【正文】 ................................................................ 31 φ70 普通型深孔鏜刀設(shè)計(jì) ......................................................................... 32 φ30 緊湊型深孔鏜刀設(shè)計(jì) ......................................................................... 33 小結(jié) ...................................................................................................................... 34 5 深孔鉆削系統(tǒng)設(shè)計(jì) ......................................................................................................... 35 改造方案的確定 .................................................................................................. 35 改造分析與計(jì)算 ................................................................................................... 35 車床型號(hào)的選擇 ........................................................................................ 35 冷卻排屑系統(tǒng)設(shè)計(jì) ................................................................................... 37 參考文獻(xiàn)： ......................................................................................................................... 38 致謝 ..................................................................................................................................... 39 附錄 A ................................................................................................................................ 40 1 1 緒論 本課題研究的目的與意義 第一次工業(yè)革命以來(lái)的歷史證明，工業(yè)化程度的高低，直接決定了各個(gè)國(guó)家的社會(huì)發(fā)展階段、人民生活水平和維護(hù)國(guó)家安全的能力。在工業(yè)部門中，制造業(yè)，尤其是裝備制造業(yè)由于承擔(dān)著為國(guó)民經(jīng)濟(jì)所有部門提供生產(chǎn)裝備的重任，責(zé)無(wú)旁貸地成為國(guó)家的支柱產(chǎn)業(yè)。而要成為制造強(qiáng)國(guó)，首先則必須具有強(qiáng)大的技術(shù)開(kāi)發(fā)能力，擁有大批擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重要產(chǎn)品和擁有國(guó)際領(lǐng)先的制造技術(shù)。 深 孔加工作為二戰(zhàn)以后發(fā)展起來(lái)的一種新型加工工藝，在國(guó)名經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著越來(lái)越巨大的作用。上個(gè)世紀(jì) 60 年代以來(lái)槍鉆、 BTA (Boring and Trepanning Association)鉆（即內(nèi)排泄深孔鉆）、噴吸鉆被發(fā)明后迅速被應(yīng)用于石油、煤炭采掘、水火力發(fā)電機(jī)制造、船舶、航空航天、冶金、化工、紡織、木材加工機(jī)械、飼料機(jī)械等不同行業(yè)的裝備制造。以深孔零件為特征的民品裝備不斷涌現(xiàn)出新品種，成為 20世紀(jì)下半葉世界裝備制造業(yè)中的一枝獨(dú)秀。