗刀设计334.3 小结345 深孔钻削系统设计355.1 改造方案的确定355.2改造分析与计算355.2.1车床型号的选择355.2.2 冷却排屑系统设计37参考文献：38致谢39附录 A401 绪论1.1本课题研究的目的与意义第一次工业革命以来的历史证明，工业化程度的高低，直接决定了各个国家的社会发展阶段、人民生活水平和
10、维护国家安全的能力。在工业部门中，制造业，尤其是装备制造业由于承担着为国民经济所有部门提供生产装备的重任，责无旁贷地成为国家的支柱产业。而要成为制造强国，首先则必须具有强大的技术开发能力，拥有大批拥有自主知识产权的重要产品和拥有国际领先的制造技术。深孔加工作为二战以后发展起来的一种新型加工工艺，在国名经济发展中发挥着越来越巨大的作用。上个世纪60年代以来枪钻、BTA (Boring and Trepanning Association)钻（即内排泄深孔钻）、喷吸钻被发明后迅速被应用于石油、煤炭采掘、水火力发电机制造、船舶、航空航天、冶金、化工、纺织、木材加工机械、饲料机械等不同行业的装备制造。
11、以深孔零件为特征的民品装备不断涌现出新品种，成为20世纪下半叶世界装备制造业中的一枝独秀。截止2005年，据统计深孔钻加工装备的90%都是进口产品。至70年代末我国改革开放时，中国的深孔加工技术已整整比西方落后了30年1。这一技术差距所导致的消极影响，早在80年代即开始显露。在我国制造业处于低谷时期，以深孔加工为关键技术的液压件、兵工等生产行业相继濒于停产、倒闭状态，数以千计的相关大、中、小企业从此一蹶不振。与此同时，我国与世界经济接轨又促成了大批新制造行业的诞生。2001年在我国统计的29个制造行业中，至少有一半对深孔加工技术和装备有直接需求，1/3以上有迫切需求。至20世纪90年代末，由于
12、我国经经济发展的加速，上述供需矛盾呈现激化态势。一方面，不断涌现的新型深孔类新装备迫切需要“价廉物美”的深孔加工技术去承制试造；另一方面，由于国家没有自己的原创性先进深孔加工技术和专业化的深孔加工装备产业提供保证，迫使为数不多的大企业以高价进口深孔加工装备，只能靠相对落后的技术、装备去制造品质相对低劣的装备产品。必须看到，在深孔加工技术和装备制造上已经呈现出来的这一瓶颈现象如不能得到有效的解决，将会严重制约我国经济的持续快速发展。解决以上这一严峻矛盾的对策就是：推出中国自己原创性的深孔加工技术，建立起一条专业化、现代化的深孔加工装备产业链。在这一产业链中，深孔加工刀具的设计是极其重要的一环。虽
13、然目前国内已有较成熟焊接式深孔加工刀具，但焊接式深孔刀具的种种弊端制约着其发展。焊接式刀具采用焊接方式将刀块与刀体相连接在一起，在焊接过程中，刀块受焊接温度的影响硬度将会有所降低，影响切削效率和耐磨性。另外，焊接式深孔刀具由于采用了焊接式链接，刀体为一次性使用，大大增加了制造时间和材料损耗经济性较差。随着科学技术的发展，机械产品对材料的综合性能提出了更高的要求。钛合金材料凭借着其比强度高、热强度高、抗蚀性好和高温性能好等优良特性，在宇航、原子能、电力、化工和石油等行业的应用越来越广泛23。以石化行业为例，随着石油工业的的不断发展，对测井装备提出了耐腐蚀、耐高压、高强度、小尺寸，轻质量等各种要求
14、，许多高性能材料（如沉淀硬化不锈钢、钛合金、耐热合金等）在石油测井仪器中得到越来越广泛的应用。这些材料的机械、物理性能在某些方面非常优良，如钛合金比强度（强度/密度）相对很高，有良好的耐腐蚀和高温高压性能，许多发达国家在20世纪90年代已将钛合金材料用于测井仪器的零部件，特别是保护外壳。我国近几年才将钛合金应用于测井仪器的保护外壳，这主要是由于钛合金的切削加工性非常差，特别是深孔加工性很差，因而限制了钛合金的应用4。为了解决以上面的种种弊端，设计一种新型方式将刀块同刀体相连接是很有必要的。机械式装夹方式作为一种经济有效的方案，可以很好地解决焊接式深孔刀具的弊端，实现深孔加工的产业化、经济化。1
15、.2国内外发展与现状1.2.1深孔钻削技术的发展人类对深孔加工技术的需求，至少可以追溯到14世纪欧洲滑膛枪的问世，远比第一次工业革命后现代机械技术的发展要早很多。工具和工具制造技术的产生和发展，源于人类生产活动和战争的需要。中国是火药的发源地。早在元、明时期已普遍使用金属管型火器手铳、火铳及火枪。金属管型火器是最早出现的深孔零件，比现代意义上的机械零件早出若干世纪。最早的管式火器是采用铸造、锻造方法制成。由于精度很低使用范围十分有限。随着时代的发展，人们对深孔工件的精度有了越来越高的要求。深孔加工工艺的革新问题显得迫在眉睫。图 1-1 扁钻最早用于加工深孔钻削的深孔钻头是扁钻（图1-1），它发
