深孔钻削利器 枪钻几何角度参数及其应用

深孔钻削利器枪钻几何角度参数及其应用枪钻是一种精密深孔加工刀具，可用于在各种工件材料上钻削加工非常深的孔。枪钻具有不同于传统麻花钻的独特刀头形状（图1）和贯穿刀具全长的排屑槽。用枪钻加工时，冷却液通过刀具内部的通道被引入切削区，并通过排屑槽将切屑带出孔外（图2）。此外，刀头上的钻套（也称为“导套”）在钻削时对孔壁具有挤光作用，因此可获得直径和圆度精度极高的孔。这种“内冷却，外排屑”的结构特点使枪钻与其他深孔钻削刀具截然不同。图1枪钻的刀头形状图2枪钻加工示意图枪钻最早是为满足加工枪管的需要而研制出来的。在该工艺问世之前，枪管是用缠绕和焊接在一根芯棒上的金属条来加工的。这样生产出来的枪管无论是直线度还是强度，都无法与现代枪械相比。最终，钻削工艺被应用于在整体金属材料上加工枪管。不过，早先使用的麻花钻需要多次走刀加工，因此孔的圆度和直线度精度都不高。用枪钻加工成功解决了孔的圆度和直线度问题。随着这种钻削工艺的不断改进以及枪钻专用加工设备的开发，该工艺被证明在枪械和兵器行业以外的许多其他行业也可以大显身手。枪钻加工小直径精密深孔的能力使其被广泛应用于能源、汽车、航空、模具等行业。随着加工技术的不断发展，其应用范围还在不断拓展。刀具特点现代枪钻的结构型式可分为整体硬质合金式、焊接式和可转位刀片式，加工时不需要使用额外的钻管。刀具的非切削端有一个供枪钻加工机床使用的标准尺寸驱动柄（图3）。图3枪钻结构枪钻通常通过一个圆形孔来输送冷却液，但有时为了增大冷却液流量，也可以采用多个冷却液孔或肾形孔。排屑槽设计为V形槽，从而使冷却液能高效、干净地将切屑冲出孔外，因此枪钻也被称为单槽钻头。枪钻具有特定的几何形状，其刃形设计使其能获得最佳的切削能力、加工精度以及成屑和排屑效率。刀具廓形参数包括磨制的外周和钻尖几何形状、冷却液孔形状、刀头长度、钻套形状及位置。加工车间主要根据工件材料和精度要求来选择枪钻。许多标准的枪钻几何形状已通过大量试验，确定了其最佳尺寸参数。当然，车间也可以根据自己的需要定制枪钻。当所需孔的直径小于50－75mm，深径比（D/d）超过20:1时，最适合采用枪钻加工。枪钻在深径比高达400:1的情况下仍能保持很高的加工精度。该工艺可采用3种加工方式：①刀具旋转，工件固定；②工件旋转，刀具固定；③刀具与工件相互反转。后一种方式特别适合精度要求较高的深孔加工，可以达到0.08mm/m的直线度和Ra0.2μm的表面粗糙度。对于直径较大的孔，可以先用其他深孔钻削刀具进行钻孔，然后通过二次加工（如铰孔）进一步提高孔的圆度、直线度和表面光洁度。性能优势与其他钻削加工方法相比，枪钻具有一些性能优势，能够降低生产成本和缩短加工时间。如前所述，枪钻能通过一次进刀加工出精密深孔。枪钻的钻套对孔壁具有挤光作用，也有助于提高孔壁表面光洁度，因此往往可以省略二次精加工。当对深孔的圆度或直线度公差要求严格，或工件材料硬度较高时，枪钻加工也是首选的加工方式，因为枪钻能够达到麻花钻难以企及的加工精度。此外，枪钻的刀头磨损后可以重磨修复，从而可以大大延长刀具的使用寿命。对于需要加工长径比极大的深孔的加工车间，无论是偶一为之的单件加工，还是生产性批量加工，都可以从枪钻工艺中获益。