槍鑽加工深孔的工藝方法已經具有很長的歷史了，而隨著技術的發展，槍鑽已成為加工精密深孔的有效方法和利器，其應用早已超出了槍械製造的範圍，廣泛應用於汽車、模具、液壓、航空航天、紡織機械、熱交換器和工具機製造等多種行業的深孔加工。 1. 問題陳述 槍鑽（ELB）是用於加工深孔（長徑比＞5）及精密淺孔的單刃內冷外排屑深孔鑽。主要用於加工φ0.9～φ50mm的深孔，鑽孔深度可以達到被加工孔直徑的250倍，孔的尺寸精度可達IT7，表面粗糙度值Ra可達0.1～ 0.8μm，圓度＜5μm，直線度可達0.4/1000mm。槍鑽的外形及尺寸如圖1所示
圖1 槍鑽 1.鑽頭 2.鑽杆 3.鑽柄 槍鑽由鑽頭、鑽杆及鑽柄三部分組成。鑽頭為中空結構， 高壓冷卻油從鑽柄尾部中心孔流入，在高壓作用下，鑽屑沿V形槽排出工件，帶走切削熱，同時減少了刀具與工件的摩擦損耗，提高了鑽孔精度。鑽頭柄部依照槍鑽製造廠的專業標準進行設計。 槍鑽加工工藝的三大要素是設備、刀具（槍鑽）和冷卻潤滑裝置。其中冷卻潤滑裝置能否供給充足、乾淨的切削液，對刀具的壽命、孔的表面粗糙度和尺寸精度均有重要影響。冷卻潤滑主要有下列作用：①減少刀具與導向套的磨損。②抑制積屑瘤的生成。③冷卻刀具，減少和消除摩擦熱和切削熱。③在壓力、摩擦和溫度作用下，形成一層薄的油膜，防止刀具與工件的咬死。④連續排除切屑。 為滿足上述作用，首先，需要一種良好的冷卻潤滑液，國內研製的高極壓切削油（添加硫、磷及氯等元素的化合物）可滿足槍鑽工藝的要求。其次，要有一個設計合理、高效且環保的冷卻潤滑裝置。而冷卻潤滑裝置必須具備以下功能： （1）凈化功能。槍鑽加工過程中，大量的切屑混入冷卻潤滑液中，需要鑽屑與油液分離、凈化處理才能供循環使用。有關試驗表明：當切削液過濾精度為20μm時，刀具在兩次刃磨之間能鑽100個孔，而過濾精度為10μm 時，其他條件不變，則兩次刃磨之間能鑽500個孔。與加工表面質量的關係也是如此，當切削液過濾精度控制在50μm左右時，加工表面粗糙度值為5μm，而過濾精度控制在10μm時，則加工表面粗糙度值為0.5～1μm，因此，切削液的清潔度和加工表面質量與刀具壽命有密切的關係。 （2）切削液的壓力與流量。槍鑽加工過程中，必須提供具有一定壓力和流量的冷卻潤滑液， 如果流量和壓力不足，就不能抑制切屑瘤的生成，亦不能將切屑排除乾淨，直接影響加工質量、刀具壽命和設備安全。切削液的壓力和流量設定，主要與加工孔徑大小和孔深有關，其關係如圖2 所示。圖2中壓力由孔徑和孔深決定，相同孔徑，孔越深，壓力取大值；流量與槍鑽中心通油直徑和油泵輸出特性有關，加工時不需調節。加工過程中，可根據加工效果不同，對設定壓力進行適當修調。
圖2 切削壓力、流量曲線 （3）油溫控制。槍鑽加工過程中，由於金屬切屑的變形、鑽頭支撐墊與工件孔墊的摩擦以及切屑在刀具前傾面的摩擦等產生大量的熱量，並且散發輻射熱量還比較差。據有關資料介紹，鑽削孔徑在20mm以下時，其產生熱量為17×106J/h，鑽削φ40mm孔徑時，其產生熱量為46×106J/h，這些熱量只有3.75%通過工件輻射，而96.25%的熱量依靠切削液進行冷卻，因此切削液的溫度上升很快，必須加以控制。