枪钻的设计与应用.ppt

枪钻的设计及应用 主讲人 刘继安 枪钻的设计及应用 一 枪钻的外形二 枪钻刀头的组成部分设计及几何参数三 枪钻刀头材料四 枪钻刀头刃形标准形状及参数五 目前国际常见刀头结构发展六 钻杆部分参数 枪钻的设计及应用 七 导向和支承八 冷却液的流量及压力九 切削用量的选用十 加工质量保证的条件十一 机床的选用十二 普通机床的改装 枪钻 枪钻 外排屑深孔钻 是深孔加工专用刀具中最早的 50年代 一种专用刀具 它是靠冷却液的压力将切屑推出 为了保证孔的精度 除了切削刃外还应有导向块 枪钻是小直径深孔加工唯一方法 适用范围广泛 适用于加工汽车 船舶热压抗震零件 更适宜加工军品部件 近年来枪钻头部改为整体硬质合金 尺寸小到 1mm 一般在 2mm以上 适用于钻孔深度与孔径之比大于100小于250的特深孔 枪钻可用在多种机床上 最早一般均在专用深孔加工机床上使用 也适用于普通车床改装 更适用于数控设备加工中心上使用 枪钻可加工通孔 也可加工盲孔 阶梯孔 交错孔 半圆孔以及叠层孔等 枪钻不仅可以加工深孔 也可以加工浅孔 一 枪钻的外形 1 枪钻包括带有 v 形切削刃和一个或二个冷却孔的钻头 钻杆及适用于某种设备而设计的传动器三部分组成 见图1 由上图可见 枪钻是由钻杆尾部将油冲入钻杆内部进行冷却和润滑 帮助排屑 然后再将切屑与冷却液一起顺着 v 槽排入油箱中 钻头大部分为硬质合金 其中有整体硬质合金或者用刀片焊接在刀头的体部上 近年来又发展为不重磨式的机夹刀片 个别也有采用高速钢制造 但现代很少采用 2 连接形式 国际上的连接形式 螺纹连接 旋转限位 v形槽 螺钉栓紧 焊接 现目前各国联接形式多数为钎焊 v形焊 见图3 小直径用铜焊 中等直径用气焊 大直径用电焊 现在国内的专业厂家均采用立式高频焊 改制 绝大多数厂家采用 形式 因有优点 刀头与钻杆比较容易对中 个别厂家也有采用 形式 但应用焊接夹具将钻头及钻杆装夹对中 对中后先焊两点固定后将夹具去掉再焊接周边 外排屑深孔钻 刀片焊接式 当直径大于 30时采用 k 头部整硬 焊接式 枪钻 当直径小于 30时采用 机夹式枪钻 刀片及导向块均可换使刀体寿命大大延长对枪钻结构来讲 比较先进 直径大于 20时均可采用 3 关于刀头尺寸及形状何时加工 1 最好刀头与刀杆焊接后进行精加工外径尺寸及几何角度 这样可以使刀头与刀杆对中 这样要求在精磨各部位尺寸及形状时再研磨要有一个专用夹具 进行磨削 因刀杆是有120 槽况且长 后面有支承架 现在有不少专业企业将 20以下的枪钻均将刀头焊在刀杆上而后在圆磨床加工外径及倒锥 这时刀头与钻杆外径同心度控制在不大于0 05mm以内 甚至还可以更小些 当外径及倒锥合格后取下 再在普通工具磨床或专用刃磨机加工钻头前部各部刃形及后角 2 也有厂家将刀头全部精磨到图纸要求是并经检验合格后再焊接 焊接后只是打磨焊口及校正 这时最大缺点 刀头与钻杆同心度不易保证 钻杆的误差总比上面方法要差些 可是据了解目前国内专业厂家仍采用此办法 因刀头直径大 普通圆磨床主轴孔穿不过去所致 3 刀杆外形与刀头的外形对称问题 理论上要求对称度误差越小越好 对使用效果也越理想 但实际上做不到其原因是 a 刀杆长度太长甚至2 3米 甚至个别还长 b 即便刀杆不十分过长 焊后精加工刀头但圆磨加工中也有一定误差 c 个别由于多种原因刀头精加工后才进行焊接 这时对称度更有困难 见下图 刀头与刀杆对称度最好控制在0 1 0 2视直径大小有关 因刀杆与刀头最大尺寸有一定差值 况且直径越大其两差值也大 否则无法使用 总之 当刀头直径在可能条件力争焊后再进行精加工 