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1、目 錄 1 引言……………………………………………………………………………1 1.1 課題的研究目的和意義………………………………………………………2 1.2 課題研究的理論基礎…………………………………………………………3 1.3 20世紀現代深孔加工技術的發(fā)展現狀 …………………………………… 4 1.4 設計概述………………………………………………………………………5 2 深孔加工系統的對比分析……………………………………………………7 2.1 槍鉆……………………………………………………………………………7 2.2 BTA系統

2、 …………………………………………………………………… 9 2.3 雙管噴吸鉆系統 ……………………………………………………………13 2.3.1 噴吸鉆的特點 ………………………………………………………………13 2.3.2 噴吸鉆的工作原理 …………………………………………………………14 2.3.3 噴吸鉆鉆頭 …………………………………………………………………15 3 DF系統設計礎 …… ………………………………………………………17 3.1 DF系統的分類 …………………………………………………………… 18 3.1.1內排屑DF系統 …………

3、………………………………………………… 18 3.1.2外排屑DF系統 …………………………………………………………… 18 3.2 DF系統的負壓抽屑機理…………………………………………………… 19 3.3 影響負壓效應的因素 ……………………………………………………… 20 3.3.1 間隙δ對負壓效應的影響………………………………………………… 22 3.3.2 噴射角θ對負壓效應的影響……………………………………………… 23 3.3.3 射流流量Qn對負壓效應的影響……………………………………………24 3.4 DF系統排屑特性分析……………………………

4、………………………… 24 3.4.1切屑形態(tài)及容屑系數R對排屑的影響 …………………………………… 24 3.4.2排屑通道壓力Pc和流量Qc對排屑的作用 ………………………………25 3.4. 負壓效應對排屑的作用…………………………………………………… 26 4 DF系統抽屑裝置的結構設計……………………………………………… 27 4.1 輸油器的設計……………………………………………………………… 28 4.1.1 輸油器的結構設計………………………………………………………… 28 4.1.2 輸油器標準件的選取………………………………………………………

5、30 4.2 抽屑器的設計……………………………………………………………… 32 4.2.1 抽屑器的結構設計………………………………………………………… 32 4.2.2 抽屑器標準件的選取……………………………………………………… 35 5 結論………………………………………………………………………… 39 參考文獻 ……………………………………………………………………… 40 致謝 …………………………………………………………………………… 42 1 引言 制造業(yè)中，通常將長徑比超過5的圓柱孔稱為“深孔”，結構中帶有深孔的零件稱為“深孔零件”，對加工

6、深孔零件為主件的機械裝備稱為“深孔類裝備”，對專門用于加工深孔的裝備（如深孔刀具、深孔加工機床、用于深孔加工機床的專用輔具等）則稱之為“深孔加工裝備”。深孔在功能上與淺孔有本質區(qū)別。相對于深孔而言，長徑比小于5的普通圓柱孔（又稱“淺孔”），是構成各種機械零件的最常見的要素之一。淺孔的主要功能是連接、定位、支承、導向和在近距離內傳輸流體，也可用以實現特定的工藝功能（如工藝孔、工藝槽等）或設計目的（如密閉容器、平衡、改善裝備的力學功能等）。從早期管式火器的發(fā)明到近代槍炮的產生，雖已證明人類認識到深孔零件的特殊功能（密閉容器、能量轉化、精確地向遠距離傳輸介質、能量和信息），但是從實體金屬材料上鉆出深

7、孔并進一步加工成精密深孔，其難度則遠遠大于淺孔加工[1]。20世紀20年代以前，扁鉆、半圓形單刃鉆、麻花鉆等淺孔刀具曾經長期用于加工深孔。由于淺孔加工刀具無法解決連續(xù)自動排屑、刀具自導向和自動冷卻潤滑三大難題，故工效很低、加工質量差、廢品率也高，加工成本十分昂貴。直到20世紀30～40年代，槍鉆和內排屑深孔鉆問世之后，深孔加工技術才步入現代化的發(fā)展進程。 深孔加工技術中所遇到的技術問題是多種多樣的，而且是層出不窮的，但無論在生產實踐中或新技術的研究工作中，排屑問題始終是首當其沖的大課題。從非連續(xù)自動排屑鉆頭到槍鉆的出現，是解決深孔刀具連續(xù)自動排屑問題的首次突破?？梢哉J為內排屑深孔鉆是通過排

8、屑方式的改變才得以實現的。雙管噴吸鉆及DF系統的問世，從根本上說是對BTA實體鉆所存在的排屑功能缺陷進行改進而做出的不斷探索的結果。毫無疑問，排屑問題必然成為深孔加工過程中必須首先加以突破的第一課題，加之目前深孔加工領域內所應用的深孔加工設備絕大多數是基于回轉體深孔件的加工，而相對龐大的市場需求來說，用于非回轉體深孔件加工的深孔設備卻寥寥無幾。這勢必會促進對深孔加工輔具——高效的排屑裝置的研究和開發(fā)。而本課題的任務就在于設計出基于DF系統和BTA深孔鉆頭的非回轉體工件的深孔加工專用輔具。 1．1 課題的研究目的和意義 深孔工件一般分為回轉體工件和非回轉體工件，深孔工件的加工方法一般分以下

