非回轉(zhuǎn)體零件深孔加工機床專用輔具的

1、目錄1 引言 11.1 課題的研究目的和意義 21.2 課題研究的理論基礎(chǔ) 31.3 20世紀現(xiàn)代深孔加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 41.4 設(shè)計概述 52 深孔加工系統(tǒng)的對比分析 72.1 槍鉆 72.2 BTA 系統(tǒng) 92.3 雙管噴吸鉆系統(tǒng) 132.3.1 噴吸鉆的特點 132.3.2噴吸鉆的工作原理 142.3.3噴吸鉆鉆頭 153 DF 系統(tǒng)設(shè)計礎(chǔ) 173.1 DF 系統(tǒng)的分類 183.1.1內(nèi)排屑DF系統(tǒng) 183.1.2外排屑DF系統(tǒng) 183.2 DF系統(tǒng)的負壓抽屑機理 193.3 影響負壓效應(yīng)的因素 203.3.1 間隙S對負壓效應(yīng)的影響 223.3.2噴射角9對負壓效應(yīng)的影響 233.3

2、.3射流流量Qn對負壓效應(yīng)的影響243.4 DF 系統(tǒng)排屑特性分析 243.4.1切屑形態(tài)及容屑系數(shù)R對排屑的影響243.4.2排屑通道壓力Pc和流量Qc對排屑的作用 253.4.負壓效應(yīng)對排屑的作用 264 DF 系統(tǒng)抽屑裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計 274.1 輸油器的設(shè)計 284.1.1輸油器的結(jié)構(gòu)設(shè)計 284.1.2輸油器標準件的選取 304.2 抽屑器的設(shè)計 324.2.1抽屑器的結(jié)構(gòu)設(shè)計 324.2.2抽屑器標準件的選取 355 結(jié)論 39參考文獻 40致謝 421 引言制造業(yè)中，通常將長徑比超過 5 的圓柱孔稱為“深孔”，結(jié)構(gòu)中帶有深孔的零 件稱為“深孔零件”，對加工深孔零件為主件的機械裝備稱

3、為“深孔類裝備” ，對專 門用于加工深孔的裝備（如深孔刀具、深孔加工機床、用于深孔加工機床的專用輔 具等）則稱之為“深孔加工裝備” 。深孔在功能上與淺孔有本質(zhì)區(qū)別。相對于深孔 而言，長徑比小于 5的普通圓柱孔（又稱“淺孔” ），是構(gòu)成各種機械零件的最常見 的要素之一。淺孔的主要功能是連接、定位、支承、導向和在近距離內(nèi)傳輸流體， 也可用以實現(xiàn)特定的工藝功能（如工藝孔、工藝槽等）或設(shè)計目的（如密閉容器、 平衡、改善裝備的力學功能等） 。從早期管式火器的發(fā)明到近代槍炮的產(chǎn)生，雖已 證明人類認識到深孔零件的特殊功能（密閉容器、能量轉(zhuǎn)化、精確地向遠距離傳輸 介質(zhì)、能量和信息） ，但是從實體金屬材料上鉆出

4、深孔并進一步加工成精密深孔， 其難度則遠遠大于淺孔加工 1 。20世紀 20 年代以前，扁鉆、半圓形單刃鉆、麻花 鉆等淺孔刀具曾經(jīng)長期用于加工深孔。由于淺孔加工刀具無法解決連續(xù)自動排屑、 刀具自導向和自動冷卻潤滑三大難題，故工效很低、加工質(zhì)量差、廢品率也高，加 工成本十分昂貴。直到20世紀3040年代，槍鉆和內(nèi)排屑深孔鉆問世之后，深孔 加工技術(shù)才步入現(xiàn)代化的發(fā)展進程。深孔加工技術(shù)中所遇到的技術(shù)問題是多種多樣的，而且是層出不窮的，但無論 在生產(chǎn)實踐中或新技術(shù)的研究工作中，排屑問題始終是首當其沖的大課題。從非連 續(xù)自動排屑鉆頭到槍鉆的出現(xiàn)，是解決深孔刀具連續(xù)自動排屑問題的首次突破。可 以認為內(nèi)排屑

5、深孔鉆是通過排屑方式的改變才得以實現(xiàn)的。雙管噴吸鉆及 DF 系統(tǒng) 的問世，從根本上說是對 BTA 實體鉆所存在的排屑功能缺陷進行改進而做出的不 斷探索的結(jié)果。毫無疑問，排屑問題必然成為深孔加工過程中必須首先加以突破的 第一課題，加之目前深孔加工領(lǐng)域內(nèi)所應(yīng)用的深孔加工設(shè)備絕大多數(shù)是基于回轉(zhuǎn)體 深孔件的加工，而相對龐大的市場需求來說，用于非回轉(zhuǎn)體深孔件加工的深孔設(shè)備 卻寥寥無幾。這勢必會促進對深孔加工輔具高效的排屑裝置的研究和開發(fā)。而 本課題的任務(wù)就在于設(shè)計出基于 DF系統(tǒng)和BTA深孔鉆頭的非回轉(zhuǎn)體工件的深孔加 工專用輔具。11 課題的研究目的和意義深孔工件一般分為回轉(zhuǎn)體工件和非回轉(zhuǎn)體工件， 深孔

6、工件的加工方法一般分以 下三種：工件旋轉(zhuǎn)刀具進給式； 鉆頭旋轉(zhuǎn)進給工件固定式； 工件與刀具相對旋轉(zhuǎn)式。 對于各種非軸類、非管類等非回轉(zhuǎn)體工件的深孔加工，以及在各類非回轉(zhuǎn)體工件表 面上加工坐標孔等，多采用第二種加工方法。非回轉(zhuǎn)體工件的深孔加工就是在 DF深孔加工系統(tǒng)上采用鉆頭旋轉(zhuǎn)進給、工件 固定式加工方法，在非回轉(zhuǎn)體工件上加工出工件設(shè)計所要求的深孔。DF 系統(tǒng)是基于 BTA 深孔鉆（屬內(nèi)排屑深孔鉆類）的深孔加工系統(tǒng)，除了 抽屑裝置以外，其余的要素（工件、輸油器、鉆頭和鉆桿）與BTA鉆完全相同。 它具有一系列勝于外排屑深孔系統(tǒng)的優(yōu)勢，如鉆桿剛度大，鉆頭與鉆桿可快速 拆卸，進給量大， 適于鉆大直徑深

