第三章 基于BTA刀具的噴吸4

第三章基于BTA刀具的噴吸鉆加工技術(shù)主要內(nèi)容:1雙管噴吸鉆加工技術(shù)1.1雙管噴吸鉆的供油和排屑機(jī)理1.2雙管噴吸鉆及其鉆桿設(shè)計(jì)1.3雙管噴吸鉆的商品尺寸規(guī)格1.4雙管噴吸鉆連接器1.5雙管噴吸鉆的切削用量選擇1.6雙管噴吸鉆加工的凈功率、進(jìn)給力和轉(zhuǎn)矩1.7雙管噴吸鉆的切削液流量和油壓1.8雙管噴吸鉆的改進(jìn)2DF深孔加工系統(tǒng)2.1DF系統(tǒng)的工作原理

2.2DF系統(tǒng)與其他深孔加工技術(shù)的比較重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容:雙管噴吸鉆的供油和排屑機(jī)理雙管噴吸鉆的切削用量選擇DF系統(tǒng)的工作原理

引言

BTA刀具加工時(shí)要求嚴(yán)格密封，只能使用專用的深孔鉆床，從而限制了技術(shù)的推廣應(yīng)用。20世紀(jì)60年代初，在先進(jìn)深孔技術(shù)普遍開始應(yīng)用于民用裝備制造業(yè)后，瑞典SANDVIK公司推出了一種基于BTA刀具的雙管噴吸鉆。這種刀具系統(tǒng)不需要嚴(yán)格密封的輸油器（油壓頭），對機(jī)床結(jié)構(gòu)要求比較簡單，甚至普通車床、轉(zhuǎn)塔車床等通用機(jī)床經(jīng)簡單改造都可用于深孔加工。雙管噴吸鉆逐漸成為SANDVIK公司的主要深孔加工裝備產(chǎn)品。我國應(yīng)用該技術(shù)最早是在1973年的上海新技術(shù)展覽會上。

20世紀(jì)70年代，日本冶金公司推出了雙向供油噴吸鉆系統(tǒng)（DoubleFeeder）。其結(jié)構(gòu)比雙管噴吸鉆簡單，抽屑機(jī)理基本相同，只是在單層BTA鉆桿后部增加了一套簡單的抽屑器，即單管噴吸系統(tǒng)。改善了排屑條件，擴(kuò)大了BTA鉆的應(yīng)用范圍，也有利于用普通車床和舊深孔鉆床進(jìn)行改裝。上世紀(jì)80年代，我國不少企業(yè)應(yīng)用該技術(shù)加工中小直徑系列深孔。以上兩種噴吸鉆加工技術(shù)各有其局限性，不能取代BTA鉆削技術(shù)，只是在某些方面對BTA技術(shù)作了些補(bǔ)充。

3.1雙管噴吸鉆加工技術(shù)

雙管噴吸鉆加工技術(shù)的正規(guī)名稱為EjectorDrilling（噴吸鉆削）。為有別于DF系統(tǒng)的單管噴吸鉆削，在我國稱之為雙管噴吸（射）鉆加工技術(shù)。3.1.1雙管噴吸鉆的供油和排屑機(jī)理

雙管噴吸鉆與BTA鉆的異同：1）同為單邊刃、自導(dǎo)向、內(nèi)排屑深孔鉆。2）供油和排屑方式不同，導(dǎo)致相應(yīng)的鉆桿、輔具、機(jī)床液壓系統(tǒng)等方面也有差異。鉆頭2的外部結(jié)構(gòu)與BTA鉆僅有微小差別（雙管噴吸鉆頭部與大制口之間有一組6個(gè)沿周向分布的通油孔，而BTA鉆沒有）。在鉆頭的內(nèi)腔設(shè)置一根薄壁的內(nèi)管9，其內(nèi)壁為排屑通道。當(dāng)鉆頭與鉆桿（外管）10以方牙螺紋連接后，內(nèi)外管之間形成一個(gè)提供切削液的環(huán)形通道，給鉆頭供油。供油和排屑機(jī)理：

