（机械制造及其自动化专业论文）大孔径无氧铜深孔套料工艺研究.pdf

中文摘要 论文题目：大孔径无氧铜深孔套料工艺研究 专 业：机械制造及其自动化2 刁虏 硕士生：廖结安( 签名) 竺f 分釜 指导教师：刘战锋( 签名) 一，4 亟徵 摘要 随着科学技术的发展，深孔加工技术被广泛地应用于机械加工领域。深孔加工技术 不仅是对加工精度的要求越来越高，加工材料的范围也越来越广，而且对一些难加工材 料的加工需求更是非常迫切。大孔径无氧铜腔体零件是一种孔径大、孔的直线度和位置 精度要求较高的零件，它需保留完整的心部余料，属于难加工材料。深孔套料在加工大 孔径无氧铜腔体零件方面有很大的优势，因此展开对大孔径无氧铜深孔套料工艺的研究 有很大的社会和经济的意义。 本课题是以大孔径无氧铜腔体零件深孔套料加工为主要研究对象，以实现零件加工 和提高零件加工效率为主要目的，对无氧铜材料的物理化学特性、机械切削特性进行有 效的分析；并对深孔套料刀进行受力分析，建立力学模型；针对大孔径无氧铜腔体零件 结构设计了大孔径无氧铜深孔套料工艺：根据无氧铜材料特性、刀具力学研究和工艺需 求，设计加工中所需结构合理、材料合适的刀具，并通过试验来证明该工艺的可行性， 并应用于大孔径无氧铜深孔加工的实际生产中。 关键词：无氧铜；深孔加工；工艺 论文类型：应用技术研究 n 英文摘要 s u b j e c t ：t h er e s e a r c ho fl a r g ed i a m e t e ro x y g e nf r e ec o p p e rd e e ph o l en e s t i n g t e c h n o l o g y s p e c i a l i t y ： m a c h i n eb u i l d i n ga n da u t o m a t i o n n a m e ：l i a oj i e a n ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：l i uz h a n f e n g ( s i g n a a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，d e e p h o l ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi s w i d e l yu s e di nt h ef i e l do fm e c h a n i c a lp r o c e s s i n g d e e p h o l ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi sn o t o n l yi n c r e a s i n g l yd e m a n df o rt h ea c c u r a c yo fp r o c e s s i n ga n dt h em a t e r i a l sp r o c e s s i n gh a s b e c o m ei n c r e a s i n g l yb r o a ds c o p e ，b u ta l s om o r eu r g e n tn e e dan u m b e ro fd i f f i c u l t t o - m a c h i n e m a t e r i a l s l a r g ea p e r t u r ep a r t sc o p p e rc a v i t yi sal a r g ea p e r t u r e ，r e q u i r eh i g hp r e c i s i o no ft h e l i n e a r i t yo fa p e r t u r ea n dl o c a t i o n i tn e e dt os a v er e m a i n i n gc o r em a t e r i a lc o m p l e t e l ya n di s d i f f i c u l tt op r o c e s sm a t e r i a l s d e e p - h o l ep r o c e s s i n gh a st h ev e r yb i gs u p e f i o d t yi nt h ep r o c e s so f o x y g e n f r e ec o p p e rc a v i t ya p e r t u r e ，s oi th a sg r e a ts o c i a la n de c o n o m i cs i g n i f i c a n c et os t a r tt h e r e s e a r c ho fl a r g ed i a m e t e ro x y g e n - f r e ec o p p e rd e e p - h o l ep r o c e s s i n g t h em a