深孔钻削机床结构设计

I深孔钻削机床结构设计摘要深孔钻削技术是现代工业生产中一种极为重要的加工技术，据统计，整个孔加工行业有五分之二是深孔加工，所以深孔加工在制造业中占有举足轻重的地位。随着工业的进步，传统深孔钻机床逐渐体现出多方面的不足和缺陷，对传统深孔钻床进行改进、提高是现在制造业所需要的。本设计主要针对传统深孔钻削机床所存在的排屑困难、钻削效率低下、刀具磨损、刀具走偏进行分析，找出导致这些问题的原因，并在现有机床的基础之上进行改进和完善。本设计将传统的授油器和导向套结合为一体，很好的解决了刀具走偏问题和授油问题，并且很大缩小了钻床的体积。对切削液进行优化选择，很大程度上提高了钻削效率，并且对钻削方式和刀具几何参数等等问题进行优化，对于传统钻床所存在的问题进行优化设计，并且取得了很好的效果。本设计对深孔钻削机床的主轴、带传动、授油器进行了设计，根据切削功率进行了电机的选择，选出了一套合理的钻床结构。本设计有效的解决了传统深孔钻床所存在的一系列问题，并且在需要的地方进行画图分析其结构，为工业先现代化做出有效的贡献。关键词：深孔钻削：钻床；授油器；带传动。IIDeep hole drilling machine structure designAbstract: Deep-hole drilling technology is a very important processing technology in modern industrial production. According to statistics, two-fifths of the entire hole processing industry is deep-hole processing, so deep-hole machining occupies a pivotal position in the manufacturing industry. With the progress of industry, traditional deep-hole drilling machine tools have gradually manifested many deficiencies and deficiencies. The improvement and improvement of traditional deep-hole drilling machines are required by the current manufacturing industry.This design mainly aims at the difficulties of chip removal, low drilling efficiency, tool wear, and tool misalignment existing in traditional deep-hole drilling machine tools, identifying the causes of these problems, and improving the existing machine tools. And perfect. This design integrates the traditional oiler and guide sleeve into a whole, which solves the problem of deviation of the tool and the problem of oil supply, and greatly reduces the size of the drill press. The optimization of the cutting fluid greatly improves the drilling efficiency, and optimizes the problems such as the drilling mode and the tool geometry parameters. IIIIt optimizes the problems existing in traditional drilling machines and achieves good results. . The design of