9、三種：工件旋轉刀具進給式；鉆頭旋轉進給工件固定式；工件與刀具相對旋轉式。對于各種非軸類、非管類等非回轉體工件的深孔加工，以及在各類非回轉體工件表面上加工坐標孔等，多采用第二種加工方法。 非回轉體工件的深孔加工就是在DF深孔加工系統上采用鉆頭旋轉進給、工件固定式加工方法，在非回轉體工件上加工出工件設計所要求的深孔。 DF系統是基于BTA深孔鉆（屬內排屑深孔鉆類）的深孔加工系統，除了抽屑裝置以外，其余的要素（工件、輸油器、鉆頭和鉆桿）與BTA鉆完全相同。它具有一系列勝于外排屑深孔系統的優(yōu)勢，如鉆桿剛度大，鉆頭與鉆桿可快速拆卸，進給量大，適于鉆大直徑深孔；在所用的機床設備方面，DF系統比BTA鉆

10、適應性更大等等。但其致命的缺陷是排屑通道不足，且孔徑越小，孔的長徑比越大，越容易產生堵屑故障。 結合設計任務書的要求可以明確，這里需要設計出基于BTA深孔鉆的用于加工非回轉體深孔的DF系統專用輔具。從加工過程中所采用的深孔鉆系統以及采用的加工方式兩個角度來考慮，可以確定以下設計目的：（一）設計出在非回轉體工件的深孔加工過程中能夠較好地實現自動連續(xù)排屑、冷卻和潤滑的供油系統和抽屑系統（主要由前裝置輸油器和后裝置抽屑器組成）；（二）由于采用鉆頭旋轉進給、工件固定式的深孔加工方法，這就要求設計出能夠驅動鉆頭旋轉進給的動力頭和控制系統。從本質上講，用于加工非回轉體深孔的DF系統是在傳統的DF系統結構

11、基礎上的改進，但同樣是以輸油器和排屑器所組成的抽屑裝置作為其主要組成部分。它采用一臺結構簡單的抽屑裝置取代了雙管噴吸鉆的一根內管和一套連接器，使雙管噴吸鉆的結構得以簡化，同時，它還在原來的結構基礎上增設一臺電機，用于驅動鉆桿旋轉進給，這是非回轉體深孔加工DF系統結構設計上的意義所在。另外，這種裝置還繼承了DF系統在負壓效應方面的設計思路：第一是噴吸間隙Δ的取值范圍為0.2～0.5mm；其次，前油路流量取為總流量的2/3，而后油路流量取為總流量的1/3，這些基本參數是不變的。 綜觀目前國內的深孔加工市場，絕大多數深孔裝備和深孔輔具均是面向回轉體深孔件加工的，關于回轉體深孔加工的技術相對來說也是

12、比較成熟的。與之形成鮮明對比的是非回轉體深孔加工設備的極度匱乏，和非回轉體深孔加工技術的巨大空白。隨著我國現代化制造業(yè)的飛速發(fā)展，非回轉體深孔件的加工需求亦日趨增長，為了補充非回轉體深孔加工技術的空缺，彌補市場的需求，必須投入一定的人力和財力對這個特定的領域進行研究。 1．2 課題研究的理論基礎 非回轉體零件深孔加工專用輔具設計的主要任務是要設計出一套能夠實現鉆頭旋轉進給，自動連續(xù)排屑的抽屑裝置，在DF系統上采用鉆頭旋轉進給、工件固定式加工方法加工出工件設計所要求的深孔。這就要求必須首先理解深孔鉆削的基本原理。 圖1.1 DF系統示意圖 DF是英文Double Feeder的縮寫

13、。DF的實質是噴射鉆與BTA內排屑鉆相結合的一種深孔鉆削加工系統，既在被加工零件鉆孔端面配置一個以推壓方式提供冷卻液的油密封裝置。也就是傳統的BTA深孔鉆削加工系統，在其后部放置一個能夠產生噴吸效應的裝置。這樣，前部的BTA系統產生推力，后部的噴射系統產生吸力。由于推拉的雙重排屑作用，使冷卻液的流速加快，單位時間內的流量增加，排出切屑的能力就越大。特別適用于小直徑深孔鉆削加工。尤其在可加工性差的材料，不易斷屑的材料加工中應用此系統更能體現出其優(yōu)越性。 DF系統負壓效應產生的機理是：切削液經負壓裝置高速射入排屑通道，與向外流動的切削液混合進行能量交換。排屑通道內向外流動的切削液在射流噴嘴口處的

14、能量轉換區(qū)獲得能量，切削液流速得到提高。這樣，排屑通道內向后流動的切削液在能量轉換前后的流速產生梯度，具有不同的能量，形成壓力差。在能量轉換區(qū)前的切削液壓力低，在能量轉換區(qū)后邊的壓力高，因而產生真空區(qū)，即負壓區(qū)。在負壓區(qū)切削液的流動速度加快，提高了排屑效果。 1．3 20世紀現代深孔加工技術的發(fā)展現狀 20世紀現代深孔加工技術的發(fā)展與貢獻，可歸納為：（1）槍鉆、內排屑深孔鉆的發(fā)明，使精密槍炮管的大批量流水生產成為可能，同時也為槍炮功能的不斷完善提供了重要物質基礎；（2）深孔鉆削技術的現代化，為深孔零件用于各種機械裝備的開發(fā)奠定了基礎。至20世紀末，已經形成跨越各個經濟部門的“深孔類裝備”

