深孔钻削中受力分析与切削参数定量分析

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孔的深度尺寸与孔 的直径 大小之 比称为孔的深径 比(L/D)。所谓深孔 ，-般是指深径比大于 5以上的孔。这又可分为三类 ：L/D≥5～20属-般深孔 ，常在钻床上或车床上用深孔刀具或用接长麻花钻就可 以加工 ；L/D≥20～40属中等深孔。常在车床上用深孔刀具加工 ；L/D≥40～100属特殊深孔 ，如 图 1所示 的冷轧辊 ，工件总长 4530mm，内孔 640mm，L/D 113.25 ≥ 100。

具有上述各类深孔的零件在机器制造业中所 占的比重很大，其深孑L钻削的质量也就直接影响到整个零件或机器的质量。与浅孔加工相比，深孔加工必须使用深孑L机床或专用设备及深孔刀具才能实现，如 30m深孔钻床，最大钻孔直径bl60mm，最大深度(长度)达到30，000mm，L/D 30000/160187.5，深孔加工的最终 目是要提高深孔钻削的质量与经济性。经深入研究发现 ，影响深孔钻削加工质量的因素有很多，其中作用在深孔刀具上的力是最关键的因素之-。

I n- -- - - ～～ 1' -- [亡- -- -～ - - 霉4530图 1 冷轧辊 4，40的 内子L-- 深径比大于 100收稿日期：2012-06-08；修回日期：2012-06-25作者简介：杨顺田(1962-)，男，四川I大竹人，四川工程职业技术学院教授，高级工程师，硕士，研究方向为机械加工工艺、数控技术应用，(E- mail)d-yst###163.eom。

· 1 14· 组合机床与自动化加工技术 第 1期1 深孔加工的特点与难点分析深孑L加T的特点与难点在许多文献 中均有所论述 。现在 主要针对深孔 的受力情 况，分析其特点与难点 ：如刀杆的长径 比太大造成刚性差 ，切削时容易产生振动 、波纹与锥度 ；深孔加工不能直接观察刀具切削情况 ，排屑网难等 。

(1)径向力将直接导致钻具的弯曲变形。因深孔加工用的刀杆长径 比太大，施加在钻具 上的作 用力方向难免偏离钻具轴线 ，从而产生径向力 ，当径 向力达到-定程度时，就会导致钻具弯曲变形 。当钻杆的长径比越 大，刚性就越差 ，钻具就越容易弯曲变形 ，其后果是 ：轻者引起钻孔走偏 ，从而影响深孔加.[精度 ，重者引起钻具折 断或工件损坏，无法完成深孔的加工。

(2)深孑L加T跟着感觉走 ，深孑L加工时，操作人员无法直接观察到刀具切削情况 ，只能依靠听声音 、看切屑、油压 、观察机床负荷等判断切削中的加工情况 ，在多数情况下 ，深孔加工 只能跟着感觉走 ，造成加T质量不稳定。

(3)散热条件差、排屑困难、钻头容易失效等。随着钻孔深度的增 加，切 屑从 孔中排除的难度逐渐加大，散热条件也 越来越恶化 ，钻头 容易失去切 削能力。必须采用可靠的手段进行断屑，控制切屑的长短与形状 ，以利于顺利排除，防止切屑堵塞。

2 深孔钻削中的受力分析2.1 深子L钻削的类型深孑L钻 削有许多分类型方法。按排屑方式分为外排屑和内排 屑两类 。 ，按钻具结构可分为枪钻、深孔扁钻、深孔麻花钻 、BTA深孔喷射钻和 DF深孔钻等。不同类 型的深孔钻削，因工作原理不 同、所处环境不同，其 受力情况也有 所不 同。下面 主要 针对BTA钻头、枪钻并兼顾其它类型的深孑L钻 削，进行深孑L钻削中的受力分析2.2 BTA上的切削力系作用在 BTA钻上的切削力系，其主切削刃 E的切削抗力可分解为横向分力 (垂直于走方向)和轴向分力，横向分力又可分解为径向分力和主切削分力。