i nr e s e a r c ho b j e c t i v eo ft h i si s s u ei sl a r g ed i a m e t e ro x y g e n f r e ec o p p e rd e e p - h o l e p r o c e s s i n ga n dt h em a i ng o a li st or e a l i z ep a r tp r o c e s s i n ga n di m p r o v ep r o c e s s i n ge f f i c i e n c y i t a n a l y z eo x y g e n f r e ec o p p e rm a t e r i a lp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e sa n dm e c h a n i c a lc u t t i n g c h a r a c t e r i s t i c se f f e c t i v e l y ；c a r r yo u ts t r e s sa n a l y s i so fd e e p - h o l ep r o c e s s i n gt o o la n de s t a b l i s h m e c h a n i c a lm o d e l ；d e s i g nl a r g ed i a m e t e ro x y g e n f r e ec o p p e rd e e p - - h o l ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y f o rl a r g ea p e r t u r ep a r t sc o p p e rc a v i t y ；a c c o r d i n gt oo x y g e n f r e ec o p p e rm a t e r i a l sc h a r a c t e r i s t i c ，t o o l m e c h a n i c sr e s e a r c ha n dt e c h n o l o g yn e e d s ，t h i sp a p e rd e s i g nt h et o o lw h i c hh a sr e a s o n a b l e s t r u c t u r ea n ds u i t a b l em a t e r i a l ，a n dt h r o u g ht r i a lt op r o v et h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o c e s s ，a n di ti s a p p l i e dt ot h ep r a c t i c ep r o d u c t i o no fl a r g ed i a m e t e ro x y g e n f r e ec o p p e r k e y w o r d s ：o x y g e n - f r e ec o p p e r ；d e e ph o l ep r o c e s s i n g ；e r a f t w o r k t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y i i i 主要符号表 主要符号表 ，r 工件旋转速度，r m i n 卜进给量，m m r 旷切削液流量，l m i n _ 切削液压力，m p a e 切向切削力分量，n r 径向切削力分量，n r 一轴向切削力分量，n l 导向块1 上的正压力，n m 导向块2 上的正压力，n 3 导向块3 上的正压力，n 凡导向块1 上的周向摩擦力，n r 导向块2 上的周向摩擦力，n 导向块3 上的周向摩擦力，n 风l 导向块l 上的轴向摩擦力，n 导向块2 上的轴向摩擦力，n 导向块3 上的轴向摩擦力，n 钻杆对钻头支承力矩，n m i l l 萨叫头直径，m i l l 西导向块l 位置角，度 卜导向块2 位置角，度 西导向块3 位置角，度 尼切向切削力分量，n a 。切削面积，m m 2 印背吃刀量，m i l l m 切削厚度，i i u i l a w 切削宽度，i l l m v l 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名： 、 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 兰 _ 牡芈 期 期 日 日 、丝彳 彩口一 z 盥呼 写斗盔4 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的目的及意义 机械加工工艺中的深孔，通常是指深孔的长度大于直径五倍以上的孔。深孑l 加工技 术最初是在国防军工生产部门运用，用来加工枪管和炮管。