加工效率的提高和误差率的下降可以增加车间的长期价值，并利用该工艺提高自己的加工能力。工艺设备枪钻工艺的应用可以采用两种方式：①对现有机床进行枪钻深孔加工改造；②采用深孔钻削专用机床。改装的枪钻加工机床最大只能加工深径比为10:1的孔，且通常只适合加工普通工件材料。如果用这种机床钻削更深的孔或硬度更高的工件材料，则加工精度可能会大打折扣。如果需要加工更深的孔和硬度更高的工件材料，采用具有枪钻功能的深孔钻削机床更为适合。此类机床的结构设计可以减小钻头漂移和提高其直线度，降低整个刀具产生振动的可能性，确保钻入和钻出孔口处的光洁度和尺寸精度。冷却液系统的设计大大提高了机床的钻削效率和排屑性能。此外，枪钻加工机床还具有工艺集成和加工监测的优势，使操作者可以实现高效钻孔，并对整个钻削过程进行严密监控。如图4所示，用枪钻加工时，钻套与工件的端面接触，可起到钻入点定心和表面密封的作用。钻套后面是一个容屑盒，用于容纳向外排出的切屑和冷却液，并将其排入收集箱中，以便回收处理和循环使用。为了在钻削深孔时保持精度和容纳冷却液，在钻出点设计有贯通密封装置。先进的深孔钻削机床可确保所有这些元器件共同发挥作用，以最小的切削力加工出精度最高的深孔。在设计深孔钻削机床时，还必须考虑钻孔尺寸、工件材料和选用的钻头。图4枪钻加工机床结构示意图大直径深孔加工对于直径小于75mm、深径比超过20:1的深孔，用枪钻加工不失为一种正确的选择。不过，对于直径大于75mm的超深孔，也可以采用其他一些钻削方法进行加工。与枪钻加工不同，其他深孔钻削方法通常是从外部引入冷却液，使其在钻削头周围流动，然后通过刀具连接钻管，从刀具内部排出切屑和冷却液。对于大直径深孔而言，用BTA套料钻加工是一种常用而有效的选择。其他一些工艺方法（如刮孔、滚子挤孔、瓶形镗孔和拉孔）也可以类似的方式实现深孔的精密加工。产品加工的孔数不一样，孔数是9～37孔，口径是φ16.20+0.1mm,零件外径尺寸是φ1670+0.1mm，零件总长度为550mm。1.深孔钻头改进前加工存在问题（1）新购买深孔钻头偏心角度为118º±2º，仰角为12º～13º，俯角为30º。（2）加工锚固套和锚固快过程中，一个班需要磨钻头一次（每钻25米需要磨一次钻头），增加了加工的辅助时间，生产效率低。（3）钻头每次磨出来的角度不一致，加工质量容易出现波动，质量不稳定。由于钻头角度的问题，不利于孔内排屑，容易造成钻头崩角。（4）一根钻头正常情况才能使用一个月。切屑刀具几何角度的确定正确与否，直接影响切屑加工的成败与优劣，尤其在深孔加工时，刀具在极端恶劣的条件下高速工作，显得非常重要。我们经过多年使用硬质合金枪钻加工过程中，进行对钻头角度几何参数改进探讨、实验、交流总结出自己深孔加工的几何角度参数。2.深孔钻头改进方案：现将深孔钻头经过工人自己研磨后，偏心角度为132º±1º，仰角为11º～12º，俯角为25º。这种钻头适用钻削直径16mm的深孔。在钻头上镶有两条硬质合金的导向块，起钻时的导向和支承作用。在主刀刃上磨成阶梯状，并磨有断屑槽，使切屑分开和折断，有利切屑排出。在切削刃上有直通钻杆的排屑孔，切屑在有压力的切削液的作用下，从钻杆内孔中排出。这种钻头的刚性好，钻削平稳，可以进行高速钻削，表面粗糙度可达Ra=3.2μm，尺寸精度可达IT10～IT11。