基于导向型组合深孔钻的深孔加工研究--《西安科技大学》2011年硕士论文
基于导向型组合深孔钻的深孔加工研究
【摘要】：链轮轴是煤矿井下输送机的核心传动部件之一,其轴向通油孔目前采用深孔钻削加工。深孔钻削是在封闭状况下进行,存在散热差、排屑困难、工艺系统刚性差等缺点,一直是机械加工中的一大难题。为了提高切削质量,公司引进了一种新型导向型组合钻头。为了掌握新型刀具切削性能,克服加工中刀具过度磨损失效以及工件报废等问题,本文以该导向型深孔钻头为研究对象,运用力学分析和切削实验等方法,对该刀具的几何参数、切削参数,切削力以及磨损报废等问题进行了深入研究。
本课题通过对新型钻头进行深孔钻削实验,测定了不同切削速度,进给量,钻削不同阶段切削力,并采集相应的切屑样本和记录刀具的分屑、断屑情况、刀具失效情况以及刀杆变形前、后两种状态下的实验数据。通过对实验结果进行分析,得到了不同工况条件下切削参数、入刀点位置与钻削过程中发生轴线偏斜,以及刀具磨损和断裂等问题之间的变化规律。实验结果表明:该定心与切削功能集成的组合钻头从设计上提高了钻头的导向及分屑,断屑能力,有利于降低深孔钻削的轴向偏斜和卷屑缠绕,避免了附加切削力,更加适用于精密加工;该钻头适用于系统同轴度较高的情况,当无法满足时,可根据系统偏斜方向,按照保证主切削刃切削正前角原则,易于改造定心部分为枪钻形式,延长了刀具使用寿命。
通过本课题的研究,确定了合适的刀具加工参数,提出了合理的、优化的加工工艺改进方法,为探索深孔钻削规律提供了可靠的依据,对提高深孔钻削的可靠性和稳性定,降低成本以及增加经济效益具有一定的实践指导意义。
【关键词】：
【学位授予单位】：西安科技大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2011【分类号】：TG52【目录】：
摘要2-3abstract3-71 绪论7-9 1.1 研究背景与意义7
1.1.1 课题研究的背景7
1.1.2 课题研究的意义7 1.2 深孔钻削研究现状与应用7-8 1.3 本课题研究的主要工作内容与目标8-92 深孔加工方法及特点9-21 2.1 深孔加工系统9-10
2.1.1 枪钻系统9
2.1.2 BTA 系统9-10
2.1.3 喷吸钻系统10
2.1.4 DF 系统10 2.2 深孔钻削刀具10-16
2.2.1 深孔枪钻11-12
2.2.2 深孔麻花钻12
2.2.3 深孔扁钻12-13
2.2.4 单刃内排屑深孔钻13-14
2.2.5 多刃错齿内排屑深孔钻14-15
2.2.6 喷吸钻和DF钻15-16
2.2.7 高性能钻削类刀具16 2.3 LZ217*2000 型深孔钻床系统16-18 2.4 深孔钻削的特点18-19 2.5 深孔钻削过程中常见的难题19-20
2.5.1 钻削韧性材料19
2.5.2 钻削过程中轴线偏斜的控制19
2.5.3 断屑与排屑19-20
2.5.4 加工表面出现螺旋沟的情况20 2.6 本章小结20-213 HTS 导向型深孔钻的研究21-33 3.1 刀具研究21-25
3.1.1 刀具结构22
3.1.2 刀具切削刃的几何参数22-25 3.2 刀具切削过程的分析25-30
3.2.1 切削时主要受力分析25-27
3.2.3 HTS 钻头的断屑与排屑27-30 3.3 刀具的磨损30-31
3.3.1 定心钻的磨损30-31
3.3.2 可转位刀片的磨损31 3.4 HTS刀具的冷却排屑结构31 3.5 本章小结31-334 深孔钻削规律的实验研究33-68 4.1 实验概述33-39
4.1.1 实验要求34
4.1.2 实验对象34-35
4.1.3 实验定位安装精度35-37
4.1.4 实验检测方法37-39 4.2 实验内容及数据39-65
4.2.1 改变切削用量对刀具耐用度的影响40-45
4.2.2 改变切削用量对切屑形状的影响45-50
