飞机发动机主轴深孔加工工具系统设计

目录绪论1课题研究的目的和意义1深孔加工面临的难题2国内外研究发展状况2深孔钻分类4本课题要研究和解决的问题7钛合金的切削加工性7钛合金切削加工的普遍原则8钛合金切削机理的研究8钛合金相对可切削性切削条件的研究10刀具材料10刀具几何角度10机夹式可调深孔钻的设计13机夹式可调深孔钻的设计要求13机夹式可调深孔钻的设计要点13钻齿的排布13中间齿超前量（）的确定14刀齿覆盖量的确定14各齿工作宽度的确定15钻头体外径的确定15外刃偏角和内刃偏角1的确定16中心齿几何参数的设计16导向条相对于外刃拐点的滞后量16微调装置的设计16排屑孔直径及喉部造型17排屑孔直径的确定17出屑口的造型17刀齿和导向条材料的选择17钻头柄部的设计18对钻头柄部设计的基本要求18钻柄的结构设计19钻柄和钻杆的尺寸参数互相对应19切削用量的选择20机夹式可调镗铰刀的设计21机夹式可调镗铰刀的设计要求21机夹式可调镗铰刀的特点21导向条及防振垫条布的排22微调装置的设计23钻头体外径的确定24刀片和导向条及防振垫条材料的选择24钻头柄部的设计24钻头柄部设计的基本要求24钻柄的结构设计25钻柄和钻杆的尺寸参数互相对应26切削用量的选择26矩形螺纹旋风铣刀的设计27刀片的选择27刀片材料的选择27刀片尺寸及外形28铣刀刀体的确定28矩形螺纹成形车刀的设计30刀片的选择30刀片材料的选择30刀片形状的选择30刀片精度等级的选择30刀片基本尺寸的确定31矩形螺纹成形车刀刀杆的选择31刀杆材料的选择31刀杆截面尺寸的确定31刀杆长度尺寸的选择32刀片夹固结构32选择车刀合理角度33选择切削用量34结论35参考文献36致谢38绪论课题研究的目的和意义飞机发动机主轴深孔加工技术以其高难度、高成本和神秘性而闻名于制造业。二战结束前的几个世纪中，深孔加工技术的发展和应用一直被局限于相对封闭的军工领域1。20世纪50年代，世界格局进入以和平和建设为主基调的时代，深孔加工技术随之脱颖而出，成为“军转民”技术的一朵奇葩，迅速被应用于能源采矿、航空航天、发动机制造、机床汽车制造、石化及轻重化工、纺织机械、冶金、仪器仪表等广泛的产业领域。欧、美、日等先进工艺国，早在20世纪50年代就纷纷开展了深孔加工技术的学术和应用研究，六七十年代形成专业化的深孔刀具和深孔机床装备制造体系，少数跨国公司迄今仍垄断着世界深孔加工装备市场，使深孔加工技术成为制造技术门类中成本最昂贵的技术之一2。我国机械工业技术基础不足，改革开放以来，飞机发动机主轴深孔加工的发展处于低谷。20世纪80年代后期经济进入快速发展阶段，对主轴深孔加工技术和先进深孔加工装备提出了广泛需求。但大多数企业无法承受进口装备昂贵的价格和深孔加工刀具的高售价和高使用成本，同时又没有自己的专业化深孔加工装备生产体系，飞机发动机主轴深孔加工技术和高性能价格比的深孔加工装备的短缺，将成为制约我国飞机发动机制造业高速发展的瓶颈之一3。阻碍深孔加工技术成为“大众化”制造技术的另一个深层次原因在于深孔加工技术研究工作的滞后。自20世纪30年代枪钻问世到40年代BTA钻推出，深孔加工刀具及其排屑技术在半个多世纪中鲜有突破性的发展。虽然枪钻和BTA钻各自有它们的固有缺陷，尽管为改进BTA钻而推出了双管喷吸钻和DF系统，但在实体深孔钻领域中至今仍然存在着“钻小深孔靠枪钻、钻大深孔靠BTA钻、用不起深孔钻就靠麻花钻”的现实。解决这一现状的关键之一就是加大在深孔钻方面的研究，加大在这一方面的投入。