随着技术的进步和工业的发 展，深孔加工技术应用越来越广泛，几乎所有机器制造部门都会应用，如石油化工机械、 航空工业、造船、冶金、发电设备、橡胶机械、木材加工设备等制造部门都应用，因此 深孑l ；b n 工技术成为普遍采用的一种工艺方法。孔加工是机械加工中所占比例较大的一种 重要的加工方法，约占整个加工工作量的1 4 ，而深孔加工又在孔加工中占有很大的比例， 所以深孔加工问题能否解决好，将会直接影响机器产品的生产进度和产品质量。特别是 在重型机器制造业中，能否掌握它，并运用自如，将会对生产有着决定性的影响，也影 响到机器产品的质量【。 深孔加工技术及其装备有很高的技术附加值，目前还缺少专门化的生产企业。该项 技术及产品目前在许多企业中都属于“瓶颈”问题，如果该项技术能够得到有效的推广和 应用，必将大大提高我国复杂加工及制造业的技术水平，产生极大的社会和经济效益， 并且由于该项技术在全国具有无可匹敌的技术优势，市场前景非常乐观。 目前国内机械工业产品多品种、小批量、大直径的生产比重日益增加，如何进一步 提高劳动生产率、降低生产成本成为深孔加工技术研究的中心课题。在一些企业中，当 需要加工内孔直径大于6 0 m m 的深孔时，往往采用套料钻孔方法。深孔套料加工是一种 省料、省能源、高效的深孔加工工艺方法，生产率比钻头高出几十倍。对于大直径贵重 材料深孔加工更具有极大的经济效益【2 】。 党的“十六大”提出全面建设小康社会的宏伟目标，到2 0 2 0 年国内生产总值将比2 0 0 0 年翻两番。为满足经济和社会发展对能源电力的需求，到2 0 2 0 年全国电力装机总容量要 达到l o 亿千瓦左右。这对加快电力建设、增加电力供给提出了更高要求。核电作为一种 清洁能源技术已经成熟，安全可靠性得到了实践验证，供应能力较强，已成为国家能源 电力战略的重要组成部分。加快核电发展，发挥核电在电力供应中的更大作用，是我国 电力发展的必然选择，是满足经济和社会发展的重要保障。原子核反应堆性能的是否优 越是决定一个国家核电能力的重要标志。 本课题研究材料为原子核反应堆重要部件，因其作用属于保密，所以这里不做介绍。 西部超导材料科技有限公司和中国原子能科学研究院西航天鼎核电公司需求加工大孔径 无氧铜腔体部件，委托西安石油大学深孔加工技术研究所对其进行加工研究。针对西部 超导材料科技有限公司和中国原子能科学研究院西航天鼎核电公司需求，展开对大孔径 无氧铜深孔套料工艺研究。 1 2 国内外现状 西安石油大学硕士学位论文 1 2 1 深孔钻削技术的国内外发展现状 深孔加工的发展可以分为如下四个阶段【2 j ：第一阶段在1 9 世纪末2 0 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，带走切屑和热量，并在钻 头外径上加导向块，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 枪管的需要量猛增，使这项技术得到了快速发展。第二阶段，1 9 4 2 年德国的b e i s h e r 发 明了内排屑深孔钻，后来国际孔加工协会( b o r i n g a n dt r e p a n i n ga s s o c i a t i o n ) 加以完善， 形成了b t a 加工方式，其所用的钻头简称为b t a 钻。b t a 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，1 9 6 3 年瑞典s a n d v i k 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，对应该系统所用的钻头称为喷吸钻。第四阶 段，在7 0 年代，日本冶金股份公司发明了d f ( d o u b l ef e e d e r ) 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。d f 系统是传统深孔钻的最好方式，该系统所用的钻头称为 d f 钻。 时至今日，国内外学者已经对深孔加工刀具结构、断屑方式、刀具材料冷却方式等做 了大量的研究。在国外，瑞典s a n d v i k 公司、德国r s t o c k 公司、美国s o n o b o n d 公司在深 孔加工刀具领域取得了显著的成果，处于世界领先水平。在深孔钻削力测量技术方面，处 于国际领先地位的德国d o r t r u d 大学致力于发展带有测力元件的测量钻头，用这种测量钻 头能直接测量切削分量，但这种方法还处于实验室试验阶段，而且价格昂贵，设计制造周 期较长。 在国内，江西量刃具厂、成都工具研究所、华北工学院、西安理工大学、西安石油 大学、北京科技大学、大连理工学院等单位在深孔加工技术研究方面处于领先水平。北 京科技大学机械工程学院对深孔钻削状态的监测，采用了多尺度的分析方法，利用小波 变换对深孔钻削振动加速度信号进行了功率谱分析，并取得了一定的成果。大连理工学 院应用有限元法对测力轴承的结构进行校验和分析，找出最优结构，对深孔钻削加工监 测进行了研究。