新型错齿内排屑深孔钻的结构和性能

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在深孔加工中，错齿内排屑深孔钻由于具有分屑效果好，排屑顺畅、加工效率高以及加工精度较高等特点，因此得到了广泛的应用。但普通的错齿内排屑深孔钻也存在着一些不足之处，针对这些问题，我们设计了一种新型的错齿内排屑深孔钻，经过实际使用及切削性能试验，证明该深孔钻具有良好的切削性能及应用效果。普通错齿内排屑深孔钻存在的问题普通的错齿内排屑深孔钻，根据钻头直径大小，可分为3刀齿或5刀齿结构，各刀齿分别为外齿、内齿和中间齿，由于中间齿与中心齿和外齿不在同一锥面上，而是要高出它们锥面一个H值(轴向上)，因此可取得比较好的分屑效果，同时各刀齿还可根据各自不同的切削状态选用不同的刀片材料。但普通错齿内排屑深孔钻在刀齿结构及几何参数上也存在着一些不足，主要表现在：

锋角2F较小，钻尖较高，外齿到导向块之间的滞后量较大，入钻和出钻的时间较长，容易造成入钻过程中的断齿和崩刃现象，钻头耐用度较低，钻孔质量也较差。 因锋角较小，各刀齿在钻头锥面上沿半径依次排列时，刀齿间的轴向高度差相对较大。故在入钻、出钻阶段，中心齿要单独承受较大的轴向力和径向力，使切削振动较大，定心效果差，易产生崩刃。 中间齿、外齿的刀尖角较小，尖角突出，强度降低，一旦尖角出现磨损，齿间的搭接量就遭到破坏，容易造成崩齿及扭钻事故。 内刃偏角t2较小，钻削时孔底反锥高度较低，定心作用减弱，容易引发切削振动。 在钻削过程中，钻头上作用的径向合力应始终指向两导向块之间，以保证钻头处于稳定切削状态。但由于钻头直径及刀片尺寸限制，有时所设计的钻头，其压向导向块的径向合力较小，而当刀片磨损或遇上材料硬质点时，径向合力瞬时会指向相反方向，这样就会失去钻削平衡而产生振动，从而引起钻孔偏斜及螺旋沟问题，影响了钻孔质量。

新型错齿内排屑深孔钻的结构及刃形特点
图1 新型错齿内排屑深孔钻 针对普通错齿内排屑深孔钻所存在的问题，我们在普通错齿内排屑深孔钻的基础上，对钻头结构及刃形进行相应的改进，设计了一种新型的错齿内排屑深孔钻(又称多尖齿内排屑深孔钻)，其头部结构及刃形如图1所示，其结构及刃形上的主要特点如下：

增大了钻头锋角，以进一步降低各刀齿之间的轴向高度差，缩短入钻、出钻时间，减少不稳定钻削时间，以提高钻头的耐用度。 将轴线右侧的中间齿刃磨成尖齿形，使加工出的孔底形成定心环形凹槽，并增大内刃斜角t2，以使钻削时孔底形成较高的定心反锥(见图2)，双重定心和稳定钻削。 除外齿与外缘一侧为尖角外，其余刀齿都进行了倒角，同时带有6°~12°的侧后角，消除了尖角，增大了刀齿的散热体积，同时也增强了刀齿强度，不易崩刃，有利于提高钻头的耐用度。


图2 加工孔底的形状

增大了钻尖偏心量e，并在中心齿的内刃上磨出两条折线形内刃，即内刃由&条斜度不同的折线刃组成，这样就有效地降低了钻头高度Dh，缩短了入钻、出钻的时间，从而使得入钻时能很快地进入稳定钻削阶段，而且中心齿和中间齿几乎同时切入工件，可以改善刀齿的受力状态，减小切削振动。而出钻时，由于出钻时间短，切削帽减薄，各刀齿上切削力几乎同时消失，有利于减振及提高钻削稳定性。 根据各刀齿不同的切削负荷及切削状态，中心齿所受到的轴向力较大，挤压、摩擦严重，切削条件恶劣，可选用抗弯强度高、抗冲击性好的YG类刀片，而外齿和中间齿由于切削速度较中心齿高，故应选用红硬性好、耐磨性高的刀片材料，如YT798、YW1等。 在刀体后端增设减振块，以保护刀齿和提高加工孔的形状精度；当刀齿磨损或有崩刃造成钻削振动时，它可以起到减振、消振的作用。 减小导向块与刀体之间的高度，提高导向块的抗弯强度。同时，为了增大冷却流液面积，在刀体上铣有矩形或半圆形输液槽，从而可使流液面积增大20%~30%，增大冷却液流量，以增强钻削过程中的冷却润滑效果。

