第三章 基于BTA刀具的喷吸4

第三章基于BTA刀具的喷吸钻加工技术主要内容:1双管喷吸钻加工技术1.1双管喷吸钻的供油和排屑机理1.2双管喷吸钻及其钻杆设计1.3双管喷吸钻的商品尺寸规格1.4双管喷吸钻连接器1.5双管喷吸钻的切削用量选择1.6双管喷吸钻加工的净功率、进给力和转矩1.7双管喷吸钻的切削液流量和油压1.8双管喷吸钻的改进2DF深孔加工系统2.1DF系统的工作原理

2.2DF系统与其他深孔加工技术的比较重点和难点内容:双管喷吸钻的供油和排屑机理双管喷吸钻的切削用量选择DF系统的工作原理

引言

BTA刀具加工时要求严格密封，只能使用专用的深孔钻床，从而限制了技术的推广应用。20世纪60年代初，在先进深孔技术普遍开始应用于民用装备制造业后，瑞典SANDVIK公司推出了一种基于BTA刀具的双管喷吸钻。这种刀具系统不需要严格密封的输油器（油压头），对机床结构要求比较简单，甚至普通车床、转塔车床等通用机床经简单改造都可用于深孔加工。双管喷吸钻逐渐成为SANDVIK公司的主要深孔加工装备产品。我国应用该技术最早是在1973年的上海新技术展览会上。

20世纪70年代，日本冶金公司推出了双向供油喷吸钻系统（DoubleFeeder）。其结构比双管喷吸钻简单，抽屑机理基本相同，只是在单层BTA钻杆后部增加了一套简单的抽屑器，即单管喷吸系统。改善了排屑条件，扩大了BTA钻的应用范围，也有利于用普通车床和旧深孔钻床进行改装。上世纪80年代，我国不少企业应用该技术加工中小直径系列深孔。以上两种喷吸钻加工技术各有其局限性，不能取代BTA钻削技术，只是在某些方面对BTA技术作了些补充。

3.1双管喷吸钻加工技术

双管喷吸钻加工技术的正规名称为EjectorDrilling（喷吸钻削）。为有别于DF系统的单管喷吸钻削，在我国称之为双管喷吸（射）钻加工技术。3.1.1双管喷吸钻的供油和排屑机理

双管喷吸钻与BTA钻的异同：1）同为单边刃、自导向、内排屑深孔钻。2）供油和排屑方式不同，导致相应的钻杆、辅具、机床液压系统等方面也有差异。钻头2的外部结构与BTA钻仅有微小差别（双管喷吸钻头部与大制口之间有一组6个沿周向分布的通油孔，而BTA钻没有）。在钻头的内腔设置一根薄壁的内管9，其内壁为排屑通道。当钻头与钻杆（外管）10以方牙螺纹连接后，内外管之间形成一个提供切削液的环形通道，给钻头供油。供油和排屑机理：

1.约2/3的切削液通过6个通油孔口和钻杆前端的环状间隙喷向切削刃部，携带切屑穿过整个内管向后排出。2.约1/3的切削液高压下进入内管后部两排（共6个，在圆周方向互相错开，均匀分布）向后倾斜30°的喷射槽。3.喷射槽的横截面呈30°圆锥，通道由大变小，流速由低变高，在内管形成锥状射流。

