钻柄连接套的结构及加工工艺分析.pdf

现 代 制 造 技 术 与 装 备1442023 年第 7 期总第 320 期钻柄连接套的结构及加工工艺分析李凯1王加祥2,3（1.德州德隆（集团）机床有限责任公司，德州 253000；2.山东省机械设计研究院，济南 250031；3.山东省高档数控机床技术创新中心，济南 250031）摘要：钻柄连接套是数控深孔钻床主轴与刀具之间的关键连接件。深孔机床进行钻削加工时，刀具装在钻柄的前端，钻柄的后端采用圆锥柄插在主轴中心的圆锥孔里，传递主轴的切削扭矩及深孔加工所需的高压内冷冷却液，且定心精度高，稳定性好，在数控深孔钻床上应用广泛。钻柄连接套是影响深孔机床加工精度的主要因素之一。文章将主要介绍钻柄连接套的主要结构特征及其加工工艺的相关知识。关键词：钻柄连接套；锥柄；工艺分析Analysis of the Structure and Processing Technology of the Drill Handle Connection SleeveLI Kai1,WANG Jiaxiang2,3(1.Dezhou Delong(Group)Machine Tool Co.,Ltd.,Dezhou 253000;2.Shandong Institute of Mechanical Design,Jinan 250031;3.Shandong Province High-End CNC Machine Tool Technology Innovation Center,Jinan 250031)Abstract:The drill handle connecting sleeve is a key connecting component between the spindle and the tool of a computer number control deep hole drilling machine.When drilling on a deep hole machine,the tool is installed at the front end of the drill handle,and the back end of the drill handle is inserted into the conical hole in the center of the spindle using a conical handle.The structure is widely used in computer number control deep hole drilling machines for transmitting the cutting torque of the spindle and the high-pressure internal cooling coolant required for deep hole machining,with high centering accuracy and good stability.The connecting sleeve of the drill handle is not only one of the main factors affecting the machining accuracy of deep hole machine tools.The article will mainly introduce the main structural features of the drill handle connecting sleeve and relevant knowledge of its own processing technology.Keywords:drill handle connecting sleeve;conical handle;process analysis数控深孔钻床是专门用来加工零件长径比大于10 1 以上深孔的专用设备。机床的钻削加工采用枪钻完成工件深孔的钻削加工，加工精度高，钻孔长径比可达 300 1。但是，枪钻需要采用专用的钻柄与机床的主轴连接装夹。该钻柄的前段固定装夹刀具的刀柄，后端与主轴的锥孔定位连接，见图 1。主轴钻柄连接套锥度 1:20枪钻图 1钻柄连接示意图1钻柄连接套的结构分析钻柄连接套的主要作用是连接主轴和枪钻刀具。