7、孔； 在所用的機床設(shè)備方面， DF 系統(tǒng)比 BTA 鉆適應(yīng)性更大等等。但其致命的缺陷是排屑通道不足，且孔徑越小，孔的長徑 比越大，越容易產(chǎn)生堵屑故障。結(jié)合設(shè)計任務(wù)書的要求可以明確， 這里需要設(shè)計出基于 BTA 深孔鉆的用于 加工非回轉(zhuǎn)體深孔的 DF 系統(tǒng)專用輔具。從加工過程中所采用的深孔鉆系統(tǒng)以 及采用的加工方式兩個角度來考慮， 可以確定以下設(shè)計目的：（一） 設(shè)計出在非 回轉(zhuǎn)體工件的深孔加工過程中能夠較好地實現(xiàn)自動連續(xù)排屑、冷卻和潤滑的供 油系統(tǒng)和抽屑系統(tǒng)（主要由前裝置輸油器和后裝置抽屑器組成） ；（二）由于采 用鉆頭旋轉(zhuǎn)進給、工件固定式的深孔加工方法，這就要求設(shè)計出能夠驅(qū)動鉆頭 旋轉(zhuǎn)進給的動

8、力頭和控制系統(tǒng)。從本質(zhì)上講，用于加工非回轉(zhuǎn)體深孔的 DF 系 統(tǒng)是在傳統(tǒng)的 DF 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的改進，但同樣是以輸油器和排屑器所組成 的抽屑裝置作為其主要組成部分。它采用一臺結(jié)構(gòu)簡單的抽屑裝置取代了雙管 噴吸鉆的一根內(nèi)管和一套連接器，使雙管噴吸鉆的結(jié)構(gòu)得以簡化，同時，它還 在原來的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增設(shè)一臺電機，用于驅(qū)動鉆桿旋轉(zhuǎn)進給，這是非回轉(zhuǎn)體深 孔加工 DF 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計上的意義所在。 另外，這種裝置還繼承了 DF 系統(tǒng)在負 壓效應(yīng)方面的設(shè)計思路：第一是噴吸間隙 的取值范圍為0.20.5mm；其次， 前油路流量取為總流量的 2/3，而后油路流量取為總流量的 1/3，這些基本參數(shù) 是不變的。綜觀目

9、前國內(nèi)的深孔加工市場， 絕大多數(shù)深孔裝備和深孔輔具均是面向回轉(zhuǎn)體深孔件加工的，關(guān)于回轉(zhuǎn)體深孔加工的技術(shù)相對來說也是比較成熟的。與之形成鮮 明對比的是非回轉(zhuǎn)體深孔加工設(shè)備的極度匱乏，和非回轉(zhuǎn)體深孔加工技術(shù)的巨大空白。隨著我國現(xiàn)代化制造業(yè)的飛速發(fā)展，非回轉(zhuǎn)體深孔件的加工需求亦日趨增長， 為了補充非回轉(zhuǎn)體深孔加工技術(shù)的空缺，彌補市場的需求，必須投入一定的人力和 財力對這個特定的領(lǐng)域進行研究。1. 2課題研究的理論基礎(chǔ)非回轉(zhuǎn)體零件深孔加工專用輔具設(shè)計的主要任務(wù)是要設(shè)計出一套能夠?qū)崿F(xiàn)鉆頭旋轉(zhuǎn)進給，自動連續(xù)排屑的抽屑裝置，在 DF系統(tǒng)上采用鉆頭旋轉(zhuǎn)進給、工件固 定式加工方法加工出工件設(shè)計所要求的深孔。 這

10、就要求必須首先理解深孔鉆削的基 本原理。圖1.1 DF系統(tǒng)示意圖DF是英文Double Feeder的縮寫。DF的實質(zhì)是噴射鉆與BTA內(nèi)排屑鉆相結(jié)合 的一種深孔鉆削加工系統(tǒng)，既在被加工零件鉆孔端面配置一個以推壓方式提供冷卻 液的油密封裝置。也就是傳統(tǒng)的 BTA深孔鉆削加工系統(tǒng)，在其后部放置一個能夠產(chǎn) 生噴吸效應(yīng)的裝置。這樣，前部的 BTA系統(tǒng)產(chǎn)生推力，后部的噴射系統(tǒng)產(chǎn)生吸力。 由于推拉的雙重排屑作用，使冷卻液的流速加快，單位時間內(nèi)的流量增加，排出切 屑的能力就越大。特別適用于小直徑深孔鉆削加工。尤其在可加工性差的材料，不 易斷屑的材料加工中應(yīng)用此系統(tǒng)更能體現(xiàn)出其優(yōu)越性。DF系統(tǒng)負壓效應(yīng)產(chǎn)生的機

11、理是：切削液經(jīng)負壓裝置高速射入排屑通道， 與向外 流動的切削液混合進行能量交換。 排屑通道內(nèi)向外流動的切削液在射流噴嘴口處的 能量轉(zhuǎn)換區(qū)獲得能量，切削液流速得到提高。這樣，排屑通道內(nèi)向后流動的切削液 在能量轉(zhuǎn)換前后的流速產(chǎn)生梯度，具有不同的能量，形成壓力差。在能量轉(zhuǎn)換區(qū)前 的切削液壓力低，在能量轉(zhuǎn)換區(qū)后邊的壓力高，因而產(chǎn)生真空區(qū)，即負壓區(qū)。在負 壓區(qū)切削液的流動速度加快，提高了排屑效果。13 20 世紀現(xiàn)代深孔加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀20 世紀現(xiàn)代深孔加工技術(shù)的發(fā)展與貢獻，可歸納為： （1）槍鉆、內(nèi)排屑深孔鉆 的發(fā)明，使精密槍炮管的大批量流水生產(chǎn)成為可能，同時也為槍炮功能的不斷完善 提供了重要物質(zhì)基

