摘要：BTA深孔钻削是金属切削中一种较为复杂的加工方式。本文对首先对钻削过程中钻削力的来源进行了阐述，进而对BTA钻头的在加工过程中的受力进行了简化，从而获得了BTA深孔钻头的受力分析，为后续BTA钻头的设计与优化提供一定的参考。

关键词：BTA钻头；钻削力；深孔加工

0.引言：

BTA深孔钻削是深孔加工中常用的一种加工方法，由于其加工效率高产品质量好，目前广泛的应用于各种加工领域当中。由于BTA深孔钻削属于内排屑自导向加工模式，所以钻头的受力对钻头在加工过程中的稳定性与自导性有着十分重要的影响。

1.钻削力的来源

钻削过程是由刀具通过旋转加轴向进给，在待加工工件上加工出所需要的深孔，由于材料具有一定的韧性和硬度，材料在被加工过程中发生一系列的弹塑性变形，对钻头产生阻力，在切屑与工件分离的过程中切屑沿着前刀面流出，和前刀面接触并产生摩擦阻力。随着刀具向前移动，工件已加工表面会有一定弹性恢复，继而与后刀面进行接触，然后产生摩擦力。

由此，钻削力的来源主要由以下三个方面组成[1]：

（1）钻削过程中，被加工材料发生弹性变形所产生的阻力。

（2）钻削过程中，被加工材料发生塑性变形所产生的阻力。

（3）钻削过程中，切屑流出时对刀具前刀面产生的摩擦力和刀具向前移动时工件过渡表面和已加工表面对刀具后刀面挤压所产生摩擦力。

2.错齿BTA钻头钻削力分析

BTA深孔钻削的过程中，除了刀具切削刃与工件接触以外，还有导向块与工件接触，致使加工过程中刀具的的受力分为三个部分，分别为切削刃所受的切削力、导向块所受的正压力和导向块与工件之间的摩擦力，这样一来使得刀具的受力相当复杂。

在一般的切削加工中，例如在车削加工中，只存在着工件、刀具、床身之间的正常力系，所以只需将车刀装在三向测力仪上，就可以测量出车刀所受的三向力。而在深孔钻削的过程中，由于存在着导向块与工件之间的正压力和摩擦力，使工件与刀具切削刃和导向块之间构成封闭力系，所以就不能直接测量出切削刃所受的三向分力，只能测出刀具所受的轴向力与扭矩。因此目前的许多研究者为了获得刀具切削刃的三向分力，都是通过测量和分析相结合的方法，先测出钻头总的轴向力和扭矩，再将总轴向力和扭矩进行分解，得出切削刃的分力。在分解的過程中，为了将受力进行简化，突出钻削力的主要影响因素，一般做出如下的假设[2]：

（1）由于钻头、钻杆、切屑、切削液各部分的重力与切削液的压力对钻削力的影响较小，所以忽略不计。

（2）因为钻头切削刃的轴向尺寸较小，认为除了切削过程的走刀抗力和导向块所受的轴向摩擦力以外，其余受力均分布一个平面内。

（3）各切削刃所受的三向分力沿半径方向均匀分布。

（4）将切削刃的切削力，导向块的正压力与摩擦力均简化为集中力。

错齿BTA钻头计简化后的受力分析如图1所示：

在图1中分别做以下设定：

PMA、PMB、PMC—各切削刃所受的主切削力；

PRA、PRB、PRC—各切削刃所受的径向力；

PTA、PTB、PTC—各切削刃所受的轴向力；

PG0、PG1、PG2—韧带上的垂直力、第一导向条上的垂直力、第二导向条上的垂直力；

μPG0、μPG1、μPG2—韧带上的摩擦力、第一导向条上的摩擦力、第二导向条上摩擦力；

Fx，Fy—x，y方向上各齿钻削力的合力；

Fc—轴向切削力的合力；

θA、θB、θC—各刀齿刃偏角；

α、β—导向块位置角；

a、b、c—中心刃、中间刃、外刃长度；

在试验过程中测量的错齿BTA深孔钻的受力有两个部分：扭矩与轴向力[3]。

a.扭矩

钻头所受到的扭矩由以下三个部分组成：

（1）切削扭矩MC

切削扭矩MC为钻头三个切削刃所受到的主切削力的合力，它的大小与钻头的直径，切削刃的分布，及工件的材料均有关。

（2）摩擦扭矩

摩擦扭矩由钻头导向块的表面与所加工孔的孔壁之间所产生的摩擦力构成，其大小在总得扭矩中所占的比例很小，所以一般忽略不计。

（3）挤光扭矩MB

挤光扭矩MB是在刀具的三个切削刃完全进入工件后定径刃与工件进行接触后开始产生，此时定径刃进入孔内，与导向块进行平衡，把被加工孔扩大到与钻头直径相等，由于定径刃有一个宽度较小的圆柱面刃带与孔壁进行挤压，使得孔壁发生弹性变形，同时也对孔壁有着修光的作用，在这个过程中钻头所受到的扭矩就是挤光扭矩。

b.轴向推力

钻头所受到的轴向力也有三个部分组成：切削力的轴向分力、挤光力的轴向分力及切削液的压力。

由图1中可以看出，在主切削力的方向，错齿钻齿宽分别为a、c两个刃的主切削力PMA、PMC指向第一导向条，而齿宽为b的齿的主切削力PMB则相反，抵消了齿宽分别为a、c的两个齿主切削力合力的一部分，从而使第一导向条的支反力PG1也相应减小，在径向力的方向，错齿钻因齿宽为c的齿所受径向切削分力FRC与FRB和FRD方向相反，所以相应减小了第二导向条所受支反力。

结语：

通过以上对BTA深孔钻头的受力进行简化与分析为后续BTA深孔钻头的设计与优化提供一定的参考。

参考文献：

[1]白万民，贾培刚，白震平.深孔钻削时的力学特性分析[J].新技术新工艺，2000，（6）：18-20.

[2]关世玺，范国勇.三切削刃BTA深孔钻钻削过程研究[J].新技术新工艺，2008，（12）：79-80.

[3]杨顺田，侯忠坤.深孔钻削中受力分析与切削参数定量分析[J].组合机床与自动化加工技术，2013，（1）：118-122.

作者简介：师毓华（1987—），女，助教。研究方向：制造过程建模仿真与状态监测。