大直径深孔用高效切削刀具开发及应用

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摘要：研究旨在解决汽车变速箱壳体中大直径深孔（直径D=30～80 mm，孔径L/D=5～12）加工效率低、刀具寿命短、孔表面质量差等问题。针对传统深孔钻头在大直径深孔加工中存在排屑困难、冷却不足、定心不稳等缺陷，研究提出一种新型高效机夹深孔钻设计方案。刀体为一体化设计，引入凸三角形标准刀片，创新性地采用大小刀片密齿排布结构，配合支撑导条导向与直槽排屑通道，显著提升了刀具刚性与加工稳定性。通过对比试验验证，该新型刀具在加工QT400材料时，孔表面粗糙度显著降低，寿命提升约1.5倍，加工效率提升50%。研究为大直径深孔加工提供了一种高效、低成本、可靠的刀具解决方案，对推动汽车领域关键零部件的制造技术进步具有重要工程应用价值。

关键词：变速箱；大直径深孔；机夹深孔钻；密齿排布；凸三角形刀片

[size=1em]随着汽车、航空航天等领域对复杂壳体类零件集成化、轻量化需求的提升，大直径深孔结构（D=30～80 mm，L/D=5～12）在铸件中的应用日益增多。然而，该类孔加工存在排屑困难、冷却不足、刀具寿命短、加工质量不稳定等难题，传统枪钻、U钻等刀具难以满足高效、高精度加工需求[1-2]。

[size=1em]国外在大直径深孔加工刀具方面研究较为深入，如BIERMANN等研究了钻尖半径对钻削力、刀具磨损、刀具寿命、切屑长度和表面粗糙度的影响[3]；ASTAKHOV等通过群组数据分析方法建立了刀具刃口角度对刀具寿命影响模型[4]。但类似研究多为现有刀具的局部参数优化。国内相关研究多集中于小直径或中等深径比孔加工，对大直径深孔的高效切削刀具研究仍相对薄弱。

[size=1em]为此，本文结合汽车变速箱壳体加工实际情况，开发了一种新型结构的机夹深孔钻头，创新地采用大小凸三角形刀片交错密齿排布，使外围切屑厚度降低50%；采用导条支撑，同时导条直径比刀体小0.02～0.03 mm，大幅减小导条与孔壁的阻力，提升了加工稳定性与效率，填补该领域的技术空白，具有良好的工程推广价值。

1 大直径深孔加工常用刀具

[size=1em]传统钻削刀具在加工大直径深孔时，普遍存在排屑困难、冷却要求高、加工稳定性差、效率低等问题，且多数对设备有较高要求[5]。常见的加工刀具有枪钻、高速钢钻头、硬质合金钻头、铲钻等，但在加工过程中均存在短板，对设备要求较高，如表1所示。

[size=0.8em]表1 深孔钻刀具对比

2 大直径深孔加工难点

[size=1em]大直径深孔一般指直径为30～80 mm，孔深与孔径比在5～12倍径的孔。其加工难点主要体现在以下几个方面：

2.1 加工过程的不可观察性

[size=1em]在深孔的加工过程中，刀具和切削点位于孔内深处，操作人员无法直接观察刀具的切削情况，只能通过切削声音、铁屑排出情况、工件振动和温度等外在表现形式来判断工况是否正常，增加了加工过程的不确定性和风险[6]。

2.2 切屑排出困难

[size=1em]大直径深孔加工过程中，铁屑产生的较多，且不容易断屑，极易导致孔内铁屑堆积和堵塞。部分铁屑进入刀体和孔壁之间，划伤内孔表面，并产生较大的切削阻力，使切削稳定升高，损坏刀具基体，同时导致主轴负载增高，出现主轴闷死的情况。

2.3 冷却与润滑困难

[size=1em]大直径深孔刀具内冷孔相对较大，在常见的加工中心上，内冷压力一般为0.7 MPa，流量一般为40 L/min。当进行大直径深孔钻削时，会导致内冷压力不够，无法充分对刀具进行冷却和润滑，无法充分冲出铁屑。

2.4 加工精度及表面粗糙度差

[size=1em]常见的大直径深孔钻头多为深孔枪钻，刀头安装的刀片多为错齿结构，定心能力差。在进行深孔钻削时，容易受到铁屑的影响，导致孔的尺寸和同轴度不易保证，表面粗糙度差[7]。