既可以实现枪钻刀具的快速装夹固定和深孔加工，又可以实现深孔加工需要的高压冷却液的传输。根据深孔机床钻孔深度的要求，可以选择不同规格的钻柄。不同规格的钻柄的主要区别在于两个方面，一是长度不同，二是装夹刀柄的规格不同，其余的连接方式完全一致。下面分析一款最长规格的钻柄，结构见图 2。钻 柄 连 接 套 的 后 端 与 主 轴 连 接 的 锥 度 采 用1 20。接触面连接紧密，定心精度高，自锁性好，适合于高速旋转，如在转速大于 10 000 r min-1的高速运转状态下稳定性非常好。钻柄与主轴的连接是通过 1 20 的锥面和54 mm 的法兰端面双定位连接。锥面是主定位，端面是次定位，定位定心精度高。54 mm 的法兰端面有 2 个 15.9 mm H8 的键槽，用于连接主轴的上的传动键，径向定位1。钻柄中心留145工 艺 与 装 备有通孔，与主轴和刀具的中心通孔相通，保证高压冷却切削液输送到刀具的头部。钻柄的前段留有装夹枪钻刀具的安装孔，可以快速装夹固定刀具。不同规格的刀具，刀柄安装孔直径不同。根据刀具直径大小，分为16H6 mm、25H6 mm、32H6 mm 这 3 种 规格。图 2钻柄结构（单位：mm）钻柄连接套是数控深孔钻床与枪钻刀具之间的重要连接体。钻柄的精度不仅影响工件的加工质量，而且影响刀具的使用寿命，是影响机床整体性能的重要因素2。2钻柄连接套的安装拆卸方法、固定刀具方法和作用2.1钻柄连接套的安装和拆卸方法钻柄连接套的后端锥柄穿入主轴 1 20 的锥孔内（如图 1 所示），先将直径54 mm 的法兰上2-15.9H8 的键槽与主轴上的 2 个定位传动键互连，防止旋转时钻柄与主轴发生相对转动，然后用 4-M6的内六角螺钉穿入钻柄54 mm 的法兰内将钻柄与主轴固定锁紧。钻柄固定锁紧的同时，需要保证钻柄连接套与主轴的同轴度精度。用内六角螺钉锁紧钻柄前，在钻柄的前段外圆头部放置一块千分表。慢慢锁紧 4-M6 内六角螺钉时，连续检测钻柄相对于主轴的径向跳动值。当跳动值控制在 0.01 mm 内后，将螺钉全部拧紧，钻柄连接套安装固定完毕。当钻柄需要更换拆卸时，在54 mm 的法兰端上2-M8 螺纹孔上安装 M8 的内六角螺钉，用外六方扳手转动内六角螺钉，螺钉轴向顶紧主轴端面，钻柄与主轴分离，拆卸简单快捷。2.2钻柄连接套装夹固定刀具的方法钻柄连接套的前端加工有16H6 mm 深 85 mm的直孔，用于装夹固定枪钻刀具的刀柄。在钻柄连接套5 mm 外圆的前段有 2-M10 的螺纹通孔，安装M10 的内六角螺钉，用于侧面顶紧刀具的刀柄，防止刀柄相对钻柄发生转动。枪钻刀具固定的顺序是先用刀柄前段的调整螺母调整好刀柄的位置，再用侧顶螺钉固定顶紧刀柄，使螺母轴向锁紧3。2.3钻柄连接套的作用该钻柄连接套是一种非常精密的加工工具，是装夹枪钻刀具的关键连接件，需要在主轴的驱动下和刀具一起高速旋转，完成深孔钻削的高精度加工。在机床整个切削过程中，钻柄连接套承担着将主轴的旋转运动传递给切削刀具的重要责任，同时承担着输送高压内冷切削液到刀具和工件的切削区。3钻柄连接套的加工工艺分析因为钻柄连接套结构的特殊性和机床传递环节的高精度要求，所以对钻柄自身精度的要求极其严格，要求其制作过程必须制定完善的加工工艺。因此，结合图 2 详细分析钻柄连接套制作的工艺过程4。工艺加工过程分析步骤如下。工 序 1：毛 坯 下 料 材 料 45#，下 料 圆 钢 尺 寸 60 mm，长 385 mm。工序 2：毛坯正火热处理。工序 3：粗车加工，设备为普通车床 CDZ6140。车两端面，总长尺寸 380 mm，两端分别打 B2.5中心孔；顶车外圆35 mm，54 mm 外圆留量为1.5 2.0 mm，54 mm 外圆的端面留量为 1.5 mm；工件调头，将车锥度 1 20 的外圆尺寸调至32 mm，54 mm 外圆的端面留量为 1.5 mm；工序 4：在 ZK2102A 数控深孔钻床上，用枪钻加工8 mm 的中心通孔。工序 5：半精车削加工，设备为 CDZ6140 普通车床。以外圆找正，锪锥端 60倒角；调头，以外圆找正，跳动控制在 0.06 mm 以内，钻床16 mm H6 孔，留量 2 mm，锪孔端 260倒角；夹锥度1 20 的外圆并找正，车32 mm，54 mm 外圆留现 代 制 造 技 术 与 装 备1462023 年第 7 期总第 320 期量 0.3 0.4 mm，车16 mm H6 孔，留量 0.7 mm，车54 mm 外圆的端面留量 0.1 mm；调头，以外圆找正，车 1 20 锥，留量 0.6 0.7 mm，车54 mm外圆的端面留量 0.1 mm。