the deep-hole drilling machine tool spindle, belt drive, oiler design, according to the cutting power of the motor selection, selected a reasonable structure of the drilling machine.This design effectively solves a series of problems existing in traditional deep-hole drilling machines, and draws diagrams to analyze its structure where necessary, making an effective contribution to industrial modernization.Key words: deep hole drilling； drill press； oiler ；belt drive.目录摘要 .IDeep hole drilling machine structure design.II1 绪论 .11.1 课题研究的意义及背景 .11.2 国内外现状 .11.3 本章小结 .22 传统深孔钻床的缺点分析 .3IV2.1 刀具走偏问题分析 .32.2 刀具磨损、折断问题分析 .42.2.1 引起刀具磨损的形式 .42.2.2 引起刀具磨损、折断的原因分析 .52.2.3 传统刀具的钻削方式 .52.3 机床的钻削效率问题分析 .62.4 排屑问题 .82.5 本章小结 .83 对于钻床存在问题的优化设计 .93.1 钻床的刀具走偏问题优化设计 .93.1.1 传统的刀具固定架 .93.1.2 新型授油器设计 .93.1.3 授油器总体方案的选择 .103.1.4 密封圈的选用 .113.1.5 配合与公差的选用 .113.2 刀具磨损、崩刃问题优化设计 .123.3 钻削效率低问题的优化设计 .133.4 排屑问题的优化设计 .143.5 本章小结 .154 深孔钻床主要部位设计 .174.1 切削功率的计算 .174.2 主轴的设计 .174.2.1 轴的分类 .174.2.2 轴的选择 .18V4.2.3 轴的结构设计 .194.3 带传动设计 .244.3.1 带传动的简介 .244.3.2 带的选择 .254.4 电机的选择 .274.4.1 电机的作用 .274.4.2 电动机种类的选择 .274.4.3 交流变频调速电机的型号选择 .274.5 本章小结 .285 总结和展望 .29参考文献 .31致谢 .33附录 A：外文文献及译文 .35附录 B：授油器和导向套装配图 .51附录 C：主轴 .53VIVII11 绪论1.1 课题研究的意义及背景随着工业化进程的加快，工业生产中各行各业都逐渐进入自动化或半自动化状态。但就目前来看深孔加工技术仍然达不到理想的需求，在实际加工中，仍然存在着很多的问题，比如加工效率低、刀具易走偏、切屑难排出、刀具磨损严重等一系列问题。本设计旨在设计一款性能优良的、上述问题较小的深孔钻削机床。本设计中采用刀具旋转的钻削方式，这种钻削方式主要适用于较大零件的加工，加工需要的参数可以根据孔的深度和直径不同确定。主轴的运动通过电机转动利用带传动带动主轴转动，利用调速器可以实现同一个电机转速转换为多个切削速度，从而减少了电机的频繁变换转速，从而增加电机寿命。切削液通过授油器注入钻削部位，采用授油器的好处不仅有利于授油方便，而且具有导向作用，更好地减少刀具跑偏的问题。本设计将理论问题与实际生产相结合，从实际出发，在传统深孔钻削机床的基础之上进行优化设计，以达到在实际生产中拥有更广泛的应用1.2 国内外现状深孔钻削技术是机械加工中不可或缺的一部分，以目前的钻削技术能钻的最小的孔径是 3mm，一般 320mm 都会采用枪钻技术，直径范围在 2065mm 的深孔一般使用内排屑钻削方式。钻孔钻削的定义是孔的深度为孔的直径的五倍以上，目前来说，对于深孔钻技术国外要远远先进于国内很多。1908 年美国人发明制造了世界上第一台深孔钻削机床，从那时后起，全世界便开始注意到深孔钻削的重要性，并且对于这一行业进行研究。深孔钻发展至今已有 100 多年历史，这项技术也趋于成熟。