4.2.3 刀杆偏斜对刀具磨损的影响50-61
4.2.4 工件精度误差对刀具磨损的影响61
4.2.5 单刃切削的钻削实验61-63
4.2.6 切削稳定性的分析63-65 4.3 实验结果及其分析65-67 4.4 本章小结67-685 结论68-69 5.1 结论68 5.2 展望68-69致谢69-70参考文献70-72附录72
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京公网安备75号由小直径深孔刀具的革新谈创新设计
作者：刘钢 孙首群 凌卫青 丘大谋 谢友柏
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摘要：通过分析小直径深孔创新设计的过程，提出了进行创新设计应参考的基本原则和使用这些原则的实例。这些原则对激发创造性设计有积极的意义。
关键词：创新设计；深孔刀具；枪钻；
在当前市场竞争日趋激烈的情况下，提高产品的技术含量，不断进行技术创新，推出更加适应市场需求的产品已经成为企业占领市场的重要手段。因此，创新设计在产品设计过程中显得尤为重要。然而，创新设计是一个由设计者发挥主观能动性的过程，创新设计总是与非逻辑思维形式的思维—直觉、灵感、机遇等联系在一起[1]。因此，创新设计不是简单的逻辑推理，很难用固定的程式来描述。当然，创新设计的过程并不是不可认识的，许多国外的学者在总结有利于创新设计的思维方法方面做了大量的工作，提出了各种创造技法，如头脑风暴法、联想发明法、类比发明法、模仿发明法、设问法等,并在此基础上形成了创造学这一门新兴的学科[2]。这里，结合小直径深孔刀具的开发研制过程，提出了有利于创新设计的几项原则，并具体描述如何在小直径深孔刀具设计中运用这些原则，进行创新设计。
孔加工是机械制造业中的一个重要分支。据有关资料统计在机械制造行业中每年进行的孔加工占全部加工业的三分之一强，而深孔加工又占到孔加工的40%以上。所以深孔加工技术成为了机械制造业中的一项关键技术，它涉及面广、技术含量高、技术难度大。在深孔加工中，刀具，卡具，和设备等各个工艺环节都对深孔加工的质量有影响，其中深孔加工刀具影响最大。
小直径深孔加工的发展经历从传统的双刃麻花钻到单刃高速钢枪钻，到70年代的焊接刀片硬质合金枪钻，之后又出现了整体烧结硬质合金枪钻，90年代研制了SED（单管内排屑喷吸钻）。在这一过程中，小直径深孔钻的主要技术创新包括从双刃钻到单刃钻，从外排屑到内排屑，从焊接硬质合金刀片到整体硬质合金等一系列重大的技术革新。从这些革新中无疑可以强烈地感受到创新设计对于产品更新的巨大作用。这里仅以最有代表的SED钻（单管内排屑深孔钻）的开发过程为例，进行阐述。
1. 提出问题是产生创新设计的首要条件
创造的源动力来自对现实的不满。这一观点已被众多研究创新思维的学者所认同。创造的过程是一个发挥主观能动性的过程，因此首先必须在主观上产生进行创造的欲望。变化的市场需求不断对现有技术提出问题，产生进行创造的需求，这就是创新设计的源动力。所以有观点提出创造性思维中对问题的敏感至关重要，“问题的发现”是进行创新设计的前提[3]。
深孔加工与浅孔加工是两个有区别的概念。由于在加工深孔（长径比大于10）时，刀具的排屑、冷却润滑和导向问题难以解决，特别是对于加工小直径深孔，这三大问题就显得更加突出。传统上用于小直径深孔加工的刀具是枪钻，它采用内进油外排屑的方法进行切削，冷却润滑液由空心钻杆中的孔通到刀体部分，再由刀体前方的出油口喷射到切削区，其工作原理见图1。枪钻的发展经历了很长的历史，现在已经成为最为常用的小直径深孔加工刀具，枪钻在加工铸铁、易切屑钢时确实发挥了重要的作用，全国的几家生产深孔加工刀具的厂家也多年以其为主要产品。过去提到小直径深孔加工就马上想到枪钻，但是，随着刀具材料从高速钢变成硬质合金，切屑的线速度要求进一步提高；同时各种先进材料在生产中得到广泛的运用，例如钛合金和不锈钢等，在这些条件下用枪钻加工常常会出现加工质量低下，刀片崩刃和刀体被扭断等现象。
