CN106925818B - 小直径三刃错齿内排屑深孔钻及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小直径三刃错齿内排屑深孔钻及其制作方法，该深孔钻包括整体制作而成的刀体头部(1)和刀体柄部(2)，所述刀体头部(1)设置有双排屑孔、三个刀片槽(3)和二个导向块槽(4)，在刀片槽(3)上焊接刀片(31)，在导向块槽(4)上焊接导向块刀片(41)，所述刀体柄部(2)被加工出定位台(5或6)和连接螺纹(7)。本发明的小直径三刃错齿内排屑深孔钻提高了刀具切削性能以及钻孔质量，省去了刀体头部与柄部的焊接工艺，节省了专用焊接设备的投资，消除头部与柄部焊接时的缺陷，易于保证头部与柄部的同心度，简化刀具制造工艺。

Description

小直径三刃错齿内排屑深孔钻及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种深孔钻，特别涉及一种小直径内排屑深孔钻，及其制作方法或工艺，属于机械制造和加工领域。

背景技术

随着机械工业的发展和市场对机械零件的多样性需求，作为装备制造技术中的一个重要分支，深孔加工技术面向着多品种、小批量、新型材料及越来越高的精度要求的挑战。

在机械加工中通常把孔深与孔径之比大于6的孔称为深孔。深孔钻是专门用于加工深孔的钻头，内排屑深孔钻属于定尺寸刀具，在国防工业、机床、发电设备制造、石油机械、钢铁以及各种重型装备制造领域具有相当广泛的应用。

深孔钻按排屑方式分为外排屑和内排屑两类。外排屑的有枪钻、深孔扁钻和深孔麻花钻等，内排屑的因所用的加工系统不同，分BTA深孔钻、喷射钻和DF深孔钻3种。

枪钻：只有一个切削部分，最早用于加工枪管。钻削时，切削液从钻杆中间进入，经钻头头部的小孔喷射到切削区，然后带着切屑从钻头的V形沟槽中排出。枪钻适用于加工孔径2～20毫米、孔深与孔径之比大于100的深孔。枪钻常用高速钢或硬质合金制造。

BTA深孔钻：切削液从钻杆与孔壁的间隙处送入，靠切削液的压力将切屑从钻杆的内孔中排出。BTA深孔钻适用于钻削孔径6毫米以上，孔深与孔径之比小于100的深孔，其生产效率比枪钻高3倍以上。

喷射钻：一种多刃内排屑深孔钻，有内、外两层钻管，大部分切削液从内、外钻管的间隙中进入切削区，然后连同切屑进入内管；另一小部分切削液则经由内管尾端的月牙形孔进入内管，产生喷射效应，形成低压区，帮助抽吸切屑。喷射钻不要求严格的切削液密封装置，适用于钻削直径18毫米以上、孔深和孔径比小于100的深孔。

DF深孔钻：这种钻头吸收了BTA深孔钻和喷射钻的优点，采用单管，排屑靠推压和抽吸双重作用，提高了排屑能力，可钻削孔径在8毫米以上的深孔。

目前，国内所生产的小直径内排屑深孔钻一般只加工出一个排屑孔和一个刀片槽。焊上一个切削刀片后，在切削刀片上磨出分屑台和断屑槽，以利于深孔钻削时进行断屑和排屑，如图1和图2所示；另外，刀体与钻杆一般用焊接或螺纹联接。

该类刀具机加工制作工艺简单，国内目前生产的小直径内排屑深孔钻主要采用这种结构。但是，由于切削刀片布置在钻头的一侧，钻削时径向力以及扭矩比较大；同时切削刃采用一个焊接刀片并磨出分屑台和断屑槽，焊接应力和磨削应力大，切削时容易产生崩刃。

另外，深钻孔主要缺点在于散热(冷却)难、润滑难和排屑困难，工具系统刚度低以及刀具的自导向差，一方面，深孔钻削时散热和排屑困难，一般都要借助压力冷却系统解决冷却和排屑问题，另一方面，因钻杆细长刚度低、自导向性以及刚性差，易产生弯曲和振动。

如何改进内排屑深孔钻的结构设计以及制作工艺，以减小深孔钻削时的径向力和扭矩，同时降低焊接应力以及磨削应力，从而提高刀具切削性能以及钻孔质量，是本领域亟待解决的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种具有小直径三刃错齿内排屑深孔钻削刀具及其制作方法，采用精密铸造工艺整体设计并制作出带(双)排屑孔、刀片槽、导向块槽等的刀体头部以及刀体柄部，因此具有(双)排屑孔三刃错齿结构，并且在圆周方向布置两个导向块，从而保证切削刀片在钻头半径方向上能够互相搭接，并防止了孔的偏斜，保证钻孔精度和光洁度，此外还有效减小了深孔钻削时的径向力和扭矩，同时减少了焊接应力以及磨削应力，使得刀具切削性能以及钻孔质量得以提高，由此完成了本发明。

