淺析深孔加工刀具設計的方法

王羽

摘 要：現階段深孔加工刀具在各制造領域中的應用范圍較廣，為從根本上提高深孔加工刀具設計水平，還需要結合深孔加工刀具特征，優化實際加工方案，加強深孔加工刀具設計管控力度。本文就針對此，以減震器、裝配式深孔鉆頭為例，提出該刀具設計難點，提出深孔加工刀具設計手段，以期為相關工作人員提供理論性幫助。

關鍵詞：深孔加工刀具;設計;方式

前言：

相較于其他刀具加工工作而言，深孔加工刀具設計工作的難度更高，專業性更強，在具體加工過程中排屑冷卻難度大、生產成本應當得到嚴格管控。由于深孔加工刀具種類較多，本文只選取減震器、裝配式深孔鉆頭設備作為深孔加工刀具設計方式論述對象。

1、深孔加工刀具概念

深孔加工刀具主要就是孔深與孔徑比值大于5～10的孔。普通孔深加工工作可以使用麻花鉆接長方式加工。但對于孔深較大的加工工作，需要配合使用專用加工設施，如專用深孔加工機床、深孔加工刀具等。在深孔加工的孔為半封閉情況下，實際加工期間會存在排屑難度大、導熱性能較差、冷卻潤滑難度較高等問題。部分刀具在具體應用過程中也容易抖動、振動與變形。

現階段深孔加工刀具主要分為外排屑單雙刃深鉆孔、套料鉆、內排屑刀具等多種類型，實際應用范圍更為廣泛。以外排屑單雙刃深鉆孔刀具為例，該刀具鉆尖偏離軸心，會生成內刃及外刃。外刃結構較短，內刃結構較長。外刃生成的主角也會大于內刃生成的副偏角，導致外韌上的徑向力大于內刃上的徑向力，并且該力始終處于同一作用的導條上，使導條能夠充分發揮出以支撐導向作用，避免鉆頭出現鉆偏問題。在孔徑增大過程中，與孔壁產生輥光作用，以從根本上提升深孔加工設備的圓度以及整體加工質量。

2、減震器深孔加工刀具設計方式

2.1減震器構件結構概況

減震器中的某一構件需要采用深孔加工刀具。該構件毛坯為壓鑄成型，加工余量為1～2。構件主要使用鋁為原材料，具有深孔加工特征，對孔中的精度要求較高，僅采用傳統加工方式難以從根本上保障刀具實際加工水平。

2.2減震器構件結構設計難點

由于該構件內孔精度要求較高，深孔直徑為350，表面粗糙度為0.8，具有深孔加工特征。同時，深孔加工刀具的刀桿細長、高度較差，容易在具體生產過程中出現振刀現象。因構件主要以鋁為原材料，在切削加工期間的切削流向性及排屑期間的切削容易擦到工件內孔表面，導致工件內孔橢圓及內孔表面粗糙度難以滿足實際生產要求。

2.3減震器深孔加工刀具設計方式

結合深孔加工特征以及鋁材性質，將原刀具結構進行優化。為使減震器構件內孔尺寸精度以及表面粗糙度能夠與具體設計要求相符，還可以使用鉆、擠一體式深孔加工刀具結構。在刀具上增加排屑以及冷卻液通道，利用冷卻液壓力促進切屑排出。將機床動力連接在刀柄螺紋上，增加刀桿長度，滿足孔加工深度要求。加工方式可使用精車加工、滾壓加工方式，加工期間的擠壓余量應當為0.02～0.5毫米。

3、裝配式深孔鉆頭設計

3.1裝配式深孔鉆頭特征

隨社會經濟與科技技術發展速度不斷加快，新材料、新工藝的廣泛應用在零部件加工制造過程中。其中，深孔加工的加工難度較大，實際加工質量極易受到諸多因素影響?，F階段加工微小深孔直徑構件時需要配合使用振動鉆孔、激光鉆孔、電火花鉆孔等手段。如孔徑大于20毫米，深孔加工多為機械鉆孔方式。

裝配式深孔鉆頭是在傳統深孔加工刀具基礎上演變而來的先進加工設施。相較于普通加工刀具而言，裝配式深孔鉆頭結構剛性較強、導向性好、切削較為穩定，加工質量與效率能夠得到根本上保障。

