新型机夹多刃内排屑深孔钻的设计

李增勋 张贺清 刘庆君 陈峰

（内蒙古北方重工业集团有限公司，内蒙古 包头，014033）

1 概述

深孔加工在孔类零件加工中是一个难点，BTN深孔钻是用来加工我厂承揽项目超高压管的刀具。该超高压管管长11m，孔径从Φ40～Φ60mm，长径比为200：1，加工难度大，这在国内同行业中尚属空白。机夹多刃内排屑BTN深孔钻是在单刃焊接式深孔钻基础上的重大突破。与单刃深孔钻相比，切削条件得以很大的改善，切削力、切削扭矩减少，克服了单刃焊接式深孔钻在制造时焊接刀片易产生裂纹、在使用中刀具消耗量大等弊端，确保了产品的加工精度，效率提高了近30%，使深孔加工能力达到国际先进水平。

2 刀具的总体设计

深孔钻的设计应根据被加工条件的加工工艺及材料来进行，钻头工作的好坏直接影响深孔加工的质量。这就要求刀具设计要结构合理，能满足并符合加工过程中的使用要求，即保证刀具的系统刚性强、切削平稳、排屑流畅等。

在设计钻头时，首先采用了机夹结构形式，刀垫通过螺钉固定在刀体上，在刀垫上装有凸三边形的机夹硬质合金刀片，它符合国际通用件标准，可以很方便的更换刀片，并保持钻头的系列尺寸不变，1个刀片可以翻转3面使用3次。在设计过程中，运用几何图解法通过刀具的受力分析，采用多刃错齿内排屑的形式。如图1所示：其结构形式将刀齿分别置于对称的180°的两侧，刀齿数目为3个，各齿相互错开搭接，分片切削，各切削刃所形成的圆锥面在轴向具有不同的高度尺寸，从而形成交错、断续、重叠的阶梯形切削刃，其特点是切削平稳、断屑均匀。另外，在刀体上还装有两个互成100°的导向块，使切削力使用在导向块上，从而实现径向力的平衡，提高加工质量。

刀体材料为40Cr，进过热处理硬度为230～260HB，其尾端用双头矩形螺纹与钻杆连接，这种矩形螺纹制造简单，使用时能快速装卸，其缺点是强度低，对中性较差。为了克服这一缺点，在螺纹的两端设置两圆柱面止口，这样就实现了钻头设计中心、钻杆中心与工件旋转中心的一致性。这种钻头结构巧妙，系统刚性好，保证了产品精度，提高了生产率。

3 刀片的合理分布

3.1 合理中心高的确定

BTN钻头的中心高是否适宜，直接影响钻头的切削寿命。高于中心会引起切削崩刃，低于中心太多，“零位心柱”不易折断，只有高度得当才能使钻头的导向和切削稳定。于是，我们在单刃焊接式内排屑深孔钻中心高一系列测试的基础上进行了分析，最终确定了合理的中心高为切削刃低于中心0.2～0.4mm。

图1 深孔钻

3.2 刀片在径向及轴向位置的分析与确定

刀片位置的确定对切屑的大小、均匀程度起着重要的作用，对于BTN这种内排屑深孔钻，最理想的情况是切屑断裂成小块状成“C”形，这样才能顺利的有切削液将它沿钻杆内孔通道排出。影响切屑的原因有多种因素，如：材料性能的影响，钻削用量的影响，断屑台几何参数的影响等等。下面我们就其他条件确定的情况下，从设计的角度谈谈刀片的分布与切屑均匀程度的关系，从而确定刀片的位置。

首先选取刀片的形状为凸三边形，数量为3个，刀片大小的选取必须保证3L＞d/2（L—刀片宽度，d—刀具直径），如果刀片分布不合理就会产生刀片之间叠加过多或搭接不上。叠加过多就有可能造成3个刀片受力不均，其中某个刀片有可能全部参加切削，而另一刀片只有小部分参与切削，这样各刀片切削时形成的切屑就可能大小不一，过大的切屑就会堵塞排屑口造成钻头崩刃，而另一种情况是如果搭接不上就会造成工件局部切削不到而无法使用。

综上所述，刀片之间在轴向与径向之间的相互位置尺寸，是在保证e值与直径的前提下，本着3个刀片都参与切削且切削长度基本相等而确定的。

3.3 径向位置的确定

由于钻头与工件有一个偏移值e，见图2切削时内刃在孔底形成一个圆锥面，这个圆锥面也起定心作用，使钻头不易偏斜。经查阅有关资料通常情况下取e=0.1d，由于我们所选的刀片本身也具有定心的作用，根据实验与论证取e=0.075d，以Φ57.5刀具为例：

e=0.075×57.5=4.3≈4

L2′的确定，根据钻头的外径取

L2′=d/2-L/2=57.5/2-6.135=22.6

选取L=12.27的刀片

L1′的确定：由于受钻头直径的局限，并使刀片1与刀片2、3搭接重叠，在刀片强度的允许下

取L1′=13.5

这样就基本确定了3个刀片在径向方向的位置。

图2 刀片的工作位置

3.4 轴向位置的确定

当3个刀片在径向方向的尺寸确定后，为了使3个刀片切削等长求其在轴向方向的尺寸，以刀片2的刀尖为基础。如图2所示：

取O1B=O3A=6时

OA=10 AB=9.5 BC=9.4

切削基本等宽再计算刀尖的高度：

∵ 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相对刀片2的位置尺寸Δ1的计算

Δ1=O1O1′ -O2O2′ =1.06-0.54=0.52

刀片3相对刀片2的位置尺寸Δ2的计算

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

通过以上的分析与计算，确定了刀片在各个方向上的位置从而保证了刀片受力均匀，切削平稳，排屑流畅。

4 导向键的设置

在切削过程中除了每个刀齿上承受切削力外，在导向键上还作用着正压力和摩擦力（见图1）。由于钻头在工作时刀齿上的切削力F1，F2经由导向Ⅰ传递到工件孔壁上，而作用在导向块上的正压力N1支撑着刀具，又由于切削时，刀具所受到的轴向力P在径向方向的分力PXA＞PXB不平衡部分的径向切削力PXA-PXB经由导向键Ⅱ传递到工件孔壁上，而作用在导向键上的正压力N2支撑着刀具，根据上述分析，我们把导向键Ⅱ设置在外刀齿相对的一侧，其中心与刀体中心成5°导向键Ⅰ的中心与导向键Ⅱ相隔约100°位于外齿的后方。导向键的设置保证了钻头的直线性，提高了孔的精度。

为了确保良好的导向性，在设计钻头时，我们把导向键适当加长，同时，为了减少摩擦力，导向键两侧做成斜面，减少键与工件孔壁接触面积。根据钻头的受力情况，合理布置导键从而提高了钻头的耐用度。

5 结语

机夹多刃内排屑深孔钻的研制，解决了我集团公司在超高压管这样的深孔加工中频繁换刀，加工质量差，效率低下等一系列难题，受到了有关专家及生产车间的首肯。我们相信，随着这种刀具的不断改进和推广必将在深孔加工中发挥越来越大的作用。