现在制造业发展越来越快，对于钻孔技术也提出了越来越高的要求，深孔钻也不断的在改进发展，但是仍然存在很多待解决的问题。2就发达国家来看，这方面的技术发展十分迅速。但从技术方面来看，从之前的传统的单一式的机械加工转变为现在的物理，化学复合加工的现代化工业模式，比如现在的物理加工已经不单单是传统钻床加工，演变为利用激光、超声波加工，不管从精度方面还是效率方面都提高了很大的一个档次，也更能满足于现在社会的需求。再从机器方面来看，发达国家比如工业发达的德国已经采用铣、车、钻、磨一体的机床，已经可以实现全自动化加工，加工效率及其高，而且精度相对于传统机床也提高很多。虽然对于深孔加工的技术还远远没有达到预定的期望，但是就目前深孔钻削技术还不足与满足现在人们的需求，这方面的技术还是相比如同领域的其他行业落后一些，所以现在各国对于深孔钻技术也都有不同成度的重视。就国内情形来看，普通工厂中的孔加工还是采用普通的机床加工生产模式，仍然是 “一人一机一刀” 的传统模式，这种加工相对国外档次较低，精度不够精密仪器加工的精度高，而且国内及其自动化程度很低，需要工人不停地操作，对人力消耗比较大，现在也有一些工厂实现只需要一个工人就可以同时操作多台加工中心，但是这只是极少数的企业，普及程度较低，而且这些加工中心也是几十年前的旧机器。有少数企业拥有比较先进的加工技术及其精密仪器，从整个制造业发展来看，我国工艺水平仍然很低，与发达国家相比加工孔的粗糙度要相差1、2 个等级，孔位置精度也相差 2、3 倍。现如今是电子信息时代，各个领域都向自动化方向靠拢，有些企业已经试图将计算机成组技术和计算机辅助设计技术融合到工业生产中，这样很大程度上促进工业的发展，在深孔加工方面采用 GT、CAD 的成功案例也有很多，所以这一方面将会是深孔钻学发展的一个新热点。1.3 本章小结本章主要简单介绍了深孔钻学技术在国内外的发展现状，分析了现代的深孔钻削技术不能达到人们所预期的地步，以及深孔钻在生产制造行业中的重要地位，说明了本课题研究设计的目的及其意义。342 传统深孔钻床的缺点分析机床的性能好坏直接影响到加工的精度、加工效率等，所以追求高精度的机床是人们一直在追求的方向。现在工艺技术发展越来越成熟，很多工艺都采用了一些先进的加工技术，比如人工智能、电子激光等等，这些技术极大地减少了人力的消耗而且极大地提高了生产速度，效率较之前的传统工艺提高很多。但是对于深孔钻削技术来说，发展缓慢，相对落后一些，就国内外来看，国外一些企业有采用较为高端的技术，但是由于各方面的条件限制，目前并不能实现普及，所以整个深孔钻行业发展都较为不太成熟。现在展现在人们面前的最大的问题就是解决传统深孔钻床的问题，目前国内外深孔钻技术存在最主要的问题主要是刀具的磨损和崩刃、机床的稳定性问题、排屑问题，其中最主要的就是排屑问题。2.1 刀具走偏问题分析刀具走偏是深孔钻削中比较常见的一类问题，其主要表现在加工的孔较深时体现出来的刀具偏移，造成这种走偏的主要原因有：（1）偏心安装导向套或者导向套内径过大深孔钻的钻头一般都是偏心的，这样做的目的是能够更好地利用径向力进行切屑，但是这样就会产生钻杆受力不均匀，这时就依靠导向套对钻杆进行导向，但是导向套一旦偏心安装，钻杆受到导向套的限制只能偏心钻削。如果导向套内径过大，那么就不能起到导向的作用，只能给钻杆提供一个可活动的小范围，这种情况下很容易产生钻削走偏的问题。（2）工作面的倾斜在孔加工中一般要求钻杆和钻削面保持垂直，但是有些特定的工件不能做到这一点，这就导致钻头在钻削的过程中受到工件施加的径向力，使钻杆有倾斜的趋势，一旦这个径向力过大或者径向力长时间的积累势必造成钻削钻杆的便宜。例如图 2.15图 2.1 加工表面倾斜示意图（3）刀具的几何参数对刀具偏移有影响的刀具几个参数主要有钻头的偏心量、副刀刃与导向块的位置角及其各个错齿切削负荷承担量的大小等等 10。在深孔加工中要求刀刃上的合力指向导向块，刀具几何参数的不同会使刀具在钻削过程中刀刃受到合力的方向不同， 合力偏离导向块会产生刀具的偏心钻削。（4）其他因素除了上面三点以外，还有一些不确定的因素，比如温度的影响、工件的材料影响切削液的影响、排屑的影响等等2.2 刀具磨损、折断问题分析刀具的磨损、折断问题一直是深孔钻削的一个难以解决的问题，由于深孔加工大多是一次性加工，所以在加工过程中很难观测到刀具的情况，现实中大多是根据加工师傅凭经验来判断。