广西工学院研制出一种用于数控机床的高效深孔钻【h 】，解决了在数控机 床上加工小直径深孔( 9 2 0 ，5 i d 3 2 ) 的问题，这种深孔钻的前角为0 - - , 2 0 ，后角为1 2 0 ， 顶角为1 2 0 0 ，排屑槽呈1 2 0 0 v 型。西安石油大学深孔加工技术研究所研究设计了多尖齿 内折线刃深孔钻【3 l 【眩1 ，它是在普通内排屑深孔钻头的基础上，对钻头的结构和刃型做了 有效的改进。钻头包含中心齿、外齿、中间平齿( 各一个) 和两个中间尖齿，各齿不在 同一个圆锥面上。中间尖齿的锥面在轴线方向上高出中心齿和外齿的锥面( 0 5 1 ) 万 可实现完全分屑。由于中间齿为尖齿型可起到钻削定心和稳定钻削的作用。除外齿外缘 一侧为尖角，其余刀齿都进行了倒角，同时带有6 1 2 0 的侧后角，消除尖角、增大散热 面积和刀齿强度，提高刀具耐用度。增大了偏心量，并在中心齿的内刃上磨出两条折线 2 第一章绪论 型内刃，有效降低钻尖高度，使出钻和入钻时间缩短。增大断屑台的宽度及圆角半径， 改善断屑效果。在刀体后端增加一减振块，防止钻头产生振动。增大内刃余偏角，使之 有利于定心和稳定钻削及径向力的平衡。这种深孔钻的切削力小，定心效果好，切削平 稳，在深孔钻削中取得了较好的效果。 1 2 2 无氧铜材料国内外应用现状 真空电子器件材料是真空电子器件技术发展的物质基础。真空电子器件的技术指标 是否先进，产品的质量能否得到保证，除设计、制造工艺外，材料的性能也是一个重要 因素，而且往往是决定性因素，因而真空电子器件材料的重要性可见一斑。真空电子器 件材料具有门类多、品种杂、技术高、用量少、投资大、效益低的特点，加之军用真空 电子器件是一种战略性物资，一直受到美国及其西方盟友的禁运，相关的材料也受到牵 连【1 6 】。无氧铜具有高导电、高导热、弹性好、耐腐蚀、无磁性、氢渗透率小，以及易于 机械加工和成本低等特点，因而多年来被广泛应用于真空电子器件中。例如：行波管管 壳和螺旋线、环杆慢波线、调速管的腔体、漂移管和调谐杆、磁控管的阳极块、真空开 关管的触头和电力电子器件的接触块等。值得指出的是在陶瓷金属领域中，俄罗斯大量 采用铜结构，取得良好的结果。 在电子、电气方面，由于无氧铜材料特性优越，在电子、电气工业中也被多方面使 用。在电子方面的应用如：同轴电缆、计算机用线、电子管元件、阳极、散热片、联结 件，玻璃和金属的密封件、二极管用的散热器、整流管和其他元件。在电气方面的应用 如：电机和发电机绕组和集流环、汇流排、冷激零件例如联结器的销、电气冲压制品、 闪光灯泡引出线、软分流器、检波器、开关和接触器、变压器线圈绕组等【1 4 】【1 5 】。所以 对无氧铜材料深孔套料加工研究有重要政治、社会及经济意义。 1 2 3 深孔套料加工国内外研究现状 深孔套料加工是深孔加工技术的一个主要分支，关键技术是研究深孔套料钻。套料 钻又称环孔钻，以环形切削方式在实体材料上加工孔的钻头。套料加工能留下料芯，可 以节约材料，减少机床的动力消耗。当需要从材料中心取出试样作性能检验时，套料钻 是别种刀具所不能代替的。套料钻通常用于加工直径6 0 毫米以上的孔，套料深度可达十 几米。套料钻有外排屑和内排屑两种【2 j 。 据资料【2 】外排屑套料钻的主要优点是不需要专用的授油器，所需的切削液系统的设 备简单，相同孔径下，外排屑套料钻的排屑空间大于内排屑的，但钻杆直径较小，因而 强度和刚度较差，多用于单件小批生产。内排屑套料钻截面面积大，刚性好，冷却液可 润滑和保护导向块，切屑不划伤孔壁面，还可较好的抑制钻杆振动，小的间隙可加速排 屑效果，因此需要配备较为复杂的供液系统和解决密封问题，但生产率高，适用于批量 生产。 西安石油大学硕士学位论文 深孔套料中要解决的主要问题之一是切屑的控制，资料【l9 】显示，可以采用以下分屑 方式来分屑，有按切削深度分层切削法、不对称分屑槽法、刀尖撕裂式分屑法以及轴向 阶梯型分屑法，利用这些方法，可以有效的将切屑分成窄条，有利于断屑。 套料钻最主要的难题还是刀头的结构，刀头可有一个或多个高速钢或硬质合金刀头， 随着深孔加工技术的进步，高速钢已经逐渐被硬质合金钻所代替，一般外排屑采用多刀 头，内排屑采用单刀头式【2 0 1 ，刀体上装有导向块，以防止切削时振动和减小孔的偏斜。 导向块用硬质合金、胶木或尼龙等耐磨材料制造。刀体与管状钻杆可用焊接或特殊方牙 螺纹联接。 为了保证排屑畅通、降低切削负荷，套料钻各个刀头的刀刃被设计成不同的形状， 使切屑分得较窄，同时在各个刀齿的前刀面上磨有断屑台，使切屑碎断。对大直径的盲 孔套料时，需要用专门的切断装置，使料芯与本体分离。 金刚石套料钻根据制作工艺不同，分为电镀金刚石刀具、钎焊金刚石刀具和热压烧 结金刚石刀具三种，电镀金刚石钻虽然普遍应用，但是电镀对环境污染大，而且进行刀 具磨削时很容易因切屑的粘附而失效【2 1 l ；钻头的性能参数是影响加工效率和加工成本的 主要因素之。据资料【2 2 】【1 8 i 知，热压烧结金刚石的加工品质好于电镀和钎焊刀具。国内南 京理工大学设计的烧结金刚石套料钻的结构由刀杆和钻头两部分组成，刀杆材料为4 5 钢，金刚石烧结体钻头焊接其上，为方便取套料，在刀体侧面上开长孔。