1.約2/3的切削液通過6個(gè)通油孔口和鉆桿前端的環(huán)狀間隙噴向切削刃部，攜帶切屑穿過整個(gè)內(nèi)管向后排出。2.約1/3的切削液高壓下進(jìn)入內(nèi)管后部兩排（共6個(gè)，在圓周方向互相錯(cuò)開，均勻分布）向后傾斜30°的噴射槽。3.噴射槽的橫截面呈30°圓錐，通道由大變小，流速由低變高，在內(nèi)管形成錐狀射流。

由伯努里方程：P01=P+ρv2式中P01---流體噴射前的總壓力；P—流體噴射后的靜壓；ρ—射流密度；v—射流速度。射流速度增加，噴射口靜壓下降，在內(nèi)管后部產(chǎn)生低壓區(qū)，使排屑通道前后的壓力差加大，對鉆頭喉部的切屑和切削液產(chǎn)生抽吸力，促使切削液攜帶切屑加快向外排出。內(nèi)管的設(shè)置及其抽吸作用，產(chǎn)生的附加效果如下：（1）內(nèi)排屑深孔鉆的排屑狀況得到明顯改善（特別當(dāng)鉆頭直徑較小時(shí)）。（2）對同樣的鉆頭直徑，所需油壓和流量僅為BTA鉆的1/2左右，減輕了對機(jī)床密封的要求；（3）供油通道不再是鉆桿外壁與已加工孔壁之間的環(huán)狀空間，不需要嚴(yán)格密封，可以在多種臥式或立式機(jī)床上采用。（4）省去了輸油器，以縱向尺寸較短的鉆套支架代替，當(dāng)鉆孔深度一定時(shí)，鉆桿的懸伸長度將減短，從而使鉆桿總扭轉(zhuǎn)變形量得以降低。在實(shí)際使用中，雙管噴吸鉆存在的技術(shù)缺點(diǎn)：①由于噴射口分布在內(nèi)管上，所產(chǎn)生的抽吸力有限，通常當(dāng)工件孔深超過1000mm時(shí)，抽吸作用不明顯。因此鉆孔深度限制在1000mm左右。否則推動(dòng)切屑進(jìn)入出屑口的動(dòng)量不如BTA鉆，導(dǎo)致排屑效果不如BTA鉆。這是雙管噴吸鉆無法取代BTA實(shí)體鉆的主要原因。②雙管噴吸鉆的排屑通道直徑小于BTA鉆，當(dāng)鉆頭直徑很小時(shí)更容易發(fā)生堵屑。因此，雙管噴吸鉆的最小可鉆孔直徑要大于BTA鉆。如SANDVIK公司產(chǎn)品目錄中，雙管噴吸鉆的最小供貨直徑為φ18.4mm，而BTA鉆為φ15.6mm。

③與BTA鉆相比，失去了切削液對鉆桿振動(dòng)所產(chǎn)生的阻尼作用，容易使鉆桿產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。一般采取的措施是，在鉆桿支承架部位設(shè)置兼有支承作用的振動(dòng)阻尼裝置，或是降低進(jìn)給量和切削速度。④機(jī)床的通用性受到局限。不適合加工長深孔，也不適用于多品種小批量深孔零件加工。刀具成本高于BTA鉆，供貨周期長，沒有專業(yè)供貨商，也難于自行制造。

⑤為了使鉆頭開始切入工件時(shí)的正確位置，避免切削液外濺，須在工件上預(yù)鉆引導(dǎo)孔。當(dāng)使用鉆套時(shí)，引導(dǎo)孔可以短些。此時(shí)，引導(dǎo)孔的直徑稍小于鉆頭直徑的下限。如果不用鉆套，引導(dǎo)孔應(yīng)適當(dāng)長些，引導(dǎo)孔的直徑也應(yīng)稍大于鉆頭直徑。鉆孔前，應(yīng)先在工件中心架上調(diào)整引導(dǎo)孔的位置，使引導(dǎo)孔與鉆頭同軸。