同一把刀具需要重复加工多个孔，在长期的使用中，刀具磨损是一个难以避免的问题。实际生产中，枪钻是使用范围最为广泛的一种钻削方式，所以以枪钻为例，加工所采用的钻削刀具一般主要由刀柄、刀头、刀杆三部分组成。由于刀头是钻削部位，需要极强的刚度，所以刀头所采用的材料是硬质合金，刀杆对于刚度要求较小，但是需要有一定的韧性，所以采用铬钼材料。刀具的侧面有一个张角为120的 V 型槽，刀具是空心的，内部有两个或者更多的孔，这些孔的作用分别是注入高压油、排除切屑等作用。通常情况下，刀头的直径会比刀杆大 0.1mm 左右，这样做的目的是为了避免刀杆划伤所加工孔的表面。62.2.1 引起刀具磨损的形式（1）粘结磨损粘结磨损是生产中最为常见的一种刀具磨损形式，它所表现出来的形式也是十分直观，很容易用肉眼观测出来，所能观测到的现象就是刀具表面出现凹坑、麻点，产生这个现象的原因主要是因为刀具在钻削的时候处于一个持续的高温状态，刀具和工件在高温作用下会有一些性能变化，使其两部分更容易胶合在一块，出现冷焊现象，当刀具再次运动的时候，刀具和工件之间的粘合部位就会发生撕拉现象，使刀具表面一部分材料被丝撕掉。久而久之，就出现肉眼能观测到的凹坑、麻点。（2）扩散磨损工件随着切屑过程的进行，由于工件的材料分布不均匀性，会出现扩散现象，这将会导致越深层的切削越容易发生扩散现象，也就是刀具中的 C 元素会扩散到相对含量较小的工件中，从而导致刀具中的 C 含量降低，使刀具的刚度降低，使其磨损加快。（3）机械磨损在钻削的过程中，刀具一直处于高温的过程，由于合金的本身属性，高温下会吸收附近的一些化学元素，这样将会改变刀具的本身元素含量，将会导致刀具的属性发生变化，影响刀具的寿命。2.2.2 引起刀具磨损、折断的原因分析刀具发生磨损折断的主要原因有：（1）锻造过程中工件上可能会有残留的气孔、硬点等缺陷，当钻削的时候加工到这些缺陷上时很容易使刀具崩刃或者加剧磨损；（2）深孔钻的最主要的问题是排屑问题，切屑的堆积会加剧刀具的磨损和崩刃甚至断裂；（3）刀具刚开始接触到工件或者已经将工件钻穿依旧钻削的时候一般都是7单刃钻削，如果不降低钻削速度，会使刀具受力不均匀，很容易产生钻头断裂的现象；（4）刀具长时间使用会使刀具变钝切削过程中容易发生崩刃；（5）钻头折断有时会引起丝锥折断，如果不将孔内的断刀取出而直接拿新的刀具直接切削会使新的刀具产生断裂；（6）其他原因。2.2.3 传统刀具的钻削方式（1） BTA 系统这种刀具系统一般适用于高负载、成批量的、连续的加工。排屑方式是内排屑，在钻杆上装有授油器，一方面是从钻杆和孔壁之间注入高压油，起到润滑作用，另一方面还可以起到导向作用，深孔钻一般深度相对较大，所以导向作用就显得极为重要。BTA 钻削方式一般用来加工直径大于 12mm 的深孔。其钻削方式如图 2.2 示。图 2.2 BTA 系统（2）枪钻系统枪钻在实际生产中是一种最常见的钻削方式，一般适用于小批量加工，它的排屑方式是外排泄方式，产生的切屑从钻杆上的 V 型槽中排除。润滑油从钻杆的进油孔进入，带着切屑从排屑槽排除。它的钻杆分为切削部分和钻杆部分，两部分由于功能不一样，所以选用的材料也不一样，这两部分是通过焊接连接在一块的。这种方式一般适用于加工孔径范围是 320mm 的深孔。加工精度最高可以达8到 IT7。（3）喷吸钻系统喷吸钻钻削方式是一种外冷内排屑的加工方式，从联结器上输入的切削液分为两部分，其中一大部分进入切削液的循环路径中，达到钻头钻削部位，并从钻杆的内腔排除。还有一小部分高压切削液经过月牙状喷嘴后形成一个喷雾的效果，在内腔形成高压区，这样有利于切削液和切屑更流畅的排除。这种钻削方式所需要的压力油的压力相比 BTA 钻削方式较小，密封性要求也没有前面两种方式严格，但是缺点是只能加工直径大于 18mm 的孔，其工作原理图如图 2.3 所示。图 2.3 喷吸钻系统2.3 机床的钻削效率问题分析工厂加工生产最重要的就是机器的生产效率，效率的高低直接影响着产品生产率和产品质量。影响深孔钻的因素有着很多，每一个都阻碍着深孔钻削技术的发展，加工效率就是其中一个比较重要的因素。影响深孔钻效率的主要因素有：（1）钻杆的稳定度深孔钻中钻杆一般都是细长杆，在加工中所需要加工的孔也较深，在钻削的过程中钻杆极易出现钻杆涡动和一些细微的振动，这主要是由于钻杆的刚度不够所导致的。