由于 BTA(枪钻 )钻头的切削刃分为 内刃和外刃 ，作用在外刃上的径 向力指 向中心而作用在内刃上的径向力则是背离中心L 4 3。其合力的大型方 向撒于作用在两个切削刃和圆周刃带上的径 向力之差∩通过调整顶点 的位置 和内外刃角的大杏以控制。

通常要求径向力的合 力指 向中心 ，作用在刀刃上的合力必须与导向块上的支持力保持平衡；同时主切削分力与切削速度 的方 向平行 ，并与切削刃成 90。的导向块上的支持力保持平衡 ，如图2所示。只有这样，最终作用在钻 头上的支持力、切削力才能相互保持平衡 ，使细长的钻杆不致于弯曲。

切削刃角棱边压力1 -. - /， 力径向支持力图 2 作用在 BTA钻上的切削力系2.3 挤压力和挤压力矩挤压力是 由于孔壁 的弹性变形 引起 的，由挤 压力产生的力矩是挤压力矩。切入阶段 ，当钻头 的导 向部刚刚进入加蹲时，挤压力特别大 ，这是因为导 向套和钻头之间的间隙使切入 阶段钻 出的孔 ，直径小于钻头的外径，当导向块挤入较小的孔内后 ，便迫使钻头的圆周刃带切入孑L壁 ，将孑L铰削 ”到与钻头外径相同的直径。如果钻头的刃带不锋利 ，则孔壁可能现弹性让刀现象 ，如图 3所示。弹性让刀会使刀片切削刃的力臂增大，导致挤压力矩迅速增图3挤压力和挤压力矩速增加 。随后 ，由于导 向块与孔壁 接触 ，切削出来的孔基本上 与钻头 外径相等，所 以挤压力矩也随之下降。当硬质合金切削部分(包括导向块)全部进入孑L内后 ，挤压力矩便达到 了稳定值。

导向套偏心量 嘲向套中头中心图 3 挤 压 力 和 挤 压 力 矩2.4 摩擦力和摩擦力矩由于径向切 削力和主切削力分 别通 过 180。和90。的导 向块作用于孔壁 ，使孔壁与导向块之间产生摩擦力 ，摩擦力 与孔 壁相 切而与钻头旋转运动和轴向进给运动的方向相反，可分解为切 向和轴 向两个摩擦力 ，其 中的切 向摩擦力 与刀具 中心存在-个力臂 ，从而产生摩擦力矩。

2.5 油压力(轴 向)油压力是作用在钻头后面和油 隙底面的压 力与作用在钻头油孔前的拉力之差。它 同样会造成刀杆的弯曲变形 ，受力分析时按附加力系考虑。

3 钻孔受力试验及定量分析试验采用结构为 BAT系统的硬质合金双刃三键内排屑钻头 ，如图4a所示 ，假定作用在各切削刃上力是均匀的，设钻头直径 D，进给量厂，单位切削力 P，则可算出 BAT钻切削力矩 Mc为 ：2McJ (P·l厂·r)drP·D·//8(N·mIn)J c轴 向切削力 为 ：2013年 1月 杨顺田，等：深孔钻削中受力分析与切削参数定量分析 ·1 l5·TcI ( · P厂)dr · P·D·厂(N)J 0式 中： -- 摩擦角； -- 前角 。