12、礎(chǔ)；（2）深孔鉆削技術(shù)的現(xiàn)代化，為深孔零件用于各種機械裝備 的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。至 20 世紀末，已經(jīng)形成跨越各個經(jīng)濟部門的“深孔類裝備” 的特殊裝備門類，例如：石油和煤炭采掘裝備中的抽油泵和液壓支架，大型發(fā)電機 轉(zhuǎn)軸，工程機械、塑料機械和液壓機械中的液壓缸，傳感器及儀表關(guān)鍵件，紡織機 械、飼養(yǎng)機械關(guān)鍵件，冶金、重化工、核電站、材料加工機械等行業(yè)中的加熱器、 冷卻器、裂解管道等等。由于深孔所具備的特殊功能的不可替代性，可以預(yù)料深孔 類裝備將會得到更廣泛地應(yīng)用 9 ；（3）二戰(zhàn)以前，槍鉆、內(nèi)排屑深孔鉆主要用于相 對封閉的軍工行業(yè)，深孔加工機床高度專用化，深孔刀具由兵工廠自行制造。為適 應(yīng)二戰(zhàn)后“軍

13、轉(zhuǎn)民”的客觀形勢，瑞士、瑞典、西德、日本等工業(yè)國開始建立面對 廣大市場需要的專業(yè)化、現(xiàn)代化深孔加工裝備制造行業(yè)。在20世紀6080年代期間，實現(xiàn)了深孔機床的一系列技術(shù)更新（如數(shù)控深孔鉆床、深孔加工中心等）和深 孔鉆具的硬質(zhì)合金化、內(nèi)排屑深孔鉆的錯齒結(jié)構(gòu)、機夾可轉(zhuǎn)位涂層刀片用于BTA刀具等。為使不具備深孔鉆床的許多中小企業(yè)能夠廣泛采用BTA又稱內(nèi)排屑深孔加工刀具，瑞典SANDVIK/coromant公司于60年代推出了一種在改裝設(shè)備上采用的雙管 噴吸鉆（Ejector Drilling）裝備。在此基礎(chǔ)上，日本一家冶金公司于70年代后期進一步推出了一種基于BTA刀具的、只需要單層鉆桿的噴吸鉆系統(tǒng)（

14、DF系統(tǒng)）。但 是由于這兩種噴吸鉆的功能有限（前者只能用于孔深1000mm以內(nèi)工件的大批量生 產(chǎn)，后者也不適用于孔徑 15以下和多品種生產(chǎn)），所以未能從根本上改變 BTA刀 具與槍鉆以孔徑大小為界的格局， 故在深孔鉆削領(lǐng)域中形成 “平分秋色” 的總格局； （4）基于 20世紀航空航天工業(yè)的發(fā)展，難加工材料、復雜形體、微型元器件的加 工制造，促成了特種加工技術(shù)的發(fā)展。自 20 世紀 50 年代以來，已有多種特殊加工 技術(shù)在深孔加工中得到較廣泛的應(yīng)用，例如電解加工、電解珩磨、成形管電板電解 加工、電火化加工、電子束加工、電液流加工等。特種加工在深孔加工中的應(yīng)用， 在難加工材料、特殊復雜型面、特?。?/p>

15、1mm以下）、特深小孔、異形截面深孔、超 精、超光、超薄、超小零件的深孔加工方面具有機械加工方法所難于取代的作用， 同時也為深孔加工技術(shù)開辟了一個全新的發(fā)展領(lǐng)域。20 世紀微電子技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、材料技術(shù)、信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，為制造技 術(shù)（特別是裝備制造技術(shù)） 、生產(chǎn)模式、管理模式的不斷進步注入了新的活力。市 場的激烈競爭，要求生產(chǎn)裝備通用化、多功能、自動化、柔性化，以適應(yīng)產(chǎn)品多品 種、批量小、更新快、技術(shù)含量高、生產(chǎn)成本不斷降低的新形勢。與傳統(tǒng)制造技術(shù) 發(fā)展規(guī)律不同的是，深孔加工技術(shù)的現(xiàn)代化，必須以其核心技術(shù)（排屑、冷卻潤滑 和工具自導向）的突破為前提，在此基礎(chǔ)上進一步實現(xiàn)設(shè)備的通用化、多功

16、能、自 動化、柔性化 17 。20世紀 80年代以來，深孔加工技術(shù)發(fā)展中出現(xiàn)的危機，根源在于裝備的核心 技術(shù)落后和其價格居高不下， 其突出表現(xiàn)是：（1）內(nèi)、外排屑機床、 刀具互不兼容。 為了加工不同直徑的深孔，企業(yè)必須同時擁有內(nèi)、外排屑兩類設(shè)備工具和相應(yīng)操作 人員，同時導致深孔加工裝備利用率低下，企業(yè)經(jīng)濟效益不佳。（ 2）深孔加工機床主要用于鉆孔。深孔加工技術(shù)中缺少各種與鉆孔相配套的后續(xù)深孔加工手段。（ 3）回轉(zhuǎn)體深孔零件與非回轉(zhuǎn)零件，在同一深孔加工機床上不可兼容。（ 4）深孔鉆削對操作技術(shù)、加工條件有苛刻的要求。堵屑、刀具損傷、加工致廢等事故易于發(fā)生。 僅靠設(shè)備的自動化、數(shù)控化、柔性化改造，