为了利于冷却 和排屑，提高加工效率和延长刀具使用寿命，可在钻头端面开水口，并将连续工作面改 为间断工作面。据资料【2 2 】显示，依据前苏联a b 霍达柯芙对切入磨削的试验表明，采用 间断工作表面的砂轮，磨削温升比普通砂轮低8 2 7 ，且水口越多温升越低。还有南 京航空航天大学研制的用于切削先进工程陶瓷等硬脆性材料的电沉积金刚石套料钻1 1 7 】， 采用韧性好并且抗冲击脆性破损能力强的镍铁合金作为结合剂，可以达到更长的使用寿 命和高的加工效率，并且成本比镍钴合金少1 2 3 l 。 t m a x 钻削头是瑞典s a n d v i k 公司制作的钻头牌号，此类钻头带有可转位刀片，用 于加工直径6 5 m m 以上的孔，既适合于喷射钻又适合于单管系统。但是t - m a x 的套料钻只 能在单管系统上使用，钻削头主体由韧性较高的钢制成，带有较大沟槽用以有效排屑。 主体带有方形外螺纹，可用来固定在钻管上，用不同的刀片座组合起来可以加工不同的 孔径和切削深度。刀片类型不同，断屑方式也不同，有的用可拆卸断屑台，有的用烧结 在刀片上的断屑台，t m a x 套料钻削头一般加工直径1 2 0 m m 以上的大孔，采用内排屑方 式，径向多刃错齿分屑形式【2 4 】。 德国b o t e k 公司采用的是b t a 深孔套料钻，该套料钻采用的内排屑的方式，由一个 切削刃组成的刀头，其加工出来的表面精度和粗糙度都很高【2 5 】。b t a 刀具是一种国际上 广泛使用的先进刀具，b t a ( b o r i n gt r e p a n n i n ga s s o c i a t i o n 国际钻镗套料加工协会) 深 孔套料技术的先进性体现在刀具结构上。据资料【2 6 】知，经过切削力分析并设计合理的导 向键位置，对加工孔的精度，直线度和刀具稳定都有重要的影响，而且改善了以往加工 4 第一章绪论 孔易偏斜的问题，提高了生产率。 西安石油大学深孔研究所已将单齿和多齿焊接式套料钻应用于生产，采用内排屑方 式，成功的进行了钛合金材料的深孔套料加工，并取得了良好的经济效益。第二重型机 械厂，也是利用多齿套料钻头，四齿刃分布四周固定，进行了长径比为3 0 1 0 0 深孔套料 加工。 1 2 4 大孔径无氧铜深孔套料加工国内外现状 无氧铜与纯铜很相似，属于贵重金属，其切削加工性比较差，与4 5 钢相比，其切削 加工性只有4 5 钢的6 5 ，因此属于难加工材料。其难加工的主要标志是：塑性比较大， 相变温度低，切屑在切削温度下容易软化，采用常规增加切屑附加变形的方法不能稳定 断屑等。然而国内外对无氧铜这种金属的在外圆车削切削加工的研究比较多一点，对于 其孔加工方面的研究却较少，而深孔套料加工方面几乎为零。 1 3 本课题研究来源及主要研究内容 1 3 1 课题来源 本课题是西部超导材料科技有限公司、中国原子能科学研究院西航天鼎核电公司和 西安石油大学深孔加工技术研究所共同研究项目。西安石油大学深孔加工技术研究所多 年来一直从事深孔加工技术方面的研究和开发，在深孔加工刀具和加工工艺方面的研究 有很高的水平，达到国内先进水平。为了进一步完善深孔加工技术的研究领域和完成西 部超导材料科技有限公司及中国原子能科学研究院西航天鼎核电公司科研合作项目。设 立了大孔径无氧铜深孔套料工艺研究作为研究生课题。以解决大孔径无氧铜的深孔套料 工艺问题。 1 3 2 主要研究内容 本课题的主要研究内容为： ( 1 ) 研究和分析无氧铜( t u l ) 机械加工特性、深孔钻削性能，获得该材料深孔钻 削( 套料) 性能数据。 ( 2 ) 建立深孔钻削( 套料) 力学模型，并通过力学模型推导套料钻受力的计算公式， 为进行刀具设计提供理论依据。 ( 3 ) 通过对材料机械加工性能研究和分析，确定适合无氧铜( t u l ) 深孔钻削( 套 料) 的刀片材料。 ( 4 ) 进行刀具几何参数选择及刀具结构优化研究，设计适合无氧铜( t u l ) 深孔钻 削( 套料) 的刀具。 ( 5 ) 进行无氧铜( t u l ) 深孔钻削( 套料) 试验研究，确定合理切削用量。 西安石油大学硕上学位论文 1 4 创新点 ( 1 ) 采用理论建模和试验的方法，研究了无氧铜( t u i ) 钻削( 套料) 加工性能， 为无氧铜( t u l ) 深孔钻削( 套料) 刀具的合理设计提供理论依据。 ( 2 ) 确定了无氧铜( t u l ) 深孔钻削( 套料) 刀具合理的结构、刀片材料、几何参 数和切削用量。提高了无氧铜( t u l ) 深孔钻削( 套料) 切削效率。 6 第二章深孔套料加工概述 第二章深孔套料加工概述 深孔钻削( 套料) 的加工方式、运动形式、套料钻的类型和对套料钻的受力是深孔 套料加工影响加工效果中各种不稳定因素的渊源，本章就这几个方面进行了研究，以便 为大孔径无氧铜深孔套料加工的研究打下基础。 2 1 深孔套料加工的应用范围 深孔套料加工是深孔加工方法中的一种加工方法。套料钻又叫环孔钻，是一中省料、 省能源、高效、优质的深孔加工刀具，生产率比其他钻头高出十几倍。