而我国切削加工水平低于国外的主要原因之一是刀具水平的落后3，因此，我们必须推出自己的原创性深孔加工技术，建立专业化、现代化的配套深孔加工装备产业，引进国外先进深孔加工装备设计生产体系并实现国产化，创建以先进技术武装的深孔零件制造行业，以满足广大中小企业开发新装备的迫切需求，以加快我们的现代化进程，这也就是我们研究深孔钻的目的和意义。深孔加工面临的难题在机械制造业中，一般将孔深超过孔径5倍的圆柱孔称为深孔。而孔深与孔径的比值称之为“长径比”或“深径比”。相对而言，长径比不大于5倍的圆柱孔，可称为“浅孔”。对于浅孔，一般用麻花钻来钻孔。麻花钻是一种形状较复杂的双刃孔加工刀具4，而深孔钻头都是单刃、端部切削的刃具。钻孔加工属于封闭式切削，造成孔加工技术的几大矛盾是连续自动排屑、自动冷却润滑和刀具自导向问题，在深孔钻削过程中显得更加尖锐5。主要是1）钻孔时不能直接观察刀具的切削情况，工作过程中只能凭听声音、看切屑、观仪表、摸振动等外观现象，来判断切削过程是否正常。2）孔的深径比大，钻杆细而长，刚性低，易振动，钻孔易走偏，因此，支撑导向极为重要5。3）切屑排除困难，必须要保证可靠的断屑。切屑的长短和形状要加以控制，如果切屑堵塞则会引起刀具损坏。由于排屑空间受到钻杆的限制，套料钻钻孔有料芯的干扰，排屑条件更为恶劣，因此需要强制排屑。这中间关键是排屑槽，因为它的形状主要影响所生成切削的形状、切削力和刀具性能6。4）切削热不易散出，工作条件恶劣，必须采用有效的冷却方式。这些都是深孔加工所面临的难题。国内外研究发展状况孔加工在金属切削加工中占有重要地位，一般约占机械加工量的1/3。其中钻孔约占2225，其余孔加工约占11137。我国1990年孔加工刀具的产量约占刀具产品总产量的7138，产值约占刀具产品总产值的4552。由于孔加工条件苛刻的缘故，孔加工刀具的技术发展要比车、铣类刀具迟缓一些，许多机械加工部门至今仍采用高速钢麻花钻。近些年来，随着中、小批量生产越来越要求生产的高效率、自动化以及加工中心的飞跃发展与普及，也促进了飞机发动机主轴深孔加工技术的发展。孔加工刀具的产值中，硬质合金产品的比例逐渐加大。从国外的情况看，在整个刀具行业中，硬质合金刀具的增长很快，这使得高速钢刀具在刃具中的比例逐步下降。美国硬质合金刀具的产值1972年占刀具总产值40，而1981年则增加到了452，日本硬质合金刀具在刀具总产值不包括金刚石刀具和CBN刀具中所占比例从72年408增加到了91年的644，联邦德国则从78年的231增加到了82年的444。美国ELDORADO公司对枪钻导向块的布置形式作了大量有成效的试验和研究，该公司认为，工具类型不同，其加工中扭矩特征亦随之变化，当枪钻的切削刃几何参数相同，进给量恒定时，其切削扭矩比较稳定，但随着导向块的结构形状和布置位置不同，其挤压扭矩也随之发生变化。该公司研制的枪钻，结构形式很多，尤其是钻头导向块布置形式与通常的标准型枪钻不同，以五种形状为主，分别适用于钻削钢和不锈钢、钻削有色金属和铸铁、用户机床条件较差、用户要求改善孔径精度和表面粗糙度等场合。ELDORADO公司的枪钻加工深孔的直线度可达0025/300MM，孔径偏差在0013之内，孔表面粗糙度均方根值可达01M。其生产的枪钻直径为14381MM11/2IN。而德国TBT公司的枪钻钻孔时的径向圆跳动当加工件旋转时可达到一米深的孔为0204MM，加工深孔的直线度可达002004/500MM，孔径偏差根据不同材料而有所不同，一般在IT6IT11之间,孔表面粗糙度RA值也可达01M。他们生产的枪钻直径为19535MM，并有6种柄部结构形式。同时，TBT公司还生产阶梯枪钻。