15、的特殊裝備門類，例如：石油和煤炭采掘裝備中的抽油泵和液壓支架，大型發(fā)電機轉軸，工程機械、塑料機械和液壓機械中的液壓缸，傳感器及儀表關鍵件，紡織機械、飼養(yǎng)機械關鍵件，冶金、重化工、核電站、材料加工機械等行業(yè)中的加熱器、冷卻器、裂解管道等等。由于深孔所具備的特殊功能的不可替代性，可以預料深孔類裝備將會得到更廣泛地應用[9]；（3）二戰(zhàn)以前，槍鉆、內排屑深孔鉆主要用于相對封閉的軍工行業(yè)，深孔加工機床高度專用化，深孔刀具由兵工廠自行制造。為適應二戰(zhàn)后“軍轉民”的客觀形勢，瑞士、瑞典、西德、日本等工業(yè)國開始建立面對廣大市場需要的專業(yè)化、現代化深孔加工裝備制造行業(yè)。在20世紀60～80年代期間，實現了深孔

16、機床的一系列技術更新（如數控深孔鉆床、深孔加工中心等）和深孔鉆具的硬質合金化、內排屑深孔鉆的錯齒結構、機夾可轉位涂層刀片用于BTA刀具等。為使不具備深孔鉆床的許多中小企業(yè)能夠廣泛采用BTA又稱內排屑深孔加工刀具，瑞典SANDVIK/coromant公司于60年代推出了一種在改裝設備上采用的雙管噴吸鉆(Ejector Drilling)裝備。在此基礎上，日本一家冶金公司于70年代后期進一步推出了一種基于BTA刀具的、只需要單層鉆桿的噴吸鉆系統 (DF系統) 。但是由于這兩種噴吸鉆的功能有限(前者只能用于孔深1000mm以內工件的大批量生產，后者也不適用于孔徑Φ15以下和多品種生產)，所以未能從根

17、本上改變BTA刀具與槍鉆以孔徑大小為界的格局，故在深孔鉆削領域中形成“平分秋色”的總格局；（4）基于20世紀航空航天工業(yè)的發(fā)展，難加工材料、復雜形體、微型元器件的加工制造，促成了特種加工技術的發(fā)展。自20世紀50年代以來，已有多種特殊加工技術在深孔加工中得到較廣泛的應用，例如電解加工、電解珩磨、成形管電板電解加工、電火化加工、電子束加工、電液流加工等。特種加工在深孔加工中的應用，在難加工材料、特殊復雜型面、特小（Φ1mm以下）、特深小孔、異形截面深孔、超精、超光、超薄、超小零件的深孔加工方面具有機械加工方法所難于取代的作用，同時也為深孔加工技術開辟了一個全新的發(fā)展領域。 20世紀微電子技術、

18、數字化技術、材料技術、信息技術的迅猛發(fā)展，為制造技術（特別是裝備制造技術）、生產模式、管理模式的不斷進步注入了新的活力。市場的激烈競爭，要求生產裝備通用化、多功能、自動化、柔性化，以適應產品多品種、批量小、更新快、技術含量高、生產成本不斷降低的新形勢。與傳統制造技術發(fā)展規(guī)律不同的是，深孔加工技術的現代化，必須以其核心技術（排屑、冷卻潤滑和工具自導向）的突破為前提，在此基礎上進一步實現設備的通用化、多功能、自動化、柔性化[17]。 20世紀80年代以來，深孔加工技術發(fā)展中出現的危機，根源在于裝備的核心技術落后和其價格居高不下，其突出表現是：（1）內、外排屑機床、刀具互不兼容。為了加工不同直徑的

19、深孔，企業(yè)必須同時擁有內、外排屑兩類設備工具和相應操作人員，同時導致深孔加工裝備利用率低下，企業(yè)經濟效益不佳。（2）深孔加工機床主要用于鉆孔。深孔加工技術中缺少各種與鉆孔相配套的后續(xù)深孔加工手段。（3）回轉體深孔零件與非回轉零件，在同一深孔加工機床上不可兼容。（4）深孔鉆削對操作技術、加工條件有苛刻的要求。堵屑、刀具損傷、加工致廢等事故易于發(fā)生。僅靠設備的自動化、數控化、柔性化改造，無法從根本上解決問題。 深孔加工裝備價格之所以居高不下，主要原因在于其市場銷量的萎縮、西方工業(yè)國生產成本過高以及深孔加工裝備自身存在的結構和工藝性缺陷；20世紀80年代后，國際經濟格局的變化，特別是我國和亞洲新興

