[机械设计自动化精品] 枪钻结构优化设计与受力分析.doc

2011届毕设计说明书枪钻的优化设计与受力分析随着科学技术的进步，深孔加工技术已经运用到各机器制造部门，特别是在重型机械制造中，能否掌握它，运用自如，将对生产起着决定性作用。本设计介绍了深孔加工刀具中最常见的枪钻，通过对国内外枪钻的比较，分析了枪钻的结构，对枪钻的各个结构进行了系列化设计。然后对枪钻进行了较为详细的受力分析，。同时用pro/e 应用软件作出典型枪钻的三维造型，并用有限元分析软件对枪钻进行分析，得出应力分析结果，对枪钻进行优化设计。关键词：深孔加工，枪钻，优化设计optimal design and stress analysis of gun drillabstractwith the progress of science and technology，deep hole processing technology has been applied to the machine-building sector。especially in the heavy machinery manufacturing, the ability to master it will play a decisive role in production.this design introduces deep hole machining tool of the most common gun drill。by comparison of gun drill at home and abroad，we analyzed the structure of the gun drill，and have all the structure of the gun drill a series design。then we conducted a drill on the gun more detailed stress analysis，and according to the situation we stress analysis, optimal design of the gun drill。at the same time with the pro / e we applications to three-dimensional shape of the typical gun drill，and by finite element analysis software for gun drilling were analyzed and the results of stress analysis.key words: deep hole drilling, gun drilling, optimization朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典1. 名词 1. summary2. abstract窗体顶端显示对应的拉丁字符的拼音字典目录1 绪论11.1 研究深孔钻削的意义11.2 国内外现状以及发展21.2.1 深孔钻的发展过程21.2.2 国内深孔加工技术应用及发展状况21.2.3 深孔加工技术和装备的发展方向32、枪钻的设计52.1 枪钻的结构52.2 枪钻的设计52.3.1 枪钻切削部分的设计52.3.2 枪钻钻杆和钻柄的设计163 枪钻受力分析183.1 枪钻切入阶段的受力分析193.2 枪钻钻孔全过程中转矩和轴向力的变化规律224 枪钻的应力分析与优化设计304.1 枪钻实体模型的建立304.2 枪钻力学模型的建立314.3 枪钻的有限元分析334.3.1 导入枪钻实体模型334.3.2 定义材料特性334.3.3 网格划分334.3.4 约束、处理344.3.5 处理后结果344.3.6 有限元结果分析355 总结36参考文献37致谢391 绪论1.1 研究深孔钻削的意义深孔加工技术最初广泛应用于国防军工制造业。随着科学技术的进步，工业的发展，深孔加工技术已经运用到各机器制造部门，如石油化工机械，航空工业，造船，冶金，发电设备，橡胶机械等，从而使深孔加工成为机械加工中不可缺少的一种工艺方法。特别是近几年来随着宇航制造业，原子能工业，电力工业等行业的迅速发展，对机器机器零部件的综合性能提出了更高的要求。新型高强度，高硬度的材料如钛合金、不锈钢、难热合金、高锰钢、复合材料等应用越来越多，这些材料具有良好的物理机械性能、抗腐性能、抗磁性能和抗高温氧化性能，在某些方面非常优良，但是它们的切削加工性能一般比较差，表现为切削力大、切削温度高、刀具磨损严重、断屑、排屑困难。在这类材料上加工长径比大的孔，就显得十分困难。所以，难加工材料深孔加工问题是否解决好，将直接影响机械产品的生产效率和质量。特别是在重型机械制造中，能否掌握它，运用自如，将对生产起着决定性作用。