深孔钻是采用内排屑的排屑方式，所以钻杆内部是空心的，而且在钻削的过程中钻杆内部需要注入切削液和排除切屑，再加之高压油对钻杆的冲击导致钻杆的受力极其不均匀。在切削液的高压冲击下，再加之钻杆本身的偏离，导致钻杆的涡动。钻杆的直线度误差由于细长杆的特性是难以避免的，具体直线度误差如表 2.19表 2.1 钻杆的直线度误差直线度误差/mm孔径 钻杆转速80r/min钻杆转速80r/min钻杆转速80r/min钻杆转速80r/min60851100.150.180.280.130.230.250.30.350.220.350.460.55（2）切削液因素切削液在深孔钻中充当着及其重要的角色，不合理正确的使用切削液将直接影响钻削的质量、加工的效率、刀具的寿命等，切削液一般都是具有一定压力的，它的钻杆的冲击再加上钻杆自身的振动会导致钻杆产生涡动。切削液在深孔加工中的主要作用主要有以下几点：1）冷却作用：冷却作用是切削液最简单也是最直接的作用，深孔钻削的是在半封闭环境中进行的，所以散热困难是一大难题，利用高压的切削液对钻削部位的冲刷，将有效的降低钻削部位的温度，还可以间接的起到抑制削瘤的作用。2）润滑作用：在加工过程中，刀具会和工件产生极大地摩擦力，这不仅会降低工件表面的粗糙度，更会损伤刀具。使用切削液后会在工件及刀具表面形成一层薄膜，可以有效的减少刀具和工件之间的摩擦。3）排屑作用：深孔加工排屑困难是最主要地一个问题，使用高压的切削液可以起到将切削冲出的效果。4）消除噪音的作用：机器加工一般都伴随着极大地噪音，切削液的使用可以减少切削的摩擦和切削所产生的振动，进而降低切削所产生的噪音。5）防生锈作用：切削液在工件和刀具表面形成一层薄油膜，可以有效防止生锈。6）清洗作用。102.4 排屑问题深孔钻削最难以解决的问题主要是排屑问题，如果产生的切屑不能及时排出，刀具切屑的环节变得恶劣，很容易发生堵塞，一旦堵塞，高压油难以排出，很容易导致钻削中断，再次钻削则需要重新对刀，很大程度上降低了加工的效率，而且增加了人力的消耗。排屑困难的主要原因是深孔加工时钻杆的直径和孔的直径相差不大，切屑很难从钻杆和孔的缝隙之间排出。为了增大钻杆和孔之间的空间，刀具改进为带有 V 型槽的刀具，但是对于深孔来说，依靠新产生的排屑挤压出之前的切屑是一件很困难的事情，而且大量的切屑拥挤会给钻杆施加压力，使钻杆产生不规则振动，甚至会影响钻杆的使用寿命。所以深孔钻中排屑问题一直是一个难以有效解决的问题，也是一个迫在眉睫的问题。2.5 本章小结本章明确表示了本设计的重点设计内容，主要对传统的深孔钻削机床所存在的问题进行分析，说明了这些所存在的不足在深孔钻削中所起到的巨大的阻碍作用。本章逐一分析了各个问题所产生的原因、后果以及对传统的一些加工方法进行分析，说明其加工的不足。113 对于钻床存在问题的优化设计3.1 钻床的刀具走偏问题优化设计3.1.1 传统的刀具固定架传统深孔钻削机床采用固定架结构来提高钻钻头的稳定性问题。固定架包含套筒、固定套以及弹簧，机体套筒 2 固定在组合机床动力头滑套 1 上或移动部件上，安装在机床主轴上的钻头 10 由套 3、5 和 7 支承，并沿长度上均匀分布。可移动式固定架能够利用销 9 在装夹工件 8 的夹具上定位。在工作进给过程中，套12筒 2、4 和 6 轴向移动，这时，弹簧保证固定架套筒间距离均匀减少，提高了钻头柄部的纵向稳定性，使供给量增加，从而提高钻削生产率。另一方面，随着中间支承数的增加，在给定钻削深度的情况下，极大地增加所需钻头长度，为增加导向装置提供方便。但是固定架存在三个套筒，当三个套筒都伸长时将大大增加钻头的长度，导致刀具走偏问题加剧，而且固定架装置还存在授油困难的问题，而恰巧切削液是深孔钻及其重要的一部分。图 3.1 深孔钻床固定架3.1.2 新型授油器设计本设计采用将授油器和导向套结合为一体，这样就缩小了钻头的伸长量，更好地解决了刀具走偏、不稳定的问题，而且将授油器和导向装置结合为一体，在结构上也缩小了钻床的大小。设计思路：通过转动手柄，利用手柄座与授油器芯轴之间的螺纹连接，把人为的施加给手柄的力传递到芯轴上，使芯轴移动，从而达到使导向套靠紧待加工工件的表面。这么做的目的是为了防止钻孔的时候由于工件具有极高的旋转速度而引发窜动以至于损坏钻头；将冷却液送入钻孔达到冷却钻头并带走切屑。 (1)力的传递顺序：钻杆到导向套，进导向套再到授油器主体。这样设计的目的是为了稳定钻杆。