瑞典SANDVIK公司生产的枪钻直径为19535MM，有12种柄部结构形式，孔径偏差为IT9，孔表面粗糙度RA值为0132M，孔深大于100D，加工深孔的直线度与TBT公司相同。瑞典SANDVIK公司还生产在一般工具磨床上重磨19530MM枪钻的专用装置。德国BOTEK公司生产的枪钻直径为18540MM，双头枪钻和阶梯枪钻直径为432MM，也生产在一般工具磨床上重磨18540MM枪钻的专用装置8。随着宇航、电子工业、轻工业及医疗器械的发展，促进了整体硬质合金小钻头的发展。微孔钻削常要求具备高达112104R/MIN的转速。为了提高钻头刚性，这种小钻头多采用韧性高、抗弯强度高的细颗粒的硬质合金材料制成。在结构上，小于1MM的钻头常制成粗柄的，而直径稍大些的，则制成短型整体硬质合金钻头。整体硬质合金小钻头使用时应注意消振、对中、排屑及冷却问题，一般应采用传感器进行监控。如美国麻省理工学院就研制了整体硬质合金小钻头的同位素监控方法9。日本东芝钨株式会社的小直径钻头分为UH0103MM、RH03165MM、COS16MM三种系列。苏联BHNN也研制了042MM的粗柄硬质合金钻头，比同种规格的高速钢钻头寿命提高100倍。试验说明，用088MM的直柄硬质合金钻头加工难加工材料和耐热合金材料，效果很好。飞机发动机主轴深孔加工技术迅速发展，是适应了生产高速度、高效率、高寿命以及高可靠性的要求。随着数控机床、加工中心的发展和生产的高效率化，这种趋势将更加明显。因此，花大力气发展硬质合金孔加工刀具的设计、制造能力成为许多工具制造商的一种决策选择。深孔钻分类深孔钻按排屑方式的不同，可分为外排屑和内排屑两种（图11）。其中，冷却液由空心钻杆中输入，经过切削区带着切屑由被加工零件的孔和钻杆外壁间排出的，称为外排屑式，而冷却液由被加工零件的孔和钻杆外壁之间输入，经过切削区带着切屑由空心钻杆的孔中排出，则称为内排屑式。两种排屑方式相比，应优先选用内排屑方式，内排屑方式中切屑不受导向键的阻碍，不易划伤已加工孔的表面，且排屑通畅，钻杆刚性高。对于深孔钻头而言，一般可分为以下几种（图12）1）外排屑深孔钻头10外排屑深孔钻头包括一个带有单独V形切削刃和一个冷却液孔的钻头部、一个单独沟槽的管形钻杆和按适应于某一个主轴槽孔或一个固定槽孔而设计的一个传动器。切削刃从孔的一侧切削通过中心，不象麻花钻头那样会留有受到钻心挤压的材料区域。外排屑深孔钻因最初主要用于军事工业中枪管、炮管的加工，因而得名。它主要用来加工直径范围在330MM，长径比超过100的深孔，加工孔的经济精度在IT8IT10级之间，加工表面的表面粗糙度RA3208。图11深孔刀具的排屑方式A）内排屑B）外排屑2）内排屑深孔钻头内排屑深孔钻头和常规的深孔钻头的不同处在于钻头的结构、切削液的引入和切屑排除的方式。但因为也是单一切削刃，支持承托的布局和常规深孔钻头相似，所以导向原理是一样的。这种刃具能按正圆形轨迹切削，而且钻头是沿着它自己的中心线前进的。内排屑深孔钻适于加工直径在20MM以上、长径比不大于100的深孔，加工精度IT7IT10级，加工表面的表面粗糙度RA3216。3）喷吸钻内排屑深孔钻存在着环形油液通道损失大的缺点，加工时需采用较高的压力和流速，为此，研制出来一种生产效率高、加工质量好的钻削技术喷吸钻。它是用于加工长径比不超过100、直径在1665MM的孔，精度在IT9IT11级，加工表面粗糙度在RD3208。喷吸钻采用两根同心钻杆，通过连接器将刀具连接到机床上。切削液流入外钻杆与内钻杆之间，大部分切削液总流量的三分之二流向切削区域，而小部分切削液总流量的三分之一高速从内钻杆尾部的月牙槽流出，造成钻杆尾部形成一个低压区，从而使切屑能迅速排出。