雙管噴吸鉆用于實(shí)體鉆孔和擴(kuò)孔，不能用于套料。雙管噴吸式擴(kuò)鉆規(guī)格與BTA鉆相同，只不過比BTA鉆多出6個(gè)出油孔，加配一根相應(yīng)尺寸的內(nèi)管。擴(kuò)孔時(shí)的切屑排出量少于實(shí)體鉆，對于排屑影響不大。當(dāng)用于刀具旋轉(zhuǎn)方式時(shí)，雙管噴吸鉆需要一臺刀桿旋轉(zhuǎn)式連接器夾持鉆桿。通常只用于工件固定的較大批量加工。旋轉(zhuǎn)式連接器還可以按加工中心的接口方式設(shè)計(jì)成快換式夾刀模塊。列入加工中心的刀庫，在加工中心上使用。3.1.2雙管噴吸鉆及其鉆桿設(shè)計(jì)

雙管噴吸鉆切削部分的設(shè)計(jì)方法，與BTA鉆基本一致。二者的主要區(qū)別在于鉆頭體和鉆桿。1.φ15.64~φ65mm的鉆頭采取焊接刀片，2.φ25~φ180mm的采取機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀片結(jié)構(gòu)，見圖2。自行設(shè)計(jì)鉆頭和鉆桿時(shí)，保證最佳的供油排屑效果和提高鉆桿剛度，對具體的工件進(jìn)行“一對一”設(shè)計(jì)。

（a）焊接型；（b）機(jī)夾可轉(zhuǎn)位型

深孔刀具的突出特點(diǎn)：1.工藝復(fù)雜、生產(chǎn)環(huán)節(jié)多，2.尺寸規(guī)格繁多、批量小。對鉆頭實(shí)行直徑尺寸分段，以減少刀體規(guī)格和鉆桿尺寸規(guī)格，對刀具的生產(chǎn)供貨、降低成本都是十分必要的。焊接刀片噴吸鉆鉆頭的訂貨尺寸規(guī)格是每組相差0.01mm，由φ18.40到65.00mm將有4661個(gè)規(guī)格；

機(jī)夾鉆頭由φ65.00到φ180.00有11501個(gè)規(guī)格，鉆桿的尺寸規(guī)格數(shù)將達(dá)16162個(gè)之多。如果φ18.40--φ20.00，φ20.01—φ21.80兩種刀具尺寸規(guī)格共用一種規(guī)格的鉆桿，則鉆桿按φ20.00設(shè)計(jì)，對于φ18.40的鉆頭來說，供油通道面積就偏??；而對于φ21.80的鉆頭，排屑通道面積偏小。

3.1.2.1雙管噴吸鉆的設(shè)計(jì)要點(diǎn)（1）鉆頭直徑（D）鉆頭直徑公稱尺寸取為孔下限尺寸加孔公差帶的2/3，鉆頭制造公差按h4標(biāo)準(zhǔn)，或?qū)Ζ?5mm以下的鉆頭D，對φ65mm以上取D。鉆頭與鉆桿的尺寸標(biāo)記見圖3。

切削液流向切削刃部時(shí)，需穿過寬度為（D-D1）/2的環(huán)行通道，D1值的大小對供油效果有直接影響。具體確定原則是：切削液在鉆頭頭部與已加工孔壁之間的通油面積，應(yīng)與內(nèi)外管之間的通油面積持平或略小。據(jù)此原則，取D1=（0.93~0.95）D為適當(dāng)。（2）鉆頭體外徑（D1）

（3）外鉆桿外徑D01鉆桿外徑不再起供油通道作用，其尺寸越大越好，有足夠的剛度，同時(shí)又為內(nèi)管、供油通道和排屑通道的設(shè)計(jì)留有充分的空間。但不能大于鉆頭直徑。參照槍鉆，取D01=0.98D。

（4）外鉆桿內(nèi)徑D02既保證鉆桿有足夠的剛度，又能為供油、排屑通道留下較充分的面積。參照BTA鉆，取D02=0.7D，與BTA鉆基本相等。

（5）內(nèi)管外徑d01根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，內(nèi)外管之間的單邊通油間隙?。―02-d01）/2，對于較小鉆頭直徑，不應(yīng)小于1mm。隨鉆頭直徑增大，可按鉆頭直徑增大量的1/10加大d01值，即：D=18.40mm~40.00mm，取d01=D02-2;D=40.01mm~65.00mm,取d01=D02-3；D＞65.00mm，取d01=D02-(D/10-3);