图1.枪钻的工作原理图针对这些现象，传统的枪钻加工小直径深孔的方法首先受到了置疑。枪钻是加工小直径深孔的唯一首选刀具吗？通过对过去进行枪钻加工的各个案件充分的分析、对比，可以总结出枪钻加工小直径深孔的几项缺点：a枪钻的部分由于开有出油孔和排屑槽（图2），引出了出油口和排屑槽这一对矛盾。在保证刀具扭转强度的前提下，当出油口较大时，满足了油流量的要求，但为了保证钻头的强度，排屑槽又要减小，这样会影响排屑。反之，排屑槽扩大，满足了排屑要求，出油孔又要减小，这样又影响供油。b枪钻的刀杆太薄，又压出V型排屑槽，大大降低了其扭转强度、刚度。c切屑排出时，与以加工孔壁接触，易划伤孔壁降低了深孔的加工质量。d结构工艺性差，加工中，出油口和V型排屑槽难以加工，制造工艺性差。e进油空间小，油路油压要求太高。这些问题形成了对小直径深孔加工刀具进行创新设计的源动力。
图2.枪钻的结构示意图2. 对问题进行抽象以认清问题本质
当对现实提出了置疑之后，是否应该马上去逐个解决这些问题？实践证明这种做法是行不通的。因为大多数问题都只是事物表象上缺点的反映，局限于这些表面的现象往往会束缚创造性的发挥。为了开拓创新思维的思路，应该从本质上对事物进行分析。创新思维理论告诉我们，“对问题整体产生新的认识比重新组织各部分更会产生创造性。”[3]
针对枪钻加工提出的问题纷繁复杂，涉及到刀体强度，刀杆刚度、供油、排屑、加工工艺性等等。在对枪钻提出了各种各样的问题后，逐个解决问题的试图失败了，这主要是因为这些问题往往是环环相扣的。例如，刀体的扭转强度是引起刀体扭断的主要原因。但是，要提高刀体强度，需要加大刀体的壁厚，可是这样作的后果是减小了出油口直径和排屑空间，引起润滑和排屑的困难，反过来又会增加切削时的扭矩，使刀体更容易扭断。在这种环环相扣的问题中，各种问题的解决都会随之产生另一个新的问题，所有的问题都好像无法解决。
这样，我们逐渐认识到要对一个个问题分别解决是很困难的。只有略去问题的表面现象，对各种问题的核心实质加以分析归纳才有利于创新设计。为此，我们针对刀具的各种问题进行了归纳和总结，从排屑原理的高度上进行抽象分析。经过分析发现了枪钻的各种缺点，都是由于润滑和排屑这一对矛盾造成的，而更深一层的思考这种进油和排屑的方式又是枪钻这种内进油外排屑刀具所必须采用的方式。这样，我们就提出了一个问题，能否使用新的加工原理解决这种内进油外排屑的加工方式，从而根本上解决润滑和排屑这一对矛盾。
3. 要站在较高的视点上进行发散思维
创新思维的理论告诉我们，汇聚思维和创新思维是人脑智力结构的两个重要组成部分。汇聚思维对某一个问题进行错误或正确的判断，而发散思维则针对可以有多个正确答案的问题，从多个方面进行思考，或搜索多种不同的答案。这两种思维方式在创新设计中均起作用，而发散思维对创新设计最为有利。[3]
在解决小直径深孔加工的技术难题上，我们不能够把目光尽局限于枪钻，要发散性地思维。当时大家提出了若干解决办法，例如：用特种加工的方法如电火花、线切割、电化学方法加工，或采用振动的方法。利用超声波进行振动切削等等众多的解决办法。
4. 采用联想的方法进行创新思维
进行创新思维的方式有许多种，联想思维是其中最重要的一种方法。多数人在解决问题时常不自觉地采用联想的方法。当我们思考问题时，在每个人的头脑中都有一张联想表，这张联想表按与所提问题的关系的紧密程度排列了相关的内容。一般的人在思考问题时，总是使用最初联想到的方法，它似乎可以解决面临的问题。但是创新思维要求我们能够进行远程联想，也就是按联想表进行深度搜索，寻找更高质量、更不寻常的联想以解决问题。
在众多的相关方案中，按照与小直径深孔加工的相关性可以建立如表1所示联想表。与小直径深孔加工刀具枪钻联系最为紧密的是其它小直径深孔刀具，比如麻花钻等。其上一层是其它加工大直径深孔的刀具，例如双管喷吸钻，DF钻，套料钻等。再上面一层是一般的孔加工刀具，比如麻花钻、扁钻，镗头等等。上面一层是其它的孔加工方法，如铸造、电火花、线切割和电化学方法。以此类推可以列出许多层与要解决问题相关联的方法。表1