20、工業(yè)國的經濟振興，導致發(fā)達工業(yè)國制造業(yè)的重心轉移；由于少數工業(yè)發(fā)達國家已對深孔加工裝備市場形成壟斷，而發(fā)展中國家一時又無力開發(fā)出更先進的實用技術，導致深孔加工技術及裝備的市場新需求與供給之間出現長期嚴重失衡[1]。 1．4 設計概述 本文從深孔加工技術的發(fā)展歷程著手，導出DF系統較其之前出現的種種深孔加工系統的優(yōu)勢，以及其在現代深孔加工中的重要地位；繼而簡要介紹了DF系統的工作機理和設計過程中所需要注意的幾個要點，并指出了非回轉體深孔件的DF系統與回轉體深孔件的DF系統在功能上和結構設計中的不同點；最后在設計理論明確和設計手段充分的基礎之上，結合設計課題的要求完成對非回轉體深孔件DF系統

21、專用輔具（輸油器和抽屑器）的結構設計。 2 深孔加工系統的對比分析 根據所采用的冷卻、排屑系統的不同，可將深孔加工系統分為以下幾類：槍鉆系統、BTA系統、雙管噴吸鉆系統、DF系統，以及新近問世的SIED系統。這些系統除用于與之對應的鉆頭進行鉆削外，亦可以用于其它深孔刀具的切削加工，如深孔鏜削、鉸削和珩磨等。 在上述各類深孔加工系統中,槍鉆屬于外排屑深孔鉆,其余幾種均屬于內排屑深孔加工系統。槍鉆適用于加工小孔徑的深孔，并且具有良好的自導向功能。與槍鉆相比,內排屑深孔加工系統則有以下優(yōu)點: (1)由于切屑是由鉆桿內部排出，切屑不會劃傷

22、已加工孔表面，已加工表面質量較好，排屑流暢；(2)鉆桿為圓形截面，其扭轉剛度及彎曲強度比槍鉆高，因而進給量大，生產效率高；(3)排屑空間大，冷卻潤滑液的壓力比槍鉆低，一般為0.5～3MPa。因此對密封及供油系統的要求比槍鉆低；(4)加工范圍廣。內排屑深孔鉆既可用于較大孔徑的深孔加工，也可用于較小直徑如Φ6mm)的深孔加工；(5)內排屑深孔鉆既可用于鉆孔，也可在一定的余量范圍內用于擴孔。 2．1 槍鉆 槍鉆（gun drill）產生于1930年，是最早用于實際生產的一種單邊刃切削外排屑深孔鉆頭。因其產生于槍管和小口徑炮管制造，故名槍鉆。最早的槍鉆有鉆頭（切削部分）、鉆桿和鉆柄（driver

23、）三段焊為一體，鉆頭切削刃偏離軸線一側的鉆尖區(qū)分出內、外兩個切削刃。沿鉆頭和鉆桿的全長上有一個前后貫通的V形排屑槽。鉆桿由薄壁無封鋼管軋出V形槽而成。鉆頭上與V形排屑槽的對側有通孔，與鉆桿的空腔相連，構成切削液供入通道。槍鉆曾演變出不同的一些異形結構和雙邊刃外排屑鉆頭。但各種雙邊刃外排屑鉆頭并不具有槍鉆的自導向功能，從嚴格意義上講不應該稱為槍鉆，但可列入外排屑深孔鉆門類。 槍鉆系統屬于外排屑方式，其結構如圖2.1所示，主要由中心架、扶正器、鉆桿聯結器和冷卻潤滑油路系統組成。其中中心架輔助機床卡盤用于裝夾工件；扶正器主要用于鉆頭人鉆時導向，并提供向外排屑的通道；尾架用于夾持鉆頭柄部，支

24、圖2.1 槍鉆系統 承鉆削扭矩和軸向力。槍鉆系統的工作原理是：切削液通過尾架上輸油入口進入鉆桿內部，到達鉆頭頭部進行冷卻潤滑，并將切除的切屑從鉆頭外部的V型槽中排出。由于切屑由鉆頭和鉆桿外部排出，容易擦傷已加工孔表面，其加工質量要低于內排屑方式的系統。該系統主要用于小直徑(一般Φ＜20 mm)深孔加工。 圖2.2 槍鉆的結構 槍鉆由頭部1、鉆桿2和傳動部3(柄部)三部分組成，如圖2.2所示。鉆頭材料有高速鋼和硬質合金兩種，并與鉆桿焊接為一體。目前常用硬質合金槍鉆。為了保證焊接牢固，定位準確，常采用如圖2.3所示的焊口形式。在焊接后，進行校直、精磨工序，以保證頭部與柄部的同軸度

25、。槍鉆的這種不可拆卸結構帶來了一些本質性的缺陷，如重磨時拆卸、安裝不便，鉆頭報廢時鉆桿不能重復使用，因而也增大了刀具成本等。鉆頭直徑越大，鉆桿越長，上述弊端就越顯著。這是槍鉆不適用于加工Φ35mm以上深孔的一個重要原因。 圖2.3 槍鉆鉆頭焊口形式 2．2 BTA系統 由歐洲跨國研究機構“鉆鏜孔與套料加工協會”（Boring and Tempanning Association，縮寫為BTA）對德國人Beisner發(fā)明的一種單邊內排屑自導向深孔鉆進行改進后推出的三種規(guī)范化深孔鉆頭的總稱（BTA 實體鉆、BTA擴鉆、BTA套料鉆）。 由于槍鉆不太適用于較大直徑深孔的加工，Beisn

