枪钻结构优化设计与受力分析（全套CAD图+PROE模型+设计说明书+翻译）
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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
- 内容简介：
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大 学 毕业 设计 任务书 学 院、系 ： 专 业 ： 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 学 号： 设 计 题 目 ： 枪钻结构优化设计与受力分析 起 迄 日 期 : 指 导 教 师 : 系 主 任 : 发任务书日期 : 毕 业 设 计 任 务 书 1毕业 设计 的任务和要求： 1 熟悉小 深孔加工技术； 2 熟练 掌握 应用软件； 3. 熟悉 刀具结构设计和 机械加工 工艺设计 。 2毕业 设计 的具体工作内容： 1 系列化 设计 孔径 5 20 深孔 枪钻 。 2用 应用软件作出 典型枪钻 的三维造型。 3对钻头的受力情况进行分析 ，并进行枪钻结构参数优化设计 。 4 撰写毕业设计说明书。 5 翻译 3000 的相关外文资料。 毕 业 设 计 任 务 书 3对毕业 设计 成果的要求： 毕业设计说明书、设计图纸、翻译等。 4毕业 设计 工作进度计划： 起 迄 日 期 工 作 内 容 2011 年 2 月 21 日 3 月 20 日 3 月 21 日 4 月 15 日 4 月 16 日 5 月 25 日 5 月 26 日 6 月 5 日 6 月 5 日 6 月 10 日 6 月 14 日 6 月 16 日 文献检索，查阅相关资料 ，方案论证， 撰写开题报告， 翻译外文资料 ； 熟悉 ro/e 等相关软件，制订出合理的结构设计方案； 绘制设计图纸，三维造型； 进一步完善设计内容，撰写毕业设计说明书 ； 打印装订设计内容，提交毕业设计； 论文答辩。 学生所在系审查意见： 系主任： 年 月 日 、 is of a to is In 50:1, be a a or is to is of of or is is of TS is 4 6 be is an TS it a 2、 n a of to of s is to an is TS be in of is in is to is un is is it of an in an or of so of be to a is of by to of on a of as on as as be or is in to in 3、 to TS no to An it is to a of a in In as In an 00 be to by a 4、 is It of a in so no is a is to or If is in be a to or is of in of a of is is is in In of it be be in of be In of a is to In of its be to is in is be by 大学 届毕业设计说明书 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 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 大学 届毕业设计说明书 of of to in to it a in of y of at we of of a we a on to we of At E we to of by of 目录 1 绪论 . 错误 !未定义书签。 研究深孔钻削的意义 . 错误 !未定义书签。 国内外现状以及发展 . 错误 !未定义书签。 深孔钻的发展过程 . 错误 !未定义书签。 国内深孔加工技术应用及发展状况 . 错误 !未定义书签。 深孔加工技术和装备的发展方向 . 错误 !未定义书签。 2、枪钻的设计 . 错误 !未定义书签。 枪钻的结构 . 错误 !未定义书签。 枪钻的设计 . 错误 !未定义书签。 枪钻切削部分的设计 . 错误 !未定义书签。 枪钻钻杆和钻柄的设计 . 错误 !未定义书签。 3 枪钻受力分析 . 错误 !未定义书签。 枪钻切入阶段的受力分析 . 错误 !未定义书签。 枪钻钻孔全过程中转矩和轴向力的变化规律 . 错误 !未定义书签。 4 枪钻的应力分析与优化设计 . 错误 !未定义书签。 枪钻实体模型的建立 . 错误 !未定义书签。 枪钻力学模型的建立 . 错误 !未定义书签。 枪钻的有限元分析 . 错误 !未定义书签。 入枪钻实体模型 . 错误 !未定义书签。 义材料特性 . 错误 !未定义书签。 网格划分 . 错误 !未定义书签。 约束、处理 . 错误 !未定义书签。 处理 后 结果 . 错误 !未定义书签。 有限元结果分析 . 35 5 总结 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 37 致谢 . 39 深孔加工 1、 深孔钻削 深孔钻削是指对孔进行相对大的孔深与直径比的加工。然而，正常钻削技术所生产的孔，其孔深极少超过 5 倍直径，而在深孔钻削中，此比例可高达 150:1，并且，任何孔深大于 10 倍直径都应称为深孔，这需要一种特定的钻削技术的支持。 深孔钻削可采用多种机床安装方式：旋转工件、旋转刀具以及刀具和工件都旋转。但是，当刀具以线性进给的方式移动时，最常用的安装方法是采用工件旋转的方式。 无论采用何种机床安装方法，钻削的基本原则是：应用和纠正切削速度与进给的选择依旧至关紧要。切削刃良好的断屑和排屑性 能，同时不会损坏刀具和工件，则是必须条件。 枪钻能够比单管钻系统（ 削更小直径的孔，但是单管钻系统则较枪钻具有更高的生产率（ 4），因而，只要可能，应始终首选应用单管钻系统。当批量钻削小直径孔而单管钻系统不能满足特定加工要求时，请选用喷吸钻系统。 2、 深孔钻削系统的差异 在深孔钻削中，刀具结构和切削液压力的组合目的是为了从孔中排出切屑。这三种不同的钻削系统是通用的。所有这三种系统都能够钻削出杰出表面质量、小的公差以及良好同心度的孔。 喷吸钻系统 它类似于单管钻系统，但是其钻头是与内外钻管相连接。 切削液在内外钻管间流经钻头，并且切削液完全在钻体内而不是经过钻头表面，切屑在钻体内部先流出外钻管再流经内钻管。 这种独立的系统较单管钻系统而言所需的压力更小，并且通常能够安装在通用的机床刀具中而无需对机床进行大的改造。 单管钻系统 高压力的切削液流经介于钻头和已钻削孔之间的外钻管。 钻柄本身是空的，切削液携带切屑进行钻体，流经钻头内的排屑槽，然后排出钻管。 高的切削液压力使得单管钻系统比喷吸钻系统更加可靠，当钻削材料（如低碳钢和不锈钢）难以获得良好的断屑性能时尤为如此。 