17、無法從根本上解決問題。深孔加工裝備價格之所以居高不下，主要原因在于其市場銷量的萎縮、西方工 業(yè)國生產(chǎn)成本過高以及深孔加工裝備自身存在的結(jié)構(gòu)和工藝性缺陷； 20 世紀 80 年 代后，國際經(jīng)濟格局的變化，特別是我國和亞洲新興工業(yè)國的經(jīng)濟振興，導致發(fā)達 工業(yè)國制造業(yè)的重心轉(zhuǎn)移；由于少數(shù)工業(yè)發(fā)達國家已對深孔加工裝備市場形成壟 斷，而發(fā)展中國家一時又無力開發(fā)出更先進的實用技術(shù)，導致深孔加工技術(shù)及裝備 的市場新需求與供給之間出現(xiàn)長期嚴重失衡 1。1 4 設(shè)計概述本文從深孔加工技術(shù)的發(fā)展歷程著手，導出 DF 系統(tǒng)較其之前出現(xiàn)的種種深孔加工系統(tǒng)的優(yōu)勢，以及其在現(xiàn)代深孔加工中的重要地位；繼而簡要介紹了 DF

18、系統(tǒng) 的工作機理和設(shè)計過程中所需要注意的幾個要點，并指出了非回轉(zhuǎn)體深孔件的DF系統(tǒng)與回轉(zhuǎn)體深孔件的 DF 系統(tǒng)在功能上和結(jié)構(gòu)設(shè)計中的不同點；最后在設(shè)計理論 明確和設(shè)計手段充分的基礎(chǔ)之上，結(jié)合設(shè)計課題的要求完成對非回轉(zhuǎn)體深孔件DF系統(tǒng)專用輔具（輸油器和抽屑器）的結(jié)構(gòu)設(shè)計。第n頁 共n頁2 深孔加工系統(tǒng)的對比分析根據(jù)所采用的冷卻、排屑系統(tǒng)的不同，可將深孔加工系統(tǒng)分為以下幾類：槍鉆 系統(tǒng)、BTA系統(tǒng)、雙管噴吸鉆系統(tǒng)、DF系統(tǒng)，以及新近問世的SIED系統(tǒng)。這些系 統(tǒng)除用于與之對應(yīng)的鉆頭進行鉆削外，亦可以用于其它深孔刀具的切削加工，如深 孔鏜削、鉸削和珩磨等。在上述各類深孔加工系統(tǒng)中 ,槍鉆屬于外排屑深

19、孔鉆 , 其余幾種均屬于內(nèi)排屑 深孔加工系統(tǒng)。槍鉆適用于加工小孔徑的深孔，并且具有良好的自導向功能。與槍 鉆相比,內(nèi)排屑深孔加工系統(tǒng)則有以下優(yōu)點 : (1) 由于切屑是由鉆桿內(nèi)部排出，切屑 不會劃傷已加工孔表面，已加工表面質(zhì)量較好，排屑流暢； (2) 鉆桿為圓形截面， 其扭轉(zhuǎn)剛度及彎曲強度比槍鉆高，因而進給量大，生產(chǎn)效率高； (3) 排屑空間大， 冷卻潤滑液的壓力比槍鉆低，一般為 0.53MPa因此對密封及供油系統(tǒng)的要求比 槍鉆低； (4) 加工范圍廣。內(nèi)排屑深孔鉆既可用于較大孔徑的深孔加工，也可用于 較小直徑如6mm的深孔加工；(5)內(nèi)排屑深孔鉆既可用于鉆孔，也可在一定的余 量范圍內(nèi)用于擴孔

20、。21 槍鉆槍鉆(gun drill )產(chǎn)生于1930年，是最早用于實際生產(chǎn)的一種單邊刃切削外 排屑深孔鉆頭。因其產(chǎn)生于槍管和小口徑炮管制造，故名槍鉆。最早的槍鉆有鉆頭 (切削部分)、鉆桿和鉆柄( driver )三段焊為一體，鉆頭切削刃偏離軸線一側(cè)的 鉆尖區(qū)分出內(nèi)、外兩個切削刃。沿鉆頭和鉆桿的全長上有一個前后貫通的V形排屑槽。鉆桿由薄壁無圭寸鋼管軋出 V形槽而成。鉆頭上與V形排屑槽的對側(cè)有通孔，與 鉆桿的空腔相連，構(gòu)成切削液供入通道。槍鉆曾演變出不同的一些異形結(jié)構(gòu)和雙邊 刃外排屑鉆頭。但各種雙邊刃外排屑鉆頭并不具有槍鉆的自導向功能，從嚴格意義 上講不應(yīng)該稱為槍鉆，但可列入外排屑深孔鉆門類。槍

21、鉆系統(tǒng)屬于外排屑方式，其結(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示，主要由中心架、扶正器、鉆 桿聯(lián)結(jié)器和冷卻潤滑油路系統(tǒng)組成。其中中心架輔助機床卡盤用于裝夾工件；扶正 器主要用于鉆頭人鉆時導向，并提供向外排屑的通道；尾架用于夾持鉆頭柄部，支圖2.1槍鉆系統(tǒng)承鉆削扭矩和軸向力。槍鉆系統(tǒng)的工作原理是：切削液通過尾架上輸油入口進入鉆 桿內(nèi)部，到達鉆頭頭部進行冷卻潤滑，并將切除的切屑從鉆頭外部的 V型槽中排出 由于切屑由鉆頭和鉆桿外部排出，容易擦傷已加工孔表面，其加工質(zhì)量要低于內(nèi)排 屑方式的系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要用于小直徑（一般v 20 mm深孔加工。AB -圖2.2槍鉆的結(jié)構(gòu)槍鉆由頭部1、鉆桿2和傳動部3（柄部）三部分組成，