解决小直径深孔加工刀具的联想表
在这里，我们逐渐注意到了大直径深孔加工刀具DF钻。由于DF钻采用了外进油内排屑的方式，同时配备了负压抽屑装置（参见图4），能充分保障供油和排屑，因此在使用中不存在出油口和排屑槽的矛盾问题，同时它环形的横截面也大大提高了刀体的刚度，从而克服了枪钻众多的缺点。但是如果直接把DF钻这样一种外进油内排屑的刀具运用到小深孔的加工过程中，又有许多不适合的地方。例如，DF刀体采用碳素钢，硬质合金刀片焊接在刀体的刀槽中，刀体后部用方牙螺纹与钻杆联接，这样复杂的形式在直径很小的深孔中能实现吗？为此，使用用联想的方法，考虑枪钻的刀体采用焊接在刀杆上的办法，而整个刀体用硬质合金整体烧结而成，这种结构是否能用在DF钻上？最后，我们制定出了采用DF钻的外进油内排屑的方式，采用枪钻的整体烧结硬质合金刀体，刀体与刀杆部分焊接的方案，这样一种新型的小深孔加工刀具就诞生了，我们对其命名为SED钻，其结构和工作原理见图3和图4。经过多次生产实践检验，SED钻克服了枪钻结构不合理，力学性能差，制造困难等缺点，它的结构工艺性完善，性能优越，易于国产化。
图3.SED钻的结构示意图
图4.SED钻的工作原理图5. 不断获取新知识，在创新中加以运用
从上面的例子不难看出，获取新知识是通过联想进行创新设计的必要条件。为了有效地进行远程联想，需要构造更加丰富有更深层次的的联想表，这就要求我们获取更为广泛和先进的知识。获取新知识的过程包括对新知识进行归纳，编码，按它与问题的紧密程度加入联想表。在进行联想的时候能够对它进行检索。
虽然SED钻在深孔加工中性能大大优于枪钻，完全能够适应普通材料深孔的加工，而且我们也对它做了系列化、规范化的工作，研制了它的CAD/CAPP软件，但是，在加工难加工材料时，特别是孔径小于8mm的难加工材料如钛合金，不锈钢等，由于这些材料在加工中产生了很大的塑性变形，刀具在切削中受到了很大的扭矩作用，容易使刀体和刀杆在焊接部分产生断裂。经过分析，这主要是由于刀体和刀杆在焊接时，刀体的硬质合金经受高温，产生退火现象，使得焊接部分刀体强度降低所致。如何解决这样的难题？经过翻阅大量的资料，我们得知国内某大学正在研究用高分子材料粘结剂进行金属粘结试验，并初步获得成功。那么如果刀体与刀杆也采用粘结的办法，就可以避免刀体硬质合金因受高温而产生退火现象。现在，我们正准备把这项技术应用于钻头刀体与刀杆的联接上。当然，研究工作中还存在许多问题，例如，这种联接是否能承受切削时强大的扭矩，在高温时粘结性是否会发生变化等等。
另外，更加可喜的是随着振动加工技术的发展，一种更为有效的切削方法正逐渐产生成熟。超声加工具有切削力小，切削产生的切屑力很小，可以忽略不计。切削产生的铁屑为粉末状，不存在排屑问题等优点。现在已有研究机构将机械振动和超声波加工应用在深孔加工上。相信，只要不断的创新，深孔加工刀具必然有天翻地覆的变化。
创新设计在产品开发过程中的决定性作用已得到充分的认识，但是根据当前对创新思维的研究水平，还很难用一种固定的模式来描述创新设计的产生过程。基于这种情况，一方面需要继续研究人类创新思维的规律，另一方面要将现有的创新新设计的有益的经验，运用到产品的开发设计过程中去，本文提出的这些经验对总结创新设计规律，推进创新设计都有积极的作用。
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刘 钢，男，１９72年生。西安交通大学（西安市　７１００４９）工程与科学研究院博士研究生。主要研究方向为深孔加工刀具及设备、现代设计、CAD\CAM。
孙首群、凌卫青 西安交通大学工程与科学研究院博士研究生
丘大谋 西安交通大学博士生导师