深孔加工在各行业应用都比较广泛，如枪炮管深孔加工，发动机输水孔，活塞销，曲轴通油孔，车辆的减震器筒，液压缸，火箭发射装置的精密高强度导管等等。这是一项具有代表性既关系到产品性能质量，又关系到工艺成本和生产周期的关键技术。如果能以最小的投入，最快的速度使我国深孔加工技术提高到国际先进水平，对我国制造行业的技术改造和综合国力的提高将有巨大的促进。1.2 国内外现状以及发展1.2.1 深孔钻的发展过程深孔钻的发展过程可分为四个阶段：第一阶段在19世纪末20世纪初，为解决枪管的加工，发明了将高压液体通过钻杆内通道送到钻头，带走切削和热量，并在钻头外径上加上导向块，以保证钻孔正确方向的方法枪钻。第二次世界大战期间，由于枪管的需求量猛增，使这项技术得到了快速发展。第二阶段，后来国际孔加工协会加以完善，形成了bta加工方式，其所用的钻头简称为bta钻。bta钻头在枪钻的基础上增强了刚性，改善了排屑条件，并提高了孔的表面质量。第三阶段，1963年瑞典sandvik公司发明了喷吸钻加工方式，将切屑由切削液推出改为切削液推吸联合作用，改善了排屑过程，降低了系统压力，密封条件得以改善，改善了排屑过程，降低了系统压力，密封条件得以改善，对应该系统所用的钻头成为喷吸钻。第四阶段，在70年代，日本冶金股份公司发明了df（double feeder）装置，将原喷吸钻的双管系统改为单管系统，在钻杆尾部增加一射流装置，来完成液体推吸效应，使钻杆系统刚性增加，切削液压力减小。df系统是传统深孔钻的最好方式，该系统所用的钻头称为df钻。1.2.2 国内深孔加工技术应用及发展状况20世纪70年代以前，我国枪钻和内排屑深孔钻猪妖应用于兵器制造业，其技术大致相当于苏联50年代初期的水平。mm以下小深孔一律采用本厂自制的高速钢枪钻。70年代末才开始建立专门制造硬质合金枪钻，枪铰刀得军工系统工具厂，因尺寸规格有限，规模不大，产品质量与进口刀具有很大差距。80年代后，一批大中型专业工具厂开始生产硬质合金枪钻，以填补市场需求的空缺。但由于技术实力和生产方式的落后，在产品质量和规格品种方面始终无法与进口刀具分庭抗礼。目前，我国仍是深孔刀具的纯进口国。由于机床工业基础落后，国内需求的枪钻机床一直以进口为主。80年代以来，国内机床工业水平提高较快，相对而言，机床深孔发展相对滞后，在设计水平、品种、精度和装也化程度等方面与欧、美、日本还有相当大的差距。数控深孔钻床到80年代末才出现，而用于加工固定工件的深孔钻床还是空白点。面对深孔装备和深孔零件的广泛应用，制造业对深孔加工技术的需求呈直线上升的趋势。一方面，大批老国有企业由于缺少先进的深孔加工技术，自身拥有的大批深孔机床处于闲置状态；另一方面，又有大批新兴中小企业不具备深孔加工手段，导致其新装备的开发面临重重阻力。1.2.3 深孔加工技术和装备的发展方向深孔加工技术的落后将会长期制约国家常规兵器工业的现代化。1958年开始国内硬质合金枪钻的设计和实验研究，1960年获得成功。出于各种工原因，研究被迫中断。20年后，几乎在一无所有的条件下，重新起步踏上深孔加工技术创新研究的漫长历程。应当从制造业，特别是装备制造业的发展战略全局出发，把深孔加工技术作为其中必不可少但发展水平之后的一个环节给予关注和支持。作为制技术中一个不可替代的分支，深孔加工技术具有其独特性。由于它的影响力几乎遍布所有行业，所以决不可视之为“长线”技术。深孔加工技术的研究开发工作需要必要的物质 和资金保证，费力费时，一般企业难以承担得起。除了高校和社会科研机构参加和投入外，国家在政策上的支持也必不可缺。深孔加工技术技术由于进入制造业的历史短暂，远未达到成熟和完善，具有巨大的发展潜力。便现在两个方面。第一，对深孔加工过程中特定条件下切削液参数及其影响、切屑的形成规律、排屑及抽屑机理、不同加工条件下工艺参数的最佳匹配、加工过程的控制与检测、刀具和辅具的设计理论、深孔加工装备的规范及现代化设计等得一系列基础研究，尚处于起步阶段。第二，实体钻孔由于其不可代替性，布鲁别过去、现在和将来，将始终是衡量深孔加工技术发展三年惠平的最重要标志。但从其目前水平来看，还远未阵雨成熟阶段。主要问题是：内、外排屑两类深孔钻在钻孔之境范围上形成难以逾越的鸿沟，已经成为深孔加工技术通用化的巨大障碍；内排屑深孔钻的断屑、排屑问题始终制约着实体深孔钻技术的发展和广泛应用；在克服深孔钻排屑障碍的同时，进一步提高了实体钻的工效和加工质量，以达到减少后续工序并降低综合加工成本问题；深孔钻削过程的有效控制和检测问题；难加工材料、材质的加工和排屑问题。深孔加工技术面临的另一类重大课题是：开发与深孔钻削配套的后续加工刀具和技术。重点是开发可在深孔钻床上通用的高效、低成本精加工刀具和技术。单从技术可行性角度而论，浅孔加工技术中的切削加工技术几乎均不适用于深孔加工。但在多数情况下，深孔加工技术不仅可用于浅孔加工技术，而且在保证孔的尺寸、形位精度和改善钻孔粗糙度等方面比浅孔加工技术更优越。