22、如圖2.2所示。鉆頭材 料有高速鋼和硬質(zhì)合金兩種，并與鉆桿焊接為一體。目前常用硬質(zhì)合金槍鉆。為了 保證焊接牢固，定位準確，常采用如圖2.3所示的焊口形式。在焊接后，進行校直、 精磨工序，以保證頭部與柄部的同軸度。槍鉆的這種不可拆卸結(jié)構(gòu)帶來了一些本質(zhì) 性的缺陷，如重磨時拆卸、安裝不便，鉆頭報廢時鉆桿不能重復使用，因而也增大了刀具成本等。鉆頭直徑越大，鉆桿越長，上述弊端就越顯著。這是槍鉆不適用于加工35mm以上深孔的一個重要原因AAR B圖2.3槍鉆鉆頭焊口形式2. 2 BTA系統(tǒng)由歐洲跨國研究機構(gòu)“鉆鏜孔與套料加工協(xié)會”（Boring and TempanningAssociaten ,縮寫為B

23、TA對德國人Beisner發(fā)明的一種單邊內(nèi)排屑自導向深孔鉆 進行改進后推出的三種規(guī)范化深孔鉆頭的總稱（BTA實體鉆、BTA擴鉆、BTA套料 鉆）。由于槍鉆不太適用于較大直徑深孔的加工，Beisner于20世紀40年代初參照槍鉆單邊刃切削及自導向的兩大基本特點，推出一種由鉆桿和鉆頭外部供入切削 液，從鉆頭和鉆桿內(nèi)腔排出切屑的內(nèi)排屑深孔鉆頭。由于鉆頭體和鉆桿為空心圓住 體，以方牙螺紋互相連接，易于拆裝更換，從而成為鉆大直徑深孔的理想鉆頭。 Beisner鉆頭的切削刃與槍鉆十分相似，只有一個出屑口，專用于實體鉆孔。后經(jīng) BTA改進，成為規(guī)范化的雙出屑口錯齒 BTA鉆，并同時推出了結(jié)構(gòu)功能類似的一種

24、BTA擴鉆和一種BTA套料鉆，總稱為BTA鉆。BTA系統(tǒng)屬于內(nèi)排屑方式。其結(jié)構(gòu)如圖2. 4所示。主要由中心架、輸油器、鉆 桿聯(lián)結(jié)器和冷卻潤滑油路系統(tǒng)組成。BTA系統(tǒng)中的輸油器與槍鉆系統(tǒng)中的扶正器功能不同，輸油器除了具備導向扶正功用外，還提供了向切削區(qū)輸油的通道。BTA系統(tǒng)的工作原理是：切削液通過輸油器從鉆桿外壁與已加工表面之間的環(huán)形空間進入M圖2.4 BTA系統(tǒng)入，到達刀具頭部進行冷卻潤滑，并將切屑經(jīng)鉆桿內(nèi)部推出。該系統(tǒng)使用范圍廣泛， 適用于深孔鉆削、鏜削、鉸削和套料，但受到鉆桿內(nèi)孔排屑空間的限制，主要用于 直徑 12mm勺深孔加工24。單刃內(nèi)排屑深孔鉆（BTA鉆）的結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。鉆頭的

25、切削部分主要由內(nèi) 刃、外刃、鉆尖、導向塊以及排屑孔組成。刃形和切削過程與槍鉆相似，但切屑從 深孔鉆內(nèi)部排屑孔中排出。鉆頭圓周上布置有兩個導向塊，切削刃一般磨有兩個或 更多的分屑臺階。出于冷卻液和切屑的排出都集中從一個排屑口進入鉆桿，相對就 保證了冷卻液的流量和壓力，有利于排屑。與多刃錯齒內(nèi)排屑深孔鉆比，所受的徑 問力及扭矩較大，導向塊的磨損較嚴重；所需的功率較大，一般只適用于中小直徑 的深孔加工。單刃內(nèi)排屑深孔鉆結(jié)構(gòu)簡單，制造容易、刃磨及重磨方便，它所適用的孔徑范 圍為665mm最大可達100mm孔的長徑比可達100，最大達250;加工精度達IT28 IT10級，孔表面粗糙度為 Ra3. 20

26、. 8卩m對于直徑為612mm勺小直徑內(nèi)排屑 深孔鉆，為便于刀塊的制造與焊接，可以將硬質(zhì)合金刀塊做成“T”型整體，焊在空心鋼管上，“ T”型刀塊的主刃與導向塊連成一體。也可采用兩塊硬質(zhì)合臺分別焊 在鉆桿上，形成切削刃和導向塊。直徑dv50mm勺單刃內(nèi)排屑深孔鉆，常采用焊接 式結(jié)構(gòu)，刀片和導向塊都直接焊在刀體上。直徑大于50mm的，則多采用機夾式結(jié)構(gòu)。外刃！I外刃丨 心 內(nèi)刃圖2.5 BTA鉆頭結(jié)構(gòu)單刃內(nèi)排屑深孔鉆僅有一個排屑口，為便于分屑和排屑，必須將切削刃磨成分 屑階梯刃。鉆頭直徑越大，分屑階梯刃的數(shù)量就愈多，刃磨工作量及難度也愈大； 鉆頭焊接后的殘余應(yīng)力容易產(chǎn)生焊接缺陷。整體式刀片結(jié)構(gòu)不僅

27、硬質(zhì)合金耗量大， 而且不能針對刀刃各處的具體切削狀態(tài)合理選擇刀片材料。單刃鉆頭的徑向力較 大，扭矩較大，容易產(chǎn)生打刀、扭鉆現(xiàn)象，同時導向塊受到的壓力大，容易磨損。單刃內(nèi)排屑深孔鉆（BTA鉆）切削部分的切削力分布及切削扭矩的變化與單刃 外排屑深孔鉆（槍鉆）基本相似。當鉆削開始時，鉆頭通過導向套或工件的引導孔引 導鉆削，見圖2.6。由于導向套（或引導孔）與鉆頭間有間隙，鉆刃在徑向力的作用 下，將鉆頭壓向?qū)蛱椎囊贿叄广@頭與導向套之間一邊有間隙，另一邊無間隙。 開始時鉆出的孔小于鉆頭直徑，如丨U段,當導向塊一進入已加工孔中，則導向塊 一方面與孔壁摩擦擠光，同時又把切削刃擠向外側(cè)，使孔徑擴大至最終尺