工序 6：在铣床 X6132B 上铣 2 15.9 mm H8键槽尺寸至 15.4 mm。工序 7：在平台上划线，划 4-7 mm 孔和 2-M8螺纹孔线。工序 8：在镗床上钻 4-7 mm 孔，2-M8 螺纹的底孔6.7 mm，钻 2-M8 螺纹。工序 9：钳工划钻 2-M10 螺纹孔。工序 10：按图纸要求，零件整体淬火 42 HRC。工序 11：在 CDZ6140 普通车床上，采用合金顶尖研磨工件两端 60倒角，粗糙度控制在 Ra1.6 m。工序 12：精加工，设备为外圆磨床 M131。以零件两端 60锥角定位，磨32 mm，54 mm 外圆至图纸要求尺寸；磨54 mm 端面至图纸要求尺寸，控制端面跳动在 0.01 mm 内，面粗糙度控制在不高于Ra1.6 m 范围内；调整砂轮角度，磨 1 20 锥外圆至图纸要求尺寸，保证与32 mm 外圆的同轴度要求，精度控制在 0.02 mm 以内，表面粗糙度控制在不高于 Ra0.8 m 范围内。工序 13：在立磨 3A64 上磨 2 15.9 mm H8 键槽至图纸要求尺寸，并保证两键槽的对称度要求，精度控制在 0.02 mm 以内。工序 14：在CDZ6140普通车床上，以32 mm外圆找正，架车16 mm H6内孔，留量为0.15 0.10 mm。工序 15：在磨床 MG1432A 上，以32 mm 外圆找正，磨 16 mm H6 内孔至图纸要求尺寸，并保证相对于基准 A 的同轴度，精度控制在 0.01 mm 内，表面粗糙度控制在不高于 Ra1.6 m 范围内。上述完善的工艺过程虽然复杂烦琐，但是保证了钻柄连接套的高精度制作，保证了深孔机床高精度加工和枪钻刀具的正常加工。4应用特点钻柄连接套前后紧密串联深孔机床主轴和枪钻刀具，在深孔钻床上的成熟应用具有一定的特点。首先，连接精度高，自锁性好，是深孔机床非常关键的传递环节，在高速旋转状态下不会出现松动脱节现象，精度保持性高。其次，该零件整体结构简单，虽然制作工艺过程复杂，但是制作成本低。最后，该零件的安装及拆卸简单方便，刀具的装夹和拆卸简单，紧定螺钉侧顶，锁紧螺母轴向锁紧，稳定可靠，刀具伸出长短调整方便。5钻柄连接套的材料选择和热处理该钻柄连接套应用于装夹固定最高转速不高于15 000 r min-1的枪钻刀具，刀柄伸出长度不大于300 mm。它固定枪钻刀具刀柄位置的径向跳动不能大于 0.03 mm，否则严重影响钻孔偏斜精度和刀具寿命。在长时间连续应用的情况下，如何保证钻柄连接套伸出最长位置的旋转跳动精度的持续稳定性，对该零件的材料选择、加工精度和其热处理工艺有极其严格的要求。采用普通的碳钢（如 45#、50#等）和低合金钢（40Cr 等），通过一系列相关的热处理工艺也不能保证其精度长期稳定。不完全统计显示，它连续运转3 5 个月，用上述材料制作的钻柄连接套的径向跳动精度在 0.05 0.15 mm，精度变化大，不能满足正常使用。通过长期的应用验证，42CrMo 是一种性价比高的理想材料，具有极高的强度和硬度，适用于制作该零件。经过 1 年左右的应用验证，它的精度基本稳定不变。42CrMo 经过正火处理后硬度可达到280 320 HB，淬火后硬度可达到 50 55 HRC，回火后硬度可达到 50 HRC。利用正火+淬火的热处理工艺5，可提高 42CrMo 材料的塑性、弯曲强度、耐冲击、抗疲劳应变能力，从而改善材料的加工性能，提高其稳定性，满足深孔加工的需求。6结语钻柄连接套是深孔加工机床上连接机床主轴和刀具的关键连接件。它稳定有效地传递主轴的切削信息，不但能保证深孔机床和枪钻刀具的高精度和高效率加工，还能在主轴高速旋转的状态输送高压内冷切削液，有效保证枪钻刀具使用寿命，是一种高性价比的安装工具。参考文献1 唐健，郑敏利，姜彬，等.一种定位精度高的刀柄加工工艺：201810892104.6P.2018-08-07.2 王波，王艳，岳鹏，等.一种 BT 刀柄：201210471260.8P.2012-11-20.3 孙袁，王国铖，张广松.一种莫氏锥柄防松夹具：202022668018.2P.2020-11-17.4 焦小明.机械加工技术 M.北京：机械工业出版社，2005.5 胡光立，谢希文.钢的热处理原理与工艺 M.西安：西北工业大学出版社，1993.