因此，本发明第一方面，提供一种小直径三刃错齿内排屑深孔钻，该深孔钻包括刀体头部和刀体柄部，其中，

所述刀体头部设置有(双)排屑孔、三个刀片槽和二个导向块槽，在刀片槽上焊接刀片，在导向块槽上焊接导向块刀片，

所述刀体柄部被加工出定位台和连接螺纹。

本发明第二方面，还提供一种制作上述小直径三刃错齿内排屑深孔钻的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、制作出刀体头部和刀体柄部；

步骤2、在刀体头部的刀片槽上焊接刀片，并在刀体头部的导向块槽上焊接导向块刀片；

步骤3、在刀体柄部加工出定位台和连接螺纹；

步骤4、加工出外圆几何尺寸和几何角度。

本发明提供的小直径三刃错齿内排屑深孔钻整体上提高了刀具切削性能以及钻孔质量，不但保证了切削刀片在钻头半径方向上互相搭接，防止孔发生偏斜，保证了钻孔精度和光洁度，而且有效减小了深孔钻削时的径向力和扭矩，同时减少了焊接应力以及磨削应力，此外还省去了刀体头部与柄部的焊接工艺，节省了专用焊接设备的投资，消除头部与柄部焊接时的缺陷，易于保证头部与柄部的同心度，简化刀具制造工艺。

附图说明

图1为现有的小直径内排屑深孔钻的侧视图；

图2为现有的小直径内排屑深孔钻的正视图；

图3为本发明的深孔钻整体制作出刀体头部和刀体柄部的侧视图；

图4为本发明的深孔钻整体制作出刀体头部和刀体柄部的正视图；

图5为本发明的深孔钻在刀体柄部加工出定位台和连接螺纹后的侧视图；

图6为本发明的深孔钻在刀体柄部加工出定位台和连接螺纹后的正视图。

各附图标记如下：

1-刀体头部

2-刀体柄部

3-刀片槽

31-刀片

4-导向块槽

41-导向块(刀片)

5-定位台

6-定位台

7-连接螺纹

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

根据本发明第一方面，提供一种小直径三刃错齿内排屑深孔钻，所述小直径是指直径为φ16～25mm，不同于中等直径或大直径的内排屑深孔钻，例如大直径一般是指直径大于64mm。

对于内排屑深孔钻而言，为了使切削正常进行，必须保证排屑通畅，因此排屑一直都是技术关键，特别是对于φ16～25mm的小直径深孔钻而言，排屑空间受到小孔径的限制，对切屑形状更提出了严格要求。

正因如此，现有的φ16～25mm的小直径内排屑深孔钻一般只加工出一个排屑孔和一个刀片槽，以利于钻削深孔时顺利进行断屑和排屑，如图1和图2所示，该深孔钻包括刀体头部1和刀体柄部2，所述刀体头部1设置有一个排屑孔、一个刀片槽上安装刀片31，导向块槽上安装导向块(刀片)41，刀体柄部2上加工出定位台5和连接螺纹7。

该类刀具虽然机加工制作工艺简单，但生产效率低，而且由于切削刀片布置在钻头的一侧，钻削时径向力以及扭矩比较大；同时切削刃采用一个焊接刀片并磨出分屑台和断屑槽(如图2所示)，焊接应力和磨削应力大，切削时容易产生崩刃。

本发明的深孔钻包括刀体头部1和刀体柄部2，所述刀体头部设置有双排屑孔、三个刀片槽3和二个导向块槽4。

与大直径内排屑深孔钻通过刀座式机夹可转位结构安装刀片不同的是，本发明中，在三个刀片槽3上通过焊接方式安装切削刀片31(如图5所示)，这样使得刀片更加牢固并且节省空间，此外，刀片的焊接方式需保证切削刀片在钻头半径方向上能互相搭接。所述三个刀片可以按照较大直径(例如φ50～72mm)深孔钻头上的刀齿来设计，例如可以设计为外齿，内齿(中心齿)和中间齿，由于外齿、内齿和中间齿不在同一锥面上，因此达到比较好的分屑效果。