由伯努里方程：P01=P+ρv2式中P01---流体喷射前的总压力；P—流体喷射后的静压；ρ—射流密度；v—射流速度。射流速度增加，喷射口静压下降，在内管后部产生低压区，使排屑通道前后的压力差加大，对钻头喉部的切屑和切削液产生抽吸力，促使切削液携带切屑加快向外排出。内管的设置及其抽吸作用，产生的附加效果如下：（1）内排屑深孔钻的排屑状况得到明显改善（特别当钻头直径较小时）。（2）对同样的钻头直径，所需油压和流量仅为BTA钻的1/2左右，减轻了对机床密封的要求；（3）供油通道不再是钻杆外壁与已加工孔壁之间的环状空间，不需要严格密封，可以在多种卧式或立式机床上采用。（4）省去了输油器，以纵向尺寸较短的钻套支架代替，当钻孔深度一定时，钻杆的悬伸长度将减短，从而使钻杆总扭转变形量得以降低。在实际使用中，双管喷吸钻存在的技术缺点：①由于喷射口分布在内管上，所产生的抽吸力有限，通常当工件孔深超过1000mm时，抽吸作用不明显。因此钻孔深度限制在1000mm左右。否则推动切屑进入出屑口的动量不如BTA钻，导致排屑效果不如BTA钻。这是双管喷吸钻无法取代BTA实体钻的主要原因。②双管喷吸钻的排屑通道直径小于BTA钻，当钻头直径很小时更容易发生堵屑。因此，双管喷吸钻的最小可钻孔直径要大于BTA钻。如SANDVIK公司产品目录中，双管喷吸钻的最小供货直径为φ18.4mm，而BTA钻为φ15.6mm。

③与BTA钻相比，失去了切削液对钻杆振动所产生的阻尼作用，容易使钻杆产生扭转振动。一般采取的措施是，在钻杆支承架部位设置兼有支承作用的振动阻尼装置，或是降低进给量和切削速度。④机床的通用性受到局限。不适合加工长深孔，也不适用于多品种小批量深孔零件加工。刀具成本高于BTA钻，供货周期长，没有专业供货商，也难于自行制造。

⑤为了使钻头开始切入工件时的正确位置，避免切削液外溅，须在工件上预钻引导孔。当使用钻套时，引导孔可以短些。此时，引导孔的直径稍小于钻头直径的下限。如果不用钻套，引导孔应适当长些，引导孔的直径也应稍大于钻头直径。钻孔前，应先在工件中心架上调整引导孔的位置，使引导孔与钻头同轴。

双管喷吸钻用于实体钻孔和扩孔，不能用于套料。双管喷吸式扩钻规格与BTA钻相同，只不过比BTA钻多出6个出油孔，加配一根相应尺寸的内管。扩孔时的切屑排出量少于实体钻，对于排屑影响不大。当用于刀具旋转方式时，双管喷吸钻需要一台刀杆旋转式连接器夹持钻杆。通常只用于工件固定的较大批量加工。旋转式连接器还可以按加工中心的接口方式设计成快换式夹刀模块。列入加工中心的刀库，在加工中心上使用。3.1.2双管喷吸钻及其钻杆设计

双管喷吸钻切削部分的设计方法，与BTA钻基本一致。二者的主要区别在于钻头体和钻杆。1.φ15.64~φ65mm的钻头采取焊接刀片，2.φ25~φ180mm的采取机夹可转位刀片结构，见图2。自行设计钻头和钻杆时，保证最佳的供油排屑效果和提高钻杆刚度，对具体的工件进行“一对一”设计。

（a）焊接型；（b）机夹可转位型

深孔刀具的突出特点：1.工艺复杂、生产环节多，2.尺寸规格繁多、批量小。对钻头实行直径尺寸分段，以减少刀体规格和钻杆尺寸规格，对刀具的生产供货、降低成本都是十分必要的。焊接刀片喷吸钻钻头的订货尺寸规格是每组相差0.01mm，由φ18.40到65.00mm将有4661个规格；

机夹钻头由φ65.00到φ180.00有11501个规格，钻杆的尺寸规格数将达16162个之多。如果φ18.40--φ20.00，φ20.01—φ21.80两种刀具尺寸规格共用一种规格的钻杆，则钻杆按φ20.00设计，对于φ18.40的钻头来说，供油通道面积就偏小；而对于φ21.80的钻头，排屑通道面积偏小。