26、er于20世紀40年代初參照槍鉆單邊刃切削及自導向的兩大基本特點，推出一種由鉆桿和鉆頭外部供入切削液，從鉆頭和鉆桿內腔排出切屑的內排屑深孔鉆頭。由于鉆頭體和鉆桿為空心圓住體，以方牙螺紋互相連接，易于拆裝更換，從而成為鉆大直徑深孔的理想鉆頭。Beisner鉆頭的切削刃與槍鉆十分相似，只有一個出屑口，專用于實體鉆孔。后經BTA改進，成為規(guī)范化的雙出屑口錯齒BTA鉆，并同時推出了結構功能類似的一種BTA擴鉆和一種BTA套料鉆，總稱為BTA鉆。 BTA系統屬于內排屑方式。其結構如圖2．4所示。主要由中心架、輸油器、鉆桿聯結器和冷卻潤滑油路系統組成。BTA系統中的輸油器與槍鉆系統中的扶正器功能不同，輸

27、油器除了具備導向扶正功用外，還提供了向切削區(qū)輸油的通道。BTA系統的工作原理是：切削液通過輸油器從鉆桿外壁與已加工表面之間的環(huán)形空間進 圖2.4 BTA系統 入，到達刀具頭部進行冷卻潤滑，并將切屑經鉆桿內部推出。該系統使用范圍廣泛，適用于深孔鉆削、鏜削、鉸削和套料，但受到鉆桿內孔排屑空間的限制，主要用于直徑Φ＞12mm的深孔加工[24]。 單刃內排屑深孔鉆（BTA鉆）的結構如圖2.5所示。鉆頭的切削部分主要由內刃、外刃、鉆尖、導向塊以及排屑孔組成。刃形和切削過程與槍鉆相似，但切屑從深孔鉆內部排屑孔中排出。鉆頭圓周上布置有兩個導向塊，切削刃一般磨有兩個或更多的分屑臺階。出于冷卻液和切屑

28、的排出都集中從一個排屑口進入鉆桿，相對就保證了冷卻液的流量和壓力，有利于排屑。與多刃錯齒內排屑深孔鉆比，所受的徑問力及扭矩較大，導向塊的磨損較嚴重；所需的功率較大，一般只適用于中小直徑的深孔加工。 單刃內排屑深孔鉆結構簡單，制造容易、刃磨及重磨方便，它所適用的孔徑范圍為6～65mm，最大可達100mm；孔的長徑比可達100，最大達250；加工精度達IT28～IT10級，孔表面粗糙度為Ra3．2～0．8μm。對于直徑為6～12mm的小直徑內排屑深孔鉆，為便于刀塊的制造與焊接，可以將硬質合金刀塊做成“T”型整體，焊在空心鋼管上，“T”型刀塊的主刃與導向塊連成一體。也可采用兩塊硬質合臺分別焊在鉆桿

29、上，形成切削刃和導向塊。直徑d0＜50mm的單刃內排屑深孔鉆，常采用焊接式結構，刀片和導向塊都直接焊在刀體上。直徑大于50mm的，則多采用機夾式結構。 圖2.5 BTA鉆頭結構 單刃內排屑深孔鉆僅有一個排屑口，為便于分屑和排屑，必須將切削刃磨成分屑階梯刃。鉆頭直徑越大，分屑階梯刃的數量就愈多，刃磨工作量及難度也愈大；鉆頭焊接后的殘余應力容易產生焊接缺陷。整體式刀片結構不僅硬質合金耗量大，而且不能針對刀刃各處的具體切削狀態(tài)合理選擇刀片材料。單刃鉆頭的徑向力較大，扭矩較大，容易產生打刀、扭鉆現象，同時導向塊受到的壓力大，容易磨損。 單刃內排屑深孔鉆（BTA鉆）切削部分的切削力分布及

30、切削扭矩的變化與單刃外排屑深孔鉆(槍鉆)基本相似。當鉆削開始時，鉆頭通過導向套或工件的引導孔引導鉆削，見圖2.6。由于導向套(或引導孔)與鉆頭間有間隙，鉆刃在徑向力的作用下，將鉆頭壓向導向套的一邊，使鉆頭與導向套之間一邊有間隙，另—邊無間隙。開始時鉆出的孔小于鉆頭直徑，如I～Ⅱ段,當導向塊一進入已加工孔中，則導向塊一方面與孔壁摩擦擠光，同時又把切削刃擠向外側，使孔徑擴大至最終尺寸。由于這一時刻(Ⅴ段)鉆頭的摩擦扭矩迅速增大到最大, 鉆頭常常會突然產生抖動，切削刃和導向塊容易損壞。通常在工件的入口端會出現喇叭口，其大端尺才約等于導向套的孔徑。 圖2．6 BTA鉆切入工件過程中扭矩的變化