本发明的刀体头部1设置有双排屑孔，当高压切削液由钻杆外圆和孔壁间的缝隙注入时，切屑随同切削液经由该双排屑孔通过钻杆的中心孔排出。

通过本发明的双排屑孔三刃错齿结构，大大减小了深孔钻削时的径向力和扭矩，同时减少了焊接应力以及磨削应力，从而有利于提高刀具切削性能以及钻孔质量。

本发明中，在二个导向块槽4上通过焊接分别安装有导向块(或导向块刀片)41(如图3和5所示)。导向块是为了深孔加工切削平稳和加工偏移量小而配备的，两个导向块和外齿副刃能够三点定圆，从而自行导向进行切削，因此具有支撑、稳定与挤压作用，使得钻头具有了自导向的作用，是维持切削过程稳定性、保证深孔直线度的重要部分，还能有效防止孔发生偏斜，保证钻孔精度和光洁度。

本发明人发现，切削过程中导向块(或导向块刀片)41受到正压力、摩擦力，随着切削温度的升高，摩擦急剧引起磨料磨损、扩散磨损和氧化磨损。这就要求刀具材料能够在高温的条件下保持良好的硬度以及耐磨性。但目前常用的导向块材质有：YT15、YG8，这些材料在使用过程中存在脆性变大或磨损过快，导致加工过程中孔精度及尺寸达不到要求。

为了开发性能更好的材质以满足深孔加工刀具更高层次的要求，根据本发明优选的实施方式，所述导向块(或导向块刀片)41采用硬质合金材料，该材料具有高温红硬性好、耐磨性高的优点，具体而言，其粘结相Co含量6wt.％-11wt.％，四元固溶体(W，Ti，Ta，Nb)C含量为15wt.％-22wt.％，其余为WC，硬质合金中WC的粒径为0.8-1.5μm，固溶体平均粒径为WC平均粒径1-1.5倍。

优选地，粘结相的含量为8wt.％-10wt.％，四元固溶体C含量为18wt.％-21wt.％，四元固溶体中，WC/TiC/TaC/NbC重量比更优选为5:4:8:3，硬质相中WC的平均粒径优选为1-1.2μm，所述固溶体的平均粒径优选为WC平均粒径的1.0-1.2倍。

该导向块硬质合金材料的制备方法如下：按照配方，将平均粒径分别为1-2μm的WC、1.5-2.5μm的(W，Ti，Ta，Nb)C、以及1μm的Co，按比例混合，以己烷为湿磨介质，每公斤粉末加300毫升，球料比为4:1，球磨时间64h，参蜡混合2h，干燥制粒后压成刀片毛坯，在温度1435℃、3-10MPa低压烧结1.5h而成。

该导向块硬质合金材料的优点在于：从化学成分上添加了大量(W，Ti，Ta，Nb)C四元固溶体，能够充分发挥Ti以及Ta的优良性能，提高合金的硬度，(W，Ti，Ta，Nb)C也能够改善合金的高温性能，从而进一步加强合金的耐磨性，其中的TiC使得合金对碳的敏感降低，从而能够改善合金的烧结性能，例如材质硬度可以达到92HRA左右，强度达到2000Mpa以上，具有高的红硬性和耐磨性。

根据本发明一种优选的实施方式，将所述刀体头部1与刀体柄部2整体制作而成(如图3所示)，优选通过精密铸造工艺整体制作出带排屑孔、刀片槽3、导向块槽4等的刀体头部1以及刀体柄部2。这种整体制作、一体成型的制造方法不但简化了刀具制造工艺，还在以下方面表现出明显优势：

省去了分别制造刀体头部与柄部后进行焊接的工艺，从而节省了专用焊接设备的投资，并且有效消除了头部与柄部焊接时的缺陷，易于保证头部与柄部的同心度。

根据本发明，如图5所示，所述刀体柄部2被加工出定位台5或6和连接螺纹7，所述定位台可以包括大小两种定位台5或6；所述连接螺纹7优选为矩形连接螺纹，通过该矩形螺纹，本发明的双排屑深孔钻和钻杆相连。

根据本发明第二方面，提供一种制作上述小直径三刃错齿内排屑深孔钻的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、制作出刀体头部1和刀体柄部2；