枪钻系统 枪钻的钻柄也是空的，由外 部供应的切削液流经钻头内输送管，并强行流经切削头内的孔。钻柄外侧有一个沿着长度方向的 V 形槽，切削液携带切屑通过此 V 形槽，并经过钻头外侧最终将切屑从孔中排出。枪钻可应用于普通加工中心，但是需要高压力的切削液。 深孔钻削的通用特征是它具有高的材料去除率和高精度 孔具有高的直线度、小的尺寸公差及高的表面质量。当钻削深孔时，深孔钻削对刀具、机床及其相关设备有着极高的要求。 深孔钻削在如钢、核能、航空航天、石油和天然气等行业有着广泛的应用。在这些行业中，对孔的尺寸和形状公差质量有着非常高的要求。 工件可能非常昂贵，并基于经济性的原因而导致或多或少地不采用这些昂贵的工件。因此，在加工期间，通常优先考虑的是可靠性。所有这些意味着已研 发 的刀具和钻削系统要满足这些要求，就应在某些应用场合（甚至当钻削浅孔时）中提供令人满意的高质量。 3、 何时选择喷吸钻和单管钻系统 喷吸钻系统： 在工件和钻套之间不需密封。 易于适应现有机床，特别适合普通车床、车削中心、卧式镗床和加工中心。 用于加工可能出现密封问题的工件。 它有一个优点，这就是它可以直接使用已预钻的孔，而不需用钻套来导向，例如在机械加工中心。 单管钻系统： 在不锈钢和低碳钢等切屑形成差的材料中使用。 当存在断屑问题时，可用于不均匀结构材料。 在长时间生产时具有更多的优点。 加工特别长的工件时一致性好。 适用于直径大于 200 孔。 要求特种 孔钻削）机床。 枪钻系统 适用于小直径。 通过使用一个预钻削的导向孔，能够很简单地在加工中心进行应用。 注意：要求高冷却液压力。 4、 深孔加工方法 整体钻削 整体钻削是最普通的钻削方法。它主要是在固体材料上进行钻孔。通常，其加工的孔径，直线度和表面质量都较好， 无须再进行精加工。 扩孔钻削 扩孔钻削是在铸件、锻压件、冲压件、模压件等的预制孔基础上进行扩孔，以获得小公差的高表面质量。如果机床功率不足，不能一次加工出 所需的直径，可以先使用整体钻头钻削一个小孔，再使用扩孔钻头加工到 所需的直径。在整体钻削和扩孔钻削之间也可穿插淬火、回火、去应力退火或其它工序。 套孔钻削 套孔钻削也是在固体材料上进行钻削，但它并不是将切削下来的所有工件材料作为钻屑，而是在孔中央留下一个固体的“核”。由于此方法消耗功率较小，故主要用于要求功率低的场合。如果所钻削工件材料昂贵，可将 中间“核”作为材料样本。如用作拉伸试验样本及材料分析用。典型地，如果材料昂贵，可将“核”留下来以备将来重新利用，或用于其它用途。 注：钻盲孔时，应避免“核”掉下来引起崩刀。钻深孔时，因为“核”本身的重量而会发生倾斜，因此，必须支撑住“核”以防止损坏刀片。 交叉孔钻削 交叉孔钻削通常用于难加工应用中，例如钻削模具的冷却液孔和中间通道。另一个应用是钻削气动和液压零件。可使用枪钻或单管钻来进行交叉孔的钻削。 大学 届毕设计说明书 第 页 共 39 页 1 1 绪论 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。 国内外现状 以及发展 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 工方式，其所用的钻头简称为 。 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 司 大学 届毕设计说明书 第 页 共 39 页 2 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 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。统是传统深孔钻的最好方式，该系统所用的钻头称为 。 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。 20 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。 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。 大学 届毕设计说明书 第 页 共 39 页 3 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。 大学 届毕设计说明书 第 页 共 39 页 4 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 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。 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 5 20深孔枪钻 ，设计过程如下。 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 大学 届毕设计说明书 第 页 共 39 页 5 图 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 43 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 图 钻内外刃的划分 大学 届毕设计说明书 第 页 共 39 页 6 图 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 图 。 大学 届毕设计说明书 第 页 共 39 页 7 因此，钻尖与钻头的轴线的偏移量 2 。在加工碳钢、合金钢材料时，通常取 内外刃横宽对等， 即 4。 图 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 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。 大学 届毕设计说明书 第 页 共 39 页 8 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 31 ，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 10161 ），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 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 大学 届毕设计说明书 第 页 共 39 页 9 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 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 削刃的主要几何参数 大学 届毕设计说明书 第 页 共 39 页 10 (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 1 后角和内刃后角 2 当枪钻直径为 时， 1 。