31、 相對于單刃內排屑深孔鉆而言,還有一種BTA鉆叫多刃錯齒內排屑深孔鉆。多刃錯齒內排屑深孔鉆是將相錯開的刀齒分別置于鉆頭排屑槽的兩側，徑向錯齒排列有3～7個刀齒(小直徑取小值)，各刀齒間相錯開且留有少量搭接量。圓周上還分布兩個導向塊，刀體與鉆桿用方牙螺紋聯接，見圖2．7 3 DF系統設計基礎 20世紀70年代中期，日本冶金有限公司利用流體噴射所產生的負壓效應，設計出一種深孔鉆抽屑裝置，裝設在BTA鉆進刀座位置，從鉆桿末端產生負壓以促進排屑。這種系統所用的深孔刀具BTA刀具完全相同，其輸油器BTA鉆也完全相同，只是將切削液分出另外一支用以產生噴流。因此，這種深孔抽屑裝置與BTA鉆的單一油路

32、相比成為一種與之相區(qū)別的雙向供油系統（Double Feeder System，簡稱DF系統），因而命名為DF系統。DF技術于1980年在日刊《機械技術》上相繼報道后，由于其抽屑裝置比較簡單，刀具成本低于雙管噴吸鉆，將現有內、外排屑深孔鉆床或車床進行簡易改進后即可采用。DF系統特別適合于鉆Φ16～Φ30mm的深孔，具有比BTA鉆排屑狀況好，比槍鉆、雙管噴吸鉆投資少、成本低等優(yōu)勢，因而在我國的應用比較廣泛。 到了80年代，DF原理披再次被推廣應用到外排屑鉆削系統中。該系統不僅可以應用到槍鉆床上，解決了小直徑深孔的排屑、密封等難題，而且還可以應用到普通立式鉆床和普通車床上，為解決深孔麻花鉆鉆深孔

33、的冷卻、排屑問題開避了一個新途徑。 槍鉆為內排屑深孔鉆，鉆桿的結構決定了其剛性不足，只能適用于小孔徑的零件加工，加工效率低，加工質量較差。但槍鉆的密封問題容易解決。BTA系統的產生是深孔加工技術的一大突破。BTA系統的特點是冷卻潤滑液由鉆桿和已加工孔壁之間的環(huán)形通道輸入切削區(qū)，而后帶著切屑一起由鉆桿排屑通道排出。鉆桿剛性好，可鉆直徑60mm以上的實心孔；由于切屑從鉆桿內排出，避免了切屑劃傷孔壁，孔壁與鉆桿之間的切削液對鉆桿起不到減振作用，但BTA系統存在密封裝置制造復雜的問題。噴吸鉆系統的發(fā)明克服了BTA系統的不足，比較巧妙地解決了BTA系統壓力頭的密封問題。噴吸鉆的特點是采用內外鉆桿，冷卻

34、液通過二管之間隙輸入，其中的一部分冷卻液經二管之間的環(huán)形空間進入切削區(qū)，起潤滑、冷卻、排屑的作用；另一部分冷卻液通過內管上的噴口進入內管排屑通道，在排屑通道內形成一個局部真空區(qū)，對切削區(qū)冷卻和切屑產生抽吸作用。但噴吸鉆存在的缺點是：由于采用內外鉆桿，排屑空間受到限制，所以鉆削直徑一般大于18mm,同時加工精度也略低于BTA系統。而DF系統綜合了BTA系統和噴吸鉆系統的優(yōu)點，將推吸排屑加以結合大大提高了系統的排屑能力，同時也降低了鉆桿的制造難度，使得鉆孔的最小直徑可達到6mm[20]。 作為本課題設計的主要理論基礎，本節(jié)將介紹DF系統的構成和工作原理，并著重對DF系統的負壓抽屑機理和排屑特性進

35、行分析。 3．1 DF系統的分類 DF系統按其排屑方式可以分為內排屑DF系統和外排屑DF系統，分別用于DF深孔鉆和槍鉆鉆削加工[8]。 3．1．1 內排屑DF系統 內排屑DF系統由工件1、鉆頭2、輸油器3、鉆桿4和負壓抽屑裝置5構成，如圖3.1所示。它的工作原理是：大部分(約2／3)切削液從輸油器進入， 圖3.1 內排屑DF系統 通過鉆桿外壁與已加工表面之間到達切削區(qū)，冷卻潤滑鉆頭，并沖擊切屑，將之從鉆桿內部推出；另一小部分(約1／3)切削液從負壓裝置進入，通過噴嘴直接到達鉆桿內腔，并向后高速噴射，在鉆桿內產生負壓，將切削區(qū)的切削液向后抽吸。切屑在兩路切削液的推、吸雙重作用下，