(2)密封圈是为了防止压力油泄露而设计的。3.1.3 授油器总体方案的选择深孔钻削中的授油器的作用是用来向钻削部位提供高压油，同时还具有导向13作用。授油器主要分为工件旋转式和不旋转式两大类型，不旋转式主要适用于小工件的深孔加工，旋转式则大多用于大工件的加工。如图 3.2 和图 3.3 所示分别为不旋转和旋转式授油器不旋转式授油器主要由 1、授油器主体，2、前密封圈，3、导向套，4、伸缩轴，5、手轮，6、支承螺母，7、后密封圈等组成。不旋转式授油器适用于刀具旋转的深孔钻削方式。不旋转式授油器和旋转式授油器的结构上基本相同，和不旋转式授油器不一样的是旋转式授油器主要用于工件旋转而刀具不旋转的加工方式。图 3.2 不旋转式授油器 图 3.3 旋转式授油器本设计采用内排屑方式的深孔钻削机床，采用刀具旋转的钻削方式，所以，选用旋转式授油器。这种授油器可以旋转，可以实现工件和授油器同时旋转，这样可以提高导向精度。授油器的原理图如图 3.4 示141、后密封圈，2、O 型密封圈， 3、授油器主体，4、伸缩轴，5、旋转套，6、前密封圈，7、导向套，8、导轨滑块图 3.4 旋转式授油器3.1.4 密封圈的选用由于待加工工件和授油器的导向套之间是直接接触，之间并无任何过度装置，所以这个地方密封性很差，容易出现漏油现象，在此处增加一个前密封圈可以有效避免此处漏油，增加结构的紧凑性。为了和授油器导向套的内孔相匹配，此处选用内孔直径为 29mm，截面直径当皇帝 5.3mm 的 O 型密封圈。在图示 3 处是后密封圈，在这里设置密封圈的目的也是为了防止压力油的泄露。由于在此处压力油的速度并不是很高，而且压力相对其他地方较小，所以此处也适用于 O 型密封圈。为了适应钻杆的直径，这里选择的密封圈的内孔直接是29mm，截面直径也是 5.3mm。在图中 3.4 中，2、伸缩轴和 7、导向套之间是一个可以伸缩的滑动连接，所以两者之间一定存在间隙，所以此处配合必须有滑动密封圈，根据导向套外径和伸缩轴内径选择直径为 94mm 的毡圈油封。压套座和伸缩桶之间没有相对运动，但这两者是授油器的两个不同构件，他们之间配合一定会有间隙产生，使压力油泄露，所以在此处设置压套座密封圈，压套座密封圈选择内径为 33.5mm，截面直径是 5.3mm。153.1.5 配合与公差的选用在选用配合方式和公差等级时，根据各个部分的不同配合情况具体来定。授油器和伸缩套的配合选用 H7/g6，也就是基孔制配合，因为这两者之间有相对运动，而且运动关系并不是很严格。压套座和伸缩套及压套之间都是静密封，这三者之间无滑动配合的要求，但是有着明确的定位进度的要求。配合方式和之前相同，采用基孔制间隙配合。公差依然选择 H7/g6牙套座与伸缩套之间的配合和压套座与压套之间的配合均采用静密封，没有滑动要求，但存在定位进度的要求。配合依然采用为基孔制，配合方式为间隙配合。轴和孔的精度等级分别是 6 级和 7 级。所以，配合公差选择为 H7/g6。3.2 刀具磨损、崩刃问题优化设计（1）切削液深孔钻削过程一般都是一次完成走刀，所以在加工较深的孔时，对切削液的要求也就更为严格。切削液的好坏直接会影响加工质量和加工效率，正确的使用和使用优良的切削液会减少刀具的消耗。切削液的选择主要是由加工的工件的材料、加工方法、切屑排出的条件等等因素来确定的。一般情况下，不同的工艺需要不同的切削液，经过大量加工实验证明，同一种切削液如果用于不同的工艺中会使加工效率降低，但是在深孔加工技术中，同一种切削液用在多个工序中是很常见的一种现象，这是因为深孔加工一般都需要大量的切削液，如果平凡的切换切削液不仅加大了成产成本还增加了制造时间，所以深孔钻削技术一般都是一种切削液用于多种切削工艺。根据深孔加工的工艺要求，切削液的使用可以有以下的改进：1）深孔钻削一般都是快速完成，所以进给量较大，而且钻削部位温度较高，16需要及时将钻削部位所产生的切屑排除掉，这就需要较大流量的切削液进行降温和带走切屑，所以采用低压大流量的压力油。2）深孔钻削对钻头的磨损比较大，油类润滑油和脂类润滑油都可以起到润滑的作用，但是脂类润滑油可以在导向块表面形成一层润滑膜，不仅可以起到润滑的作用，还可以起到支承重载的作用，所以选用脂类润滑油优于油类润滑油。3）润滑油必须保证清洁，如果润滑油中的杂质较多，不仅润滑效果受到影响，对于高压泵和阀门也会有损耗，久而久之会影响使用寿命。