截止 2021 年，據(jù)統(tǒng)計(jì)深孔鉆加工裝備的90%都是進(jìn)口產(chǎn)品。至 70 年代末我 國(guó)改革開(kāi)放時(shí)，中國(guó)的深孔加工技術(shù)已整整比西方落后了 30 年 [1]。 這一技術(shù)差距所導(dǎo)致的消極影響，早在 80 年代即開(kāi)始顯露。在我國(guó)制造業(yè)處于低谷時(shí)期，以深孔加工為關(guān)鍵技術(shù)的液壓件、兵工等生產(chǎn)行業(yè)相繼瀕于停產(chǎn)、倒閉狀態(tài)，數(shù)以千計(jì)的相關(guān)大、中、小企業(yè)從此一蹶不振。與此同時(shí)，我國(guó)與世界經(jīng)濟(jì)接軌又促成了大批新制造行業(yè)的誕生。 2021 年在我國(guó)統(tǒng)計(jì)的 29 個(gè)制造行業(yè)中，至少有一半對(duì)深孔加工技術(shù)和裝備有直接需求， 1/3 以上有迫切需求。至 20 世紀(jì) 90 年代末，由于我國(guó)經(jīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的加速，上述供需矛盾呈現(xiàn)激化態(tài)勢(shì)。一方面，不斷涌現(xiàn)的新 型深孔類新裝備迫切需要“價(jià)廉物美”的深孔加工技術(shù)去承制試造；另一方面，由于國(guó)家沒(méi)有自己的原創(chuàng)性先進(jìn)深孔加工技術(shù)和專業(yè)化的深孔加工裝備產(chǎn)業(yè)提供保證，迫使為數(shù)不多的大企業(yè)以高價(jià)進(jìn)口深孔加工裝備，只能靠相對(duì)落后的技術(shù)、裝備去制造品質(zhì)相對(duì)低劣的裝備產(chǎn)品。必須看到，在深孔加工技術(shù)和裝備制造上已經(jīng)呈現(xiàn)出來(lái)的這一瓶頸現(xiàn)象如不能得到有效的解決，將會(huì)嚴(yán)重制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展。 解決以上這一嚴(yán)峻矛盾的對(duì)策就是：推出中國(guó)自己原創(chuàng)性的深孔加工技術(shù)，建立起一條專業(yè)化、現(xiàn)代化的深孔加工裝備產(chǎn)業(yè)鏈。在這一產(chǎn)業(yè)鏈中，深孔加工刀具的設(shè)計(jì)是極其重要的一環(huán)。 雖然目前國(guó)內(nèi)已有較成熟焊接式深孔加工刀具，但焊接式深孔刀具的種種弊端制約著其發(fā)展。焊接式刀具采用焊接方式將刀塊與刀體相連接在一起，在焊接過(guò)程中，刀塊受焊接溫度的影響硬度將會(huì)有所降低，影響切削效率和耐磨性。另外，焊接式深孔刀具由于采用了焊接式鏈接，刀體為一次性使用，大大增加了制造時(shí)間和材料損耗經(jīng)濟(jì)性較差。 2 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品對(duì)材料的綜合性能提出了更高的要求。鈦合金材料憑借著其比強(qiáng)度高、熱強(qiáng)度高、抗蝕性好和高溫性能好等優(yōu)良特性，在宇航、原子能、電力、化工和石油等行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣 泛 [2][3]。 以石化行業(yè)為例，隨著石油工業(yè)的的不斷發(fā)展，對(duì)測(cè)井裝備提出了耐腐蝕、耐高壓、高強(qiáng)度、小尺寸，輕質(zhì)量等各種要求，許多高性能材料（如沉淀硬化不銹鋼、鈦合金、耐熱合金等）在石油測(cè)井儀器中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。這些材料的機(jī)械、物理性能在某些方面非常優(yōu)良，如鈦合金比強(qiáng)度（強(qiáng)度 /密度）相對(duì)很高，有良好的耐腐蝕和高溫高壓性能，許多發(fā)達(dá)國(guó)家在 20 世紀(jì) 90 年代已將鈦合金材料用于測(cè)井儀器的零部件，特別是保護(hù)外殼。我國(guó)近幾年才將鈦合金應(yīng)用于測(cè)井儀器的保護(hù)外殼，這主要是由于鈦合金的切削加工性非常差，特別是深孔加工性 很差，因而限制了鈦合金的應(yīng)用 [4]。 為了解決以上面的種種弊端，設(shè)計(jì)一種新型方式將刀塊同刀體相連接是很有必要的。機(jī)械式裝夾方式作為一種經(jīng)濟(jì)有效的方案，可以很好地解決焊接式深孔刀具的弊端，實(shí)現(xiàn)深孔加工的產(chǎn)業(yè)化、經(jīng)濟(jì)化。