之所以未能变成现实，关键在于深孔加工的成本太高。据粗略估算，如果能通过种种措施使目前深孔加工的综合成本降低60%，则深孔加工技术会开始部分应用于前孔加工技术；如果将深孔加工技术的综合成本进一步降低，就会衍生出一批新型的集约制造方法、新型装备制造和新兴产业。深孔加工技术作为制造业技术的一个废分支，有外强烈的应用技术属性。应用技术永远是一门遗憾的技术，因为它依托于新科学发现、新科学理论、新材料、新方法和社会不断提出的新需求，永无止境。但应用技术又是最贴近人流泪社会物质文明进步、推动人类精神文明发发展的最具生命力且无可替代的动力源泉。2 枪钻的设计2.1 枪钻的结构枪钻由钻头、钻杆和钻柄组成。钻头切削部分是由圆柱体砍切而成，其轮廓与炮钻相。不同之处在于，枪钻的外部有一条贯穿前后的v形槽，用来排屑；v形槽的对侧，是油孔，用来供入切削液。由于钻杆尾部单薄，不便于夹持，因此制成一个同轴的厚壁套焊在钻杆末端，这即是钻柄。枪钻的材料主要为硬质合金，以下的钻头，由硬质合金烧结撑整体式钻头坯，在经过焊、磨而成为节约硬质合金，直径大的可以改用三片应内置合金镶在钢制钻头上。钻头与钻杆的轴线必须严格保持同轴，否则易引起钻杆与孔壁摩擦，或者导致走偏加大。为此，最好在钻头与钻杆对焊后，夹持钻杆对钻头进行刃磨。根据同样的理由，钻柄也必须和钻杆保持同样的同轴度。2.2 枪钻的设计从枪钻的结构上看，它的结构很简单，但是它的参数却很多，而且每一个参数对刀具的切削性能都有各种各样的影响。在枪钻的原始设计条件中，钻孔直径、孔的长径比、被加工材料的物理机械性能和要求深孔加工后达到的技术条件，是设计或者订货前必不可少的条件。现系列化设计孔径520mm的深孔枪钻，设计过程如下。2.3.1 枪钻切削部分的设计枪钻由钻头，钻杆和钻柄组成。钻头有整体烧结式和镶片式两种结构，现采用硬质合金刀片，如图2.1。 图2.1 硬质合金镶片式枪钻钻头以下是钻头各个参数的确定。1、内外切削刃的的划分和钻尖偏移量枪钻的钻尖偏置于直径的一侧，形成了单边刃切削及内外刃分工，内刃与外刃的横宽之和等于半径。内刃切削刃的划分，使枪钻具有以下特点： 在结构上为钻头提供了排屑通道（v形槽）和供油通道（进油孔）。 枪钻外刃的工作条件相当于双刃钻的外侧切削刃，钻孔时形成一支右 的螺旋形切屑；其内刃相当于车削时前刀面通过棒料轴线的车刀，形成瓦片形的左旋圆锥状间断切屑。这两只切削流因受到被加工孔底部的限制和切屑液的冲击力，在钻尖的后部会交会在一起。设内外刃的横宽对等，则外刃承担了切除全部金属量中的的任务，为内刃切除金属量的3倍。因此，外刃的切屑流成为切屑流的主体，将内刃形成的锥形片状切屑扭在一起，在高压切削液的推动下前后互相挤压，从v形槽中向后排出，如图2.3。图2.2 枪钻内外刃的划分图2.3 内外刃切屑的流动和干扰1工件；2枪钻；3外刃产生的切屑（右螺旋卷）；4内刃产生的切屑（左螺旋卷）；5切屑汇合处单边刃的设计，使钻头避开了横刃的存在，从而大大减轻了钻头的轴向推力。由于内外刃的划分，将会产生一个内外刃径向切削分力不对等的问题，但只要报纸外刃的径向切削分力不小于内刃，枪钻在理论上是不会自动发生脱离轴线而走偏的，原因在于，如果外刃的径向切削分力大于内刃，二分力之差将作用于切削刃对侧的已加工孔壁。这种内外圆柱面之间的贴合，只能对钻头起到定向和导向作用，反而保证不钻头不会自动走偏。同样，内外切削刃所受的垂直切削力的合力（主切削力）虽然单方向作用于钻头的前刀面并力图使钻头偏向一侧，但由于承受压力和反作用力的都是圆柱面，钻头不会走偏。由于枪钻切削部与工件孔壁相接处的圆柱面材质远比工件要硬，且光滑并充满润滑冷却液，因此，切削力不平衡实际导致的结果是钻头导向部对孔壁的挤压和碾平，从而使孔壁的加工粗糙度减小。当然，过大的及压力也会加快钻头导向部的磨损，引起转头震颤，因此需要在设计中全面考虑。在枪钻设计图上，通常以标注外刃横向宽度a的方式来确定钻尖的位置（图2.2）。因此，钻尖与钻头的轴线的偏移量。在加工碳钢、合金钢材料时，通常取内外刃横宽对等，即。图2.4钻头几何形状2、钻头的几何形状钻头的几何形状包括对外刃偏角（简称外角）、内刃偏角（简称内角）、钻尖位置、油隙形状等参数的综合匹配，如图4。钻头几何形状的设计，应该综合考虑三个方面的因素，所产生切屑的形状及是否有利于切屑的排出，钻尖的强度保持和足够的供油间隙，以及冲出切屑。如图2.4所示，图为枪钻头部几何参数的代表符号示意。钻尖位置用外刃的横宽a，外角用表示，内角用表示。根据设计要求，此枪钻的外径为，则外角，内角，此类为枪钻的标准头部形状，对多数常见材料都有通用性。3、前刀面的位置枪钻前刀面的切削条件类似于内圆车刀，其位置应等于或者稍微低于孔的轴线，而不应高于孔的轴线。炮钻的前刀面之所以必须略高于中轴，是由于其半圆柱体形状的限制。枪钻打的横截面大于半圆，因此前刀面可以通过中心或低于中心。如低于中心，钻孔时会避开切削速度为零的中心点，从而有利于减小轴向切削阻力。