28、寸。由于這一時刻（V段）鉆頭的摩擦扭矩迅速增大到最大,鉆頭常常會突然產(chǎn)生抖動，切削刃和導向塊容易損壞。通常在工件的入口端會出現(xiàn)喇叭口，其大端尺才約等于導向圖2. 6 BTA鉆切入工件過程中扭矩的變化相對于單刃內(nèi)排屑深孔鉆而言，還有一種BTA鉆叫多刃錯齒內(nèi)排屑深孔鉆。多刃錯齒 內(nèi)排屑深孔鉆是將相錯開的刀齒分別置于鉆頭排屑槽的兩側(cè)，徑向錯齒排列有37 個刀齒（小直徑取小值），各刀齒間相錯開且留有少量搭接量。圓周上還分布兩個導 向塊，刀體與鉆桿用方牙螺紋聯(lián)接，見圖 2. 73 DF系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)20世紀 70年代中期，日本冶金有限公司利用流體噴射所產(chǎn)生的負壓效應(yīng)，設(shè) 計出一種深孔鉆抽屑裝置，裝設(shè)在 B

29、TA鉆進刀座位置，從鉆桿末端產(chǎn)生負壓以促進 排屑。這種系統(tǒng)所用的深孔刀具 BTA刀具完全相同，其輸油器 BTA鉆也完全相同， 只是將切削液分出另外一支用以產(chǎn)生噴流。因此，這種深孔抽屑裝置與BTA鉆的單一油路相比成為一種與之相區(qū)別的雙向供油系統(tǒng)（Double Feeder System,簡稱DF系統(tǒng)），因而命名為DF系統(tǒng)。DF技術(shù)于1980年在日刊機械技術(shù)上相繼報道后， 由于其抽屑裝置比較簡單，刀具成本低于雙管噴吸鉆，將現(xiàn)有內(nèi)、外排屑深孔鉆床 或車床進行簡易改進后即可采用。DF系統(tǒng)特別適合于鉆 1630mm的深孔，具 有比BTA鉆排屑狀況好，比槍鉆、雙管噴吸鉆投資少、成本低等優(yōu)勢，因而在我國 的

30、應(yīng)用比較廣泛。到了 80年代，DF原理披再次被推廣應(yīng)用到外排屑鉆削系統(tǒng)中。該系統(tǒng)不僅可 以應(yīng)用到槍鉆床上，解決了小直徑深孔的排屑、密封等難題，而且還可以應(yīng)用到普 通立式鉆床和普通車床上，為解決深孔麻花鉆鉆深孔的冷卻、排屑問題開避了一個 新途徑。槍鉆為內(nèi)排屑深孔鉆，鉆桿的結(jié)構(gòu)決定了其剛性不足，只能適用于小孔徑的零 件加工，加工效率低，加工質(zhì)量較差。但槍鉆的密封問題容易解決。BTA系統(tǒng)的產(chǎn)生是深孔加工技術(shù)的一大突破。BTA系統(tǒng)的特點是冷卻潤滑液由鉆桿和已加工孔壁 之間的環(huán)形通道輸入切削區(qū)， 而后帶著切屑一起由鉆桿排屑通道排出。 鉆桿剛性好， 可鉆直徑60mm以上的實心孔；由于切屑從鉆桿內(nèi)排出，避免

31、了切屑劃傷孔壁，孔壁 與鉆桿之間的切削液對鉆桿起不到減振作用，但 BTA系統(tǒng)存在密封裝置制造復雜的 問題。噴吸鉆系統(tǒng)的發(fā)明克服了 BTA系統(tǒng)的不足，比較巧妙地解決了 BTA系統(tǒng)壓力 頭的密封問題。噴吸鉆的特點是采用內(nèi)外鉆桿，冷卻液通過二管之間隙輸入，其中 的一部分冷卻液經(jīng)二管之間的環(huán)形空間進入切削區(qū)，起潤滑、冷卻、排屑的作用； 另一部分冷卻液通過內(nèi)管上的噴口進入內(nèi)管排屑通道，在排屑通道內(nèi)形成一個局部 真空區(qū)，對切削區(qū)冷卻和切屑產(chǎn)生抽吸作用。但噴吸鉆存在的缺點是：由于采用內(nèi) 外鉆桿，排屑空間受到限制，所以鉆削直徑一般大于18m m同時加工精度也略低于BTA系統(tǒng)。而DF系統(tǒng)綜合了 BTA系統(tǒng)和噴吸

32、鉆系統(tǒng)的優(yōu)點，將推吸排屑加以結(jié)合大 大提高了系統(tǒng)的排屑能力，同時也降低了鉆桿的制造難度，使得鉆孔的最小直徑可 達到 6mm20 。作為本課題設(shè)計的主要理論基礎(chǔ)，本節(jié)將介紹DF系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理，并 著重對DF系統(tǒng)的負壓抽屑機理和排屑特性進行分析。3. 1 DF系統(tǒng)的分類DF系統(tǒng)按其排屑方式可以分為內(nèi)排屑 DF系統(tǒng)和外排屑DF系統(tǒng)，分別用于DF 深孔鉆和槍鉆鉆削加工。3. 1. 1內(nèi)排屑DF系統(tǒng)內(nèi)排屑DF系統(tǒng)由工件1、鉆頭2、輸油器3、鉆桿4和負壓抽屑裝置5構(gòu)成, 如圖3.1所示。它的工作原理是：大部分 （約2/ 3）切削液從輸油器進入，圖3.1內(nèi)排屑DF系統(tǒng)通過鉆桿外壁與已加工表面之間到達切