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)狀 深孔鉆削技術(shù)的發(fā)展 人類對(duì)深孔加工技術(shù)的需求，至少可以追溯到 14 世紀(jì)歐洲滑膛槍的問(wèn)世，遠(yuǎn)比第一次工業(yè)革命后現(xiàn)代機(jī)械技術(shù)的發(fā)展要早很多。 工具和工具制造技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，源于人類生產(chǎn)活動(dòng)和戰(zhàn)爭(zhēng)的需要。中國(guó)是火藥的發(fā)源地。早在元、明時(shí)期已普遍使用金屬管型火器 —— 手 銃、火銃及火槍。金屬管型火器是最早出現(xiàn)的深孔零件，比現(xiàn)代意義上的機(jī)械零件早出若干世紀(jì)。 最早的管式火器是采用鑄造、鍛造方法制成。由于精度很低使用范圍十分有限。隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)深孔工件的精度有了越來(lái)越高的要求。深孔加工工藝的革新問(wèn)題顯得迫在眉睫。 圖 11 扁鉆 3 最早用于加工深孔鉆削的深孔鉆頭是扁鉆（圖 11），它發(fā)明于 18 世紀(jì)初。 1860年美國(guó)國(guó)人對(duì)扁鉆進(jìn)行了改進(jìn)，發(fā)明了麻花鉆。 1930 年出現(xiàn)了第一支能夠連續(xù)供油排屑并具有自動(dòng)導(dǎo)向功能的深孔鉆頭 —— 槍鉆（圖 12），其因用于加工槍孔而得名。1943 年，德國(guó)海勒公司研制出畢斯涅爾加工系統(tǒng)（即目前我國(guó)常稱的內(nèi)排屑深孔鉆削系統(tǒng)）。 圖 12 槍鉆 圖 13 BTA 深孔鉆 二戰(zhàn)結(jié)束以后，英國(guó)的維克曼公司、瑞典的卡爾斯德特公司、德國(guó)的海勒公司、美國(guó)的孔加工協(xié)會(huì)、法國(guó)的現(xiàn)代設(shè)備商會(huì)聯(lián)合組成了深孔加工國(guó)際孔加工協(xié)會(huì)(Boring and Trepanning Association),簡(jiǎn)稱 BTA 協(xié)會(huì)。該協(xié)會(huì)對(duì)畢斯涅爾加工系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，定名為 BTA 系統(tǒng)。后來(lái)由瑞典的山特維克公司首先設(shè)計(jì)出了可轉(zhuǎn) 位深孔鉆及分屑多刃錯(cuò)齒深孔鉆（圖 13）。 BTA 法存在著切削壓力高，密封困難等缺點(diǎn)，為克服這些不足， 1963 年山特維克公司發(fā)明了噴吸鉆法。 20 世紀(jì) 70 年代中期，由日本冶金股份有限公司研制出 DF(Double Feeder)法為單管雙進(jìn)油裝置，它是把 BTA 法與噴吸鉆法兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)的一種加工方法，用于生產(chǎn)后得到了令人滿意的結(jié)果，目前廣泛應(yīng)用于中、小直徑內(nèi)排屑深孔鉆削。 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 深孔加工技術(shù)從 20 世紀(jì) 80 年代末以來(lái)，在西方國(guó)家一直處于停滯狀態(tài)。 20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)，以槍鉆、 BTA 鉆為代表的的 深孔加工技術(shù)在西方工業(yè)國(guó)未出現(xiàn)任何重要突破性的改進(jìn)和發(fā)展。針對(duì) BTA 鉆的種種弊端，雖然在六七十年代曾經(jīng)先后推出雙管噴吸鉆、 DF 系統(tǒng)兩種改進(jìn)方案，但均未取得很好的效果。學(xué)術(shù)方面， 20 世紀(jì)80 年代以來(lái)學(xué)術(shù)研究出現(xiàn)了低潮期。 20 世紀(jì) 50~70 年代有關(guān)國(guó)際性學(xué)術(shù)會(huì)議增舉辦過(guò)幾次，國(guó)際上流傳的為數(shù)不多的深孔加工專著和大批論文絕大多數(shù)是在 20 世紀(jì)70~80 年代出版和發(fā)表的。近 20 年來(lái)，國(guó)際學(xué)術(shù)研究沉寂，很少出現(xiàn)有創(chuàng)新意義的成果和論著。此外，國(guó)際深孔加工裝備處于壟斷狀態(tài)，裝備產(chǎn)品的進(jìn)口價(jià)格居高不下。 4 目前國(guó)際上主要的深孔 刀具供應(yīng)商是瑞典的山特維克可樂(lè)滿 (SANDVIK Coromant)公司。