谢友柏 西安交通大学博士生导师，中国工程院院士(end)
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于 14:11:00评论说：
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机械深孔加工的特点
深孔和浅孔是没有严格的区别的，生产中一般把不用辅助排屑措施，钻具一次走刀能钻进的深孔称为浅孔，否则就是深孔，用孔的长度和直径来表示，习惯上长径比≥10的称为深孔，深孔有通孔，盲孔，阶梯孔，腹孔，锥度孔等。深孔加工的特点1.不能直接观察刀具切削和走刀的情况。2.切屑在深孔内，不便于排除。3.切削区内切削热不便于散发出去。4.受孔径限制，钻杆细长，其刚性和强度差，刀具切削工作条件不良，容易产生切削振动。5.存在着深孔中心弯曲和走刀偏斜现象，并随着深孔长径比增加而增大。合理的选择机床，对机床设备的基本要求就是，转动，进给加工写，包括床头箱主轴，钻杆想主轴，钻杆，钻杆支撑，机械工具支撑等的同轴度应该符合要求，精度高低对切削稳定性和孔的加工质量作用很大。采用具有一定要的液体流动排屑，切屑必须及时从切削区排除，以实现连续的切削。用切削液润滑和冷却刀具，带走切削热。合理的支撑导向，使得支撑块和孔壁表面接触，支撑刀具抵抗切削力和强制导向走刀，改善切削刚性和走刀方向。合理选择钻杆支撑和液压等，控制并减小切削刀具和钻杆在工作中的振颤。优化的结构，正确的选择刀具材料和切削用量。选择合理的加工工艺。冷却排屑液压系统是主要作用是用泵的压力把液体松刀切削区域，以进行冷却，润滑和排出切屑，还可以对钻杆减震，稳定切削，液压系统主要有压力泵，储油槽，过滤装置和切屑液体组成的。压力泵是为了在任何的情况下都能获得比较高的压力，提供稳定的流量，必须用恒定的容积的油泵，大型深孔钻一般选用螺杆泵，所用的液体必须有很好的过滤，否则泵磨损的比较快，寿命短。文章来源：中国传动设备网
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《机械制造技术》思考题与练习题第一章 思考题与练习题
1.1 外圆车削加工时，工件上出现了哪些表面？试绘图说明，并对这些表面下定义。
1.2 何谓切削用量三要素？怎样定义？如何计算？
1.3 刀具切削部分有哪些结构要素？试给这引起要素下定义。
1.4 为什么要建立刀具角度参考系？有哪两类刀具角度参考系？它们有什么差别？
1.5 刀具标注角度参考系有哪几种？它们是由哪些参考平面构成？试给这些参考平面下定义。
1.6 绘图表示切断车刀和端车面刀的，,λs, α0’和和。
1.7 确定一把单刃刀具切削部分的几何形状最少需要哪几个基本角度？
1.8 切断车削时，进给运动怎样影响工作角度？
1.9 纵车时进给运动怎样影响工作角度？
1.10 为什么要对主剖面，切深，进给剖面之间的角度进行换算，有何实用意义？
1.11 试判定车刀前角，后角和刃倾角正负号的规则。
1.12 刀具切削部分材料应具备哪些性能？为什么？
1.13 普通高速钢有哪些牌号，它们主要的物理，机械性能如何，适合于作什么刀具？
1.14 常用的硬质合金有哪些牌号，它们的用途如何，如何选用？
1.15 刀具材料与被加工材料应如何匹配？怎样根据工件材料的性质和切削条件正确选择刀具材料？
1.16 涂层刀具，陶瓷刀具，人造金刚石和立方氮化硼各有什么特点？适用场合如何？
第二章 思考题与练习题
2.1 阐明金属切削形成过程的实质？哪些指标用来衡量切削层金属的变形程度？它们之间的相互关系如何？它们是否真实的反映了切削形成过程的物理本质？为什么？
2.2 切屑有哪些类型？各种类型有什么特征？各种类型切屑在什么情况下形成？
2.3 试论述影响切削变形的各种因素。
2.4 第一变形区和第二变形区的变
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