33、削區(qū)，冷卻潤滑鉆頭，并沖擊切屑，將之從 鉆桿內(nèi)部推出；另一小部分（約1/3）切削液從負壓裝置進入，通過噴嘴直接到達鉆 桿內(nèi)腔，并向后高速噴射，在鉆桿內(nèi)產(chǎn)生負壓，將切削區(qū)的切削液向后抽吸。切屑 在兩路切削液的推、吸雙重作用下，排屑十分流暢。內(nèi)排屑DF系統(tǒng)的噴嘴通常采用錐形和月牙槽形兩種形式。3. 1. 2外排屑DF系統(tǒng)。外排屑DF系統(tǒng)由工件I、鉆頭2、負壓抽屑裝置岡3和輸油器4構(gòu)成，如圖3.2所示。其工作原理是：大部分切削液從鉆桿尾部進入通過鉆桿內(nèi)部到達切削 區(qū)，冷卻潤滑鉆頭，并將切屑從 V型槽或螺旋槽中推出；另一小部分切削液從外排 屑負壓裝置進入，通過噴嘴到達鉆桿外壁，并向后噴射，在鉆桿v型槽

34、或螺旋槽內(nèi)產(chǎn)生負壓，將切削區(qū)的切削液和切屑向外抽吸，促使切屑排出。因為外排屑負壓區(qū) 的截面積較小，為了噴射充分，噴嘴一般采用圓錐形噴嘴圖3.2外排屑DF系統(tǒng)3. 2 DF系統(tǒng)的負壓抽屑機理DF系統(tǒng)負壓產(chǎn)生的機理是：切削液經(jīng)負壓裝置高速射入排屑通道， 與向外流動 的切削液混合進行能量轉(zhuǎn)換。排屑通道中向后流動的切削液，在射流噴嘴口處的能 量轉(zhuǎn)換區(qū)獲得能量，切削液流速得以提高。這樣，排屑通道內(nèi)向后流動的切削液， 在能量轉(zhuǎn)換前后的流速產(chǎn)生梯度，具有不同的能量，形成壓力差。在能量轉(zhuǎn)換區(qū)前H(1|UL1J LIlI Iill圖3.3排屑通道的切削液壓力低，在能量轉(zhuǎn)換區(qū)后邊的壓力高，因而產(chǎn)生真空區(qū)，即負壓區(qū)

35、。在負 壓區(qū)切削液的流動速度加快，增強了排屑效果。取切削區(qū)排屑通道入口至負壓噴口之間的單元流體為研究對象，如圖3.3所示（1）無負壓效應(yīng)情況下，能量方程為：式中：Zi, Zn i，n截面處的比位能；Pi，Pn I，n截面處的平均壓力；Vi , V ni,n截面處的平均流速;i,n截面處的動能修正系數(shù);冷卻液密度;hL 沿程能量損失。對于我們研究的對象，乙=Zn, V i =Vn=V,因為是紊流，a i = a n =1。于是有：Pi - Pn= p ghL(2)(2) 在有負壓效應(yīng)的情況下，能量方程為：f pg2gu pg2g丄同樣乙,=Z n , a i= a n 在有負壓的情況下，Vi工V

36、 n , V i = V n= V,若假設(shè)沿路能量損失受負壓效應(yīng)的影響不大，即hL = h L則根據(jù)(3)式得：(4)將式(2)與式(4)比較可知:(1 )由于負壓區(qū)的負壓作用，使排屑通道壓差增大，其壓差產(chǎn)生的抽吸力直接作 用在排屑通道中的切屑上，實現(xiàn)主動抽屑。(2 )負壓區(qū)壓力越低，則排屑通道壓差越大，負壓抽屑效果就越好，系統(tǒng)排屑能 力也就越高。中： V = V n - V n ,即有負壓效應(yīng)時，負壓區(qū)流速增量。4 DF系統(tǒng)抽屑裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計由于課題的設(shè)計是基于 DF系統(tǒng)的深孔輔具設(shè)計，所以設(shè)計任務(wù)應(yīng)建立在基本 的DF系統(tǒng)之上，又因為課題的設(shè)計任務(wù)是針對非回轉(zhuǎn)體深孔零件的加工，則設(shè)計 結(jié)果必

37、須要能夠滿足這一特定的要求，這就是課題的宗旨之所在。結(jié)合所學知識以 及參閱的相關(guān)資料，現(xiàn)制定出基本設(shè)計思路：在傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)體深孔DF系統(tǒng)基礎(chǔ)上加以改進，使之能夠?qū)崿F(xiàn)對非回轉(zhuǎn)體深孔件的加工。由于傳統(tǒng)的DF系統(tǒng)多采用工 件旋轉(zhuǎn)、刀具進給的加工方式，而對非回轉(zhuǎn)體深孔件的加工則要求采用工件固定、 刀具旋轉(zhuǎn)進給的加工方式，這就提出了一個便捷的設(shè)計思路，即對回轉(zhuǎn)體深孔加工 DF系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)上的改進，同時將加工進給方式改為工件不動，刀具邊進給邊旋轉(zhuǎn) 主要結(jié)構(gòu)改變在刀具后裝置上，刀座卡盤和負壓抽屑器由固定不動式改為旋轉(zhuǎn)式。 同時對與之相關(guān)的配套的輔具也進行改進，使之能夠完成設(shè)計任務(wù)的要求?，F(xiàn)給出 傳統(tǒng)的DF系統(tǒng)

38、配置示意圖如下：1 2 3456 Q78910DF系統(tǒng)配冒示賣圖1-工件；2-中心架；3-BTA鉆；4-鉆套;5-輸油器；6-鉆桿;J鉆桿夾頭8-抽屑器：9亠前噴嘴；10-后噴嘴圖4.1 DF系統(tǒng)配置示意圖在上文中已經(jīng)比較詳細地介紹了 DF系統(tǒng)的工作機理，這里不再闡述。從以上示 意圖中可以看出，DF系統(tǒng)主要由兩個部分，即由5輸油器、8抽屑器組成，以 下從功能實現(xiàn)的角度來分別對兩個組成部分進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。4. 1輸油器的設(shè)計DF系統(tǒng)的輸油器與槍鉆加工系統(tǒng)的輸油器在原理上是不同的，但與BTA鉆的輸油器在結(jié)構(gòu)上是類似的。槍鉆的輸油器與刀具的進給座作成一體，將高壓切削液通 過槍鉆鉆柄導入槍鉆的進油通道。