（1）单刃外排屑深孔钻头（4）套料钻（2）内排屑深孔钻头（3）喷吸钻图12深孔钻头分类4）套料钻对于大直径的深孔，可采用套料钻钻孔。它用于在大型棒料上钻出120MM以上的深孔。套料钻刀具有单齿和多齿之分，标准套料钻刀具如上所述的全直径刀具一样，钻头上可分为切削部分和支撑部分。套料钻孔的特点是在切削时只切一个环形孔，所以所需的功率要求较小；刀尖处没有零切削速度。另外套孔留下的“料心”可用于其他小直径零件的生产。本课题要研究和解决的问题由于本课题工件材料为TC4，其切削加工性较差11。TC4导热性低，切屑与前刀面接触面积很小，至使切削温度很高，可达145钢的2倍化学活性大。钛合金在600摄氏度以上的温度时，与气体发生剧烈的化2学作用。吸收气体的钛层硬度显著提高。钛与氧、氮产生间隙固溶体，TIC、TIN等对刀具有强烈的磨损作用。TC4的塑性较低，特别是和周围气体发生化学反应后，硬度增高，脆性3变大，切削时剪切角增大，切屑与前刀面接触长度很小，使前刀面上的正应力很大，刀具容易发生破损。TC4的弹性模量低，弹性变形大，接近后刀面处工件表面的回弹量大。5所以已加工表面都与刀具的主、副后刀面接触面积特别大，摩擦也很严重。TC4具有比强度大、抗蚀性能好，热强性好等优点，但导热性差，化学活性大，刀具耐用度低，所以对其切削加工性的研究是非常必要的。钛合金的切削加工性钛合金按金属组织分为A相、B相、AB相，分别以TA，TB，TC表示其牌号和类型。钛合金相对一般合金钢具有以下优点1比强变高钛合金密度只有45G/CM3，比铁小得多，而其强度与普通碳钢相近。2机械性能好钛合金熔点为1660，比铁高，具有较高的热强度，可在550以下工作，同时在低温下通常显示出较好的韧性。3抗蚀性好在550以下钛合金表面易形成致密的氧化膜，故不容易被进一步氧化，对大气、海水、蒸汽以及一些酸、碱、盐介质均有较高的抗蚀能力。另一方面，钛合金的切削加工性比较差。主要原因为导热性差，致使切削温度很高，降低了刀具耐用度。1600以上温度时，表面形成氧化硬层，对刀具有强烈的磨损作用。2塑性低、硬度高，使剪切角增大，切屑与前刀面接触长度很小，前刀面上应力很大，刀刃易发生破损。3弹性模量低，弹性变形大，接近后刀面处工件表面回弹量大，所以已加工表面与后刀面的接触面积大，磨损严重。4钛合金切削过程中的这些特点使其加工变得十分困难，导致加工效率低，刀具消耗大。钛合金切削加工的普遍原则根据钛合金的性质和切削过程中的特点，加工时应考虑以下几个方面12尽可能使用硬质合金刀具，如钨钴类硬质合金与钛合金化学亲和力小、导热性好、强度也较高。低速下断续切削时可选用耐冲击的超细晶粒硬质合金，成形和复杂刀具可用高温性能好的高速钢。采用较小的前角和较大的后角以增大切屑与前刀面的接触长度，减小工件与后刀面的摩擦，刀尖采用圆弧过渡刃以提高强度，避免尖角烧损和崩刃。要保持刀刃锋利，以保证排屑流畅，避免粘屑崩刃。切削速度宜低，以免切削温度过高；进给量适中，过大易烧刀，过小则因刀刃在加工硬化层中工作而磨损过快；切削深度可较大，使刀尖在硬化层以下工作，有利于提高刀具耐用度。加工时须加冷却液充分冷却。切削钛合金时吃刀抗力较大，故工艺系统需保证有足够的刚度。由于钛合金易变形，所以切削夹紧力不能大，特别是在某些精加工工序时，必要时可使用一定的辅助支承。钛合金切削机理的研究（1）气体杂质的影响各种气体杂质对于钛合金的可切削性有很大影响，其中最显著的是氧、氢和氮；钛合金的可切削性随着气体在钛合金中的含量增加而恶化。