切削用量为vC=60～80m/min，f=0.06～0.12mm/r。这种钻头是把切削齿(刃)错开分列在钻头的两边，以保证分屑可靠，使切屑体积减小，便于排出。而且刀片的散热条件得到改善。切削刃上的径向力也得到平衡。同时也根据切削刃的切削条件，选用不同的刀具材料(牌号)，以达到最佳切削效果。3.改制后深孔钻头加工情况：（1）加工锚固套和锚固快过程中，一个星期需要磨钻头一次（每钻325m需要磨一次钻头），降低了换刀停机周期，提高工作效率。消除工人的换刀和磨刀时间。减轻工人的劳动强度，减少工人操作频次。且不易出错。（2）钻头角度合适所加工零件孔的尺寸，钻头削切刃磨损小，容易断屑，排屑好。钻削速度快。（3）提高产品加工的质量。通过实际对比，加工出来的孔尺寸变化波动稳定。（4）每件工件提高加工效率约30﹪，每根钻头正常的情况下能使用三个月，提高使用时间，每根钻头成本是816元，每月节约一根钻头每台机床，公司一共有三台枪钻。每月节约成本为：钻头成本为816元X每月节约1根X设备数量3台：816X1X3=2448元。4.结语在加工过程中，通过合理的装夹、工装的设计和刚性的提高、刀具的设计与改造以及对刀具几何参数的改进，从而可以提高深孔钻头使用寿命，降低了生产成本，提高了生产效率，实现了锚固套零件加工的连续性和高效性。枪钻可加工孔径为1.5mm到76.2mm的孔，钻削深度可达直径的100倍。特殊订制的枪钻可加工孔径为152.4mm，深度为5080mm的深孔。尽管枪钻的每转进给量较低，但其每分钟进给量却比麻花钻大(每分钟进给量等于每转进给量乘以刀具或工件转速)。枪钻是一种有效的深孔加工刀具，其加工范围很广，从模具钢材,玻璃纤维、特氟龙(Teflon)等塑料到高强度合金(如P20和铬镍铁合金)的深孔加工。在公差和表面粗糙度要求较严的深孔加工中，枪钻可保证孔的尺寸精度、位置精度和直线度。1、刃部切入时：机械原因.检查进给机构.被削材料是否未夹紧。防振套筒的设定是否适当。钻具原因:再研磨是否有问题。套筒端面不良.是否有油漏出,切屑是否顺畅排出。中期加工时:机械原因,进给速度是否均匀。刀尖损伤大,参照刀具寿命项。2、贯通寸前：进给速度，在出刀时，抵抗力进给速度突然加快，此时放慢进给速度。撤出时，被削材料形状，斜出刀时是否造成弯孔。孔径小引起摩擦扭曲增大，放慢速成。3、刀具寿命：切削条件不合适，切削速度是否过快，进给速度是否过快，过慢。机械原因：主轴的振摆是否过大，检查主轴与导套的同心度，导套与钻具的间隙是否过大，适当设定防振套筒。4、刀具寿命短，刀具原因，选定合适的刀尖角度，导向面。钻具是否过长，再次研磨是否合适。切削油，选定合适的切削油。(耐高压添加剂，粘度等)。充分过滤切削油。油温太高时，使用油冷却器，增加容器容量。被削材，材质是否均匀。5、加工表面光洁度不良：切削条件不合适，放慢进给速度。机械原因：检查主轴的振摆，进给速度是否均匀,导套的精度,被削材料是否夹紧。钻具原因:钻具是未挟紧。6、切削油原因：选定合适的切削油，充分过滤切削油。正圆度圆筒度扩大范围：切削条件不合适，选定适当的进给速度。机械原因，提高导套精度，导套与主轴的同心度。刀具原因：选定合适的刀尖形状、角度。