钻削方孔方法原理及工艺装备结构设计

摘要：在常用的机械结构中会出现一些方孔，采用常规加工方法如锉、冲、插、拉、线切割等，这些加工方法各有优缺点。本文提出采用一种特殊的钻头，装在一个专用的钻夹头装置上，借助一个带方孔的钻套作为导向，在普通钻床上直接钻削方孔，能方便、较快地加工出满足质量要求的方孔，此方法省力省时而且成本较低。

关键词：钻削方孔;方法原理;工艺参数;结构设计

0  引言

在机械结构设计中，时常会出现一些方孔，例如机器设备上的操作手轮或手抦，基本上都是采用正四方孔、正六方孔來连接固定，机械零件上的方孔加工方法也很多，如锉、冲、插、拉、线切割等，需要根据工件的材料、加工数量、孔的尺寸及精度来选择，这些加工方法各有优缺点。

锉削加工，先钻圆孔再钳工锉削，操作工人劳动强度大，生产效率低，尺寸精度也不高;冲压加工，也是先钻圆孔再利用冲头在冲床上进行冲压，生产效率高且能保证精度，但需要制作冲头并有冲床设备，只是适合大批量生产;拉削加工，需要拉刀和拉床设备，成本高;线切割方法，采用编程控制加工，适合于加工各种硬度材料和形状复杂的内孔（只能是通孔），虽然加工精度高适应性广，但加工速度慢成本高。

鉴此本文提出，采用一种特殊的钻头，装在一个专用的钻夹头装置上，借助一个带方孔的钻套作为导向，在普通钻床上直接钻削方孔，能方便、较快地加工出满足质量要求的方孔，此方法省力省时而且成本较低。

1  钻削方孔的原理

常规的钻孔加工钻花是绕自己的轴线转动，只能加工圆孔，如果要钻方形孔，那么钻花自转的同时，其轴线还应该沿一个方形轨迹运动，这样才能加工出一个方形孔。具有这种奇妙特性就得使用非圆形的定宽曲线，非圆定宽曲线中最简单的一种就是莱洛三角形。它是以等边三角形的三个顶点为圆心，边长为半径，在顶点的对边画弧，就得到莱洛三角形，见图1。莱洛三角形的宽度等于构造等边三角形的边长。

当莱洛三角形在边长为其宽度的正方形内旋转时，每一个角走过的轨迹基本上就是一个正方形，只是四角有点小弧度，如图2。不过对于一般内孔加工来说，能够满足使用要求。莱洛三角形在正方形内旋转时，其中心不是固定不变的，而是近似一个圆形。

从方孔形成原理看出，莱洛三角形的三个角的运动轨迹基本上是一个正方形，利用这一特征，采用钻削方孔时钻花做成莱洛三角形相似形状，以莱洛三角形的三个角做成三面刃钻花的三个刃（称为莱洛三角钻头，见图3），这样就刚好加工出方形孔。只是莱洛三角钻头与莱洛三角形一起作旋转运动时，其中心是近似一个圆形，此时莱洛三角形与钻床轴之间采用浮动连接就行了。

2  方孔钻削方法与钻削工艺参数

为了减少方孔钻削余量，钻削方孔前首先用麻花钻在工件相应钻方孔位置上钻一圆形底孔，麻花钻直径比方孔边长a约小1～2mm。然后将方孔钻头夹于浮动夹头上，浮动夹头另一端安装在钻床主轴锥孔内，通过夹头的内部机构使钻头偏离钻床主轴旋转，钻出方孔。切削转速：n=30～80r/min，进级量f=0.1～0.2mm/r，用6～8%的乳化油水溶液作为冷却液。安装靠模与工件时，应该注意校正工件底孔和靠模方孔的相对中心及工件方孔的方向。钻削后再用锉刀修正就成清角方孔了。

3  方孔钻头结构及尺寸

方孔钻头结构如图4所示，其材料选用高速钢，热处理硬度为60～65HRC，分为切削部分和夹持部分，切削部分未开沟槽部分作为钻削时起导向作用，为了避免导向部分与靠模产生强烈的摩擦，R比a略小。方孔钻头结构尺寸见表1。

4  浮动夹头结构

浮动夹头结构如图5所示。

浮动夹头下端用于安装方孔钻头1，上端锥柄装在钻床主轴锥孔里，实现钻头与主轴之间的浮动连接，方孔钻头上端的莱洛三角形在靠模板2的正方形内旋转，方孔钻头前端的三条切削刃尖的轨迹就是一个正方形，实现方孔的加工。方孔钻头与钻头锥柄中间采用十字滑块连轴器7连，实现方孔钻头在平面内作任意方向的短距离移动，方孔钻头通过动滑块6支承在若干滚球5上，用滚球来减少移动时与套筒8的摩擦力。

5  结束语

为了解决许多零件快速加工方孔的需要，详细介绍了莱洛三角形的原理、钻削方法与钻削工艺参数、方孔钻头结构及尺寸、浮动夹头结构，只要工艺参数合理，利用上述方法不仅能加工方孔，还可以改变靠板内腔的形状，实现正三角形、正五边形、正六边形等正多边形的方孔钻削加工。

参考文献：

[1]薛锦如.方孔的钻削[J].工具技术，1991（11）：12-13.

[2]毛东风.方孔加工原理及工装结构设计[J].石油机械，2010（1）：35-38，50.

[3]姜梅生，王正明，等.方孔钻及其加工孔形的探讨[J].机械工艺师，1983（01）：11-13.

[4]郑勐，张鹏飞，吴学亮，等.方孔钻削的尺寸参数研究[J].机械工程师，2014（8）：33-35.

作者简介：向承翔（1966-），男，重庆人，重庆三峡职业学院副教授，研究方向为机械设计与制造、职业教育。