r [AwO (D/2-A)wO2]D/2e ：外刃角 ，0 ：内刃角 ，A：顶点与中心距离。

摩擦力矩 ，为 ：Mr D/2(POf/2) PDf/2 PD2f/8gM0：摩擦系数， 。：为作用在单刃上的力矩。

作用在导向块的压力P 为 ：P [∑Ficos(o )] [∑FiSIN(0 )]il i1- - - 二二/ - - ， - - 断屑度图 4 切削力系分析3.1 试验 目的、方式与内容根据前面的分析 ，深孔钻削 的受力主要 与孔的深径 比关系密切 ，如图4b所示 ，由于切削刃的断屑台对钻孔效果影响很大，为了实现钻孔受力的定量分析 ，需要针对不同的孔径 、不 同尺寸 的断屑台，在不同的切削速度 、不同的进给量及材质 的情况下 ，应用SD375动态分析仪、Y6D-3A动态 电阻应变仪、LZ3函数记录仪、测力传感器和位移传感器等设备，进行四个方面的实验即：① 切削力与孑L径的关系；② 切削力矩与孔径的关系；③ 切削功率与孔径的关系；④不同材质与孔径的关系。

为 了在有限的试验次数 中获得更 多更真实的数据，现从实践操作层面选取了多组数据进行实验，实验的部分参数及结果见表 1。

表 1中只给出了主要试验数据与钻孑L效果 。实验结果如图 5所示 ，图 5a表示深孔钻切 削力与孔径关系 ，图5b表示深孔钻切削力矩与孔径关系 ，图5C表示深孔钻切削功率与孔径关系，图5d表示深孑L钻不同材质与孔径关系。

深孔钻切削力与孔径关系如图 5a所示 ，结果表明，钻切力随孔径增加而增加 ，当孔径大到-定程度后 ，钻切力增加趋缓 ，这是 因为孑L径加大 ，刀 刃接触面也加大，钻切力自然也增加，在同等条件下，加大进给量或提高线速度也会使钻切力加大，因此孔径越大 ，要适 当减续给量与线速度 ，深孔钻切 削力矩与孔径关系如图5b所示 ，从图中可以看到 ，钻切力矩也是随孔径 、进给量增加而增加不 明显 ，当孔径大到- 定程度后 ，钻切力矩突然加大 ，说明钻切力矩与孔径是不呈线性关系的，因此加工又深又大的孔 ，需要深孔机床具有足够转矩 ，如中国二重的 30米深孔钻镗床 ，最大转矩为 6300 N·M(牛顿 ·米 )。因此，孔径越大，要适当减续给量，降低机床负载。

切削功率与孑L径 的关 系如 图 5c所示 ；切削功率随孔径 、进给量及线速度增加而增加 ，机床功率都是- 定的，在加工凶径时 ，在钻杆刚度足够的情况下优先提高线速度，适当增加进给量，孔径越大，优先减续给量，其次是降低线速度以保证机床电机长期工作在额定功率的 75% 左右 ，短时不超过额定功率的 15% ，否则会出现闷车”事故 ；不同材质与孔径关系如 图 5d所示 ，钻削不 同材质的工件 ，试验结果表 明，材质越软 ，孔径越小，切削功率就小，进 给量及线速度可 以加大 ，否则减小 ，图中的 AISI1040对应 40#钢。

