大規格套料鉆的設計與應用

張懷緒

西安思源學院 陜西西安 710038

1 序言

在機械加工中，要加工大規格的孔，通常比較困難。傳統的方法是先鉆底孔，然后鏜孔，生產效率很低。根據市場的需求，某單位要求在大型機械產品零件上直接加工出孔直徑為248mm、孔深為400mm的大規格孔，工件材質為45鋼。經過分析，設計一種大規格可轉位套料鉆，裝夾硬質合金刀片，進行套料加工。筆者聯合某工具制造公司承擔了這種大規格套料鉆的設計及加工。

2 套料鉆的結構分析

（1）切削部分 由于需加工的工件孔直徑達248mm，孔深達400mm，所以，需合理確定套料鉆內外刀片之間的距離，合理搭配排列刀片，既要保證套料加工時切削鋒利，又要保證套料鉆體的強度和剛性。套料鉆有效鉆孔深度應超過工件孔深20～40mm，以便切屑流暢排出。同時，需合理選擇硬質合金刀片的形狀、角度參數及材質。套料鉆的鉆體需選用優質鋼材（合金鋼等），且需經過調質處理[1]。

（2）排屑部分 套料加工，排屑很關鍵。如果排屑不流暢，會因切屑堵塞、擠壓損壞鉆體，導致工件報廢或者損壞機床。因此，需合理確定排屑槽的大小，沿套料鉆管體軸線方向排屑槽的長度應超過工件孔深25～40mm，以便切屑流暢排出。

（3）切削液供給部分 套料鉆加工時，切削液以一定壓力從套料鉆管體內流入切削區（內齒刀片刀尖伸出套料鉆管體內壁約1.5～1.8mm，切削液從套料鉆柄部進入中間連接法蘭，再經過連接法蘭進入套料鉆管體內，沿內齒刀片刀尖與套料鉆管體內壁的環狀縫隙，最后流入切削區），在內、外齒的切削區排屑槽內，沖刷切屑，使切屑隨切削液進入套料鉆管體外的軸向排屑槽內，沿軸向排屑槽流出，一般切削液壓強為0.8～1.2MPa[2]。

（4）套料鉆管體與安裝柄部的連接部分 安裝柄部的結構及尺寸由用戶機床裝夾部位的要求決定。柄部結構可以是7∶24錐柄，也可以是削平柄等。通過設計一個法蘭盤，將套料鉆管體與柄部結構連接成一體。需合理設計定位基準，以保證柄部與套料鉆切削頭部的同軸度，同軸度一般為φ0.01～φ0.03mm[3]。

3 套料鉆設計與應用

3.1 套料鉆結構及切削參數設計

根據用戶的加工材料及加工設備，套料鉆刀片采用材質為YT14的硬質合金可轉位刀片，且采用刀片座式結構（保護套料鉆管體），刀片安裝在刀片座上，然后將刀片座安裝在套料鉆管體上。

由于大規格套料鉆材料去除量比較大，為了快速切削去除工件孔部的材料，而且減輕切削時的振動，因此采用帶孔凸六邊形刀片和帶孔正四邊形刀片搭配搭接排列的方式，凸六邊形刀片有良好的定心作用，正四邊形刀片能高效、強力地去除工件材料。刀片在圓周方向排列順序為：外齒配合刀片、外齒刀片、內齒刀片和內齒配合刀片，內外齒刀片排列如圖1所示。

圖1 內、外齒刀片排列

根據用戶生產現場所使用機床的結構性能、工件材料和孔的尺寸，將套料鉆的外徑設計為D=248-0.1-0.2mm，有效套料孔深H=430mm。綜合考慮套料鉆孔壁強度及刀片與槽型設計尺寸，將套料鉆內徑設計為d=206+0.20+0.05mm。凸六邊形硬質合金刀片確定為帶7°后角，內切圓直徑為12mm，正四邊形硬質合金刀片確定為帶11°后角，內切圓直徑為12.7mm。