3 高效大直径切削刀具的开发

[size=1em]变速箱壳体件大直径深孔多为预铸通孔或预铸盲孔，针对其加工难点，开发了一种适用于加工深长预铸孔（通/盲孔）的机夹深孔钻，主要技术方案如下：

3.1 刀具结构设计

[size=1em]为使刀具整体刚性、切削可靠性和加工成本达到最优，本方案采用：1）刀杆与刀柄一体式结构，减少刀杆与刀柄装配误差，提高刀具整体刚性和精度；2）由于大直径钻头在切削过程中，转速较低（<1 500 r/min），铁屑不容易排出，因此，采用直槽结构，缩短铁屑排出路径的长度；3）采用凸三角形标准刀片，有效切削刃可达三个，降低刀具使用成本。

3.2 切削刀片选用及排布

[size=1em]刀片选型中，钻头最外围刀片由于在加工过程中线速度最高，往往最先磨损失效，换刀不及时则可能导致烧刀。为提升外围刀片的寿命，降低烧刀风险，本文创新性地设计了一大一小外围刀片切削结构，如图1和图2所示。

[size=0.8em]图1 切削部位结构图

[size=0.8em]图2 刀具切削部位实物图

[size=1em]在加工过程中，两侧周边刀片均参与切削，因此，在相同的转速和进给情况下，周边刀片的切屑厚度为普通机夹钻头（仅有一个周边刀片）的50%，大幅降低了外围刀片刀尖的承载力。即使加工过程中一个刀片严重崩刃，另一侧的周边刀片也可像常规机夹钻一样参与切削，不会出现钻头基体烧损现象。

3.3 支撑导条设计

[size=1em]在钻头靠近刀片处安装支撑导条，在钻削过程中起支撑导向作用，防止因振动等原因使钻削方向发生偏斜，导致刀尖划伤孔表面；支撑导条最大回转直径小于钻头直径（0.02～0.03 mm），减小导条与孔壁的摩擦阻力。

3.4 内冷孔道设计

[size=1em]为让冷却水在低压下也能冲到刀尖，把铁屑及时带走，刀杆内部做了主内冷孔道+分支内冷孔道设计。主内冷孔道从刀柄尾部一直到达刀头40 mm左右位置，然后开2个分支内冷孔道，主内冷孔道的截面积D1大于分支内冷孔道截面积的2.5倍，减少冷却水在通过主通道时压力下降过多，使其在低水压下也能保持较好的切削性能。

3.5 基体材料选用

[size=1em]刀具基体采用工具钢材料或模具钢制作，价格便宜，易加工性好。其中优选H13热作模具钢，采用调质和氮化热处理，不易变形，具有较高的硬度、耐磨性、耐热性与抗冲击能力，可满足大直径深孔加工的高强度切削需求。

4 试验与分析4.1 试验设计与设备配置

[size=1em]为验证所开发刀具的性能，本研究设计了对比试验，分别采用新型高效机夹深孔钻（试验组）和机夹深孔枪钻（对照组）进行大直径深孔加工，如图3所示。

[size=0.8em]图3 对照刀具-机夹深孔枪钻

[size=1em]该刀具采用标准枪钻结构，头部装有可转位刀片，刀体中部设有内冷通道，适用于常规深孔加工。其刀片布置为错齿结构，定心能力较弱。刀杆与刀柄为分体式设计，刚性相对较低，是目前行业使用较为普遍的深孔钻刀具。试验参数如表2所示。试验设备：日本大隈MA-500HB卧式加工中心。

[size=0.8em]表2 试验参数

[size=1em]试验组与对照组在孔径、孔深、转速及冷却条件上保持一致，仅刀具进给量不同，确保试验结果的对比性与可靠性。考虑到本文所设计高效机夹深孔钻刀片的密齿排列方式及外围刀刃对称特性，进给量提高了50%。

4.2 试验结果与分析

[size=1em]4.2.1 孔表面质量

[size=1em]通过对两种刀具加工的孔进行表面质量对比，如图4所示。试验组为新型高效机夹深孔钻加工孔，孔壁光滑、无明显振纹或划痕，表面质量良好；对照组为传统机夹深孔枪钻加工孔，孔壁存在明显划痕与局部振纹，表面粗糙度较高，加工稳定性较差。图4直观反映了两种刀具在实际加工中对孔表面质量的影响差异，验证了新型刀具在提高加工表面质量方面的优势。利用手持粗糙度检测仪对孔进行粗糙度检测，新型高效机夹深孔钻粗糙度小于常规机夹深孔枪钻，如表3所示。

[size=0.8em]图4 孔表面质量对比

[size=0.8em]表3 粗糙度对比 单位：μm

[size=1em]新型高效机夹深孔钻加工孔的粗糙度始终低于传统机夹深孔枪钻，且随加工孔数增加，其粗糙度变化较小，表现出更好的加工稳定性与表面质量控制能力。该结果从量化角度验证了新刀具在提升孔表面质量方面的显著优势。