外刃及其刃形和各部后角 为了保证孔加工精度 其刀头上有分布合理的导向块 形成二个导向块和外切削刃的刃带三点固定圆 起自行导向作用 见图4 图4 二 枪钻刀头的组成 设计及几何参数 刀头是枪钻的主要部分 它直接影响加工质量 刀具寿命 枪钻刀头的组成 有二个切削刃 其这二个切削刃相交处为钻尖 这二个切削刃称为内刃和外刃 分别具有内外角 1 内外刃的内外角与钻尖的关系 图5 枪钻刀头切削部分要素 在设计上必须保证钻削是径向力接近平衡 图b 并使切削刃的合理分布在钻头的两导向块之间 因此 作用在外 内刃上的径向力分别为 其中 内外刃的径向切削力f 进给量 为使径向力平衡 需 公式 式等于 公式 式 获得结果如下 整理后得到 由公式 得 若 则 若 则 若 则 由此可见 得选择是相当重要的 它决定着切削刃得受力状态 图a图b图c 由图 不难看出 外刃径向力过大 使作用于导向块得挤压力加大 摩擦增大会使加工表面恶化 热量增多 图 内刃径向力增大 会引起孔的直线性偏差增大 和孔径超差 孔的表面粗糙度下降 切削刃带过早磨损 最好是 内外刃径向力相等或者外刃径向力稍许大于内刃径向力 而取 时工作状态良好 同时又防止了钻头中心处切削速度为零 挤压被切削材料 诸多因素钻尖 要取一个适当的距离 经过上面分析得出 通常刀具偏移中心距离 e d 3 5 现常取e d 4 对于加工结构钢和铸铁取kr2 20 kr1 30 40 主切削刃相对中心线位置 前角面与中心的关系 枪钻的内外刃基本要通过中心或者一定略低于中心 不能高于中心 这主要因为要避免引起崩刃 由于内刃低于中心 在钻削过程中将留有一个很细的芯棒 详见图6 图6 中间芯棒的形成有它一定的作用 可减少轴向力 可减少孔中心线的偏移 再加上有二个导向部分 更有利于钻削 支承芯棒直径不能过大 便于拆断可同切屑一起排出 一般芯棒直径不大于0 4mm 现在有些厂家在生产时控制在0 2 0 25mm 有的控制在0 1 0 3mm左右 钢件 铸铁可稍微大些但不能大于0 5mm 如果计算中心处芯棒是在作螺旋运动 其方法如下公式 上式中 进给量 内刃后角计算结果表明 生产中常取 钢件 近年来发展加工钢件的钻头为例d 20 则h 0 005 20 0 1 即前刀面低于中心0 1 芯棒 0 1 2 0 2 铸件最好控制在h 0 3 0 4 几何参数的确定 图7 a 图7 b 参数的确定 由上图指出 外角kr1 内角kr2外角kr1 外主偏角 孔的加工表面随外主偏kr1增加使加工表面粗糙 因为 当进给量 保持恒定时 切削厚度随kr1增大而增大 但kr1不能取得太小 由于刃磨不对称 当刀尖 大于d 4 会使外刃尺寸对面的导向块承受很大切削力 从加工精度孔径尺寸超差情况 kr1取小值更为合理 内刃kr2对孔加工质量也有影响 kr2对孔加工表面质量影响比kr1大得多 因此 尺寸精度要求高 kr2值应选小值 由于很多材料在深孔加工时 还有其他变量 要想制订能适用于所有情况的刃磨角度是不现实的 因此 刀具几何参数应根据加工材料 孔的技术要求等进行选择 由其内外角度变化 一般按照下表选用 内外前角一般为0 这种平面型前面 便于制造 简化刃磨 再由前图6 如下 来讲 此值选取可按下图中 h 值选取 后角的选取 外刃后角 外刃二后角 内刃后角当直径小于 4时其内外后角可作一个主后角即 见图7 一般常取为25 为15 当直径大于 4时一般常作为双后角 即取10 15 常取12 常取20 其两后角宽度b按下表2 当直径 4时则主偏角kr1的后角只作一个后角即 0常取25 外径处后角为减少与孔壁摩擦 保证三点定圆 自行引导作用 将外径处后角取10 