【摘 要】
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深孔加工在航空航天、汽车制造、枪械行业、通用机械以及石油、化工、矿山和工程机械等领域应用广泛。深孔加工工况恶劣,切削热不易耗散,排屑难度大,切削效率低,被认为是最难金属切削问题之一。曲轴斜油孔、连杆油孔、发动机缸体主油道孔、模具的运水孔等深孔加工,孔深与孔径比达12～30,刀具刚性很差,普通深孔钻的性能难以满足低切削力、长刀具寿命和快生产节拍要求,深孔麻花钻的设计制造技术突破是解决大长径比深孔加工
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深孔加工在航空航天、汽车制造、枪械行业、通用机械以及石油、化工、矿山和工程机械等领域应用广泛。深孔加工工况恶劣,切削热不易耗散,排屑难度大,切削效率低,被认为是最难金属切削问题之一。曲轴斜油孔、连杆油孔、发动机缸体主油道孔、模具的运水孔等深孔加工,孔深与孔径比达12～30,刀具刚性很差,普通深孔钻的性能难以满足低切削力、长刀具寿命和快生产节拍要求,深孔麻花钻的设计制造技术突破是解决大长径比深孔加工难题的关键。本文针对直径12mm以内,长径比在10～30之间的内冷涂层深孔麻花钻,通过理论建模和有限元分析,结合深孔钻切削实验,对大长径比深孔麻花钻的结构设计和切削性能开展研究,解决机械制造领域大长径比深孔加工排屑难、钻头寿命低的难题。（1）圆锥面钻尖结构设计。通过定义刃偏距参数,基于麻花钻圆锥面后刀面几何特征,建立横刃斜角、半顶角、钻尖高和轴向结构后角等设计参数的数学模型,推导出指定轴间角时刃磨参数的显式解析解。为控制钻头后刀面“后翘”,引进钻尖辅助结构设计参数“滞后量”,提出求解曲线刃圆锥面钻尖刃磨参数的方法,编写刃磨参数计算程序,给出直径d8和d10两种圆锥面钻尖多组刃磨参数计算实例。建立四种不同结构参数的d8圆锥面钻尖的三维实体模型,并刃磨加工出四种圆锥面钻尖,通过测量钻尖模型和刀具实体的结构设计参数,对比设计参数测量值和设计值间的误差,对所建立的圆锥面钻尖数学模型和刃磨参数解析解的准确性进行验证。（2）变芯径成型螺旋槽结构优化。基于成型砂轮模型和螺旋槽加工运动规律,建立成型螺旋槽数学模型。推导螺旋槽端截面轮廓方程,对成型螺旋槽端截面轮廓进行CAD,研究砂轮截形参数对槽型轮廓的影响规律。从有效容屑空间、芯径（刚性）和刃瓣宽三方面分析深孔麻花钻螺旋槽截形设计原则,通过增大砂轮截形轮廓中间段圆弧的半径R1,适度增大用于加工螺旋槽前刀面和副槽的砂轮圆弧R2和R3,同时减小两圆弧中心到砂轮外径最大截面距离b2和b3,可保证刀具刚性,提高容屑空间。通过静力学仿真分析,研究5种变芯径结构的刚性,优选出前段等芯径,后段芯径线性递减结构。（3）深孔钻的变形研究。建立麻花钻悬臂梁等效模型,推导麻花钻截面惯性矩、惯性积和极惯性矩计算公式,阐述获取麻花钻截面特性参数的数值计算和几何分析方法。定义麻花钻截面平均惯性矩,分析麻花钻长度对平均惯性矩的影响,结果表明麻花钻越长,截面平均惯性矩越接近极惯性矩的一半。提出弯曲变形和扭转变形修正系数,开展麻花钻弯曲和扭转变形静力学有限元仿真,通过数据拟合辨识变形修正系数,建立麻花钻弯曲和扭转变形计算模型,实现深孔钻受力变形预测和螺旋槽结构优化设计。（4）基于CFD的深孔钻冷却结构优选。考虑内冷孔、螺旋槽槽型和变芯径结构三个方面,设计DHS、DHD、DHL、DHM、DHO和DHG共六种不同的深孔钻方案,建立深孔钻三维实体模型和有限元网格模型,对深孔钻加工过程中润滑液的冷却作用开展流体动力学仿真,通过分析冷却液流速和刃口切削温度评价不同方案的冷却效果。仿真结果表明:DHL方案冷却液流线分布更优,刀尖处冷却速度更快,总体冷却效果最好,优选为大长径比深孔钻槽型设计方案。（5）深孔钻切削性能评价与应用研究。针对课题研究新开发的Z型深孔麻花钻,设计不同的刃口处理结构,分析不同刃口处理方式对深孔钻断屑性能和切削力的影响规律,确定负倒棱0.04×（10°～25°）作为Z型深孔钻刃口处理设计方案。针对X型、Y型、Z型、MWS型、ADO型和RT100T型六种深孔钻,开展切削力和耐用度对比实验研究,结果表明新开发的Z型深孔钻切削力小,加工42CrMo和C45等钢材深孔时的切削性能优越。
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