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 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 作用与多刃铰刀的刃带相同。刃带的宽度 (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0取值范围为 012 ，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 %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 。 大学 届毕设计说明书 第 页 共 39 页 11 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 13 30 19 35 23 40 25 45 25 25 该表是单边刃枪钻的切削部分长度， 当钻头直径是 05 时，切削部分的长度可由表查出 。 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。 大学 届毕设计说明书 第 页 共 39 页 12 图 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， 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 图 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 面。导向面 1为大于 (其止点在切削刃对侧 的一 大学 届毕设计说明书 第 页 共 39 页 13 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 。 图 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 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 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 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 镶片硬质合 金枪钻导向条的配置方式， 是图 的移植。钻头体 3 由中碳钢或合金钢棒料 (调质 )铣出 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 085 ，第二导向条中央与主切刃平面成 图 镶片式枪钻导向条的配置 大学 届毕设计说明书 第 页 共 39 页 14 (图 的取值范围为 20110 ,本设计 采用 目的在于增大枪钻的扭转刚度。 9，钻头体直径 1D 钻头体直径取值为 ( D(，见图 导向条的前端应有 015 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 530 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 不论枪钻头部形状属于哪一种型，第二导向条 (图 2)必须滞后于外刃拐点 ,E 的最佳取值范围为 ( D。 第一导向条 (图 )前端对 。 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 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 大学 届毕设计说明书 第 页 共 39 页 15 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。 枪钻钻杆和钻柄的设计 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 校直等工序加工而成。 钻杆的 钻头对焊时，钻杆与钻头的 V 形槽应完全对正。 图 钻 钻杆 钻杆外径 1D 与钻头体的外径相等，取 。 1D 过大 1D 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。 大学 届毕设计说明书 第 页 共 39 页 16 通常取钻杆壁厚 。 接导致降低钻杆刚度 ； 取值 过大，可能使钻杆壁援盖进油孔。 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 滑配合与钻柄孔配合后，再焊为一个整体。 图 一些常见的钻柄 . 图 见的 钻柄 设钻柄尾部直径为柄总长为 l ，则 表 2 列出了部分不同钻柄在钻头直径不同时l 的值 。 表 2 几种常见钻柄的数据 钻柄 钻头直径 6 36 大学 届毕设计说明书 第 页 共 39 页 17 10 40 16 48 20 50 25 56 16 45 20 70 0 10 40 25 70 10 40 25 70 3 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。 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 大学 届毕设计说明书 第 页 共 39 页 18 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/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 ) 图 入阶段枪钻的受力情况 由图 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 （ ,20,30 ） ，其切人阶段所受的径向切削分力指向图 示切削刃对侧的导向条 2。主切削分力 大，指向图所示的导向条 1。 图 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/给量为 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 大学 届毕设计说明书 第 页 共 39 页 19 外刃，左侧相当于内刃。 图 刃钻的切削密度 由图可知，主切削分力 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 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 大学 届毕设计说明书 第 页 共 39 页 20 处 (横刃宽度为 ，单边横刃宽为 2 )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 解析图做进一步的分析，可以发现枪钻加工的以下特点 :。 