一般要求，其溫度應控制在20～45℃之間， 最高不得超過50℃，超過50℃ 時，不但不能使刀具處於良好的冷卻狀態中進行切削，而且切削液的性質也將惡化，從而影響潤滑效果。低於20℃時，又會因為低溫遇到高溫切削區，容易導致刀具表面形成小塊泡沫，使刀具切削遭到破壞而造成不良後果，因此切削液油箱的容積不僅應具有足夠的容積，而且還需要附有溫控裝置，才能保持良好的切削性能。 （4）保護裝置。槍鑽加工過程中，由於刀具的磨損，排屑阻力增大及工況的變化，切削液的壓力也會產生一定的波動。為了使壓力波動不影響正常的切削加工，必須對切削液壓力在整個深孔鑽削中進行監控，當壓力超過或低於設定範圍時，工具機能自動退刀或採取相應的保護措施，以保證工件、刀具和設備的安全。 2. 冷卻排屑系統工作原理 工具機冷卻排屑系統原理如圖3所示，整個系統由冷卻油箱（容積1400L）和鏈板式自動排屑器組成。冷卻裝置、過濾裝置、高壓泵組、開啟電磁閥和其他控制元件均放置在冷卻油箱上。高壓泵的最高工作壓力為11MPa，最大流量為100L/min。磁性筒式紙帶過濾機對油液進行多級過濾，過濾精度＜20μm。油冷卻機控制油箱的油液溫度，滿足深孔鑽削的溫度範圍（20～45℃），同時又給銑削電主軸和鑽削電主軸提供循環冷卻油，保證主軸正常工作。
圖3 工具機冷卻排屑系統原理圖
自動排屑器由鏈板排屑裝置和髒液箱組成。工件和鑽頭排出的切屑和切削液，先經過鑽套支架、接屑槽，流入自動排屑器， 通過鏈板和濾網使切屑、油液分離，使油液流入髒液箱，再通過液泵將過濾和沉澱的油液導入磁性筒式紙帶過濾機進行精密過濾，磁性筒式過濾可將油液中微小的鐵磁顆粒進行分離，最後通過過濾紙帶進行精密過濾。過濾紙帶通常為亞麻纖維壓製成的無紡布，其過濾精度＜20μm。完成過濾後的乾淨油液存放於凈液箱中，供循環使用。 高壓變量泵提供槍鑽所需的壓力油，比例流量閥可改變輸出壓力，調節比例流量閥的旋鈕即可改變閥的通流面積A（ x ） 和前後的壓差Δ p，實現壓力的調整；根據調定的壓力值大小， 調節油箱上的電接點壓力表的壓力上限和下限（上、下限值一般設置在調定壓力±20%以內），以限定加工過程中壓力的實際波動範圍，當壓力波動超過限定值時，說明鑽削過程不穩定，存在鑽屑堵塞或泄壓，應立即停止進給或退出刀具，以保護刀具和工具機的安全。兩位三通電磁閥控制高壓油的接通和斷開。油冷卻機通過壓縮機對油液進行恆定溫度控制。液位浮子開關控制髒液箱的液面高度，當液面高於開關上限時，液泵接通，低於開關下限時，液泵斷開，保證液泵的正常工作。 3. 設計分析及說明 （1）高壓油泵組的選擇。槍鑽的高壓油泵選用原則與最大鑽孔直徑和鑽孔深度有關。深孔鑽HCZK2103的鑽孔直徑範圍為3～35mm，最大鑽孔深度為2000mm，由圖2得出，所需壓力範圍為1～12MPa，流量範圍為5～115L/min，孔徑越小，壓力越高，流量越小；孔徑越大，則壓力越低，流量越大。為滿足上述要求，泵必須具有低壓、大流量和高壓、小流量的特點。以往的國內外資料中都介紹採用復合兩聯泵或三聯泵，但由於復合泵的體積較大、功率損失高且維修不便，所以目前在槍鑽中很少使用。齒輪泵的壓力和流量都能滿足要求，而且對油液的敏感度低，但由於其輸出流量的脈動大，對深孔鑽削不利，而且噪聲大、效率低，流量無法調節，所以選用也較少。