但如前刀面过低，在钻孔过程中会留下一根细小的中心棒，影响切屑正常排出。通常允许前刀面低于中心线。4、断屑台在车、铣等常规切削加工中断屑也是一个不忽视的课题。连续的缠绕形切屑会干扰加工过程的正常运行，伤害操作者和损伤工件、刀具、机床，更使生产过程的连续性难以实现。理想的情况是采用切屑手段，让切屑按照按照一定的规律断成小段。最方便易行的就是在刀具前面上磨出断屑台或者设置断屑器。对于深孔钻削来说，能否连续的、无堵塞的自动排除切屑，始终是成败的首要课题。现代深孔钻削刀具由于保证了供油、排屑通道以及高压切削液，使连续自动排屑成为可能，但并未从根本上堵屑发生的可能。无堵塞的连续自动排屑，必须同时得到以下三个方面的保证，缺一不可。（1）供油、排屑通道结构合理。（2）保持正常合理的油压和流量。（3）合理的切屑形态用以上三方面的要求来对照枪钻。枪钻的出屑槽呈前后一致的扇形，排屑断面积接近于被钻孔截面的，拥有各种深孔钻中最为理想的排屑通道。不足之处在于头部通油孔的面积太小（只及孔截面的），因此必须加大油压和油量，才能有足够的动量用来推动切屑通过v形槽和与钻头相对旋转着得孔壁而顺畅溢出。在油压足够的而前提下，枪钻即使不断屑，一般也不会发生堵屑障碍。因此，枪钻在多数情况下不须磨出断屑台。在加工费碳钢、合金钢和铝、铜等比较软的材料时，连绵不断的螺旋形卷状切屑受高压切削液的推挤而相互挤压，周期性的以条絮状被推出v形槽，甩入排屑器。当工件为灰铸铁、石墨等脆性材料时，切屑呈碎粒状被排出。只有当工件材料为高强度、高韧性的难加工材料或者地质不均匀时，才因切屑卷过大或者切屑形态不一致而容易发生堵屑。当然，一旦机床的油压不足，切削刃变钝，也会发生堵屑。在这些特定的情况下，断屑也不失为一种应急的措施。枪钻之所以能在不断屑的前提下实现连续排屑，部分原因是由于枪钻的进给量很小（），因而切屑很薄。其所以不能采用更大的进给量，是由于枪钻的刚度（特别是扭转刚度）远低于同一直径的内排屑深孔钻。枪钻的前角为，且不设断屑台，这样就为枪钻具有可多次重磨性奠定了基础。在国际市场上，枪钻至今仍是切削工具产品中售价昂贵的产品。其所以能得到较为普遍的应用，很大程度上是与枪钻的可重磨性有关。5、切削刃的主要几何参数如图2.5所示为切削刃的主要几何参数，根据设计要求，该枪钻的直径为，对该范围内的枪钻进行系列化设计。图2.5 切削刃的主要几何参数(1)前角 内外刃的前刀面为同一平面，因此内外刃的前角都为。（2）外刃后角和内刃后角当枪钻直径为时，。外刃后刀面的磨法有两种，对以下的小直径钻头，其外刃后刀面可仿照麻花钻磨成螺旋锥面；较大的枪钻，其外刃后刀面一般磨成平面。内刃的后刀面，不论直径大小，一律磨成平面。当内外刃刀面都是平面时而平面之间形成一道多余的交线。当用枪钻制造时，通常将尖峰磨去，形成一个副后角，其取值为。但刃磨副后角时不应触及内外刃交点t，以免形成三股切屑流。副后角的存在，有利于刀尖和和切削刃的冷却润滑。(3)定径刃宽度s和定径刃后角在切削刃外侧，需要留有一条与钻头轴线平行的窄狭圆柱面，即定径刃.或称刃带。其作用与多刃铰刀的刃带相同。刃带的宽度s取值范围一般为 (直径越大，取值越大)。太小，定径刃容易磨损；过大，会增加摩擦阻力。定径刃对孔壁有一定的修光作用。定径刃后角取值范围为，它的作用是改善定径刃的冷却润滑条件。(4)枪钻头部倒锥为减小枪钻头部与孔壁的摩擦阻力，切削部分要磨出一个的微小倒锥。(5)枪钻切削部分的长度由外刃拐点至导向条终点的长度，称为枪钻切削部分的长度。表是不同钻头直径下的切削部分长度。 表1 不同钻头直径下的切削部分长度钻头直径切削部分长度钻头直径切削部分长度13301935234025452525 该表是单边刃枪钻的切削部分长度，当钻头直径是时，切削部分的长度可由表查出。6.进油孔的设计进油孔设计包括供油孔形状、尺寸、位置三个因素。而这三个因素的确定又受制于枪钻横截面形状、钻头扭转强度、钻杆外径和导向条布置等因素。因此，进油孔的面积远不如预期那么大。图2.6 枪钻进油孔本设计由于是镶片式硬质合金枪钻通油孔，因受到导向条的限制，一般只能采用图2.6所示那样的单油孔结构。7.枪钻的导向面和导向条对于整体烧结式枪钻而言，除定径刃外，凡是与工件孔壁接触的部分均为导向面。但对于镶片式硬质合金枪钻，只用两条硬质合金充任钻头的导向元件，这两条硬质合金称为导向条(简称导条)，如图2.7。图2.7整体烧结式枪钻导向面的设计导向面的设计和配置，服从于枪钻切削时所受径向分力、垂直分力和转矩的关系。图2.7a是最普通的导向面。导向面1为大于 (其止点在切削刃对侧)的一段圆弧，与定径刃圆柱面合成一个完整半圆。这种导向面适用于加工精度不高的深孔.特点是枪钻使用寿命长。图2.7b是在a型的基础上，增加一段较短的导向面2,使钻头圆柱面覆盖大半个圆周。本型适用于要求加工精度高的铸铁及轻金属材料加工。图2.7c是将a的导向面延长，使其超过半周。本型的加工精度高于a型。