36、排屑十分流暢。內排屑DF系統的噴嘴通常采用錐形和月牙槽形兩種形式。 3．1．2 外排屑DF系統。 外排屑DF系統由工件l、鉆頭2、負壓抽屑裝置[3],[4]3和輸油器4構成，如圖3.2所示。其工作原理是：大部分切削液從鉆桿尾部進入．通過鉆桿內部到達切削區(qū)，冷卻潤滑鉆頭，并將切屑從V型槽或螺旋槽中推出；另一小部分切削液從外排屑負壓裝置進入，通過噴嘴到達鉆桿外壁，并向后噴射，在鉆桿v型槽或螺旋槽內產生負壓，將切削區(qū)的切削液和切屑向外抽吸，促使切屑排出。因為外排屑負壓區(qū)的截面積較小，為了噴射充分，噴嘴一般采用圓錐形噴嘴。 圖3.2 外排屑DF系統 3．2 DF系統的負壓抽屑機

37、理 DF系統負壓產生的機理是：切削液經負壓裝置高速射入排屑通道，與向外流動的切削液混合進行能量轉換。排屑通道中向后流動的切削液，在射流噴嘴口處的能量轉換區(qū)獲得能量，切削液流速得以提高。這樣，排屑通道內向后流動的切削液，在能量轉換前后的流速產生梯度，具有不同的能量，形成壓力差。在能量轉換區(qū)前 圖3.3 排屑通道 的切削液壓力低，在能量轉換區(qū)后邊的壓力高，因而產生真空區(qū)，即負壓區(qū)。在負壓區(qū)切削液的流動速度加快，增強了排屑效果。 取切削區(qū)排屑通道入口至負壓噴口之間的單元流體為研究對象，如圖3.3所示。 （1）無負壓效應情況下，能量方程為： 式中：ZⅠ，ZⅡ ——Ⅰ，Ⅱ截面處的比

38、位能； PⅠ，PⅡ ——Ⅰ，Ⅱ截面處的平均壓力； vⅠ, vⅡ ——Ⅰ，Ⅱ截面處的平均流速； αⅠ, αⅡ——Ⅰ，Ⅱ截面處的動能修正系數； ρ ——冷卻液密度； hL ——沿程能量損失。 對于我們研究的對象，ZⅠ=ZⅡ, vⅠ=vⅡ=v，因為是紊流，αⅠ=αⅡ=1。于是有： PⅠ-PⅡ= ρghL (2) （2）在有負壓效應的情況下，能量方程為： 同樣ZⅠ,= ZⅡ, , αⅠ,= αⅡ, 在有負壓的情況下，vⅠ,≠ vⅡ, , vⅠ,= vⅡ= v,若假設沿路能量損失受負壓效應的影響不大，即hL

39、, = hL則根據(3)式得： 將式（2）與式（4）比較可知： （1）由于負壓區(qū)的負壓作用，使排屑通道壓差增大，其壓差產生的抽吸力直接作用在排屑通道中的切屑上，實現主動抽屑。 （2）負壓區(qū)壓力越低，則排屑通道壓差越大，負壓抽屑效果就越好，系統排屑能力也就越高。中:△ v = vⅡ, - vⅡ ,即有負壓效應時,負壓區(qū)流速增量。 4 DF系統抽屑裝置的結構設計 由于課題的設計是基于DF系統的深孔輔具設計，所以設計任務應建立在基本的DF系統之上，又因為課題的設計任務是針對非回轉體深孔零件的加工，則設計結果必須要能夠滿足這一特定的要求，這就是課題的宗旨之所在。結合所學知識以及參閱的

40、相關資料，現制定出基本設計思路：在傳統的回轉體深孔DF系統基礎上加以改進，使之能夠實現對非回轉體深孔件的加工。由于傳統的DF系統多采用工件旋轉、刀具進給的加工方式，而對非回轉體深孔件的加工則要求采用工件固定、刀具旋轉進給的加工方式，這就提出了一個便捷的設計思路，即對回轉體深孔加工DF系統進行結構上的改進，同時將加工進給方式改為工件不動，刀具邊進給邊旋轉。主要結構改變在刀具后裝置上，刀座卡盤和負壓抽屑器由固定不動式改為旋轉式。同時對與之相關的配套的輔具也進行改進，使之能夠完成設計任務的要求。現給出傳統的DF系統配置示意圖如下： 圖4.1 DF系統配置示意圖 在上文中已經比較詳細地介

41、紹了DF系統的工作機理,這里不再闡述。從以上示意圖中可以看出，DF系統主要由兩個部分，即由5—輸油器、8—抽屑器組成，以下從功能實現的角度來分別對兩個組成部分進行結構設計。 4．1 輸油器的設計 DF系統的輸油器與槍鉆加工系統的輸油器在原理上是不同的，但與BTA鉆的輸油器在結構上是類似的。槍鉆的輸油器與刀具的進給座作成一體，將高壓切削液通過槍鉆鉆柄導入槍鉆的進油通道。在槍鉆不旋轉的情況下只要進給座具備使鉆柄定位、夾緊和傳送扭矩、保證密封的功能即可，其結構比較簡單。DF系統與BTA鉆的輸油器都是布置在機床的前端，所以又被稱為抽屑前裝置，二者均通過鉆套與鉆桿之間的環(huán)狀空隙和切削刃與導向條之