限壓式變量葉片泵和柱塞泵的流量可調節，效率高，脈動小，當系統壓力接近設定值時，流量自動減小，節省功率和能源，非常適合槍鑽的使用要求。由於柱塞泵對油液很敏感，所以該產品選用限壓式變量葉片泵，牌號為德國力士樂公司的PV7-1X/63-71，其最大輸出壓力為16MPa，最大流量為108L/min（1 450r/min時）。 液壓泵的輸出功率計算公式為 Po＝pq/612（1） 式中，Po為泵的輸出功率（kW）； p為工作壓力（10-1×MPa）；q為輸出流量（L/min）。 當鑽孔直徑為3mm時，p1為8 ～11MPa，q1為4～5L/min，取最大值，則p1=11MPa，q1=5L/min， 帶入式（1）得 Po1＝p1q1/612＝110×5/612≈0.9（kW） 當鑽孔直徑為35mm時，p2為1～2.6MPa，q2為70～110L/min， 取最大值則p2=2.6MPa，q2=110L/min，帶入式（1）得 Po2＝p2 q2/612＝26×110/612≈4.67（kW） 由以上計算看出，泵的最大輸出功率為4.67kW。 液壓泵的輸入功率計算公式為 Pi＝Po×η （2） 式中，Pi為泵的輸入功率（kW）； η為泵總效率（kW），葉片泵的總效率一般為0.6～0.75kW，取0.7kW。 將泵的最大輸出功率4.67kW 帶入式（2）得 P i＝ P o / η=4.6 7 / 0 .7≈ 6 .67 （kW） 由以上計算看出，泵的最大輸入功率為6.67kW，所以泵的驅動電機的功率取7.5kW。 （2）油箱容積的確定。油箱容積的大小取決於泵的排量和散熱條件，根據經驗一般為油泵最大排量的10倍以上，以保證有足夠的散熱空間和油液的沉澱要求，所選油泵的最大排量為108L/min，所以油箱的容積粗定為1 100L。 （3）油冷卻機的選用計算。油冷卻機的選用取決於油箱有效容積、溫度差或液壓系統的總功率等參數，計算公式為 Q＝Cp×r×v×Δt/h（3） 式中，Q為總發熱量（w）；Cp 為定壓比熱（J/kg∙K），常用液壓油取1967.4J/（kg∙K）；r為比重（k g/m3），常用液壓油取876kg/m3；v為總油量（m3）， 取0.55m3；Δt為溫度差（℃）， 取3 0 ℃ ； h 為時間（ s ） ，取3600s。 帶入式（3）得 Q＝1 967.4×876×0.55× 30/3600≈7.9kW 由以上計算看出，總發熱量約為7.9kW，所以油冷卻機的冷卻能力取9kW，型號為LO-90。 4. 結果分析 通過上述原理分析及計算， 對關鍵外購件進行了優選和定型，考慮到高壓泵在整個系統中的作用突出，其性能的好壞直接影響冷卻系統的穩定和使用壽命，所以高壓泵選用世界知名品牌德國力士樂（Rexroth）公司的變量葉片泵。為使操作方便，壓力大小的調節選用日本油研（Yuken）的比例流量閥，可以直接在操作面板上進行壓力調節，滿足人性化的設計要求。過濾系統由專業廠家製造，保證了系統的質量和過濾要求。自動排屑裝置利用公司現有的自動鏈板式排屑器進行改制，以節約設計成本，縮短設計周期。 通過與主機的聯機調試， 該冷卻系統完全滿足深孔鑽削的使用要求，其性能可靠、操作和維護方便，設計水平達到國際同類產品的要求，填補了國內的空白。