[size=1em]4.2.2 刀具寿命及磨损对比

[size=1em]每组刀具连续加工直至失效（判定标准：孔壁Ra>6 μm或刀具磨损超过0.3 mm）；每隔10孔记录刀具后刀面磨损量（VB值），结果如表4所示：

[size=0.8em]表4 磨损量对比

[size=1em]对照组刀具在第20个孔时已显著磨损失效，试验组刀具在第50个孔时达到失效磨损量，寿命相对对照组提升1.5倍。

5 结论

[size=1em]本文提出一种新型机夹深孔刀具设计方案，通过大小凸三角形刀片密齿排布、支撑导条导向及直槽排屑结构优化，有效解决了传统刀具的排屑困难、振动失稳、寿命低及易烧刀的问题。在汽车变速箱铸件，大直径深孔（D=30～80 mm，L/D=5～12）加工中进行了成功应用，为大直径深孔加工提供了高效、低成本且可靠的技术路径，对汽车变速箱各类铸件大直径深孔的加工具有重要应用价值，推动行业技术升级。

[size=1em]参考文献

[size=1em][1]刘传慧,陈晓静,侯晓晓,等.刃磨大长径比刀具设计及其钻削性能实验分析[J].机械设计与制造,2023(9):150-152,156.

[size=1em][2]李臣臣,张辉,刘洋,等.刃型结构对大长径比微钻加工中弯曲断裂失效的影响[J].硬质合金,2025(1):18-25.

[size=1em][3]BIERMANN D,WOLF M,AßMUTH R.Cutting Edge Preparation to Enhance the Performance of Single Lip Deep Hole Drills[J].Procedia CIRP,2012,1:172-177.

[size=1em][4]ASTAKHOV V P,GALITSKY V V.The Combined Influence of Various Design and Process Parameters of Gundrilling on Tool Life:Experimental Analysis and Optimization[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2008,36(9):852-864.

[size=1em][5]金艳,齐威.深孔钻床的数控制造技术及深孔加工精度提升方法[J].农机使用与维修,2021(3):53-54.

[size=1em][6]史胜祥,丁胜明.发动机深孔加工技术[J].世界制造技术与装备市场,2017(2):108-110.

[size=1em][7]高琦.深孔及超深孔加工工艺开发与推广应用[J].科技创新导报,2019(16):101-104.

[size=1.8em]Development and Application of High-Efficiency Cutting Tools for Large-Diameter Deep Holes

[size=1em]ZHAO Wenchang, JIA Jupeng, YE Min
( Shaanxi Fast Gear Company Limited, Xi'an 710119, China )

[size=1em]Abstract: This research aims to address the issues of low machining efficiency, short tool life, and poor hole surface quality in the processing of large-diameter deep holes (diameter D=30～80 mm,aperture L/D=5～12) in automotive transmission housings. Traditional deep hole drills face challenges such as difficult chip evacuation, insufficient cooling, and unstable centering when processing largediameter deep holes. To address the shortcomings of traditional deep hole drills in large-diameter deep hole machining, such as poor chip evacuation, insufficient cooling, and unstable centering, this research proposes a novel and efficient machine-clamped deep hole drill design. Innovatively, the design features a dense arrangement of large and small inserts, combined with a supporting guide strip and a straight flute chip evacuation channel, which significantly enhances tool rigidity and machining stability. Comparative experiments have shown that the new tool, when machining QT400 material, achieves a significant reduction in hole surface roughness, a 1.5-fold increase in tool life,and a 50% improvement in machining efficiency. This study provides an efficient, low-cost, and reliable tool solution for large-diameter deep hole machining, offering significant engineering application value in advancing the manufacturing technology of key automotive components.

[size=1em]Key words: transmission; large-diameter deep hole; machine-clamped deep hole drill; dense tooth arrangement; protruding triangular insert

[size=1em]中图分类号：TG713

[size=1em]文献标志码：A

[size=1em]文章编号：1671-7988(2026)09-69-04

[size=1em]收稿日期：2025-09-19

[size=1em]基金项目：工信部高质量发展专项（203ZS20230005）

[size=1em]作者简介：赵文昌（1988－），男，硕士，工程师，研究方向为数控切削刀具应用，E-mail:755015921@qq.com

大直径深孔用高效切削刀具开发及应用

赵文昌， 贾聚鹏， 冶敏

【作者机构】        陕西法士特齿轮有限责任公司

【来    源】        《汽车实用技术》 2026年第9期 pp.69-72