15 并留有一定宽度刃带b 1常取0 4 0 6mm之间 一边防止钻头划伤油膜 太宽会使钻头挤住在孔中严重时将会使钻扭断 太窄会使钻头寿命过低 刀尖后角为确保钻削轻快顺利 刀尖处应磨有后角而且此后角取25 倒锥 倒锥有它重要作用 a 可减少与孔表面摩擦 减少钻头发热b 可保证冷却润滑液油膜润滑 可防止钻头导向块及切削刃表面损坏 倒锥 是钻头切削部最前端向尾部方向减少称为倒锥 倒锥值的大小对切削性能都有明显作用 过大磨损快 过小又会令孔壁接触对切削十分不利 一般在100mm长度上的减少值 倒锥值为 0 04 0 06 100总之 倒锥值的确定原则既要考虑工件加工精度又要考虑钻头寿命 二者缺一不可 过大会使钻削产生振动 4 切削液间隙为增加切削液间隙空间 在钻头内刃的延长线上磨出切削液间隙角 为顺利排屑 避免切屑堆积 使切削液流向排屑 要磨出与径向成15 30 宽度为0 2mm的窄倒角 见图8 见图8 切削液间隙大体有以下三种型式 见下图 图9 1 斜坡型 也就内刃的延续 刃磨方便 应用广泛 也就说外角kr1 30 内角kr2 20 见图 a 当内角kr2 15 时 切削间隙变窄 这时会使切削液流量向钻头排屑槽减少 严重时会影响正常的切削 如果内角kr2过大 kr2 35 40 时会使导向块前端对切削刃a点距离加大 h 导致切削液漏溢太多 图9 2 小斜坡 斜坡阶台型和大斜坡 平阶台型都是针对上述问题采取的措施 通常将内刃延长超过轴心线0 15 0 8mm 再磨出台阶 如图9的b c切削液间隙与钻头直径的关系见表3 5 导向块位置 宽度和形状导向块在深孔加工刀具是个重要部位 它的位置 形状和尺寸都会影响着深孔加工质量 1 位置及数量 导向块位置分布合理性 要求导向块与圆周刃带要形成三点成圆 在孔中形成有力支承和挤压 其位置分布最好按图7所示 宽度一般取6 10mm视直径大小而定 导向块数量多数为二个 也个别有二个以上 导向块形状 图10导向块周边均应倒角且光洁图中 b 尺寸按直径大小而定 导向块形状不可忽视它有以下影响 a 防止划伤孔加工表面b 有助于形成油膜有助于润滑 从而使导向块获得充分的润滑 从而使导向块对孔表面粗糙度及刀具寿命都有极大好处 刀头长度l视直径大小而定通常选为35 50mm 由其是当加工十字贯穿孔选的长些 才能获得平稳切削 2 刀头外径d 外径尺寸 它影响孔加工精度 但尚需有高刚性钻杆 机床等多方配合 孔的公差可达it6 it8级 而刀头直径d制造公差可达it6 it7级 三 枪钻刀头的材料 1 刀头材料分为整体式 焊接式a 整体式 多数为硬质合金刀头b 焊接式 切削和导向部位硬质合金刀片 其体部位普通结构钢如 40cr 45钢等目前世界各国整体硬质合金刀头都已标准化最小有 1 40mm 其材质的选用原则为 a 要求效率高的应采用耐磨性好的b 工作条件差 较为沉重的切削条件 如 加工斜孔 断续切削条件的应选用韧性好的其具体选用参考下表4 材质的选用不能固定不变 因新材料不断出现 要另外选用必要经过对比试验选用 据了解目前国内专业生产厂家其采用材质均为yg6x相当于k10 四 枪钻刀头刃形目前国际已标准化一般都可参考应用详见以下各图 图a 一般直径 2 4mm 图b 一般直径 4 20 图c 一般直径 20 也可制成分屑台 详见图7 d 五 目前国际上对枪钻刀头发展 结构形式 上图a b为整体式硬质一般由 2 50c 为焊接式硬质合金刀片一般由 10 60d 装配式一般由 20 40 六 钻杆部分参数 钻杆部分参数包括有直径 长度 壁厚 内径 形状等 长度应根据钻杆深度 机床结构确定 同时要一定储备量 