由資料 [5,44]可知，如圖 14 所示，其生產(chǎn)的深孔鉆可加工直徑 cD 由15mm 到 75mm 以上，鉆削深度 4l 達(dá)到 cD?150 ，孔公差達(dá)到 IT9 級(jí)。 圖 14 山特維克可樂(lè)滿深孔鉆削刀具加工范圍 我國(guó) 20 世紀(jì)下半葉才開(kāi)始工業(yè)化進(jìn)程，比歐洲晚了 20 年。 80 年代改革開(kāi)放后才逐步加快了與國(guó)際接軌的步伐， 90 年代計(jì)入工業(yè)發(fā)展快車 道， 1997 年以來(lái)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)連續(xù)以 8%左右的速度增長(zhǎng)，成為世界上經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度最快的國(guó)家。但是我們也必須清楚地看到，盡管我國(guó)機(jī)電產(chǎn)品已成為出口貿(mào)易的最強(qiáng)大支柱和國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，但其中大多數(shù)仍屬于勞動(dòng)力密集型和資金密集型產(chǎn)品，技術(shù)密集型和創(chuàng)新型機(jī)電產(chǎn)品所占比重極為 10%左右。主要機(jī)械產(chǎn)品技術(shù)來(lái)源的 57%和大多數(shù)電子信息設(shè)備的核心技術(shù)均依靠國(guó)外引進(jìn)。近年來(lái)機(jī)電裝備的進(jìn)口增長(zhǎng)率和總額逐年均超過(guò)出口。截止 2021 年，據(jù)統(tǒng)計(jì)深孔鉆加工裝備的 90%都是進(jìn)口產(chǎn)品。至 70 年代末我國(guó)改革開(kāi)放時(shí)，中國(guó)的深孔加工技術(shù)已整整比 西方落后了 30 年 [1]。 1978 年 DF 法在我國(guó)設(shè)計(jì)完成并與 1979 年正式用于生產(chǎn)，現(xiàn)廣泛用于中、小直徑內(nèi)排屑深孔鉆削。國(guó)內(nèi)幾家重型機(jī)器制造廠相繼研制成和采用了深孔套料鉆，已成功加工出 12m 長(zhǎng)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)自內(nèi)孔。西安石油大學(xué)與 1989 年成功地將噴吸效應(yīng)原理應(yīng)用到外排屑槍鉆系統(tǒng)，使槍鉆的加工性能大大提高； 1994 年又研制成功多尖齒內(nèi)排屑深孔鉆，使深孔鉆削的穩(wěn)定性和耐用度大大提高 [6]。 深孔加工簡(jiǎn)介 深孔的定義 在機(jī)械加工工藝中，孔的加工主要分為淺孔加工和深孔加工兩大類。兩類加工之間沒(méi)有準(zhǔn)確的界 限。一般規(guī)定孔深 L 與孔徑 0d 之比大于 5，即 5/ 0 ?dL 的孔稱為深孔； 5 反之 5/ 0?dL 的孔被稱之為淺孔 [6]。 在機(jī)械加工中淺孔一般采用麻花鉆加工。麻花鉆結(jié)構(gòu)如圖 15 所示。其結(jié)構(gòu)直徑0d 、螺旋角 ? 和螺旋槽導(dǎo)程之間的關(guān)系為： ??tan0 ?dP (11) 人們?cè)趯?shí)踐中發(fā)現(xiàn)，為了順利排屑，麻花鉆一次鉆削的鉆削深度 L 不應(yīng)超過(guò)螺旋槽導(dǎo)程 P 的 3/4，即 4/3PL? 。將其帶入式 ()得 ??tan4 30 ?dL (12) 圖 15 麻花鉆的螺旋角 由 GB1441— 78 查得，麻花鉆的螺旋角 ? 取值在 ?? 30~25 之間。代入式 (12)得 ~?dL 。所以麻花鉆的良好工作的鉆深 L 是小于 5 倍孔徑 0d 。因此，盡管麻花鉆在鉆淺孔時(shí)是功效很高的機(jī)夾刀具，但是受鉆深 L 限制，使用麻花鉆加工深孔時(shí)必須頻繁退刀和進(jìn)刀（有時(shí)還需要對(duì)鉆頭和被加工孔進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑），使功效大大降低 [1]。 深孔加工的分類 深孔加工可分為一般深孔加工（鉆、鏜、鉸等）、精密深孔加工（珩磨、滾壓等）和電深孔加工（電火花、電解等）。一般深孔加工又可按多種方式分類。 按加工方式分類分為： ，用于加工無(wú)孔毛坯。如圖 16(a)。 ，用于提高孔的精度和降低孔的內(nèi)表面粗糙度。如圖 16(b)。 6 ，使用空心鉆頭鉆孔，加工后可取出一根芯棒。如圖 16(c) 圖 16 深孔加工方式 按運(yùn)動(dòng)形式分類分為： ，刀具做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 ，刀具作旋轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 ，