钛元素的化学活泼性高，具有很强的亲和力，很容易与接触的杂质化合，钛在600以上能与大气中的氧起作用，超过650时，随温度的提高而作用增强。在表面出现氧化皮的同时，氧还向钛中扩散；在同素异构转变温度（8825）以上，氧在钛中扩散特别强烈，以至形成脆化层，且其脆化层厚度随时间的增加而增大，即产生所谓“组织化层”。这是钛被氧玷污而引起的额外硬化，钛中含氧量愈多，硬化愈甚。氢在钛中随温度的增加而出现的氧化能力，其扩散极其强烈，并形成间隙固溶体，产生氢脆性。在室温下氮对钛没有影响，高温时氮与钛强烈化合，形成硬而脆的氮化钛（TIN）。可以看出，在钛合金中，气体杂质氧、氢、氮都可使钛合金脆化，这些杂质还具有磨料性质，在加工钛合金时能加速刀具的磨损；在锻压和冲压后还可形成比原来材料硬度高得多的硬皮和氧化皮。所有这些，在很大程度上恶化了钛及钛合金的可切削性14。（2）材料性能的影响从可切削性的观点出发，钛的各种物理机械性能是很不利于切削的组合，因为每一种性能的存在都加重了另一种性能所引起的切削困难。钛合金塑性小，因而极其显著地影响其切削时的塑性变形。如果用切屑的收缩表示被切削层的变形，则钛合金切屑的收缩系数等于1（甚至小于1），而普通碳钢切屑的收缩系数约等于3，钛合金较小的值使切屑经主切削刃切离后，立即向上翻卷，使切屑与刀具前刀面间仅有一极小的接触面积（约为钢材的1/3），从而使作用在车刀接触面积上的压力和局部温度增高；由于钛合金有很高的强度极限，故造成接触面积上受到的压力和局部温度更高；再加上钛合金的热导率很低（仅为铁的1/5、铝的1/10，TC8热导率7955W/MK），极大地限制了刀尖的冷却条件；此外，高度活泼的金属钛还容易和刀具化合产生焊接和粘剥。由于上述性能的综合，在同样的切削用量下，加工钛合金时刀具单位面积所承受的切削力要比加工一般钢材时大得多，切削温度也高得多，因此使刀具磨损很快，材料的可切削性恶化。（3）含碳量的影响钛合金的可切削性与含碳量有关。当含碳量大于020时，合金中会形成硬的碳化物，使可切削性下降；而含碳量小于020时，可切削性得到改善。4）加工硬化的影响加工硬化被认为是钛合金加工困难的原因之一。为了确定它的影响程度，我们进行了试验，结果表明在任何加工情况下，钛的加工硬化程度都远小于不锈钢，也小于其它种类容易硬化的钢。钛合金严重的硬化是在切削加工中所产生的局部高温使钛很容易吸收大气中的氧和氮形成又硬又脆的外皮而造成的。在正常切削条件下，其硬化深度为01015MM，硬化程度为2030。钛合金相对可切削性切削条件的研究刀具材料加工钛合金时，不宜使用YT类硬质合金刀片。因为YT类硬质合金刀片中含有钛，它会与被加工的钛合金发生亲和作用，粘掉刀尖。车削钛合金时，车刀与切屑的接触远比加工钢时小得多，作用在车刀接触面积上的单位切削刀较大，由于YT类硬质合金刀片较脆，因此容易崩刃。一般生产中采用YG类刀片加工钛合金，尽管其耐磨性较差。通常在粗车和断续车削时采用YG8刀片，精车和连续车削时用YG3刀片，一般加工则用YG6X刀片。实践证明，含钽的硬质合金YA6（属于细颗粒钨钴类硬质合金）效果较好，由于加入了少量的稀有元素，提高了刀片耐磨性，代替了原有的YG6X，其抗弯强度、硬度也都比YG6X高。在低速切削或切削复杂型面时，可采用高钒高速钢（W12CR4V4MO）和高钴高速钢（W2MO9CR4VCO8）刀具，它们是加工钛合金最好的刀具材料，但因钴资源少且价格昂贵，因此应尽可能少用，以保护稀有资源并降低成本15。