3.2裝配式深孔鉆頭設計

裝配式深口鉆頭主要由硬質合金鉆心組成，中心鉆具肩負起塑性切削職責，分擔大部分的切削力，以從根本上提升定位精準度，滿足深孔加工期間的導向性要求。

通過將中心鉆頭代替原有橫刃結構，可進一步增強深孔鉆削工作的可靠性，減少切削作用力。

3.3深孔加工刀具刀片設計

首先，在切削刃設計過程中，刀片處于正幾何角轉位，主切削刀具的前角為25度。刀具帶有副切削刃，在實際加工制造中需要引導刀具運行方向，以切實增強加工孔的直線性。由于副切削刃會直接影響到加工孔質量，因此還需要其后角位于2～10度之間，避免在實際應用過程中出現崩刃等問題。在加工后，成孔的技術參數需要滿足實際設計要求，即倒錐量需要為0.0005～0.001毫米，表面粗糙度應當為3.2～0.8微米。

3.4分屑槽與斷屑槽設計

因切削刃較長，產生的切削寬度較大，不容易出現卷屑或斷屑問題，在切削刃一段的1/4處細化切削，可以從根本上提升實體加工效率。在裝配第2個刀片時，分屑槽需要相互錯開設置，以實現最佳分屑效果。斷屑槽的槽型窄后寬的開口槽，槽體角度為8～10度。槽底處有正刃切角，使切削形成管狀或環狀碎屑向工件外流出，最大限度降低切屑期間雖屑劃壞工件表面、纏繞工件鉆頭等問題發生幾率，從根本上提升深孔加工刀具運行水平。

3.5刀片材料設計

結合加工材料性質、實際加工要求，選擇適宜的深孔加工刀具刀片材料，從根本上提升刀具運行效率，降低刀具在實際應用期間的安全事故發生幾率。現階段刀具材料可以為高速鋼、硬質合金鋼、金剛石、立體碳化硼等。為切實保障刀具運行效果，控制刀具生產成本，還可以在硬質合金刀片上設置約5～10毫米的金剛石涂層，有效控制刀片體積，使刀片能夠在后續使用過程中更加容易被更換。

3.6鉆頭與鉆柄的聯接設計

在深孔加工刀具設計過程中，還需要著重關注鉆頭與鉆柄的連接設計工作?，F階段鉆頭與鉆柄主要采用凸臺方式聯接。刀具在此種聯接下能夠滿足高速旋轉、較大給進量要求，并且為構件加工工作提供較為穩定的傳遞力以及扭矩，實際傳遞效果可以達95%。在鉆柄前端會設置特殊的容屑槽。容屑槽需要與刀體上的容屑槽聯接在一起。由于容屑排槽空間較大，能夠切實提升切屑水平。不僅如此，潤滑液可以在切削刃使用時冷卻，沖刷帶出切屑，避免在實際生產制造過程中因切屑對構件生產質量造成嚴重不利影響。

鉆柄尾部結構可以結合加工機床性能設計，現階段大部分的機床結構可以采用莫氏錐孔。

3.7深孔加工刀具的受力分析

為確保深孔加工刀具能夠在深孔加工過程中發揮出重要作用，還需要對刀具的受力情況展開細致分析。具體來說，在鉆削工作開展期間，切削刃應當承受住來自軸向力、徑向力、主切削力等三方向力的作用。如徑向力控制不當，則會在實際深孔加工作業中出現孔道偏斜或者孔徑擴大等問題，嚴重影響到孔道加工質量與效率。在鉆頭受力變形的情況下，變形系統可作為具備彈簧及阻尼器的單自由度振動系統。

具體設計工作開展期間，兩個深孔加工刀具之間的切削刀片可以采用對稱分布方式，要求切削刃長度相等，以有效抵消徑向力，配合使用中心鉆定位手段，著重控制定位位移誤差問題，保障定位精準度，降低深孔加工期間質量問題發生幾率。

總結：總而言之，通過分析深孔加工刀具設計方法，發現在現階段深孔加工刀具設計過程中，需要著重關注孔加工技術問題，積極引進先進的設計理念與設計方式，從根本上提高深孔加工刀具設計效率，確保設計出的深孔加工道具能夠在保障制造企業核心經濟利益中發揮出重要作用。

參考文獻：

[1]曹帥. 基于精確導向的深孔刀具優化設計研究[D].中北大學，2019.

[2]趙小剛.深孔類零件的工裝設計與刀具改進分析[J].南方農機，2017， 48 （02）：31.

[3]李政銀.大長徑比深孔選擋閥及刀具設計[J].金屬加工（冷加工）， 2016 （17）：51-53.

[4]王唯. 深孔鉆削加工切削參數專家系統設計與研究[D].中北大學， 2016.