CN115156596A - 深孔钻削加工方法和深孔钻削用刀柄 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械钻孔技术领域，公开一种深孔钻削加工方法和深孔钻削用刀柄，钻头被刀柄带动旋转加工工件，设置曲线路径，使刀柄绕曲线路径运转，带动钻头与工件发生间歇性接触，所述曲线路径为规律的波浪线，所述波浪线的波峰波谷对称，波峰和波谷的朝向与刀柄轴向平行。本加工方法创新地设计供刀柄在旋转过程中依路径运转的曲线路径，刀柄带动钻头在刀柄轴向产生周期往复运动，使钻头与工件发生周期性接触和不接触，进而产生碎小切屑，达到理想的断屑和顺畅排屑效果，有效延长钻头的使用寿命，同时解决了传统深孔加工中排屑困难、钻头冷却不充分、深孔内易出现拉钩/台阶/刮伤等问题；本加工方法尤其适用于镍基高温合金类材料的深孔钻削加工。

Description

深孔钻削加工方法和深孔钻削用刀柄

技术领域

本发明涉及机械钻孔技术领域，具体地，涉及一种深孔钻削加工方法和深孔钻削用刀柄。

背景技术

在机械加工行业，为满足使用需求，很多零件需要被钻深长孔。例如在航空发动机领域，零件的集成度越来越高，轴承座类零件深孔油腔越来越复杂，而该类轴承座通常采用镍基高温合金等难加工材料制成，因此这类难加工材料轴承座上的深小孔加工一直是科研生产的一大难点：传统的深小孔钻削排屑困难、切削热不易传散、钻头磨损严重且极易出现断刀、打刀等现象，孔易出现拉钩、台阶、刮伤、孔径带锥度等问题；加工过程中，操作者需时刻注意刀具是否有切屑缠刀现象，必要时需暂停加工，手动去除刀具上切屑。这将导致加工质量差、时间长、效率低，严重情况下将影响到科研生产进度。

传统的深小孔钻削加工通常是通过数控程序控制加工一定深度后抬刀至零件表面，以此获得更好地断屑、排屑效果。例如以某型航空发动机低压涡轮轴承座深小孔加工为例，轴承座见说明书附图4，零件材料K4169，孔径

孔深82.5±0.3；说明书附图7示出了其加工刀路，以常规加工深度2mm后抬刀为例，进给速度20mm/min，刀路实际走刀路径＝2+4+6+…+82＝1722mm，则加工中实际加工时间≈走刀时间＝1722/20＝86.1min，说明书附图8示出了该加工刀路的切屑，切屑大而长，因此，该加工方式加工效率极低且加工质量不稳定，无法满足设计及生产需求。

公开号为CN112008101A的专利提出一种超细深长孔钻削加工方法，该加工方法先由导引钻钻好导引孔，再深孔钻以较低转速和较低进给速度钻进导引孔，使刀尖距导引孔孔底保留小段距离，之后深孔钻仍以高转速和低进给速度正常进刀至距终点一小段距离，再调低转速和进给速度进刀至终点，最后退刀。该专利记载的技术方案可加工出精度等级较高的深孔，且大大缩短了单个深孔加工时间，但该加工方法仅适用于一般材料例如铝合金材料的深孔加工，无法满足难加工材料的深孔加工要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种切屑小、排屑顺畅、加工效率高的深孔钻削加工方法。

本发明同时提供一种能有效细化切屑的深孔钻削用刀柄。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种深孔钻削加工方法，钻头被刀柄带动旋转加工工件，设置曲线路径，使刀柄绕曲线路径运转，带动钻头与工件发生间歇性接触，所述曲线路径为规律的波浪线，所述波浪线的波峰波谷对称，波峰和波谷的朝向与刀柄轴向平行。