16、明于18世纪初。1860年美国国人对扁钻进行了改进，发明了麻花钻。1930年出现了第一支能够连续供油排屑并具有自动导向功能的深孔钻头枪钻（图1-2），其因用于加工枪孔而得名。1943年，德国海勒公司研制出毕斯涅尔加工系统（即目前我国常称的内排屑深孔钻削系统）。图 1-2 枪钻 图 1-3 BTA深孔钻二战结束以后，英国的维克曼公司、瑞典的卡尔斯德特公司、德国的海勒公司、美国的孔加工协会、法国的现代设备商会联合组成了深孔加工国际孔加工协会(Boring and Trepanning Association),简称BTA协会。该协会对毕斯涅尔加工系统进行了改进，定名为BTA系统。后来由瑞典的山特维
17、克公司首先设计出了可转位深孔钻及分屑多刃错齿深孔钻（图1-3）。BTA法存在着切削压力高，密封困难等缺点，为克服这些不足，1963年山特维克公司发明了喷吸钻法。20世纪70年代中期，由日本冶金股份有限公司研制出DF(Double Feeder)法为单管双进油装置，它是把BTA法与喷吸钻法两者的优点结合起来的一种加工方法，用于生产后得到了令人满意的结果，目前广泛应用于中、小直径内排屑深孔钻削。1.2.2国内外现状深孔加工技术从20世纪80年代末以来，在西方国家一直处于停滞状态。20世纪80年代以来，以枪钻、BTA钻为代表的的深孔加工技术在西方工业国未出现任何重要突破性的改进和发展。针对BTA钻的
18、种种弊端，虽然在六七十年代曾经先后推出双管喷吸钻、DF系统两种改进方案，但均未取得很好的效果。学术方面，20世纪80年代以来学术研究出现了低潮期。20世纪5070年代有关国际性学术会议增举办过几次，国际上流传的为数不多的深孔加工专著和大批论文绝大多数是在20世纪7080年代出版和发表的。近20年来，国际学术研究沉寂，很少出现有创新意义的成果和论著。此外，国际深孔加工装备处于垄断状态，装备产品的进口价格居高不下。目前国际上主要的深孔刀具供应商是瑞典的山特维克可乐满(SANDVIK Coromant)公司。由资料5,44可知，如图1-4所示，其生产的深孔钻可加工直径由15mm到75mm以上，钻削深
19、度达到，孔公差达到IT9级。图1-4 山特维克可乐满深孔钻削刀具加工范围我国20世纪下半叶才开始工业化进程，比欧洲晚了20年。80年代改革开放后才逐步加快了与国际接轨的步伐，90年代计入工业发展快车道，1997年以来，中国经济连续以8%左右的速度增长，成为世界上经济增长速度最快的国家。但是我们也必须清楚地看到，尽管我国机电产品已成为出口贸易的最强大支柱和国内经济增长的发动机，但其中大多数仍属于劳动力密集型和资金密集型产品，技术密集型和创新型机电产品所占比重极为10%左右。主要机械产品技术来源的57%和大多数电子信息设备的核心技术均依靠国外引进。近年来机电装备的进口增长率和总额逐年均超过出口。截
20、止2005年，据统计深孔钻加工装备的90%都是进口产品。至70年代末我国改革开放时，中国的深孔加工技术已整整比西方落后了30年1。1978年DF法在我国设计完成并与1979年正式用于生产，现广泛用于中、小直径内排屑深孔钻削。国内几家重型机器制造厂相继研制成和采用了深孔套料钻，已成功加工出12m长的发电机转自内孔。西安石油大学与1989年成功地将喷吸效应原理应用到外排屑枪钻系统，使枪钻的加工性能大大提高；1994年又研制成功多尖齿内排屑深孔钻，使深孔钻削的稳定性和耐用度大大提高6。1.3深孔加工简介1.3.1深孔的定义在机械加工工艺中，孔的加工主要分为浅孔加工和深孔加工两大类。两类加工之间没有准
21、确的界限。一般规定孔深L与孔径之比大于5，即的孔称为深孔；反之的孔被称之为浅孔6。在机械加工中浅孔一般采用麻花钻加工。麻花钻结构如图1-5所示。其结构直径、螺旋角和螺旋槽导程之间的关系为： (1-1)人们在实践中发现，为了顺利排屑，麻花钻一次钻削的钻削深度L不应超过螺旋槽导程P的3/4，即。将其带入式(1.1)得 (1-2)图 1-5 麻花钻的螺旋角由GB144178查得，麻花钻的螺旋角取值在之间。代入式(1-2)得。所以麻花钻的良好工作的钻深L是小于5倍孔径。因此，尽管麻花钻在钻浅孔时是功效很高的机夹刀具，但是受钻深L限制，使用麻花钻加工深孔时必须频繁退刀和进刀（有时还需要对钻头和被加工孔进