刀具几何角度切削钛合金时，车刀后角0是所有刀具参数中最敏感的，因为切削层下的金属弹性恢复大和加工硬度大，一般采用大后角可使刃口易于切入金属层，减小后刀面的磨损，但后角过小（小于15）会出现金属的粘附现象；而后角过大，刀具将被削弱，刀刃容易崩碎。因此，大多数切削钛合金的车刀采用15后角。从刀具耐用度来看，0小于或大于15，都会降低车刀的耐用度。此外，0为15的车刀刀刃比较锋利，并可降低切削温度。由于钛合金在切削过程中，会与空气中的氧、氢、氮等形成硬脆化合物，造成刀具磨损（主要发生在车刀前刀面上），因此应采用小值前角；此外，钛合金的塑性低，切屑与前刀面的接触面积小，为此也应选用小值前角，这样做可增加切屑与前刀面的接触面积，使切削热和切削压力不至于过分集中于刃口附近，既有利于散热，又加强刃口，避免因切削力集中而产生崩刃。因此，用硬质合金刀具加工（）钛合金时，取前角05左右并磨出倒棱F（宽度为00501MM），F010，刀尖磨成R05MM小值圆弧，刃倾角3。但是研究工作表明，车刀前角在2830范围内时刀具的耐用度最好；刀尖圆弧半径增大也可以减少刀具的崩落现象。一般车削钛合金外圆车刀的几何参数倒棱F0307MM，F0，0810，015，R05MM，0，R45，R15。机夹式可调深孔钻的设计机夹式可调深孔钻的设计要求工件材料TC4硬度3540HRC数量1500件/年主要尺寸及技术要求见下图微调装置的设计为实现深孔钻径向可调，设计如图所示微调装置。其基本工作原理为用紧固螺钉1将刀片固定在刀片座4上，紧固螺钉3将刀片座4固定在刀体上，微调螺钉2安装在刀片座上。当刀片需要做调整时，先拧松紧固螺钉3，再调整微调螺钉，使刀片座能绕紧固螺钉3转动，从而能使刀片实现径向可调。图机夹可调深孔钻1紧固螺钉2微调螺钉3紧固螺钉4刀片座排屑孔直径及喉部造型机夹式可调镗铰刀的设计1机夹式可调镗铰刀的设计要求工件材料TC4硬度3540HRC数量1500件/年主要尺寸及技术要求见下图锥度120锥度120图某飞机发动机主轴该飞机发动机主轴孔深1000M，孔径48MM，其长径比为2083。按深孔直径大小属于特大深孔（200MM以上）。我要设计的机夹式可调镗铰刀是对该飞机发动机主轴的深孔46进行加工扩大到48。孔粗糙度RA为08。矩形螺纹旋风铣刀的设计矩形螺纹旋风铣刀应用于矩形螺纹的粗加工。螺纹形状如下图51图51飞机发动机主轴矩形螺纹旋风铣削螺纹的实质就是用硬质合金刀具高速铣削螺纹。加工时工件由主轴带动慢速转动，旋风铣刀安装在车床横刀架上，由电动机经传送带驱动，做高速切削运动，同时大溜板纵向进给。工件转一转，旋风铣刀纵向进给量等于工件的一个导程。旋风铣刀粗铣矩形螺纹，由于铣削较其他加工方法较快，因此可以提高生产效率。刀片的选择511刀片材料的选择加工TC4时，宜采用偏小前角R0010以提高切削刃的强度，与偏低的切削速度V3050M/MIN。切削深度和进给量均宜适当增大，避免切削刃和刀尖划过硬化层，对切削液应采用极压切削油或极压乳化液，同时采用喷雾冷却办法，以降低切削温度。但是，根据机械加工工艺手册，硬质合金YG643M具有较高的高温硬度、高温韧性，通用性好，优于YG6X、YA6及YW2，适用于加工钛合金。512刀片尺寸及外形由于本设计旋风铣刀，铣削宽度为45，如图52图52旋风铣刀刀片尺寸铣刀刀体的确定根据最大铣削深度选择山特维克标准刀体R/L22152236S52MM,外径D100，齿数8个，具体尺寸见图53。铣刀附属零件根据刀体而选用，均选用标准件。其中刀片座、挤压块可选用与刀体和刀片相配套的零件，双头螺钉、弹簧、十字槽头螺钉和定位销根据机械设计手册选用标准件。锥度120锥度120矩形螺纹成形