新型機夾多刃內排屑深孔鉆的設計

李增勛 張賀清 劉慶君 陳峰

（內蒙古北方重工業集團有限公司，內蒙古 包頭，014033）

1 概述

深孔加工在孔類零件加工中是一個難點，BTN深孔鉆是用來加工我廠承攬項目超高壓管的刀具。該超高壓管管長11m，孔徑從Φ40～Φ60mm，長徑比為200：1，加工難度大，這在國內同行業中尚屬空白。機夾多刃內排屑BTN深孔鉆是在單刃焊接式深孔鉆基礎上的重大突破。與單刃深孔鉆相比，切削條件得以很大的改善，切削力、切削扭矩減少，克服了單刃焊接式深孔鉆在制造時焊接刀片易產生裂紋、在使用中刀具消耗量大等弊端，確保了產品的加工精度，效率提高了近30%，使深孔加工能力達到國際先進水平。

2 刀具的總體設計

深孔鉆的設計應根據被加工條件的加工工藝及材料來進行，鉆頭工作的好壞直接影響深孔加工的質量。這就要求刀具設計要結構合理，能滿足并符合加工過程中的使用要求，即保證刀具的系統剛性強、切削平穩、排屑流暢等。

在設計鉆頭時，首先采用了機夾結構形式，刀墊通過螺釘固定在刀體上，在刀墊上裝有凸三邊形的機夾硬質合金刀片，它符合國際通用件標準，可以很方便的更換刀片，并保持鉆頭的系列尺寸不變，1個刀片可以翻轉3面使用3次。在設計過程中，運用幾何圖解法通過刀具的受力分析，采用多刃錯齒內排屑的形式。如圖1所示：其結構形式將刀齒分別置于對稱的180°的兩側，刀齒數目為3個，各齒相互錯開搭接，分片切削，各切削刃所形成的圓錐面在軸向具有不同的高度尺寸，從而形成交錯、斷續、重疊的階梯形切削刃，其特點是切削平穩、斷屑均勻。另外，在刀體上還裝有兩個互成100°的導向塊，使切削力使用在導向塊上，從而實現徑向力的平衡，提高加工質量。

刀體材料為40Cr，進過熱處理硬度為230～260HB，其尾端用雙頭矩形螺紋與鉆桿連接，這種矩形螺紋制造簡單，使用時能快速裝卸，其缺點是強度低，對中性較差。為了克服這一缺點，在螺紋的兩端設置兩圓柱面止口，這樣就實現了鉆頭設計中心、鉆桿中心與工件旋轉中心的一致性。這種鉆頭結構巧妙，系統剛性好，保證了產品精度，提高了生產率。

3 刀片的合理分布

3.1 合理中心高的確定

BTN鉆頭的中心高是否適宜，直接影響鉆頭的切削壽命。高于中心會引起切削崩刃，低于中心太多，“零位心柱”不易折斷，只有高度得當才能使鉆頭的導向和切削穩定。于是，我們在單刃焊接式內排屑深孔鉆中心高一系列測試的基礎上進行了分析，最終確定了合理的中心高為切削刃低于中心0.2～0.4mm。

圖1 深孔鉆

3.2 刀片在徑向及軸向位置的分析與確定

刀片位置的確定對切屑的大小、均勻程度起著重要的作用，對于BTN這種內排屑深孔鉆，最理想的情況是切屑斷裂成小塊狀成“C”形，這樣才能順利的有切削液將它沿鉆桿內孔通道排出。影響切屑的原因有多種因素，如：材料性能的影響，鉆削用量的影響，斷屑臺幾何參數的影響等等。下面我們就其他條件確定的情況下，從設計的角度談談刀片的分布與切屑均勻程度的關系，從而確定刀片的位置。

首先選取刀片的形狀為凸三邊形，數量為3個，刀片大小的選取必須保證3L＞d/2（L—刀片寬度，d—刀具直徑），如果刀片分布不合理就會產生刀片之間疊加過多或搭接不上。疊加過多就有可能造成3個刀片受力不均，其中某個刀片有可能全部參加切削，而另一刀片只有小部分參與切削，這樣各刀片切削時形成的切屑就可能大小不一，過大的切屑就會堵塞排屑口造成鉆頭崩刃，而另一種情況是如果搭接不上就會造成工件局部切削不到而無法使用。