套料钻主要适用 于以下几种情况： ( 1 ) 对孔的直线性和位置精度有较高的要求，且孔径超过6 0 r a m 的孔； ( 2 ) 深径比为1 7 5 之间的深孔套料比较经济；工件材料价格昂贵或需保留完整的 心部余料； ( 3 ) 机床功率不足，而需钻直径较大的孔； ( 4 ) 无氧铜腔体零件就是一种孔径大，材料价格比较昂贵，而且要保留芯料需要进 行孔加工零件【2 】。 无氧铜腔体零件是一种材料价格贵、加工孔径大、而且需要保留芯料的深孔零件， 所以选择深孔套料加工方法。 2 2 深孔套料钻的分类 深孔套料钻从排屑方式上分为内排屑和外排屑【2 】，从结构上可以分为单齿套料钻和 多齿套料钻。 2 2 1 按排屑方式分类 a 内排屑套料钻内排屑套料钻冷却液通过受油器由钻杆外壁与工件孔壁间的 空隙( 进油间隙) 流向套料钻头部，冷却切削刃，然后带着切屑经套料钻排屑口沿钻杆 内壁与被套出的工件心轴外壁空间的空隙排出。 b 外排屑套料钻冷却液是由钻杆内壁与被套出工件的心轴外壁之间的空隙流 向套料钻头部冷却切削刃，然后带着切屑由工件内孔壁与钻杆外壁的空隙排出。 由于排屑方式的不同，内排屑套料钻和外排屑套料钻都有各自己的优点。 ( 1 ) 内排屑套料钻钻杆截面积较外排屑方式大，刚性好。但是，外排屑套料钻和内 排屑套料钻相比不需要专用的授油器，简化了加工系统。 ( 2 ) 内排屑套料钻冷却液可润滑和保护导向块，切屑不会划伤孔壁表面，可获得较 好的尺寸精度和较低的表面粗糙度值，冷却液可较好地拟制钻杆的震动。同时由于套料 钻排屑口的流液间隙变小，使冷却液流速加快，加速了切屑的流动，增强了排屑效果。 ( 3 ) 相同孔径的套料钻屑，外排屑套料钻的排屑面积大于内排屑套料钻，且外排屑 7 西安石油大学硕士学位论文 通道截面形状不受芯料的影响。 ( 4 ) 对于大直径，大长径比的套料加工，采用外排屑方式较为合理；当切出的芯料 太重而下垂，会对产生刀具压力，造成崩刃，外排屑钻可以设置后导向块及中心托柱。 2 2 2 按结构分类 深孔套料钻的结构按齿数分类可以分为单齿和多齿。 ( 1 ) 单齿套料钻广泛地用于加工孔径在6 0 m m 以上的深孔，一般切削刃宽度为1 9 m m 时加工效果比较理想。单齿套料钻也分内排屑和外排屑两种。 ( 2 ) 多齿套料钻，其齿数的选择主要根据孔的直径，并考虑刀体的强度、排屑和冷 却液的空间。 多齿套料钻和单齿套料钻相比具有合理选用刀片材料、径向力小、刀片焊接应力小、 节省刀片材料等优点，因此在进行较大直径的套料加工时，均采用多齿套料钻。 2 3 深孔套料运动形式 深孔套料加工【2 0 1 通常是可以采用三种不同的运动形式来进行加工，每种都有其优 点。 ( 1 ) 工件旋转，刀具作反相旋转和进给运动，这运动形式加工出来的孔的直线精度 最好，切削速度较高，可用较大的进给量，适合于长度与孔径之比很大的零件从两端套 料，特别适用于硬质合金内排屑单刃套料钻的套料加工。 ( 2 ) 工件旋转，刀具只作进给运动，这种加工运动形式加工出来的孔的直线性精度 较好，适合于长径比l d _ 6 0 的零件。 ( 3 ) 工件固定，刀具作旋转和进给运动，这种形式比较特殊，仅适合于工件重量接 近或超过机床的承载能力，或者对深孔直线精度没有严格要求的零件。 2 4 深孔套料钻力学特性分析 2 4 1 深孔套料钻力学特性分析的意义 研究深孔套料加工的目的是为了提高深孔套料的质量和经济性。深孔套料加工的质 量首先是孔的位置和宏观、微观几何状态，即它的尺寸、形状和表面质量。深孔套料加 工的经济性主要由切削效率、刀具耐用度及保证正常的加工状态等因素构成。而影响深 孔套料加工质量和经济性的众多因素都依赖于作用在工件上的力来加以描述。因此，掌 握深孔套料加工时的受力状态，就具有十分重要的理论和实际意义【2 1 ( 2 0 1 ，具体体现在以 下几个方面： ( 1 ) 有利于优化切削用量，选择最优切削用量。 ( 2 ) 有利于在进行刀具设计时研究导向块的分布和作用机理、切削刃的最佳几何形 8 第二章深孔套料加丁概述 状、切削刃的分配，并进行钻头结构的最优设计。 ( 3 ) 分析加工孔中心线偏移、孔径偏移、表面粗糙度、孔表面刻痕等钻孔质量问题， 寻找提高加工质量的途径。 ( 4 ) 为深孔套料加工的进一步研究提供力学分析的依据。 ( 5 ) 有利于选择合适钻杆，并为机床的完善提供帮助。 2 4 2 深孔套料钻的力学模型的建立 a 深孔套料钻的受力分析以钻头为研究对象。在刀刃上作用有总切削力氏 它可以分解为主切削力分量乃、径向力分量凡和轴向力分量氏。在导向块上作用有正 压力m 和摩擦力f 丘，还有钻头自重、冷却液压力，总轴向力 和扭矩m s 。扭矩 主要可分解为切削扭矩m s 和导向块摩擦力矩。为了很好和有效的对套料钻进行分析， 对其进行受力进行简化是很有必要的。受力状态的简化一般方法如下： ( 1 ) 钻头自重和冷却液压力对钻头的受力状态影响较小，可以忽略不计。 ( 2 ) 钻杆、切屑、冷却液各部分的重力和导套、中心架支承处的反力、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。 ( 3 ) 由于钻头的轴向尺寸相对于钻杆来说很小，故认为除了走刀抗力和导向块上轴 向摩擦力外，各力均作用在一个平面内。 ( 4 ) 3 个切削力分量和导向块上摩擦力、正压力等均由分布力简化为集中力。 简化后的受力状态如图2 1 所示。 i 螅 f 址 n 2 广疗 心3 叱糙纠。- i i f - “ n i y 图2 1 单齿深孔套料钻受力图 ( 1 ) 切削力：深孔套料钻可分为相互垂直的切向分力丘，径向力分量毋，和轴向力分 量凡。 9 西安石油大学硕士学位论文 ( 2 ) 摩擦力：导向块相对孔壁转动时产生的摩擦力n ，f f 2 和f t 3 ；导向块沿轴向移 动时与孔壁之间产生的轴向摩擦力b i ，啦和取3 ；同样，副切削刃与孔壁之间的摩擦力 为f 痢f 瞅。 ( 3 ) 导向块的挤压力：导向块和孔壁之间的挤压力为l ，2 和3 。 ( 4 ) 副切削刃的挤压力：副切削刃和孔壁之间的挤压力4 。图形分析如图2 1 所示： b 力学模型的建立为了便于分析和计算，将套料钻所受切削力向。点简化， 得y z 平面切削力的力学模型如图2 2 所示，简化后，切削力合力及其合力矩为： f h o , = b ( 2 1 ) 凡，= e 屁 ( 2 - 2 ) 肱= 朋o ( 凡) ( 2 3 ) 式中见卯水平方向( y 方向) 切削合力； 垂直方向( z 方向) 切削合力； 坛卜切向分力f ：i 对0 点合力矩。 考虑到深孔套料钻在力平衡状态时的情况，并忽略4 和，则可得到深孔套料钻在 y - z 平面受力的力学模型，如图2 2 所示。 图2 - 2 深孔套料钻力学模型 力学平衡方程为： 】，= 0f k + i c o s 万l + n 2 c o s # 2 + n 3 c o s t 琴3 一f l s i n 万l f ：2 s i n 8 2 一乃2 s i n 万3 = 0 ( 2 - 4 ) z = 0f k ，+ n t s i n s t + n 2 s i n 万2 + n 3 s i n 8 3 + 乃c o s t $ l + 乃2 c o s 8 2 + 毋2 c o s 8 3 = 0 y m = 0 肱+ 疗- + 疗：+ 乃，一m b = 0 式中固= l ，如= 2 ，f ：, n 3 f z 切向切削力分量； 1 0 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 第二章深孔套料加工概述 r 径向切削力分量； 足轴向切削力分量； l 、肥、3 导向块l 、2 、3 上的正压力； 砀、如、昂导向块i 、2 、3 上的周向摩擦力； 啄l 、啦、吆3 导向块l 、2 、3 _ 1 2 的轴向摩擦力； 胍钻杆对钻头支承力矩； d 钻头直径 巧i 导向块l 位置角 如导向块2 位置角 如导向块3 位置角 工件与导向块的摩擦系数 2 4 3 深孔套料钻各切削力的求解 深孔套料加工时，深孔钻受到e 切向切削力分量；r 径向切削力分量；足轴向切削 力分量；l 、2 、3 导向块l 、2 、3 上的正压力；勘、如、场导向块l 、2 、3 上的周 向摩擦力；易i 、易2 、岛3 导向块1 、2 、3 上的轴向摩擦力。在实际加工当中是很难直接 测量的。在对各力分析时，d 、6 l 、玉、西和我们都可以通过测量和查表得到，只要知 道切削力疋和b ，由公式2 - l 、2 2 、2 - 3 可计算出、和腿，再由公式2 - 4 、2 5 、 2 - 6 即可得到野、场。所以对切削力的计算非常重要。 8 单位切削力方法 2 1单位切削力方法是单位面积上的主切削力，令p 代表单位 切削力。即： 尸：墨：旦：旦( 2 7 ) 。 a c q 毋 a c o w 式中e 切向切削力分量： 彳。切削面积，m m 2 ； 却背吃刀量，m m ； 厂进给量，m m r ； a c 切削厚度，m m ； 伽切削宽度，m m ； 在深孔套料加工中，已知a p ( 刀齿宽度) 和厂，如果单位切削力已知时，可利用公 式计算出切向分力丘，即： f z = p 衫 ( 2 8 ) 切向分力足确定后再根据手册查得f z f y ，f z f x ，就可以计算出r 和b 。 b 切削力经验公式求解【2 1切削力经验公式是通过大量实验，用测力仪器测得 切削力值。并利用数学处理方法来处理实验数据，得到计算公式，这些公式在金属切削 西安石油大学硕士学位论文 中得到广泛的应用，常见的经验公式有： f z = d 硼厂m y 吡尬 ( 2 - 9 ) f r = o 馏磐f r f y k f r ( 2 1 0 ) f x = c 聊磐厂脚，腑k f x ( 2 1 1 ) 式中疋切向切削力分量： b 径向切削力分量； 足轴向切削力分量： x f z 、疗屁切向背吃刀量a p ，进给量和切削速度1 ，的指数； 硒，g l f y 径向背吃7 j 量a p ，进给量佛切削速度v 的指数； 溉、珐、i l f x 轴向背吃刀量a p ，进给量，和切削速度v 的指数； 当实际加工条件与所求得经验公式的条件不符时，各种因素对切削力的修正系数 k f z ，、酶厂为切向，径向，轴向各公式中的修正系数。 