进一步地，所述曲线路径为正弦曲线或余弦曲线。

进一步地，钻削工艺流程为：先钻出深孔的定位中心孔，再在定位中心孔处加工出引导孔，最后通过刀柄带动钻头进行深孔钻削。

更进一步地，定位中心孔的深度为1～3mm。

再进一步地，引导孔孔深为2～5倍深孔孔径，引导孔孔径比深孔孔径小0～0.05mm。

再进一步地，深孔钻削分为五个步骤，如下：

S1.钻头下降就位，机床主轴不发生旋转，直至钻头下降至离工件端面5～8mm；

S2.机床主轴旋转，钻头进给至工件端面处；

S3.冷却液内循环开启，增大转速和进给速度，钻头进入引导孔，并随着机床主轴旋转对工件加工至引导孔深度；

S4.在S3基础上进一步增大转速，降低进给速度，将深孔一次钻削到位；

S5.钻头回退一段距离后，在S4基础上降低转速，增大进给速度，使钻头从深孔退出。

再更进一步地，S2中机床主轴转速为30～50r/min，钻头进给速度80～120mm/min；S3中机床主轴转速80～120r/min，钻头进给速度800～1200mm/min；S4中机床主轴转速为1500～2000r/min，钻头进给速度为30～50mm/min；S5中机床主轴转速80～120r/min，钻头进给速度800～1200mm/min。

还进一步地，S3步骤加工到位后，在S4步骤前先调整好转速至需求值，并使钻头原地停留一段时间，待机床主轴状态稳定后再开始S4步骤进给加工。

还再进一步地，S5中钻头回退的距离为1～3mm；S4步骤前钻头原地停留的时间为3～5s。

一种深孔钻削用刀柄，包括刀柄接口、刀柄柄部、轴承和定子部，刀柄接口用于与机床主轴连接，刀柄柄部用于安装钻头，定子部套设在刀柄柄部外周，定子部内壁设有规律的波浪线形凹槽，所述波浪线形凹槽的波浪线波峰波谷对称设置，波峰和波谷的朝向与刀柄轴向平行，轴承的滚子嵌设在波浪线形凹槽内。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本加工方法创新地设计供刀柄在旋转过程中依路径运转的曲线路径，刀柄带动钻头在刀柄轴向产生周期往复运动，使钻头与工件发生周期性接触和不接触，进而产生碎小切屑，达到理想的断屑和顺畅排屑效果，有效延长钻头的使用寿命，同时解决了传统深孔加工中排屑困难、钻头冷却不充分、深孔内易出现拉钩/台阶/刮伤等诸多问题；本加工方法尤其适用于镍基高温合金类材料的深孔钻削加工；

2)本加工方法通过调整转速、进给速度、刀柄振幅等参数即可灵活改变单次钻头钻削时间及钻削深度，使切屑的大小及厚度得到控制，进而获得更小的扇形切屑，加工时间相对于传统钻削加工来说，可由近百分钟缩减至几分钟，加工效率得到大幅提升；

3)得益于曲线路径的设计，本加工方法在深孔加工的最后阶段可以一钻到底，无需分层加工，进一步提升了加工效率。

附图说明

图1为实施例1所述的深孔钻削用刀柄的结构示意图；

图2为实施例1所述的深孔钻削用刀柄的结构剖视图；

图3为图2中定子部内壁上的波浪线形凹槽示意图；

图4为实施例2所述的轴承座的深孔示意图；

图5为实施例2所述的加工刀路示意图；

图6为实施例2所述加工方法得到的切屑示意图；

图7为传统深孔钻削加工刀路示意图；

图8为采用图7所述加工方法得到的切屑示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本实用新型进行详细阐述。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

另外，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

实施例1

如图1和图2所示的深孔钻削用刀柄，包括刀柄接口1、刀柄柄部2、轴承3和定子部4，刀柄接口1用于与机床主轴连接，刀柄柄部2内设有弹性夹头5用于安装钻头6，钻头6为内冷钻头，定子部4套设在刀柄柄部2外周，机床上设有限位槽7，定子部4通过定位销8固定在限位槽7处，轴承3安装在刀柄接口1和定子部4之间，刀柄接口1和轴承3相当于转子部，定子部4内壁设有规律的波浪线形凹槽41，如图3所示，波浪线形凹槽41的波浪线波峰波谷对称设置，且波峰和波谷的朝向与刀柄轴向平行，轴承3的滚子31部分嵌设在波浪线形凹槽内。

采用上述刀柄钻孔时，加工中随着机床主轴的旋转，定子部4由于限位槽7的限位作用固定不旋转，刀柄转子部轴承滚子31沿定子部4上的波浪线形凹槽41进行周期旋转运动，进而产生钻头6在刀柄轴向的周期往复运动，实际加工中表现为钻头的切削刃与工件的周期性接触与不接触。