42、間的空隙將切削油導向切削刃部。 4．1．1 輸油器的結構設計 圖4.2 DF系統輸油器結構圖 以上是加工回轉體深孔件時采用的DF系統輸油器結構圖。下面結合設計要求在該結構的基礎之上進行改進。 （1）輸油器前部的結構設計：結構圖在輸油器的前端出口處，圖中6—軸承的設置是為了使鉆套能夠緊貼工件并隨同工件一起旋轉。這樣設計是為了保證加工過程中工件與鉆桿的同軸度，盡可能地防止鉆頭在切削過程中發(fā)生走偏的現象；同時鉆套的錐面與工件上預鉆的錐孔面在軸向的擠壓力作用下緊密配合，防止切削液外漏，起到對油路的密封作用。但在加工非回轉體工件時，由于采用的是鉆桿邊旋轉邊進給而工件固定的加工方式，則不再

43、需要鉆套與工件旋轉，取而代之的是鉆頭的旋轉進給。故以上結構中用以支撐鉆頭旋轉的軸承可以去掉。去掉軸承后的結構仍然采用鉆套的錐面與工件錐孔緊密配合的方式來防止切削液的外漏。 這里鉆套的設計是個要點。鉆套內徑與鉆頭之間的間隙，對深孔鉆切入階段的正常工作有著重大的影響。間隙過大會加大鉆頭走偏。根據國內外的實踐經驗，對于Φ50mm以下的鉆頭，新鉆頭與新鉆套之間的直徑差應不大于0.01mm；已磨損的鉆套，其直徑的最大磨損量應控制在0.005mm范圍內。Φ50mm以上的鉆頭與新鉆套之間的間隙應不大于0.02mm，鉆套的直徑磨損量通常情況下應不大于0.01mm。 （2）輸油器進油口位置的改設：考慮到安裝

44、的方便，現將以上結構中的進油孔由輸油器頂端改設在側壁上。結合設計總體布局，加工系統的油缸設置在床身右面，故進油孔適宜開設在輸油器的右側壁上。 （3），輸油器后部的結構設計：由于圖4.2中9—密封套的選材是在鉆桿不旋轉的情況下進行的，其密封要求相對來講屬于一般性的靜態(tài)密封。而根據設計要求，鉆桿在加工過程中是高速旋轉的，這就需要在上述結構基礎上做適當的修改。需要注意的就是密封套的選材和結構設計。加工過程中鉆桿高速旋轉，選用金屬材料的密封套容易對鉆桿造成磨損，橡膠密封套則對鉆桿有很大的摩擦轉矩，故一般選擇硬塑料，也可以使用軟木料代替。密封套除了保證切削液不泄露這一基本功能之外，實際上還起到了支撐鉆

45、桿的作用。密封套因磨損而必須及時調節(jié)更換，當更換不同直徑的鉆桿時，需要相應地更換不同直徑的密封件。 本團隊全部是在讀機械類研究生，熟練掌握專業(yè)知識，精通各類機械設計，服務質量優(yōu)秀?？扇梯o導畢業(yè)設計，知識可貴，帶給你的不只是一份設計，更是一種能力。聯系方式：QQ712070844，請看QQ資料。 5 結論 本課題是在傳統的回轉體深孔加工DF系統基礎上，經過適當的改進設計出了一套非回轉體深孔加工DF系統。由于在設計中許多難題是暫時無法克服的，所以這套機構無論在功能上還是結構上，都存在設許多的不足，最終能否投入使用還有待于實踐的檢驗。我將會繼續(xù)關注深孔加工技術的發(fā)展情況，以進一步完

46、善對該課題的設計研究。 畢業(yè)設計是大四畢業(yè)生四年所學知識的總結匯報，是對大四學生踏上工作崗位，或者開始更進一步學習之前的最后一次實戰(zhàn)檢驗。我結合課堂所學知識，潛心鉆研設計題目，通過到圖書館借閱相關書籍，以及上網搜尋相關期刊和論文，我翻閱了大量設計參考資料，比較詳細地了解了深孔加工技術的發(fā)展和現狀，認識并區(qū)分清楚了幾種典型的深孔加工系統，尤其對DF系統的結構、工作機理有了更為深刻的了認識；為了得到對深孔加工系統的直觀認識，搜集第一手的設計資料，進入設計后期階段，我經常進入我專業(yè)工藝研究所鉆研機床結構，觀察工藝員的操作過程，并及時記錄下一些重要的加工工藝和結構參數，還就一些加工過程中出現的問題請

47、教了現場的師傅；為了克服設計難關，及時解決設計中出現的問題，我們定時與導師聯系和溝通。通過導師的解惑答疑我的畢業(yè)設計得以順利進行；在設計過程中大家都有一些自己難以解決的實踐難題，比如對制圖軟件的某些操作不熟悉，對設計論文格式的編排有些不了解，但經過大家的相互交流，這些問題都相繼得到解決。最終，我的畢業(yè)設計得以順利完成。 通過這次畢業(yè)設計，我鞏固了以往所學的各科知識，充實了自己的知識結構，掌握了機械設計的基礎知識；同時，我更加明確了自己的學習方向，進一步理解了什么才是科學的學習方法和嚴謹的工作作風，為我將來走上各種崗位打下良好的基礎。 參考文獻 [1] 王峻.現代深孔加工

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