3.1.2.1双管喷吸钻的设计要点（1）钻头直径（D）钻头直径公称尺寸取为孔下限尺寸加孔公差带的2/3，钻头制造公差按h4标准，或对φ65mm以下的钻头D，对φ65mm以上取D。钻头与钻杆的尺寸标记见图3。

切削液流向切削刃部时，需穿过宽度为（D-D1）/2的环行通道，D1值的大小对供油效果有直接影响。具体确定原则是：切削液在钻头头部与已加工孔壁之间的通油面积，应与内外管之间的通油面积持平或略小。据此原则，取D1=（0.93~0.95）D为适当。（2）钻头体外径（D1）

（3）外钻杆外径D01钻杆外径不再起供油通道作用，其尺寸越大越好，有足够的刚度，同时又为内管、供油通道和排屑通道的设计留有充分的空间。但不能大于钻头直径。参照枪钻，取D01=0.98D。

（4）外钻杆内径D02既保证钻杆有足够的刚度，又能为供油、排屑通道留下较充分的面积。参照BTA钻，取D02=0.7D，与BTA钻基本相等。

（5）内管外径d01根据生产实践经验，内外管之间的单边通油间隙取（D02-d01）/2，对于较小钻头直径，不应小于1mm。随钻头直径增大，可按钻头直径增大量的1/10加大d01值，即：D=18.40mm~40.00mm，取d01=D02-2;D=40.01mm~65.00mm,取d01=D02-3；D＞65.00mm，取d01=D02-(D/10-3);

(6)内管壁厚的确定加工时,内管不承受切削力和转矩，只在径向受到切削液的微小压力差和排屑通道中流过的切屑和切削液的重力作用。为了扩大排屑通道面积，通常采用强度较高的薄壁无缝管做内管。根据GB8162-87所列规格，可确定：D＜40mm时，t=0.5mm;D=40~85mm时，t=1mm;D＞85mm时，t=1.5mm。

按上述计算求得的d01值，必须按国标规格进行校核和修正。例如GB8162-87规定有φ57，φ60，φ63的外径规格，如算得的d01为φ58，就修正为φ57。

（7）内管与钻头直径结合部直径d03两种不同的方案。图4（a）为内管前端扩口式，用于φ65mm以下的焊接刀片喷吸钻；图（b）为不扩口式，用于φ65mm以上的机夹可转位刀片钻头。采用扩口式的内管，其扩口部分的外径尺寸d03比d01大2~3mm（钻头直径小时，取小值）。不扩口内管则直接用外径d01与钻头内腔定位台相配合。这种结构上的具体差异只不过是为保证通油间隙而作的结构按排，与钻头的功能无关。

（a）内管扩口式；（b）内管不扩口式；△-进油间隙

（8）钻杆与钻头结合部有关尺寸参数

大制口直径D3：取D3=0.9D，保证钻杆在该处的壁厚为（0.98D-0.9D）/2=0.04D。前供油孔径d：6个供油孔的面积之和与内外管之间通油截面基本相等，即6（πd2/4）=π（D-d）/4因此d=

钻头颈部直径D2：D2与D3之间是切削液流出前面的供油孔后，通向切削刃部的通油间隙，其面积应等于或稍小于内外管的流道截面积，由此得：D-D≤D-d,故D2≥其他尺寸参数如方牙螺纹大径D4，小径D5，螺纹头数n，导程p，小制口D6等，可参照BTA钻的计算方法。在所有径向尺寸确定后，应对连接部分强度进行演算，必要时对有关尺寸进行调整。

（9）钻杆长度L双管喷吸钻通常只适用于加1000mm左右的短工件，SANDVIK公司将钻杆长度定为400、630和1070mm三种规格。如自行设计制造，可参照下列经验公式：L=L孔+L套+（80~120）（mm）L孔—工件孔深（mm）;L套—钻套长度（mm）。留量80~120mm中，包括钻杆夹持部分的长度、钻头对孔的超出量、工件末端与钻套之间的间隙（1mm左右）及钻杆后端留量。内管长度比钻杆长度加30mm，以满足连接器定位的需要。