以上系数与指数的选择可以参考切削用量手册选取，深孔套料加工可参考车削时的 参数来选取。 2 5 本章小结 本章介绍了深孔套料套料加工的应用范围和特点，并对深孔套料钻的结构和加工效 率进行多方面的比较，为后续套料加工提供最佳方案；建立了深孔套料钻的力学模型， 并推出各切削力的求解方法，为后续套料钻的研制和套料加工提供理论支持。 1 2 第三章大孔径无氧铜套料工艺研究 第三章大孔径无氧铜深孔套料工艺研究 目前对国内外对于无氧铜这种材料大孔径深孔加工的研究很少，但是这种材料加工 的需求越来越多。因此，本章从无氧铜物理化学、钻削及其机械特性出发，设计适合无 氧铜这种材料进行大孔径深孔加工的加工工艺。 3 1 无氧铜材料特性分析 a 无氧铜材料的简介【2 7 】【2 8 t 无氧铜是一种高传导性纯铜，在化学成分上具有纯 度高、杂质含量少、尤其是含氧量很低的特点。因此，它具有优良的导电、导热性能 良好的抗氢脆性及加工性能、焊接性能，在电气、通讯行业、电真空领域具有特殊而广 泛的用途。但无氧铜在化学成份上控制很严格，对生产工艺、技术和设备以及原材料的 质量要求都很高。 无氧铜的研制在1 9 3 2 年始于美国。目前，许多工业发达国家如美、德、日等国家都 已有了无氧铜的化学成份标准。我国也设立了无氧铜国家标准。国际标准化组织铜及铜 合金技术委员会试图用i s o 来统一标准，但很多铜加工行业和电子行业依旧习惯选择或 者参照美国的a s t m 标准。 根据我国最新的无氧铜国家标准( g b t 5 2 3 l - 2 0 0 1 ) 和美国的a s t m 标准，标准无氧铜 的分类及化学成份如表3 1 所示。 表3 - 1 无氧铜中国国家标准和美国的标准 b 无氧铜材料物理化学特性【1 6 1 无氧铜的化学活性不大，在低于1 8 5 。c 时， c u 零件不与干空气和氧起反应。在存在湿气和c 0 2 气的情况下，可在其表面生成绿色 碱式碳酸铜( c u o h ) 2 c 0 3 。在空气中，加热c u 会产生表面氧化，低于3 7 5 c ，会形成黑 色c u o ，而在3 7 5 - - 1 0 0 0 * c 范围内，会形成不致密的c u 氧化物，外层是黑色c u o ，而 内层是红色c u 2 0 ，从而形成从黑到红的梯度色调。在高温下，c u 与n 2 不起反应，因而 西安石油大学硕士学位论文 上述气体被广泛应用于对c u 热处理的保护气氛。h 2 在致密c u 中的溶解度是不大的， 在4 0 0 。c 时，i k g c u 中可溶解0 6 m g h 2 。c u 的氧化物较容易被h 2 还原，在1 5 0 。c 时，c u 的氧化物可与h 2 开始反应并被h 2 还原。 水汽压力很大，它不溶于铜，不能通过晶粒渗出，只能从晶界处放出。进一步提高 温度，有氧c u 会明显产生开裂、气泡和斑点，这就是众所周知的氢病。所以在进行无 氧铜机械切削加工时要防止氢病的发生。 c 无氧铜钻削特性【2 7 1普通纯铜除含铜9 9 9 9 9 9 5 外，还含氧0 0 2 - 0 0 6 ， 这些含氧量相当于0 2 7 - - 0 4 5 氧化亚铜( c u e 0 ) 的含氧量，存在于晶界，影响到它的机械 性能。而无氧铜含氧仅0 0 0 3 ，它与普通纯铜的不同之处是不含氧化铜，两者的抗拉强 度与伸长率都差不多，但就断面收缩率来说，普通纯铜为7 3 ，而无氧铜则为9 0 ，显 然要高得多。无氧铜在冷作加工时，当加工率为9 0 时，其断面收缩率仍高达8 7 。纯 铜有较高的塑性与韧性，但钻纯铜时断屑还不是很严重的问题，采用一般的断屑方法和 适当的切削用量就能实现断屑。但是，在无氧铜钻孔时，除了钻纯铜所遇到的一般性问 题外，不断屑的问题则非常突出，采用一般的断屑方法很难达到断屑的目的，切屑常缠 绕在钻头上，严重影响安全和生产效率。 研究表明【2 9 】当用同一支钻头并采用相同的切削用量分别钻纯铜与无氧铜工件，得到 的切屑收缩系数就不同，无氧铜的切屑要比纯铜厚l 3 左右。如用y o = 2 0 0 的刨刀，吃刀 深度为1 s m m ，进给量为0 6 6 4 m m r 时，无氧铜的横收缩系数局= 4 2 ，而纯铜的横收缩 系数岛= 3 2 。这说明无氧铜不但断面收缩率高，能承受很大的塑性变形，而且也容易产 生塑性变形。例如用直径西1 9 7 m m 的钻纯铜群钻，采用相同的切削用量，钻纯铜和无 氧铜，虽然得到的切屑厚度不同，但钻削力却相差不多，功率消耗也相近。 d 无氧铜( t u l ) 材料的特性一号无氧铜( t u l ) ，其铜和银含量大于9 9 9 7 ，杂质总和不超过0 0 3 ，其中含氧量小于0 0 1 的纯铜，硬度和强度都比较低，具 有很高的伸长率，达到4 5 以上；并且具有很高的导电性、导热性和耐蚀性，塑性高、 线膨胀系数大，易于热压或冷压加工，无磁性，氢渗透率小；但其力学性能较差，铸造 性能及切削加工性也差。其切削加工性差的主要特征表现为： ( 1 ) 加工表面质量差，切削时刀具与切屑接触长度大，切屑易粘刀，加剧刀具的磨 损，也容易产生积屑瘤，不易获得高的表面粗糙度。 ( 2 ) 切削时不易断屑，容易造成堵