可以对润滑油进行过滤处理，提高润滑油的清洁度。（2）切削参数合理的切削参数对于切削效果有着极大地影响，不合理的切削参数、极易造成刀具磨损加剧或者甚至断裂。切削参数需要大量的实验进行测试，从中选出合理的参数。3.3 钻削效率低问题的优化设计（1）刀具涂层一般情况下为了减少刀具的磨损，都会在刀具表面添加涂层来减少模磨损，但是涂层只能加在韧性和强度较好的刀具表面，比如高速钢或者硬质合金刀具，这种方法就相当于在刀具表面添加一层化学屏障，不仅可以有效的提高刀具的表面硬度和耐磨度，减少刀具的磨损，而且还可以提高刀具表面的化学性能、耐热性能、氧化性能等。经过实际生产得出结论，经过涂层的刀具要比没有涂层的刀具寿长大概 3-5 倍。刀具的涂层分为部分涂层和整体涂层，很多情况下为了避免浪费和降低难度，工厂中大多会采用部分涂层，也就是在刀具的切削部分涂层，但是经过生产时间可以知道整体涂层确实比部分涂层效果好很多，很有效的提高生产效率。涂层材料的不同也会有不用的效果，涂层方法主要分为化学气相沉积法（CVD）和物理气相沉积法（PVD） 。化学气相沉积温度较高，一般是 1000左右，深度为 5-10um，物理气相沉积大概在 500左右，深度为 2-5um。一般采用的涂层材17料如表 3.1 所示图 3.1 刀具涂层材料涂层 颜色 硬度 HV 厚度 um 摩擦系数 使用最高 温度 说明ZrCN 兰灰 2500 14 0.3 550 通用性强TiN 金黄 2300 14 0.4 500 性价比高TiAlN 紫色 3200 14 0.8 800 通用性强AlTiN 黑色 3400 14 0.5 900 高速、高硬度加工TiAlCrN 亚黑 3500 14 0.6 1000 特殊加工领域TiCN 灰黑 3000 14 0.4 400 高韧性同用涂层CrN 银亮 2000 315 0.5 700 加工铜、钛、模具DLC 黑彩 10004000 0.52 0.05 400 有色金属、石墨、塑胶不同的涂层方法和不同的涂层材料选择将会直接影响刀具的切削能力和寿命，所以合理选择涂层材料将会有效提高深孔钻的钻削效率。（2）刀具普通的刀具都是将切削刃设置的比较锋利，但是越锋利的刀具也越容易崩刃、磨损，反而将刀刃倒圆角之后效果会比锋利的刀刃好很多。（3）切削液切削液在深孔钻削中起着及其重要的作用，它不仅能起到降低切削部位的温度、利用高压冲出切屑、润滑等作用，但是切削液也是影响切削效率的主要因素之一。切削液对于钻杆的冲击再加上钻杆本身的微小振动会导致钻杆的涡动。传统的冷却方式主要有水冷式、风冷式、媒冷式三种，这三种各有有缺点1）水冷式：这种冷却方式效果较好，也是目前经常采用的一种方法，但是水冷式要求有水源，对于条件要求比较苛刻，而且水冷式的油温度比较难困制。182）风冷式：风冷式是利用空气作为冷却剂，这种方法的优点是污染小而且空气资源丰富，不受地域限制，缺点是很容易受到外界因素的影响，比如温度，占用面积比较大，而且比较耗能。3）媒冷式：媒冷式是通过氟利昂来制冷以达到降温的效果，氟利昂会破坏臭氧层，所以这种方法会对环境产生极大地污染，出于这一层面的考虑，现代生产中媒冷式也渐渐不被人们采用。4）油冷式：这种方式的各方面的效果都很优良，但是最大的缺点就是油对机床的污染很大，而且很难清理。本设计采用复合型冷却液，相对来说各个方面都适中。复合型冷却液使用时是和水按一定的比例混合使用，不同的比例会有不同的效果，经过试验表明最合理的的使用比例是 1:10-1:12。选择合理的冷却液和使用合理的勾兑比例将会有效的提高钻削的效率。在切削液中加入 S、Cl、P 等活性化学元素可以起到有效的保护刀具作用，因为这些元素在加工的过程中受到 200以上的高温影响会发生回血反应，产生磷化铁、硫化铁等化学物质，这些物质附着在刀具表面可以起到保护刀具的作用，提高加工精度，进而提高加工效率。（4）切削参数不同的切削参数会产生不同的切削效果，最主要的就是所产生的断屑长度不同，越长的切屑将会更容易排出，如果切屑长度较短，那么很容易发生切屑排不出、堵塞、缠绕等问题。目前生产中所能产生的较长的切屑一般 150mm，采用更优的切削参数将会更有效的减少上述问题，将会有效的提高切削效率。3.4 排屑问题的优化设计解决排屑难的方法：（1）采用振动切削振动切削是在刀具钻削过程中在某一个瞬间刀具和工件发生很小的位移，由于这个位移发生的十分迅速，可以产生局部很大的速度和加速度，这个局部的能19量可以将切屑振断，从而起到断屑的目的。