表 1 钻孔受力主要试验数 据， A 2kr断屑台 断屑台 断屑台 内外刀 内外刀导向 钻 L n钻杆 ，进宽度 高度 圆弧 高度差 键高度差 直径 转速 给量 钻孔效果 前角 后角 顶角(mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) r/m1n分 屑、断 屑 、排 屑 良 好，但 钻 5。 12。 156。 4～ 4.5 1.7 ～ 1.8 2 1 O.35 ～ 0.45 击105.40 18O 0.157620o时，外刀堵铁屑而损坏分屑、断屑、排屑 良好，但 钻 5。 l2。 l56。 4- 4.5 1.7 ～1.8 2 1.1 0.45 -0.65 6105.25 180 O.157 37O时，外刀堵铁屑而损坏不 断屑、切屑长度分别为 30、4O、 5。 l2。 l56。 3 O. 8 - 0.9 2 1 0.35 - O.53 击l05.16 18O 0.15755mm，折皮状，只能钻深450mmO.35 0.45 击1O5.32 切屑为理想的C形屑，从钻深 13。 l1。 l56。 2～ 4 2 1.3 O.95 l8O 0.188O.50 从头进给 度接刀处-刀钻通，钻偏约2mm· 1 16· 组合机床与 自动化加工技术 第 1期5×4×3×2×20 40 6O 8O 100l20140160180 20o22024o(a)钻切削力与孔径关系 mm2O 40 60 80 10012014016o18O 2002202加 (b)钻切削力矩与孔径关系 - kW(c)钻切削功率与孔径关系(d)不I司材质与孔径关系图图 5 主要试验数据图表4 改善受力状况的技术措施及效果4.1 设置导向装置 ，减小作用力偏离程度在切削过程 中，为 了防止深孔钻偏 ，通过设置导向装置，改善钻具的受力情况，以减小作用在钻具上的力偏离钻具轴线的程度 ，从而减卸 向力达到减小钻具的弯曲变形的 目的。-般采用导 向块做导 向装置 ，即通过在孔壁分别按 90。和 1 80。对称布置的导向块实现 ，如图 6所示 ，在 BTA钻头与孔壁间设置两个互成 90。分布的导向块 ，可明显改善钻具的受力情况 ，降低钻孔走偏风险，提高钻孔精度 。

导向块1产生的支持力n 两导向块成9oo导向块2产生 /二二二的支持力 / 、 ----] 、 [～-～ -r-1、 I - 1- - - 寸 ∥ J，- ～ ～ 1 、[ 削力逵 图 6 在 BTA钻 头上设置导向块4.2 预钻引导孔，便于钻头导入根据钻头的结构特点 ，在工件的-端 ，预先钻 出- 定深度、尺寸适 当的孔 ，便 于钻头导入 ，以保持作用在钻具上力的方向与钻具 中心轴线-致 ，-开始就消除可能引起钻偏的径向力。

4.3 采用导向套防止钻偏在无法 或不方便预钻引导孔 的情况下 ，可通过设计或采用专用导向套 ，达到钻头顺利起钻 、防止钻偏的 目的。

5 深子L钻削应用效果大型轴 承座零件有许多深孔 ，深径 比(L/D)-般在50以上 ，如图7所示。零件材质是 ZG230～450，有若干个直径为 620mm、深度 2150ram的孔及 其它尺寸的孔 ，表面粗糙度 Ra3.2 m，并要求与相关油孑L贯通 ，深径 比为 107.5，加工难度很大。

图 7 轴承座上 d25mm 的深孔加 工应 用5.1 加工设备选择根据零件 的特点及工厂现有的加工设备 ，决定选择落地数控镗床(TK6920)、BTA深孑L喷射钻进行加工。工件安装在落地平台上，采用变切深”深孑L循环程序加工，每次钻孑L循环的深度、进 给量 、断排屑时间 、引钻及冷却润滑液开停等均由程序控制 。

5.2 引导孔的加工根据使用 BAT钻头的特性，确定引导孔的直径、公差 、深度等 ，现要钻 d20mm深 2150ram孔 ，经计算 ，∞ 如 加 m2013年 1月 杨顺 田，等：深孔钻削中受力分析与切削参数定量分析 ·l 17·在工件上预先钻 出 616、深度为 8～10mm、精度为 8级的引导孔 。

钻尖顶角的大小对钻头的切削性能及寿命有很大的影响，要根据所加工零件的材质硬度来合理选择钻头的几何角度以改善受力情况。-般来说，较硬的材料需要用较小的钻尖角 ，较软 的材料 则需用较大的钻尖角 ，轴承座的材料是 ZG230，硬度相对较硬 ，需要用较小 的钻尖角。根据受力平衡分析 ，当外刃 的径向切削力等于内刃的径向切削力时，所选择的钻头内外刃角，在 切削 时所 产生 的径 向分 力、主切削力，它们的作用力方向均应落在钻头的支撑区城内，其径向合力始终作用于待加工表面上，并与支撑力保持相对平衡，这时钻头的受力情况最好。经过详细计算并