但因导向面的面积过大，导向面与孔壁之间的润滑不良，摩擦转矩较大，导向面易磨损，所以多用于扩钻。图2.7d是在c型基础上的改进，即将c型导向面的中间磨去一段，以改进其不足，用于要求加工精度高的钢材工件。本型也是镶片式枪钻导向条的基本型。图2.7e是b,c两型的结合，兼有导向面大和覆盖圆周比例大双重特点，但摩擦面太大且润滑不良，有烧伤钻头或孔壁的危险。更适合于铝合金等轻金属合金加工，可加工出表面粗糙度很小的孔。图2.8是镶片硬质合金枪钻导向条的配置方式，是图2.7d型的移植。钻头体3由中碳钢或合金钢棒料(调质)铣出v形排屑槽、刀片槽(其内侧适当超过圆心)和两个导向条槽，钻出通油孔，再焊(或粘接)上硬质合金刀片和导向条，将尾端焊口与钻杆对焊后，再进行磨削而成。其第一导向条1的中线与主切刃平面成，第二导向条中央与主切刃平面成。 图2.8 镶片式枪钻导向条的配置8.v形槽开角(图2.8)的取值范围为,本设计采用，目的在于增大枪钻的扭转刚度。 9，钻头体直径钻头体直径取值为()d(d为钻头公称直径)，见图2.8。 10.导向条倒角导向条的前端应有的倒角，以减小枪钻的进给力，并保证导向条刚进人孔壁时切削平稳。导向条的前端倒角应光洁平滑。导向条后端应有的倒角，以避免钻头从已加工孔退出时损伤孔壁。11、导向条前端对外切削刃拐点a的滞后量不论枪钻头部形状属于哪一种型，第二导向条(图2.8中的“2)必须滞后于外刃拐点a一定的距离e,e的最佳取值范围为() d。第一导向条(图2.8中的1)前端对a点的滞后量约为e/2。重磨枪钻时，必须在重磨外刃、内刃后刀面之后，对导向条倒角进行补充刃磨，使e值符合要求。12、枪钻切削刃及导向条材料的选择深孔刀具，特别是深孔钻头切削刃，在选材时比普通刀具材料的要求更加严格。首先要考虑被加工工件材料的物理机械性能，有时还应当考虑工件材料的化学成分，以避免二者化学组成元素之间因不良化学反应而导致刀具加快磨损。其次，深孔刀具对被加工材料应有足够的抗弯强度，以避免在正常切削用量条件下发生切削刃崩裂、破损。第三，切削刃的耐磨性应尽可能高一些。当工件是难加工材料时，在正常切削用量下刀具材料最低限度应保证能加工一个深孔。如果连这一最低要求也无充分把握，则必须适当降低切削速度或更换更适合的刀具材料或采用特种加工方法。须知，无论对于深孔精密加工还是实体钻削，由于切削刃破损或磨钝而中途换刀，都可能导致工件报废或刀具、刀杆与工件全部报废。枪钻导向条的选材一般与切削刃相同，这有利于刀具制造。在特定情况下(例如发现导向条有超常磨损时)，也可以使用不同的材料。 枪钻切削刃材料一般用不同牌号的硬质合金，目前，涂层硬质合金刀片和陶瓷刀片也已经用于深孔钻头制造。2.3.2 枪钻钻杆和钻柄的设计1.钻杆外径枪钻钻杆用中碳钢或低碳合金钢冷拔无缝钢管为坯料，经过调质、校直、无心磨、轧制v形槽、再校直等工序加工而成。钻杆的v形槽张角与钻头相等，与钻头对焊时，钻杆与钻头的v形槽应完全对正。 图2.9 枪钻钻杆钻杆外径与钻头体的外径相等，取。过大.有可能在钻杆进人孔壁后与孔壁发生干涉；取值过小，会降低本来就不足的枪钻钻杆刚度，并且将使钻头部分进油孔面积减小。2.钻杆壁厚通常取钻杆壁厚。t的取值过小，直接导致降低钻杆刚度；取值过大，可能使钻杆壁援盖进油孔。3.枪钻钻柄设计枪钻钻柄的主要设计参数(结构代码、外径、长度)应与所采用枪钻机床的刀座孔或夹头一致。例如，钻孔范围为的机床，所用钻柄的外部尺寸参数是完全相同的，仅内圆随钻杆的外圆而定。钻杆的末端无v形槽，以滑配合与钻柄孔配合后，再焊为一个整体。图2.10是一些常见的钻柄. 图2.10 常见的钻柄设钻柄尾部直径为，钻柄总长为，则表2列出了部分不同钻柄在钻头直径不同时和的值。表2 几种常见钻柄的数据钻柄钻头直径63610401648205025561645207019.057010402570104025703 枪钻受力分析枪钻在切削全过程中的受力情况远比双刃钻复杂。仔细研究枪钻在切人工件、正常工作和切出工件、退出刀具等各阶段的受力情况，对于正确设计、使用单边刃深孔刀具有普遍的指导意义。3.1 枪钻切入阶段的受力分析从钻尖接触工件一直到内外切削刃全部进人工件，为枪钻的切人阶段。此阶段的枪钻，可用一把具有外刃和内刃的车刀来加以模拟，而被加工工件可视为一根平头的转轴。为便于分析对比，假定内外刃宽度相等，并取，以及工件材料为的硬铝棒料.，工件转速为1 500 r/min，在不同进给量下进行模拟切削实验，所测得的主切削分力、轴向切削分力(推力)和径向切削分力曲线见图3.1。 图3.1切入阶段枪钻的受力情况由图3.1可见，即使在内外刃宽度相等条件下，径向切削分力也是指向刀具轴心的，即外刃的径向切削力大于与其方向相反的内刃径向切削力。因此，对于标准型枪钻（），其切人阶段所受的径向切削分力指向图2.8所示切削刃对侧的导向条2。主切削分力最大，指向图所示的导向条1。图3.2是在上述实验的基础上进行的切削刃各分力密度的实验测定。