钻柄连接套的结构及加工工艺分析

李 凯 王加祥

（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）

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。

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。

图2 钻柄结构（单位：mm）

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Φ54 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。Φ54 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Φ16H6 mm、Φ25H6 mm、Φ32H6 mm这3种规格。

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Φ54 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Φ54 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Φ54 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Φ16H6 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Φ5 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Φ60 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。①车两端面，总长尺寸380 mm，两端分别打B2.5中心孔；②顶车外圆Φ35 mm，Φ54 mm外圆留量为1.5～2.0 mm，Φ54 mm外圆的端面留量为1.5 mm；③工件调头，将车锥度1∶20的外圆尺寸调至Φ32 mm，Φ54 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Φ8 mm的中心通孔。

工序5：半精车削加工，设备为CDZ6140普通车床。①以外圆找正，锪锥端60°倒角；②调头，以外圆找正，跳动控制在0.06 mm以内，钻床Φ16 mm H6孔，留量2 mm，锪孔端2×60°倒角；③夹锥度1∶20的外圆并找正，车Φ32 mm，Φ54 mm外圆留量0.3～0.4 mm，车Φ16 mm H6孔，留量0.7 mm，车Φ54 mm外圆的端面留量0.1 mm；④调头，以外圆找正，车1∶20锥，留量0.6～0.7 mm，车Φ54 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-Φ7 mm孔和2-M8螺纹孔线。

工序8：在镗床上钻4-Φ7 mm孔，2-M8螺纹的底孔Φ6.7 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 μm。

工序12：精加工，设备为外圆磨床M131。①以零件两端60°锥角定位，磨Φ32 mm，Φ54 mm外圆至图纸要求尺寸；磨Φ54 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 μm范围内；②调整砂轮角度，磨1∶20锥外圆至图纸要求尺寸，保证与Φ32 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 μm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Φ32 mm外圆找正，架车Φ16 mm H6内孔，留量为0.15～0.10 mm。

工序15：在磨床MG1432A上，以Φ32 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 μm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。