1 长度的确定图中 1 钻头 2 工件 3 空心顶尖 4 支座 5 中心架 6 联接器 刀柄 总长 a b c d e f g k式中k保险量 一般可取100 200mm 上式为深孔钻专用机床钻头总长的计算现目前深孔枪钻可用在普通车床 加工中心上使用其长度可按下式计算 见上图 2 钻杆直径 一般可按如下方式取值 当d 10则 d 0 4 0 5 当d 10 20则 d 0 8 1 2 当d 20 30则 d 1 2 1 5 当d 30则 d 1 5 2 式中d 钻头直径 钻杆直径 可按经验公式计算 d 0 953 钻杆壁厚k 一般可取 0 1 0 115 d 这时钻杆内径就为 0 77 0 8 d 钻杆槽型见下图图15当选钻杆壁厚往往还要考虑无缝钢管毛坯尺寸 既要考虑使用 又要兼顾毛坯现有条件 4 目前国际各国多数取120 见图16钻杆经过压有120 v槽后大大增强刚性和抗扭曲性 从而确保了加工精度c过中心量一般为0 5 15 钻杆材料 通常用35crmo或45钢 硬度为38 45hrc 无缝钢管 图16 七 导向和支承 枪钻刀头的导向靠机床的导向套起作用 枪钻本身不能自定心 同时也是不衡的 因此开始加工循环的开始 枪钻必须足够长和高精度孔为导向 或者用导向孔为导向 见图17对孔的精度 直线性 刀具寿命有着主要的作用 否则枪钻就无法使用 图17导向套 通常在大批量或专用深孔钻机床上用导向孔 通常在小批量生产或在改装机床 加工中心机床等用方便 容易实现 1 导向套的长度及孔径见图18 导向套孔径一般取的原则dg6则 钻头直径d 12 g6这又如钻头直径为 30 这时有 长度l常规取40 60mm 与机床有关 2 导向套材料及硬度材料选用t10a t12a 硬度58 62hrc再者选高速钢w18cr4v62 64hrc最好高硬度 高耐磨材料硬质合金等yg8 yg6等 3 导向孔见上图17中的b 非大批量生产时 具体尺寸和l的确定 当在加工中心机床使用枪钻钻孔时 操作应注意以下几点 见图19 b图 当枪钻进入导向孔的2 3时 这时供冷却c图 当枪钻进入导向孔底离不远的距离时可开始进给 并开始旋转主轴起d图 枪钻钻到所需深度时需快速返回 当枪钻退到接近原导向时停止主轴旋转 并停止供给冷却 这时将枪钻抽出 慢速或手摇出 图19 a 当枪钻在工件外面时请不要旋转主轴不供冷却 慢或手进给将枪钻摇进入导向孔 如果旋转其转速不得大于50r min 缓慢进入b 当枪钻进入导向孔的2 3时 这时供冷却c 当枪钻进入导向孔底离不远的距离时可开始进给 并开始旋转主轴d 枪钻钻到所需深度时需快速返回 当枪钻退到接近原导向时停止主轴旋转 并停止供给冷却 这时将枪钻抽出 慢速或手摇出 4 关于支撑 钻杆支撑架 枪钻是加工深孔刀具 钻杆很多少则2米甚至到4 5米不等 为确保钻杆的刚性 因此 要支承架 其支承架的距离一般与直径有关 图13中未支承距离为e g 参考数据见下表5 八 冷却液的压力和流量 深孔加工时 冷却液的主要作用是冷却 润滑 冲刷 减振和消声 切削过程中切削力作用于导向块上 与孔壁产生较大的摩擦力 他们都会转变成热量 这些热量靠冷却液带走 除冷却 润滑和防腐性能外 还要考虑刀经济性 加工脆性材料 铸铁等时用1 2 左右的乳化液 其最佳温度为35 55 加工钢件建议采用50 时粘度1 7e 在20 时粘度为3 5e的切削油 可适当加入些添加剂 其作用是使相互滑移的表面形成一个剪切强度较小而牢固的润滑油膜 冷却液要有较好的流动性 以利于加快流速和冲刷积聚车刀杆外和孔壁切屑 同时 当冷却润液脏化返回油箱内后 碎屑能较快的沉淀 最终经过过