（10）负压喷射槽的设计负压喷射槽又称“月牙槽”或“鱼鳞槽”，用来在内管中产生负压抽吸作用，是双管喷吸钻的关键结构。影响负压抽吸效果的主要因素是：1.喷射槽对内管轴线倾斜角θ；2.喷射槽宽度s；喷射槽总面积；3.喷射槽在内管纵向长度的位置。这些参数应与钻头直径、切削液压力和流量、切削液粘度相匹配，才能取得最佳抽屑效果。

由于双管喷吸钻结构设计中受到的约束条件太多，如内、外管之间的间隙即切削液通道宽度、内管厚度、内管直径即排屑通道直径面积等，很难通过实验方法取得最佳的参数匹配，因此，对负压喷射槽各参数的设计仅限于采用经验方法。图6为喷射槽的示意。

图6喷射槽示意图

（a）喷射槽倾角θθ值越小，负压抽屑效应也越大。但由于受工艺上的限制，一般取θ=30°。（b）喷射槽宽度s供油通道间隙（1~7.5mm）和内管壁厚（0.5~1.5mm）很薄是约束喷射槽宽度（s）值不可能太大的先天条件，否则将难以形成射流。一般s取值0.2~0.4mm。D大时，取大值。

（c）喷射槽长度和数目喷射流应当环绕内管内壁360°，形成一个锥形射流面，又不造成内管在切削液的高压下产生过大变形或断裂。通常采取的办法是：将喷射槽（椭圆曲线之长径区段），沿直径分为两列，每列3个槽，间隔120°排布，每槽占有圆心角60°，两列之间的距离应尽可能靠近，一般取5~10mm

由此可得喷射槽的总面积为6×πd01/6×s=πd01s单位是平方毫米。(d)喷射槽的位置通常设置在距内管末端20~30mm处。但当所加工孔的相对长径比较大时，将喷射槽前移至内管前半段，可取得更好的抽屑效果。有些国外实验结果甚至表明，将喷射槽设在紧靠钻头出屑口喉部的位置，效果最好。双管喷吸钻、钻杆及内管主要参数的经验设计公式及数据列于表1.3-1。(P212)表中个代号的含义同图3、图4和图5。

3.1.3双管喷吸钻连接器

连接器具有三种功能：1.输油;2.抽屑;3.夹持钻杆。采用钻头旋转方式时，连接器还承担将主轴的转矩传给钻头钻杆的功能。

连接器的结构分为两类：见图7，1.钻头不转的连接器2.钻头旋转的连接器。图7钻头不旋转的双管喷吸钻连接器（a）筒形连接器（b）带螺纹柄的连接器

钻头不转的连接器，其功能和外形都与BTA钻的筒式输油器相似：1.油孔接头与输油管相接，供油；2.夹紧螺母1和可更换的弹簧夹头2，夹紧钻杆并自动定心；3.定位台3，定位密封内管末端；钻头直径大于φ65mm时，连接器也可以设计成图7（b），带螺母的短粗形结构。连接器安装在进给刀座上，其末端与排屑橡胶管对接。

钻头旋转式连接器构造较复杂，与圆筒式连接器类似。二者的区别：（1）有一个与机床主轴配合的柄部（莫氏，ISO标准，法兰盘，等等），将机床主轴的转矩和功率传向钻头；（2）有一个不旋转的外壳，以形成进油通道和排屑出口的密封。莫氏锥用于φ18.4~65.00mm，ISO锥柄用于φ65.00~183.90mm；法兰盘用于各种钻头直径。3.3双管喷吸钻连接器

图8钻头旋转式双管喷吸钻连接器

3.1.4双管喷吸钻切削用量选择

双管喷吸钻的切削用量选择原则与BTA钻基本相同：1.根据被加工材质确定刀片牌号，2.结合钻头直径选定进给量（f）值3.根据机床功率、油箱容积等条件决