图 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。 同样，内外刃主切削分力之和 ( 21 zz )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 主切削分力作用点与中心的距离 )。 大学 届毕设计说明书 第 页 共 39 页 21 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xp、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 D (通常不大于 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 D 的孔。当导向部开始进人工件时， D 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 是又一个突出特点。 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 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 大学 届毕设计说明书 第 页 共 39 页 22 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 大学 届毕设计说明书 第 页 共 39 页 23 图 钻加工全过程的转矩和轴向力曲线 图 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，由于第二导向条进人长度逐渐增加，摩擦面积随之增大，后，由于两导向条对孔壁的扩张和轧平作用，到 两导向条全部进人工件 (点 ), 钻孔完毕，钻头于处停止进给 (但工件继续转动 )。因切削转矩挤光转矩不变，故总转矩下降，并保持在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切削过程中，代深孔加上技术一个常值 ；导向条进入时，总轴向推力由bx )，见图 大学 届毕设计说明书 第 页 共 39 页 24 图 钻受力解析图 图 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。 枪钻头部所受的转矩由以下三部分组成 : (1)切削转矩。 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 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 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 大学 届毕设计说明书 第 页 共 39 页 25 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所产生的转矩就是挤光转矩。由图 以看出，挤光转矩实验条： :枪钻直径 ， ， ，。 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。如果以有， 。 图 给量与切削转矩和挤光转矩的关系 图 几种不同因素对 (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 ： 0180 ， 0180 )。当导向宽度的影响面张角大于 ， 显增大。 大学 届毕设计说明书 第 页 共 39 页 26 图 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 大学 届毕设计说明书 第 页 共 39 页 27 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 e 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。 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 图 实际测到的xp、原始条件同图 其中，轴向切削分力时成线性关系，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p 的比例很小 (约占 1/8)，实际上影响不大 。 图 向力与进给量的关系 大学 届毕设计说明书 第 页 共 39 页 28 切削液压力的第三个因素。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0,30 ，供油压力为 ，在出油孔外仅有 压强，其所产生的轴向推力约为 。 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 钻实体模型的建立 本文 以 D=16钻为例， 利用 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 图 型 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可以分解为主切削力分量 力分量在导向块上作用有压力和摩擦力 ， 还有钻头自 大学 届毕设计说明书 第 页 共 39 页 29 重、冷却液压力，总轴力 扭矩矩 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： 0 021 0ss 121 y 0 s i ns i nc 2112211 z 大学 届毕设计说明书 第 页 共 39 页 30 0M 01 111 222 图 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 21, 导向块 1,2上的正压力 21, 导向块 1,2上的轴向摩擦力 21, 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， 此，其他的未知量都可以近似的求出。 钻的有限元分析 大学 届毕设计说明书 第 页 共 39 页 31 利用 软件建立枪钻的三维实体模型，将其导入 同仿真软件进行计算分析。 义材料特性 本次研究中，钻头使用的材料为牌号 硬质合金， 其参数为： 杨氏弹性模量 610a 泊松比 密度 ， 剪切弹性模量 拉强度 抗弯强度 屈服强度 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
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