(6)內(nèi)管壁厚的確定加工時(shí),內(nèi)管不承受切削力和轉(zhuǎn)矩，只在徑向受到切削液的微小壓力差和排屑通道中流過的切屑和切削液的重力作用。為了擴(kuò)大排屑通道面積，通常采用強(qiáng)度較高的薄壁無縫管做內(nèi)管。根據(jù)GB8162-87所列規(guī)格，可確定：D＜40mm時(shí)，t=0.5mm;D=40~85mm時(shí)，t=1mm;D＞85mm時(shí)，t=1.5mm。

按上述計(jì)算求得的d01值，必須按國標(biāo)規(guī)格進(jìn)行校核和修正。例如GB8162-87規(guī)定有φ57，φ60，φ63的外徑規(guī)格，如算得的d01為φ58，就修正為φ57。

（7）內(nèi)管與鉆頭直徑結(jié)合部直徑d03兩種不同的方案。圖4（a）為內(nèi)管前端擴(kuò)口式，用于φ65mm以下的焊接刀片噴吸鉆；圖（b）為不擴(kuò)口式，用于φ65mm以上的機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀片鉆頭。采用擴(kuò)口式的內(nèi)管，其擴(kuò)口部分的外徑尺寸d03比d01大2~3mm（鉆頭直徑小時(shí)，取小值）。不擴(kuò)口內(nèi)管則直接用外徑d01與鉆頭內(nèi)腔定位臺相配合。這種結(jié)構(gòu)上的具體差異只不過是為保證通油間隙而作的結(jié)構(gòu)按排，與鉆頭的功能無關(guān)。

（a）內(nèi)管擴(kuò)口式；（b）內(nèi)管不擴(kuò)口式；△-進(jìn)油間隙

（8）鉆桿與鉆頭結(jié)合部有關(guān)尺寸參數(shù)

大制口直徑D3：取D3=0.9D，保證鉆桿在該處的壁厚為（0.98D-0.9D）/2=0.04D。前供油孔徑d：6個(gè)供油孔的面積之和與內(nèi)外管之間通油截面基本相等，即6（πd2/4）=π（D-d）/4因此d=

鉆頭頸部直徑D2：D2與D3之間是切削液流出前面的供油孔后，通向切削刃部的通油間隙，其面積應(yīng)等于或稍小于內(nèi)外管的流道截面積，由此得：D-D≤D-d,故D2≥其他尺寸參數(shù)如方牙螺紋大徑D4，小徑D5，螺紋頭數(shù)n，導(dǎo)程p，小制口D6等，可參照BTA鉆的計(jì)算方法。在所有徑向尺寸確定后，應(yīng)對連接部分強(qiáng)度進(jìn)行演算，必要時(shí)對有關(guān)尺寸進(jìn)行調(diào)整。

（9）鉆桿長度L雙管噴吸鉆通常只適用于加1000mm左右的短工件，SANDVIK公司將鉆桿長度定為400、630和1070mm三種規(guī)格。如自行設(shè)計(jì)制造，可參照下列經(jīng)驗(yàn)公式：L=L孔+L套+（80~120）（mm）L孔—工件孔深（mm）;L套—鉆套長度（mm）。留量80~120mm中，包括鉆桿夾持部分的長度、鉆頭對孔的超出量、工件末端與鉆套之間的間隙（1mm左右）及鉆桿后端留量。內(nèi)管長度比鉆桿長度加30mm，以滿足連接器定位的需要。

（10）負(fù)壓噴射槽的設(shè)計(jì)負(fù)壓噴射槽又稱“月牙槽”或“魚鱗槽”，用來在內(nèi)管中產(chǎn)生負(fù)壓抽吸作用，是雙管噴吸鉆的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。影響負(fù)壓抽吸效果的主要因素是：1.噴射槽對內(nèi)管軸線傾斜角θ；2.噴射槽寬度s；噴射槽總面積；3.噴射槽在內(nèi)管縱向長度的位置。這些參數(shù)應(yīng)與鉆頭直徑、切削液壓力和流量、切削液粘度相匹配，才能取得最佳抽屑效果。

由于雙管噴吸鉆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中受到的約束條件太多，如內(nèi)、外管之間的間隙即切削液通道寬度、內(nèi)管厚度、內(nèi)管直徑即排屑通道直徑面積等，很難通過實(shí)驗(yàn)方法取得最佳的參數(shù)匹配，因此，對負(fù)壓噴射槽各參數(shù)的設(shè)計(jì)僅限于采用經(jīng)驗(yàn)方法。圖6為噴射槽的示意。