所用工件材料为45钢、棒料直径仍为、工件转速为1500 r/min、进给量为0.025 mm/r，。图中横坐标为受力点在枪钻切削刃上的位置，中线的右侧相当于外刃，左侧相当于内刃。图3.2 单刃钻的切削密度由图可知，主切削分力的分布密度基本上是均匀的，但轴向推力和径向切削分力的密度都是外刃大于内刃。而且越接近于工件中心，切削力密度越小。对于径向分力来说，因外刃和内刃的方向相反.径向切削力的合力指向中心。作为对比，图3.2(b)列出了同直径麻花钻半径上的相应切削力密度。实验条件为:工件材料为中碳钢；。与单边刃钻头比较可知，其横刃处(横刃宽度为，单边横刃宽为)的主切削力、轴向力密度都很大。但由于双刃对称，主切削力构成转矩，轴向力叠加，径向力互相抵消。考虑到标准型枪钻,，则外刃的径向切削分力更加大于内刃。据此，可画出枪钻受力情况的解析图，见图3.3。对解析图做进一步的分析，可以发现枪钻加工的以下特点:。图3.3内外刃切入过程中枪钻受力情况在内外刃切人工件的过程中，由于轴向分力之和()是偏心负荷，可转换为作用于钻头中轴的推力和一个弯曲力矩 (为轴向切削分力作用点与中心的距离)。同样，内外刃主切削分力之和()可转换为从z方向施加于钻头中心的一个弯曲力和一个转矩（为主切削分力作用点与中心的距离)。外刃和内刃上所受径向切削分力由于方向相反且大小不等(对于标准型枪钻，)，其合力使钻头向内侧弯曲，并使钻孔直径有变小的倾向。由于枪钻是长径比很大的非刚性钻头，上述切削分力、中任何一个，即使数值不大，也足以使钻头不能正常工作。为此，必须在钻头切人工件之前设置一个导向套，以保证钻头能正常切人工件。当钻头的切削刃和导向部分进人工件以后，导向套完成其规定的使命，钻头靠自己的导向面使切削力达到平衡并实现自身的导向。当采用导向套后，在内外刃切人工件过程中由于钻头的导向面紧贴导向套，钻头进给方向得到了保证。但导向套的内径不可能与钻头直径完全一致，而必须留有一个微小的直径间隙 (通常不大于0.015 mm)。由于此间隙的存在，切削刃切人工件时，只能钻出比钻头直径约小的孔。当导向部开始进人工件时，将成为导向部的过盈量，被强行挤压扩大。因此，导向部和孔壁之导向面之间互相处于挤压状态，其结果是工件孔壁被挤光，而钻头得到了可靠的导向。由于枪钻扭转刚度很低，上述挤光转矩必须受到严格的限制。因此.枪钻的进给量很小，这是又一个突出特点。3.2 枪钻钻孔全过程中转矩和轴向力的变化规律图3.4(a),(b)是用枪钻钻孔时，在钻柄上贴应变片，通过电磁示波器测得的钻孔全过程中转矩和轴向推力曲线。 先对图3.4(.a)的转矩曲线进行解读。从钻尖接触工件的点，至外刃拐点切人工件的点，钻头所受转矩完全由切削力造成，称为切削转矩()，与外刃切人长度成正比。由至，因钻孔直径不变，导向条尚未进人工件，所以值不变。为第一导向条的起点。由于第一导向条进人后与孔壁产生正压力和挤光转矩()，此挤光转矩随导向条倒角的逐渐进人而由小变大。为第二导向条的进人点，见图3.5(a)。由于导向套孔径略大于钻头一个边值，枪钻外刃的径向切削分力大于内刃时，钻头被推向内刃一侧而使钻头轴线相应偏移/2，从而使开始钻出的孔径比钻头小(即d一)。如图3.5(b)所示，当第二导向条进人时，直径为d的孔径突然被扩张为d，因而挤光转矩也突然升至最高点。 开始切削；外刃拐点开始进入；第一导向条进入点；第二导向条进入点；导向条全部进入；停止进给；钻头开始退回 图 3.4枪钻加工全过程的转矩和轴向力曲线图3.5 枪钻切入时孔径缩小示意图第二导向条前端进人工件后，内外切削刃进人正常切削状态，值随之回落。但由于第二导向条进人长度逐渐增加，摩擦面积随之增大，值缓慢回升。之后，由于两导向条对孔壁的扩张和轧平作用，值再次回落，直到两导向条全部进人工件(点), 完全处于平稳状态。钻孔完毕，钻头于处停止进给(但工件继续转动)。因切削转矩已不存在，但挤光转矩不变，故总转矩下降，并保持在的水平，直到点钻头开始返回为止。点之后总转矩的回升，是由于导向条轧过之后，孔壁因弹性变形而收缩，导向条的后倒角在钻头退回时，切人比钻头直径稍小的孔。当钻头退出已加工孔时，转矩迅速下降至零。轴向力由三个来源组成:切削力的轴向分力、导向条与孔壁的轴向摩擦阻力和切削液压力。在切削过程中，可视为现代深孔加上技术一个常值；的值很小;只是在切削刃进人工件阶段由零上升为最大值，当导向条进入时，总轴向推力由增至()，见图3.6。图3.6枪钻受力解析图图3.6为根据枪钻切削刃和导向条受力情况绘出的枪钻受力解析图。1.转矩枪钻头部所受的转矩由以下三部分组成:(1)切削转矩切削转矩。为外刃和内刃垂直切削分力之和，它的大小仅与钻头直径和工件材料有关。其作用点大约在距中心0.6 r处，见图3.2(a).(2)摩擦转矩由切削力作用于钻头导向面与孔壁之间所产生的正压力和二者之间的摩擦系数相乘，构成摩擦转矩。其数值在总转矩中所占比率很小，可以忽略不计。