套料鉆排屑槽及齒數的設計，不僅須考慮鉆屑能否流暢地排出，而且要考慮每齒進刀量及工作臺的進給速度和套料鉆管壁的尺寸大小等因素。對大規格套料鉆來說，由于孔直徑大、鉆孔深度深，因此要優先考慮排屑槽的尺寸，然后再分析確定合適的齒數。為了盡量增大排屑槽的尺寸，該套料鉆齒數設計為Z=4。

在圖1中，序號2的凸六邊形刀片為外齒刀片，它易定心，且切削形成工件內孔尺寸。序號1的正四邊形刀片為外齒配合刀片，它剛性好，主要去除工件材料。為了防止與工件孔壁干涉及刮蹭，可使其沿徑向縮進a=（0.3～0.5）mm，該刀片沿圓周方向與序號2的外齒刀片均勻分布。

序號3的凸六邊形刀片為內齒刀片，它易定心，且鉆削加工形成工件孔內所套料的實體外圓尺寸。序號4的正四邊形刀片為內齒配合刀片，它剛性好，主要去除工件材料。為了防止與工件孔內所套料的實體外圓干涉及刮蹭，可使其沿徑向縮進a=（0.3～0.5）mm。該刀片沿圓周方向與序號3的外齒刀片均勻分布。序號1～4的4個刀片在套料鉆圓周方向均勻分布，為使切削鋒利，內外齒刀片安裝在刀片座上，且刀片座安裝在套料鉆管體上后，所形成的切削前角應為1°～3°。

大規格套料鉆鉆削加工時，切削頭部易產生振動，影響套料鉆削加工的持續進行。為了解決這一問題，可在4個切削齒之間，間隔均勻分布設計4個導向塊，如圖2所示。

圖2 導向塊位置示意

導向塊選用材質為YG6X的硬質合金，可采用焊接或機夾方式安裝在套料鉆切削頭部管體上。導向塊外徑尺寸D1需經過配磨，使D1小于孔徑尺寸D0.05～0.08mm。

本次所設計的套料鉆外形結構如圖3所示。

圖3 套料鉆外形結構

3.2 套料鉆的實際應用

根據所設計套料鉆的結構及相關尺寸，本次設計了專用加工工裝，利用大型加工中心等數控機床完成了所設計的大規格套料鉆的加工。在用戶生產現場，根據其實際情況，按圖4方式進行了實際套料鉆鉆削加工。用戶機床為大型臥式車床，通過套料鉆柄部扁方裝夾在車床刀架上，配帶含冷卻泵的切削液箱，充分供給切削液。工件轉速為80r/min，刀架工作臺進給速度為20mm/min，所供給切削液壓強為0.9MPa, 實際切削效果滿足用戶要求，使用戶生產效率提高了2倍。

圖4 套料鉆鉆削加工

在大型臥式車床上，大規格套料鉆鉆削加工時，找正工件中心和套料鉆中心很關鍵，本次實際套料鉆鉆削加工時，按以下方法進行找正，效果很好，如圖5所示。

圖5 套料鉆外齒刀片端面刀尖位置

圖5 中，D為套料鉆的外徑，t為刀片上刀尖到中心的尺寸（可根據刀片尺寸大小計算得出），D′=D-2t。在大型臥式車床上安裝工件后，先用車刀在工件端面上車削1個直徑為D′的圓（表皮車出0.5～1mm痕跡即可），該圓圓心即為工件中心。安裝套料鉆后，移動調整車床刀架，將套料鉆外齒端面最高點（即外齒凸六角形刀片的端面最高點）移到D′圓直徑處（前面已車出痕跡），即可完成中心找正，隨后，進行實際套料鉆鉆削加工。

4 結束語

對于大規格的孔，采用設計大規格套料鉆進行套料鉆鉆削加工，可有效地提高生產效率。按照不同形狀刀片搭配設計，可使大規格套料鉆的性能得到提高。本文大規格套料鉆的設計及使用方法，如刀片搭配、中心找正等，可對其他不同行業的大規格孔采用套料鉆方式加工，進行套料鉆設計及應用套料鉆時提供借鑒。

20221205