这种方法会增加钻头所受到的冲击。会缩小钻杆的寿命。（2）采用一孔多刀的钻削方式一孔多刀也就是加工到一定深度后退刀排屑，然后再次进行钻削，这种钻削方式可以有效解决发生堵塞的问题，但是存在着很多的弊端，比如多次退刀进刀大幅度降低加工效率、退刀的时间节点不好确定，很容易出现退刀之前就已经发生堵塞的状况。（3）增大高压油的压力合理的增加高压油的压力可以更容易将切屑冲出来，这种方法只能消除一部分堵塞现象，不能彻底解决该问题。3.5 本章小结本章分为四个模块，分别对上一章所提出的四个问题进行逐一优化、改进。在第一模块中，传统的刀具固定架及钻削方式进行分析，在此基础之上设计出一款新的授油器，更好地解决刀具走偏及授油的问题。分别在第二、三、四模块中，对刀具磨损、崩刃、钻削效率低、排屑问题在分析对比中提出了优化解决方案。2021224 深孔钻床主要部位设计4.1 切削功率的计算对于深孔钻学来说，目前还没有成套的功率计算方法，在现实加工中大多数都是采用传统麻花钻的功率计算方来来代替深孔钻的功率计算，所以本设计也采用麻花钻的功率计算方法。（4.1）M=304d2f0.810-3=3045020.050.8103=69.18式中： d钻孔直径，50mm ；f钻孔进给量，0.05mm/r 。钻削轴向力： （4.2）N=299df0.7=299500.050.7=1836.2N钻削功率 ：P=2Mn103+Nfn10-3=5.26kW式中： n 钻孔转速，600r/ min=10r/s 。考虑到钻削的效率问题，将所得的值得 70%作为有效计算值。通过计算得知，钻削直径在 50mm 以下的孔，最大切削功率不超过 5.26kw。234.2 主轴的设计4.2.1 轴的分类在实际生产中，从轴的受力情况不同来分主要分为心轴、转轴、传动轴三大类，其中心轴可以承受弯矩不能承受扭矩，生活中有一部分心轴是起传动作用，比如铁路车辆上的轴，有一些心轴就不能起到传动的作用，例如轮滑的轴；转轴既可以承受弯矩也可以承受扭矩，生活中最常见的比如减速器的轴；传动轴只能承受扭矩不能承受弯矩，例如汽车上的驱动主轴 11。还可以按照轴的形状来分，可以分为曲轴和直轴两种类型，如图 4.1 和图 4.2 所示。曲轴主要是将旋转运动转换为往复运动或者其他形式的运动。直轴可以分为光轴和阶梯轴两种类型，光轴制造简单、使用方便、装配方便，但是缺点是局限性太大，一些稍微复杂的场合光轴无法满足要求，这时候就需要使用阶梯轴。图 4.1 直轴 图 4.2 曲轴4.2.2 轴的选择本设计主要设计的是深孔钻床，所以主轴主要受到扭矩，几乎不受弯矩，所以选择传动轴来做钻削机床的主轴。一般生产中轴的材料主要是合金钢或者碳钢，这两种材料各有优缺点，碳钢相对于合金钢比较便宜，对应力集中的敏感程度比较小，合金钢相比于碳钢主要有较高的力学性能和较好的淬火性能。参考第九版机械设计表 15-1（如表 4.2） ，综合考虑选择 45 钢作为主轴的材料。24表 4.2 轴的常用材料及其主要力学性能4.2.3 轴的结构设计（1）键槽， （2）传动轴， （3）轴承， （4）套筒， （5）紧固螺栓， （6）弹性卡爪图 4.5 轴的结构图如图 4.5 所示，轴的尾端 1 处设置键槽，用来连接动力输入部分，钻削刀具从（6）弹性卡爪中间预留孔隙处伸入轴中，然后利用拧紧（5）紧固螺栓来使弹性卡爪锁紧，从而达到夹紧刀具的效果。由于轴的右边要安装刀具，所以不得不将右端设置为空心的，这样就降低了轴的刚度，所以在（2）传动轴处增加轴的截面直径，从而弥补轴的刚度。 （3）轴承的作用是安装轴的时候方便安装，还可以起到防止轴的摆动。轴承的定位是靠轴承左边的轴肩来25定位，它的锁紧是利用安装在它右边的（4）套筒来定位。轴的计算（1）轴的强度校核由于本设计选用的是传动轴，所以校核只需要校核扭转强度，而不需用校核弯曲强度。如果主轴受到较小的弯曲应力时，则可以采用降低扭转切应力的办法来计算。在设计轴时，一般初步估计轴的直径，对于一般不是特别重要的轴，也可以作为最后的计算结果。轴的扭转强度计算公式为(4.3)T=TWT9550000Pn0.2d3T其中： 扭转切应力，单位 MPa；T轴所受到的扭矩，单位 Nmm；轴的抗扭截面系数，单位 mm3n轴的转速，单位 r/min；P轴传递的功率，单位 kM；d计算截面处轴的直径，单位