(3)挤光转矩()由图3.4(a)和图3.6可知，挤光转矩产生于第二导向条进人孔径并将孔径突然扩大时。此时，已经被径向切削力推向导向套另一侧的钻头突然返回中间位置，靠定径刃和导向条的受力平衡，把被加工孔扩大至与钻头直径相等。由于定径刃有一个宽度不大的圆柱面刃带而迫使孔壁弹性变形而让刀，结果会对钻头留下巨大的夹紧力，其所产生的转矩就是挤光转矩。由图3.7可以看出，挤光转矩与切削转矩并无直接关系。(实验条：:枪钻直径，为切削转矩，为挤光转矩，m为总转矩)。挤光转矩是一个十分活跃的因素，很多因素都影响挤光转矩的变动。如果以代表与的比值，则有，称为转矩比。图3.7进给量与切削转矩和挤光转矩的关系图3.8为几种不同因素对的影响。图(a)为导向面张角的影 响，图(b)为不同匹配时的影响，图(c)为外刃宽度a的影响，图(d)为定径刃宽度的影响。导向面张角是由外刃边线至导向面终点的弧角。图(a)中列出了三种情况：，)。当导向宽度的影响面张角大于时，明显增大。图3.8不同因素对转矩比的影响根据上述分析研究，可得出以下几点具有普遍指导意义的结论:对于单边刃钻头，由于切削力不对称，在切人工件前，必须用钻头导向套加以引导。当钻头导向部分进人工件后，导向面可以产生自导作用。当枪钻的外刃径向切削刃分力大于内刃时，钻头切削刃进入工件时会产生孔径的缩小。当第二导向条进人工件时，会在短暂的时间内产生很大的挤光转矩并使孔扩大到与钻头直径相等的尺寸。挤光转矩的正面作用是降低钻孔的粗糙度，但它不应过大。由于枪钻的扭转刚度很低，挤光转矩过大时会导致钻头或钻杆扭断、刀具振动、导向面磨损加快、切削液过热及机床功率消耗增大等弊端。减小转矩比的措施是:使导向部张角适当小于，使外刃宽度略小于d/4;使外角a与内角的差值不超过。枪钻扭转刚度的不足是制约总转矩的一个根本因素。除了控制转矩比之外，切削转矩也要受到限制。根据实验，切削转矩与进给量基本上成线性关系，即式中，为常数，与工件材质有关。当不变时，降低进给量就成为减小切削转矩的主要途径。这也是枪钻进给量相对低于内排屑深孔钻的根本原因。2.轴向推力枪钻所受轴向推力共由三部分组成:轴向切削分力，轴向挤光力分量和切削液压力。图3.9为实际测到的、与进给量的关系曲线(原始条件同图3.7)。其中，轴向切削分力与进给量在时成线性关系，在小进给量时为非线性关系。由于挤光力造成的挤光轴向推力占总轴向力的比例很小(约占1/8)，实际上影响不大。图3.9轴向力与进给量的关系切削液压力是造成轴向推力的第三个因素。由于枪钻进油孔面积很小，需要很高的油泵压力。但当切削液通过细长的供油通道(特别是钻头头部进油孔)时有压力损失，所以在钻头坡口处的实际压强会有所降低。例如们的枪钻，当，供油压力为 4.4 mpa时，在出油孔外仅有2.8 mpa的压强，其所产生的轴向推力约为76.44 n。轴向推力之和构成进给力，使钻杆产生压缩。为避免钻杆发生弯曲变形，除依靠钻套预先进行导向外，在排屑器后端还设置带有密封的钻杆支承件。过于细长的钻杆，还应在排屑器后方设置专用的钻杆支承架。4 枪钻应力分析过程及结果4.1枪钻实体模型的建立本文以d=16mm枪钻为例，利用pro/e的建模功能，完成了钻头、钻杆和钻柄的实体模型，将钻头、钻杆和钻柄三部分装配成实体枪钻，如图4.1所示。图4.1枪钻的模型4.2 枪钻力学模型的建立受力分析时以钻头为研究对象，在刀刃上作用总切削力,它可以分解为主切削力分量径力分量和轴向力分量。在导向块上作用有压力和摩擦力， 还有钻头自重、冷却液压力，总轴力 ，和扭矩。扭矩主要可分解为切削扭和导向块摩擦力矩。1、受力状态的简化 钻头自重和冷却液压力对钻头的受力状态响较小， 可以忽略不计。 钻杆、切屑、冷却液各部分的重力和导套、中支承处的反力、摩擦力均很小，或者影响甚微，所以在钻头静力分析时一般均忽略不计。 由于钻头的轴向尺寸相对于钻杆来说很小，认为除了走刀抗力和导向块上轴向摩擦力外，各均作用在一个平面内 个切削力分量和导向块上摩擦力、正压力均由分布力简化为集中力。 深孔钻削时，导向块与孔壁之间的接触起着修光刃的作用， 能使孔壁粗糙度降低。这时不仅产生库仑摩擦力矩， 还产生了变形力矩。变形力矩包括使孔壁表面产生塑料变形和弹性变形的力矩。这就是说， 在导向块上由于正压力 f的作用， 产生两个方向相同的切向力，一个是库仑摩擦力， 另一个是产生变形的切向力。为了方便起见，考虑到硬质合金的硬度很高，塑性变形很小，我们用库伦摩擦系数代替当量摩擦系数。2数学模型在上述简化的基础上，枪钻钻头的力学模型如图所示，根据平衡关系有如下方程： 图4.2 枪钻力学模型主切削力分量 径向切削力分量 总轴向力 轴向切削力分量总扭矩 钻头公称半径 导向块1,2上的正压力导向块1,2上的轴向摩擦力 导向块1,2的位置角l主切削力分量的作用力臂假设只考虑库伦摩擦系数，于是导向块上轴向摩擦力与周向摩擦力相等。在上面的公式中，由于一些角度和钻头直径是已知的，扭矩和内总轴向力可以直接测出，l可以用经验公式得出，因此，其他的未知量都可以近似的求出。