步骤2、在刀体头部1的刀片槽3上焊接刀片31，并在刀体头部1的导向块槽4上焊接导向块(刀片)41；

步骤3、在刀体柄部2加工出定位台5或6和连接螺纹7；

步骤4、加工出外圆几何尺寸和几何角度。

此外，还任选对刀片刃口进行强化处理，以及对刀片进行表面涂层处理，例如利用PVD方法在表面进行TiAlN涂层处理，最终完成小直径三刃错齿内排屑深孔钻的制造。

根据本发明优选的实施方式，所述刀体头部1与刀体柄部2整体制作而成，优选通过精密铸造工艺整体制作出带排屑孔、刀片槽3、导向块槽4等的刀体头部1以及刀体柄部2。

首先，如图3和4所示，整体制作出刀体头部1和刀体柄部2，刀体头部1上设置有双排屑孔(未示出)、刀片槽3和导向块槽4；

然后，如图5和6所示，在刀体头部1的刀片槽3上焊接刀片31，并在导向块槽4上焊接导向块(刀片)41；接着，在刀体柄部2分别加工出定位台5或6以及连接螺纹7；

最后，加工出外圆几何尺寸和角度，以及任选进行上述强化处理和涂层处理，从而制成小直径三刃错齿内排屑深孔钻。

本发明提供的双排屑孔小直径三刃错齿内排屑深孔钻整体上提高了刀具切削性能以及钻孔质量，其有益效果具体表现在以下几个方面：

1、保证了切削刀片在钻头半径方向上互相搭接；

2、防止孔发生偏斜，保证了钻孔精度和光洁度；

3、有效减小了深孔钻削时的径向力和扭矩，同时减少了焊接应力以及磨削应力；

4、尤其是省去了刀体头部与柄部的焊接工艺，节省了专用焊接设备的投资；

5、消除头部与柄部焊接时的缺陷，易于保证头部与柄部的同心度，简化刀具制造工艺。

综上所述，本发明的小直径三刃错齿内排屑深孔钻具有非常好的经济效益和社会效益，一方面可以替代进口刀具，改变我国在能源加工领域，特别是核电管板深孔加工领域该类刀具完全依赖进口的局面，另一方面，采用该发明刀具，可以大幅度降低用户的刀具费用，为用户节约成本。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种制作小直径三刃错齿内排屑深孔钻的方法，该深孔钻包括刀体头部(1)和刀体柄部(2)，其特征在于，

所述方法包括以下步骤：

步骤1、制作出刀体头部(1)和刀体柄部(2)；

步骤2、在刀体头部(1)的刀片槽(3)上焊接刀片(31)，并在刀体头部(1)的导向块槽(4)上焊接导向块(41)；

步骤3、在刀体柄部(2)加工出定位台(5、6)和连接螺纹(7)；

步骤4、加工出外圆几何尺寸和几何角度；

首先，整体制作出刀体头部(1)和刀体柄部(2)，刀体头部(1)上设置有双排屑孔、刀片槽(3)和导向块槽(4)；

然后，在刀体头部(1)的刀片槽(3)上焊接刀片(31)，并在导向块槽(4)上焊接导向块(41)；接着，在刀体柄部(2)分别加工出定位台(5、6)以及连接螺纹(7)；

最后，加工出外圆几何尺寸和角度，任选对刀片刃口进行强化处理和涂层处理，从而制成小直径三刃错齿内排屑深孔钻；

所述刀体头部设置有双排屑孔、三个刀片槽(3)和二个导向块槽(4)，在刀片槽(3)上焊接刀片(31)，在二个导向块槽(4)上通过焊接分别安装有导向块(41)，

所述刀体柄部(2)被加工出定位台(5、6)和连接螺纹(7)；

所述小直径为直径φ16～25mm，

在三个刀片槽(3)上通过焊接方式安装切削刀片(31)，切削刀片(31)在钻头半径方向上互相搭接，在切削刀片(31)上磨出分屑台和断屑槽；

所述刀体头部(1)与刀体柄部(2)整体制作而成，通过精密铸造工艺整体制作出带排屑孔、刀片槽(3)、导向块槽(4)的刀体头部(1)以及刀体柄部(2)；

所述导向块采用硬质合金材料，其粘结相Co含量8wt.％-10wt.％，四元固溶体(W，Ti，Ta，Nb)C含量为18wt.％-21wt.％，四元固溶体中，WC/TiC/TaC/NbC重量比为5:4:8:3，其余为WC，硬质合金中WC的粒径为1-1.2μm，固溶体平均粒径为WC平均粒径1.0-1.2倍。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

设置所述双排屑孔，使得当高压切削液由钻杆外圆和孔壁间的缝隙注入时，切屑随同切削液经由该双排屑孔通过钻杆的中心孔排出。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

该导向块硬质合金材料的制备方法如下：按照配方，将平均粒径分别为1-2μm的WC、1.5-2.5μm的(W，Ti，Ta，Nb)C、以及1μm的Co，按比例混合，以己烷为湿磨介质，每公斤粉末加300毫升，球料比为4:1，球磨时间64h，参蜡混合2h，干燥制粒后压成刀片毛坯，在温度1435℃、3-10MPa低压烧结1.5h而成。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述刀体柄部(2)被加工出定位台(5、6)和连接螺纹(7)，所述定位台包括大小两种定位台(5、6)，所述连接螺纹(7)为矩形连接螺纹，通过该矩形螺纹，所述双排屑深孔钻和钻杆相连。