22、行冷却润滑），使功效大大降低1。1.3.2 深孔加工的分类深孔加工可分为一般深孔加工（钻、镗、铰等）、精密深孔加工（珩磨、滚压等）和电深孔加工（电火花、电解等）。一般深孔加工又可按多种方式分类。按加工方式分类分为：1.实心钻孔法，用于加工无孔毛坯。如图1-6(a)。2.镗孔法，用于提高孔的精度和降低孔的内表面粗糙度。如图1-6(b)。3.套料钻孔法，使用空心钻头钻孔，加工后可取出一根芯棒。如图1-6(c)图1-6 深孔加工方式按运动形式分类分为：1.工件旋转，刀具做进给运动。2.工件不动，刀具作旋转进给运动。3.工件旋转，刀具做反向旋转进给运动。4.工件作旋转进给运动，刀具不动。（此方法很少采
23、用）按排屑方式分为：内排屑、外排屑两种方式。外排屑又分为前排屑、后排屑两种方式。按加工系统冷却分类分为枪钻系统、BTA系统、喷吸钻系统、DF系统。1.3.3 深孔加工的特点深孔加工是处于封闭或半封闭状态下进行的，故其具有以下特点：1.不能直接观察到刀具的切削情况。目前只能凭经验，通过听声音、看切屑、观察机床负荷及压力表、触摸振动等外观现象来判断切削过程是否正常。2.切削热不易传散。一般切削过程中80%的切削热被切屑带走，而深孔钻削只有40%，刀具占切削热的比例较大，扩散迟、易过热，刃口切削温度可达600必须用强制有效的冷却方式。3.切屑不易排出。由于孔深，切屑经过的路线长，容易发生阻塞，造成钻
24、头崩刃。因此，切屑的长短和形状要加以控制，并要进行强制性排屑。4.工艺系统刚性差。因受孔径尺寸限制，孔的长径比较大，钻杆细而长，刚性差，易产生振动，钻孔易走偏，因而支撑导向极为重要。2 钛合金深孔钻削技术研究2.1 深孔钻的结构及切削角度2.1.1 深孔钻的结构深孔钻具有多种结构，图2-1所示为焊接式多齿内排屑深孔钻结构，由刀齿、导向块和刀体三大部分组成。为了实现由钻杆内部将切屑排出，刀体是空心的，切屑由刀体头部的喇叭口进入，经过钻杆内部的空腔排出。导体尾部螺纹用于与钻杆相连接，保证了连接的紧密型和拆卸的方便性。刀齿由中心齿、中间齿和外齿共同组成。外齿除了起切削作用外，还与两导向块共同作用，起
25、到导向扶正作用。1-外齿；2-中心齿；3-中间齿；4-导向块；5-刀体图2-1 焊接式内排屑深孔钻结构2.1.2 深孔钻标注角度参考系深孔钻标注角度的参考系建立的条件与普通刀具相同，即假定运动条件和假定安装条件。为了合理标注切削角度，需要选择合适的参考平面，根据切削原理的定义，深孔钻参考平面如图2-2所示。基面:通过切削刃上选定点，与该点主动运动方向垂直的平面。切削平面：通过切削刃上选定点，与切削刃相切且垂直于基面的平面。显然，切削平面垂直于基面。图2-2 深孔钻标注角度的参考平面 由于刀具结构不同，根据加工、检验和计算等方面的要求，各种刀具角度的测量平面不尽相同。深孔钻常用测量平面为正交平面
26、和法平面。正交平面：它是通过切削刃上选定点，垂直于切削平面与基面的平面。正交平面与基面、切削平面构成正交的空间角度标注参考系，即，称为正交平面参考系（图2-3） 图2-3 深孔钻标注角度的参考系 2.1.3 深孔钻的标注角度深孔钻属于多刃刀具，主切削刃通常刃磨略低于钻心，切削刃上各点的基面是变化的，若按上述标注角度参考严格标注就比较繁琐。由于主切削刃低于钻心不多（9000HV抗弯强度/MPa200040001500200013001800140018004007507009006009005008006001100抗压强度/MPa28003800350060003000400035005500
27、300040002500500070008000断裂韧度/（）183010159147.47.73.03.53.54.0576.58.56.89弹性模量/MPa2106106404805603904404004203603902803207101020导热系数/（）2030801102542217129172035130210热膨胀系数/()5104.55.57.58.57.58.5783.03.34.73.1耐热性/60070080090090010001000110012001200130010001300700800式中 导热系数；抗拉强度； 泊松比；弹性模量； 热胀系数。导热系数越大，热量越容易被传导出去，从而降低道具表面的温度梯度；热胀系数小，可以减小热变形；弹性模量小，可以降低因热膨胀而