圖6噴射槽示意圖

（a）噴射槽傾角θθ值越小，負(fù)壓抽屑效應(yīng)也越大。但由于受工藝上的限制，一般取θ=30°。（b）噴射槽寬度s供油通道間隙（1~7.5mm）和內(nèi)管壁厚（0.5~1.5mm）很薄是約束噴射槽寬度（s）值不可能太大的先天條件，否則將難以形成射流。一般s取值0.2~0.4mm。D大時(shí)，取大值。

（c）噴射槽長度和數(shù)目噴射流應(yīng)當(dāng)環(huán)繞內(nèi)管內(nèi)壁360°，形成一個(gè)錐形射流面，又不造成內(nèi)管在切削液的高壓下產(chǎn)生過大變形或斷裂。通常采取的辦法是：將噴射槽（橢圓曲線之長徑區(qū)段），沿直徑分為兩列，每列3個(gè)槽，間隔120°排布，每槽占有圓心角60°，兩列之間的距離應(yīng)盡可能靠近，一般取5~10mm

由此可得噴射槽的總面積為6×πd01/6×s=πd01s單位是平方毫米。(d)噴射槽的位置通常設(shè)置在距內(nèi)管末端20~30mm處。但當(dāng)所加工孔的相對長徑比較大時(shí)，將噴射槽前移至內(nèi)管前半段，可取得更好的抽屑效果。有些國外實(shí)驗(yàn)結(jié)果甚至表明，將噴射槽設(shè)在緊靠鉆頭出屑口喉部的位置，效果最好。雙管噴吸鉆、鉆桿及內(nèi)管主要參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)公式及數(shù)據(jù)列于表1.3-1。(P212)表中個(gè)代號的含義同圖3、圖4和圖5。

3.1.3雙管噴吸鉆連接器

連接器具有三種功能：1.輸油;2.抽屑;3.夾持鉆桿。采用鉆頭旋轉(zhuǎn)方式時(shí)，連接器還承擔(dān)將主軸的轉(zhuǎn)矩傳給鉆頭鉆桿的功能。

連接器的結(jié)構(gòu)分為兩類：見圖7，1.鉆頭不轉(zhuǎn)的連接器2.鉆頭旋轉(zhuǎn)的連接器。圖7鉆頭不旋轉(zhuǎn)的雙管噴吸鉆連接器（a）筒形連接器（b）帶螺紋柄的連接器

鉆頭不轉(zhuǎn)的連接器，其功能和外形都與BTA鉆的筒式輸油器相似：1.油孔接頭與輸油管相接，供油；2.夾緊螺母1和可更換的彈簧夾頭2，夾緊鉆桿并自動(dòng)定心；3.定位臺3，定位密封內(nèi)管末端；鉆頭直徑大于φ65mm時(shí)，連接器也可以設(shè)計(jì)成圖7（b），帶螺母的短粗形結(jié)構(gòu)。連接器安裝在進(jìn)給刀座上，其末端與排屑橡膠管對接。

鉆頭旋轉(zhuǎn)式連接器構(gòu)造較復(fù)雜，與圓筒式連接器類似。二者的區(qū)別：（1）有一個(gè)與機(jī)床主軸配合的柄部（莫氏，ISO標(biāo)準(zhǔn)，法蘭盤，等等），將機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)矩和功率傳向鉆頭；（2）有一個(gè)不旋轉(zhuǎn)的外殼，以形成進(jìn)油通道和排屑出口的密封。莫氏錐用于φ18.4~65.00mm，ISO錐柄用于φ65.00~183.90mm；法蘭盤用于各種鉆頭直徑。3.3雙管噴吸鉆連接器

圖8鉆頭旋轉(zhuǎn)式雙管噴吸鉆連接器

3.1.4雙管噴吸鉆切削用量選擇

雙管噴吸鉆的切削用量選擇原則與BTA鉆基本相同：1.根據(jù)被加工材質(zhì)確定刀片牌號，2.結(jié)合鉆頭直徑選定進(jìn)給量（f）值3.根據(jù)機(jī)床功率、油箱容積等條件決