4.3枪钻的有限元分析4.3.1导入枪钻实体模型 利用pro/e软件建立枪钻的三维实体模型，将其导入ansys workbench协同仿真软件进行计算分析。4.3.2 定义材料特性本次研究中，钻头使用的材料为牌号yg8（iso牌号：k20）的硬质合金，其参数为：杨氏弹性模量610gp，a泊松比0.21，密度，剪切弹性模量252.1gpa抗压/拉强度4.47gpa，抗弯强度1.5gpa，屈服强度1.8gpa。4.3.3网格划分单元类型的选用对于分析精度有着重要的影响。正确的选择单元类型是进行有限元分析的保证，也是设计人员在前处理阶段的主要任务之一。网格划分涉及单元的形状及拓扑类型、单元类型、网格生成器的选择、网格密度等。图4.3是ansys workbench的网格划分。图4.3 钻头的网格划分4.3.4约束、处理在钻头模型上施加以下钻削力和转矩：外刃、内刃和导向条上的轴向力和转矩。由于对枪钻做的是应力仿真分析，除添加约束和载荷外，还添加后处理的数据类型：应变、方向变形、总变形和剪应变。4.3.5后处理结果利用ansys workbench对钻头进行有限元分析以后，得到如下的图形。 等效应力图 图4.4 等效应力图可以看出，等效应力主要发生在钻头的切削刃附近，最大等效应力则发生在钻尖靠近外刃的部分，说明钻尖处的强度最弱 方向变形图图4.5 x轴变形图 图4.6y轴变形图图4.7 z方向变形图从图4.5到4.6中可知：x轴最小变形发生在钻尖附近，而且最小变形的绝对值大于最大变形的绝对值，说明钻尖处的变形沿-x向，变形量较大；y轴径向最大变形发生在钻尖附近，最小；z轴轴向变形恒为负值，最小变形在钻尖附近，说明钻削过程中的枪钻一直处于压缩状态，钻尖附近压缩量最大。因此得出钻头的刚度较差，如果该处的变形量较大，则会影响加工精度。4.3.6有限元结果分析枪钻的外角、内角、外刃第一后角、内刃后角、外刃宽度五个几何结构参数共同决定了钻头的主要结构，相互影响和制约着钻头的强度、刚度和切削性能。为了得出钻削过程中枪钻几何结构参数的最佳组合值，本文采用正交试验法分析这些参数对枪钻钻头的影响。正交试验法考虑了各因素间的交互影响,由于因素间的搭配均匀,不仅能区分每个因素的作用,找出最佳搭配,而且还可以考虑因素的联合作用,并大大减少了试验次数。本文选择外角、内角、外刃第一后角和外刃宽度这四个主要的几何结构参数，通过四因素三水平正交试验法得出四个参数的最佳组合。表4.1 水平表水平因素外角内角外刃第一后角外刃宽度abcd11.7mm21.95mm32.6mm通过各因素对各指标影响的综合分析，得出较好的方案组合是：a1：外角，第1水平，15，b1：内角，第1水平，10，c3：外刃第一后角，第3水平，15，d2：外刃宽度，第2水平，1.95mm。钻削过程中，枪钻钻尖附近的应力、变形最大，此处强度、刚度较差；钻头的结构主要有4个几何结构参数共同决定，采用四因素三水平的正交试验法得出4个参数的最佳组合。分别改变进给量和后刀面磨损宽度，进行有限元分析，结果表明：应力和变形均呈递增趋势。因此在保证加工精度的情况下，可适当提高进给量，以提高加工效率；若进给量适中，应力、变形较大，影响加工精度时，需要对枪钻进行重磨。5 总结 通过三个月的努力，在老师和同学们的帮助下，我完成了枪钻结构设计优化与受力分析。 该枪钻为单边刃硬质合金镶片式枪钻，通过对钻头形状及各个参数，钻柄和钻杆的分析计算，系列化地设计出了钻头直径在的枪钻，并且分析了枪钻在切入和钻孔时的受力情况，对枪钻进行了优化设计。同时，在这次设计中，我也发现了自己的许多不足。首先，最初分析该枪钻时，对枪钻结构和受力分析的掌握还不算很全面，走了不少弯路。其次，最初对枪钻没有一个完整的概貌，考虑不是很全面，所以分析时，碰到不少困难。最后，我还应当多查阅一些有关刀具设计的资料，提高自己分析刀具结构和受力情况的能力。参考文献1王峻.现代深孔加工技术.哈尔滨工业大学出版社，2005 2郑立新.深孔钻自控方法的研究.华侨大学学报，19953曹霞，黄志荣.小直径深孔加工切削用量的实验优选.常州工学院学报，20094彭海，张敏，王水航.干式深孔加工技术的研究.西安石油大学5张秋丽，胡思节.平面型后刀面枪钻的钻销力数学模型.湖南大学6程金石，郑文 ，张伟.平面型后刀面枪钻钻尖的几何设计.大连轻工业学院学报，20027孙路，殷雪艳.枪钻cad软件的开发与设. 陕西国防工业技术学院，20078程金石，贺凤宝，张伟.确定平面型后刀面枪钻钻尖设计参数的测量和设计方法.大连轻工业学院学报，20039周养萍，杨承涛.深孔加工的新方法-钻铣法.西安航空职业技术学院，200710何定健，李健勋，王勇.深孔加工关键技术及发展.四川大学制造科学与工程学院11关世玺，范国勇，常兴.深孔加工关键技术研究.中北大学，200712张兰萍，杨生元.深孔加工中切削参数的选择.兰州兰石集团有限公司，200