上述钻头的运转路径可使钻削加工呈现优良的断屑效果，产生的切屑呈细小状态，加工过程中能顺畅排屑，从而有效延长钻头的使用寿命，同时解决传统深孔加工中排屑困难、钻头冷却不充分、深孔内易出现拉钩/台阶/刮伤等诸多问题，尤其适用于镍基高温合金类零件的深孔钻削。

实施例2

本实施例为加工如图4所示的航空发动机低压涡轮轴承座深孔，该轴承座零件材料为镍基高温合金K4169，孔径

孔深82.5±0.3。首先确定该深孔的钻削工艺流程为：先钻出深孔的定位中心孔，再在定位中心孔处加工出引导孔，最后通过刀柄带动钻头进行深孔钻削；由于深孔加工中刀具(钻头)悬伸较长，转动过程中钻头易偏摆，为保证被加工孔的位置，因此需预先加工引导孔。

中心钻定位中心孔：一般给定深度1～3mm即可，保证孔加工的位置度，本实施例为1mm。

引导孔加工：引导孔孔径取比被加工孔径小0～0.05mm，引导孔孔深为2～5倍深孔孔径，本实施例中引导孔孔径比被加工孔径小0.02mm，引导孔深度≈(3～4)×孔径。

深孔钻削：钻头被刀柄带动旋转加工工件，需预先设置一条曲线路径，使刀柄在旋转过程中绕曲线路径运转，以带动钻头与工件发生间歇性接触，其中，曲线路径为规律的波浪线，波浪线的波峰波谷对称，波峰和波谷的朝向与刀柄轴向平行。具体地，深孔钻削采用实施例1所述的刀柄安装钻头进行加工，前述曲线路径即为设置在刀柄定子部内壁的波浪线形凹槽，轴承的滚子部分嵌设在波浪线形凹槽内，刀柄发生旋转时将跟随滚子的行走轨迹而在刀柄轴向进行周期往复运动，进而使钻头的切削刃与工件发生间歇性接触，钻削过程中断屑容易，产生的切屑呈细小状态。

为使深孔的加工工艺性更好，同时也为使得加工切屑更均匀、大小更可控，本实施例中曲线路径优选为正弦曲线或余弦曲线。

上述深孔钻削共分为五个阶段，结合图5来看：

S1.AB阶段：钻头下降就位，直至钻头下降至离工件端面5mm，给定G00速度即可，机床主轴旋转不开启，冷却液关闭状态；

S2.BC阶段：机床主轴旋转，钻头进给至工件端面处，转速30-50r/min，进给速度100mm/min，冷却液关闭状态；

S3.CD阶段：钻头开始进入引导孔，冷却液内循环开启，增大转速至100r/min，增大进给速度至1000mm/min，随着机床主轴旋转对工件加工至引导孔深度；当加工至D点时，变换机床主轴转速至1750r/min，并使钻头在D点停留4秒，待主轴状态稳定；

S4.DE阶段：本阶段为深孔加工阶段，主轴转速1750r/min，进给38mm/min，振幅0.08mm，“一钻到底”式加工，无需分层，直至加工完成，将深孔一次钻削到位；

S5.EA阶段：待加工至最终尺寸后，钻头回退一段1mm，改变转速100r/min，进给1000mm/min，使钻头从深孔退出至安全距离。

对于S4深孔加工阶段加工参数的选择，建议按以下原则进行：

1)对于黏性材料，如钛合金，每齿进给0.02～0.025mm；振幅可适当选择大振幅0.12～0.15mm。

2)对于硬脆性材料，如高温合金，每齿进给0.012～0.015mm；振幅适当选择小振幅0.06～0.08mm。

振动加工中，减小进给、增大振幅、适当降低机床主轴转速有利于切屑排出，但过于增加振幅、降低主轴转速又会加剧刀具磨损，因此可在实际加工中进行调整。

本实施例加工方法所得的切屑呈如图6所示的小扇形状，通过调整转速与刀柄振幅可改变单次刀具切削时间及切削深度，使切屑的大小及厚度进一步得到控制，进而获得更小的扇形切屑。经测算，本实施例的振动加工时间＝实际走刀路径/进给速度＝82/38＝2.16min，加工时间由传统深孔加工方法耗费的86.1min缩减至2.16min，加工效率得到大幅提升。