綜上所述，刀片之間在軸向與徑向之間的相互位置尺寸，是在保證e值與直徑的前提下，本著3個刀片都參與切削且切削長度基本相等而確定的。

3.3 徑向位置的確定

由于鉆頭與工件有一個偏移值e，見圖2切削時內刃在孔底形成一個圓錐面，這個圓錐面也起定心作用，使鉆頭不易偏斜。經查閱有關資料通常情況下取e=0.1d，由于我們所選的刀片本身也具有定心的作用，根據實驗與論證取e=0.075d，以Φ57.5刀具為例：

e=0.075×57.5=4.3≈4

L2′的確定，根據鉆頭的外徑取

L2′=d/2-L/2=57.5/2-6.135=22.6

選取L=12.27的刀片

L1′的確定：由于受鉆頭直徑的局限，并使刀片1與刀片2、3搭接重疊，在刀片強度的允許下

取L1′=13.5

這樣就基本確定了3個刀片在徑向方向的位置。

圖2 刀片的工作位置

3.4 軸向位置的確定

當3個刀片在徑向方向的尺寸確定后，為了使3個刀片切削等長求其在軸向方向的尺寸，以刀片2的刀尖為基礎。如圖2所示：

取O1B=O3A=6時

OA=10 AB=9.5 BC=9.4

切削基本等寬再計算刀尖的高度：

∵ O1O1′ =tg100×O1B=tg100×6=1.058 ≈ 1.06

同理：O2O2′=tg100×O2B

O2B=L2′ -L1′ -O1B=22.6-13.5-6=3.1

∴ O2O2′ =tg100×3.1=0.54

O3O3′ =tg100×O3A=tg100×6=1.058

刀片1相對刀片2的位置尺寸Δ1的計算

Δ1=O1O1′ -O2O2′ =1.06-0.54=0.52

刀片3相對刀片2的位置尺寸Δ2的計算

Δ2=O3O3′ +（O1O1′ -tg100×AD）-O2O2′

AD=L1′-e-O3A=13.5-4-6=3.5

Δ2=1.06+(1.06-tg100×3.5)-0.54=0.96≈1

通過以上的分析與計算，確定了刀片在各個方向上的位置從而保證了刀片受力均勻，切削平穩，排屑流暢。

4 導向鍵的設置

在切削過程中除了每個刀齒上承受切削力外，在導向鍵上還作用著正壓力和摩擦力（見圖1）。由于鉆頭在工作時刀齒上的切削力F1，F2經由導向Ⅰ傳遞到工件孔壁上，而作用在導向塊上的正壓力N1支撐著刀具，又由于切削時，刀具所受到的軸向力P在徑向方向的分力PXA＞PXB不平衡部分的徑向切削力PXA-PXB經由導向鍵Ⅱ傳遞到工件孔壁上，而作用在導向鍵上的正壓力N2支撐著刀具，根據上述分析，我們把導向鍵Ⅱ設置在外刀齒相對的一側，其中心與刀體中心成5°導向鍵Ⅰ的中心與導向鍵Ⅱ相隔約100°位于外齒的后方。導向鍵的設置保證了鉆頭的直線性，提高了孔的精度。

為了確保良好的導向性，在設計鉆頭時，我們把導向鍵適當加長，同時，為了減少摩擦力，導向鍵兩側做成斜面，減少鍵與工件孔壁接觸面積。根據鉆頭的受力情況，合理布置導鍵從而提高了鉆頭的耐用度。

5 結語

機夾多刃內排屑深孔鉆的研制，解決了我集團公司在超高壓管這樣的深孔加工中頻繁換刀，加工質量差，效率低下等一系列難題，受到了有關專家及生產車間的首肯。我們相信，隨著這種刀具的不斷改進和推廣必將在深孔加工中發揮越來越大的作用。