新型错齿内排屑深孔钻的切削性能试验为了验证新型错齿内排屑深孔钻的切削性能，首先进行了与普通型错齿深孔钻的切削力对比试验，以分析2种钻头的切削力大小及切削平稳性；其次进行了批量零件的钻削试验，以测试新型钻头的耐用度、加工质量以及加工效率。

2种钻头切削力的对比试验采用C630车床改装的深孔钻镗床，工件材料为40Cr合金钢，硬度HRC28~32，钻头直径为F58.4mm。采用钻杆上粘贴电阻应变片并连接测量仪器的方法测量切削过程中的轴向力及扭矩的变化。从钻削试验数据表明：随着进给量f的增大，2种钻头的轴向力和扭矩相应增大，但新型深孔钻比普通型深孔钻轴向力平均降低21%，扭矩平均降低14.7%。而且，随着进给量增加，新型深孔钻切削力增加较为缓慢，如当f=0.03mm/r时，新型深孔钻比普通型的深孔钻的轴向力仅减小25%、扭矩减小24%；而当f=0.25mm/r时，轴向力和扭矩分别减小了20.7%和22.7%。由此可以看出，新型深孔钻在大进给量的切削过程中，切削更轻快平稳。 另外，从记录下的轴向力瞬时变化图中也可看出，在较大进给量(f=0.25mm/r)下，新型深孔钻切削力波动的峰、谷值仅相当于普通型深孔钻的1/3，说明新型深孔钻钻削平稳。这同新型深孔钻钻削时能产生定心环形凹槽和定心反锥起到双重定心和稳定钻削作用是一致的。 钻削振动、耐用度及加工质量的对比试验 对这2种钻头进行了批量零件钻削加工试验，选择在某石油机械厂进行实际加工，机床为T2130深孔钻镗床，工件材料为40CrNiMo5合金钢，硬度HB250~300，钻孔直径为=50.4mm。



图3 钻杆振幅对比曲线

在授油器后端的钻杆处安装1个百分表，测量钻头在切削过程中的振动情况，当中心齿(A点)、导向块(B点)及减振块(C点)入钻时钻杆的振幅和出钻时(D、E之间)钻杆的振幅对比曲线如图3所示。可以看出，新型深孔钻在入钻及整个钻削过程中的振动均小于普通型深孔钻。而且在C点后，新型深孔钻在其减振块进入工件后，钻头还有一个减振稳定过程，使钻削扭矩迅速减弱到正常水平，而普通型深孔钻没有这一过程。出钻时(D、E之间)，普通型深孔钻振动开始加剧，振幅增大，而新型深孔钻由于各刀齿高度差小，几乎同时透钻，且又有减振块的保护作用，可以平稳出钻，振幅增加很小。 2种钻头进行批量零件钻孔试验后，在同样大小的后刀面磨损时，新型错齿内排屑深孔钻的平均钻孔长度可达16m，是普通型错齿深孔钻钻孔长度的2倍多。对钻孔质量进行测量，新型深孔钻的钻出的孔，圆度误差比普通型深孔钻约小3µm，孔径扩大量小0.04mm，孔尺寸精度可达到IT7~IT8，表面粗糙度Ra=1.0~3.2µm。

结语新型错齿内排屑深孔钻的结构和刃型由切削性能试验证明是合理的，能有效提高钻削的平稳性，延长钻头使用寿命，提高孔加工精度，是一种具有良好应用效果的新型错齿内排屑深孔钻头。