本实施例能有效解决镍基高温合金类零件深孔加工中排屑困难、钻头冷却不充分、深孔内易出现拉钩/台阶/刮伤等诸多问题，同时还可延长刀具的使用寿命。

实施例3

本实施例与实施例2的不同之处在于：S2中机床主轴转速为30～50r/min，钻头进给速度80mm/min；S3中机床主轴转速80r/min，钻头进给速度800mm/min；S4中机床主轴转速为1500r/min，钻头进给速度为30mm/min；S5中机床主轴转速80r/min，钻头进给速度800mm/min。

S5中钻头回退的距离为1mm；S3中钻头原地停留的时间为3s。

实施例4

本实施例与实施例2的不同之处在于：S2中机床主轴转速为30～50r/min，钻头进给速度120mm/min；S3中机床主轴转速120r/min，钻头进给速度1200mm/min；S4中机床主轴转速为2000r/min，钻头进给速度为50mm/min；S5中机床主轴转速120r/min，钻头进给速度1200mm/min。

S5中钻头回退的距离为3mm；S3中钻头原地停留的时间为5s。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种深孔钻削加工方法，钻头被刀柄带动旋转加工工件，其特征在于，设置曲线路径，使刀柄绕曲线路径运转，带动钻头与工件发生间歇性接触，所述曲线路径为规律的波浪线，所述波浪线的波峰波谷对称，波峰和波谷的朝向与刀柄轴向平行。

2.根据权利要求1所述的深孔钻削加工方法，其特征在于，所述曲线路径为正弦曲线或余弦曲线。

3.根据权利要求1或2所述的深孔钻削加工方法，其特征在于，钻削工艺流程为：先钻出深孔的定位中心孔，再在定位中心孔处加工出引导孔，最后通过刀柄带动钻头进行深孔钻削。

4.根据权利要求3所述的深孔钻削加工方法，其特征在于，定位中心孔的深度为1～3mm。

5.根据权利要求3所述的深孔钻削加工方法，其特征在于，引导孔孔深为2～5倍深孔孔径，引导孔孔径比深孔孔径小0～0.05mm。

6.根据权利要求3所述的深孔钻削加工方法，其特征在于，深孔钻削分为五个步骤，如下：

S1.钻头下降就位，机床主轴不发生旋转，直至钻头下降至离工件端面5～8mm；

S2.机床主轴旋转，钻头进给至工件端面处；

S3.冷却液内循环开启，增大转速和进给速度，钻头进入引导孔，并随着机床主轴旋转对工件加工至引导孔深度；

S4.在S3基础上进一步增大转速，降低进给速度，将深孔一次钻削到位；

S5.钻头回退一段距离后，在S4基础上降低转速，增大进给速度，使钻头从深孔退出。

7.根据权利要求6所述的深孔钻削加工方法，其特征在于，S2中机床主轴转速为30～50r/min，钻头进给速度80～120mm/min；S3中机床主轴转速80～120r/min，钻头进给速度800～1200mm/min；S4中机床主轴转速为1500～2000r/min，钻头进给速度为30～50mm/min；S5中机床主轴转速80～120r/min，钻头进给速度800～1200mm/min。

8.根据权利要求6或7所述的深孔钻削加工方法，其特征在于，S3步骤加工到位后，在S4步骤前先调整好转速至需求值，并使钻头原地停留一段时间，待机床主轴状态稳定后再开始S4步骤进给加工。

9.根据权利要求8所述的深孔钻削加工方法，其特征在于，S5中钻头回退的距离为1～3mm；S4步骤前钻头原地停留的时间为3～5s。

10.一种深孔钻削用刀柄，其特征在于，包括刀柄接口、刀柄柄部、轴承和定子部，刀柄接口用于与机床主轴连接，刀柄柄部用于安装钻头，定子部套设在刀柄柄部外周，定子部内壁设有规律的波浪线形凹槽，所述波浪线形凹槽的波浪线波峰波谷对称设置，波峰和波谷的朝向与刀柄轴向平行，轴承的滚子嵌设在波浪线形凹槽内。

Images