39、在槍鉆不旋轉(zhuǎn)的情況下只要進給座具備使鉆柄定 位、夾緊和傳送扭矩、保證密封的功能即可，其結(jié)構(gòu)比較簡單。DF系統(tǒng)與BTA鉆的輸油器都是布置在機床的前端，所以又被稱為抽屑前裝置，二者均通過鉆套與鉆桿之間的環(huán)狀空隙和切削刃與導向條之間的空隙將切削油導向切削刃部4. 1. 1輸油器的結(jié)構(gòu)設(shè)計誣1L574圖4.2 DF系統(tǒng)輸油器結(jié)構(gòu)圖S對峑烹壬電QCUI-機IZZZ4k, 以上是加工回轉(zhuǎn)體深孔件時采用的 DF系統(tǒng)輸油器結(jié)構(gòu)圖。下面結(jié)合設(shè)計要求在 該結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上進行改進。（1）輸油器前部的結(jié)構(gòu)設(shè)計：結(jié)構(gòu)圖在輸油器的前端出口處，圖中6軸承的設(shè)置是為了使鉆套能夠緊貼工件并隨同工件一起旋轉(zhuǎn)。這樣設(shè)計是為了保證加

40、工過 程中工件與鉆桿的同軸度，盡可能地防止鉆頭在切削過程中發(fā)生走偏的現(xiàn)象；同時 鉆套的錐面與工件上預(yù)鉆的錐孔面在軸向的擠壓力作用下緊密配合，防止切削液外 漏，起到對油路的密封作用。但在加工非回轉(zhuǎn)體工件時，由于采用的是鉆桿邊旋轉(zhuǎn) 邊進給而工件固定的加工方式，則不再需要鉆套與工件旋轉(zhuǎn)，取而代之的是鉆頭的 旋轉(zhuǎn)進給。故以上結(jié)構(gòu)中用以支撐鉆頭旋轉(zhuǎn)的軸承可以去掉。去掉軸承后的結(jié)構(gòu)仍 然采用鉆套的錐面與工件錐孔緊密配合的方式來防止切削液的外漏。這里鉆套的設(shè)計是個要點。鉆套內(nèi)徑與鉆頭之間的間隙，對深孔鉆切入階段的 正常工作有著重大的影響。間隙過大會加大鉆頭走偏。根據(jù)國內(nèi)外的實踐經(jīng)驗，對 于50mm以下的鉆頭

41、，新鉆頭與新鉆套之間的直徑差應(yīng)不大于0.01mm已磨損的 鉆套，其直徑的最大磨損量應(yīng)控制在 0.005mm范圍內(nèi)。50mm以上的鉆頭與新鉆 套之間的間隙應(yīng)不大于0.02mm鉆套的直徑磨損量通常情況下應(yīng)不大于 0.01mm（2）輸油器進油口位置的改設(shè)：考慮到安裝的方便，現(xiàn)將以上結(jié)構(gòu)中的進油 孔由輸油器頂端改設(shè)在側(cè)壁上。 結(jié)合設(shè)計總體布局，加工系統(tǒng)的油缸設(shè)置在床身右 面，故進油孔適宜開設(shè)在輸油器的右側(cè)壁上。（3），輸油器后部的結(jié)構(gòu)設(shè)計：由于圖 4.2中9密封套的選材是在鉆桿不旋轉(zhuǎn)的 情況下進行的，其密封要求相對來講屬于一般性的靜態(tài)密封。而根據(jù)設(shè)計要求，鉆 桿在加工過程中是高速旋轉(zhuǎn)的，這就需要在上述

42、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上做適當?shù)男薷?。需要?意的就是密封套的選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計。加工過程中鉆桿高速旋轉(zhuǎn)，選用金屬材料的密 封套容易對鉆桿造成磨損，橡膠密封套則對鉆桿有很大的摩擦轉(zhuǎn)矩，故一般選擇硬 塑料，也可以使用軟木料代替。密封套除了保證切削液不泄露這一基本功能之外， 實際上還起到了支撐鉆桿的作用。密封套因磨損而必須及時調(diào)節(jié)更換，當更換不同 直徑的鉆桿時，需要相應(yīng)地更換不同直徑的密封件。本團隊全部是在讀機械類研究生，熟練掌握專業(yè)知識，精通各類機械設(shè)計，服 務(wù)質(zhì)量優(yōu)秀?？扇梯o導畢業(yè)設(shè)計，知識可貴，帶給你的不只是一份設(shè)計，更是- 種能力。聯(lián)系方式：QQ712070844請看QC資料。5結(jié)論本課題是在傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)體深孔加工 DF系統(tǒng)基礎(chǔ)上，經(jīng)過適當?shù)母倪M設(shè)計出了 一套非回轉(zhuǎn)體深孔加工 DF系統(tǒng)。由于在設(shè)計中許多難題是暫時無法克服的，所以 這套機構(gòu)無論在功能上還是結(jié)構(gòu)上，都存在設(shè)許多的不足，最終能否投入使用還有 待于實踐的檢驗。我將會繼續(xù)關(guān)注深孔加工技術(shù)的發(fā)展情況，以進一步完善對該課 題的設(shè)計研究。畢業(yè)設(shè)計是大四畢業(yè)生四年所學知識的總結(jié)匯報，是對大四學生踏上工作崗 位，或者開始更進一步學習之前的最后一次實戰(zhàn)檢驗。我結(jié)合課堂所學知識，潛心 鉆研設(shè)計題目，通過到圖書館借閱相關(guān)書籍，以及上網(wǎng)搜尋相關(guān)期刊和論文，我翻 閱了大量設(shè)計參考資料，比較詳細地了解了深孔加工技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