枪钻是20世纪30年代初最早用于枪管制造的具有单切削刃、自动排屑、冷却润滑和自导向功能的深孔加工刀具。由于其良好的自导向功能和良好的加工精度，枪钻技术被广泛用于航空航天(机舱门轴)、汽车制造(燃油注射器)和生物医疗(骨钉和骨螺钉)等行业。
枪钻由钻头、刀杆和刀柄三个部分构成。枪刃头部结构复杂，主要由内刃、外刃和导向条等部分构成。由于枪钻钻头的特殊结构，使得枪钻具有优良的自导向功能和加工表面质量。钻尖部分的几何特征决定了枪钻的切削加工及冷却润滑性能。研究表明，即使非常小的钻尖改动也可能对钻头的切削性能造成重大影响，而最优的钻头几何角度由被加工材料决定。典型的双导向条枪钻钻头的主要几何参数如图1所示。枪钻钻杆用于传递扭矩和切削液。钻杆上开有V型槽，用于排出切屑。钻杆内部为中空结构，用于向钻头输送高压切削液。由于钻杆长径比大而导致其刚性较差，在切削加工中容易产生弯曲和振动，因此在钻削加工过程中钻杆上应该增加2-4个中间支撑以减小钻杆的弯曲和振动。枪钻钻杆一般选用低碳钢或低合金钢材料，并经过热处理使其具有较好的强度和韧性。钻柄用于枪钻与机床的连接，具有刀具定位、传递扭矩和高压切削液的作用。
枪钻具有加工范围广、表面质量好和加工效率高等特点，可用于加工0.5-40mm孔径的深孔，深径比可达，硬质合金枪钻的加工表面精度可达到H8级。但是在加工钛合金和沉淀硬化不锈钢等难加工材料时，由于材料的强度大、硬度高、导热性差和弹塑性等特点，存在加工表面质量差、刀具寿命降低等问题。相关研究结果表明，通过刀具几何参数优化、刀具涂层和工艺参数优化可以显著提高枪钻钻孔质量、钻孔精度和刀具寿命。
D.钻头直径D/4.钻尖偏心量Φ1.外角Φ2.内角Φ3.油隙角α0.钻尖后角α1.外刃后角α2.外刃第二后角α3.内刃后角α4.油隙后角α5.棱边倒角β.转折角a1.第一导向条宽a2.第二导向条宽h.前刀面低中心量l.内刃过中心量
图1双导向条单刃枪钻的钻头几何结构
1枪钻的力学模型
对钻头的受力分析是枪钻刀具设计的理论基础，有助于枪钻自定位原理、枪钻力学模型的研究。枪钻的力学模型不同于麻花钻，枪钻的侧刃和导向条会对已加工表产生抛光作用，并且由于枪钻头部结构复杂，其受力也比麻花钻更加复杂。枪钻钻头受力主要为内外切削刃的切削力，导向条所受工件材料的挤压力和摩擦力以及刀具后刀面和外径间隙面所受的切削液压力。
图2枪钻钻头受力分析
单刃枪钻的受力分析如图2所示。由于枪钻的外角通常大于内角，外刃所受的径向切削力稍大于内刃所受的径向切削力，两者的合力指向枪钻钻头的轴心位置。合力使得钻头有向内侧弯曲的趋势，与导向条的支撑力平衡，保证了枪钻的直线度和钻孔直径误差。钻头所受扭矩Tt主要由切削扭矩、挤光扭矩和摩擦扭矩组成，枪钻的净扭矩随导向条的宽度和摩擦系数的增加而上升。枪钻的轴向力Fz主要由导向条轴向摩擦力、内外切削刃轴向切削分力以及后刀面油液压力构成。枪钻扭矩是计算切削功率和机床功率的直接因素，对于机床和工艺参数的选择具有重要的指导意义。轴向力是衡量枪钻加工过程稳定性的重要因素，轴向力过大会导致枪钻钻杆弯曲和振动，严重影响钻孔过程稳定性。根据枪钻零前角的特殊结构，张秋丽等利用最简单的二元直角切削模型，依据钻削切削力经验公式，建立了平面型后刀面枪钻钻削灰铸铁的钻削力数学模型。该模型采用近似的计算方法，对于不同切削材料计算精度差异较大。考虑到不同材料的适应性和切削刃切削速度变化特性，YongguoWang等通过能量法计算得到切削微元的切削力，然后采用积分法得到内外切削刃处的法向切削力和摩擦力，最终得到枪钻轴向力和扭矩的力学模型，并通过枪钻切削力试验，将理论计算值与试验结果进行比较，得到了较好的结论。随后，贾文幸采用类似方法建立了45钢钻削力的力学模型，研究了工艺参数对45钢切削力的影响规律，得出枪钻所受力和力矩会随切削进给量的增加以及切削速度的降低而增加。
对枪钻力学模型的研究结果表明，通过力学模型可以更好地了解工艺参数、枪钻几何角度等因素对切削力的影响规律，并通过模型的校准能够较为准确地计算轴向力和扭矩。目前的研究主要针对45钢等相对比较容易加工的材料，而针对难加工材料的研究较少。切削过程中难加工材料的材料硬化、积屑瘤、刀具磨损和刀杆振动情况较为复杂，实际加工过程中的材料特性、工艺参数会产生规律或非规律性变化。因此，对于难加工材料的枪钻力学模型还需要进一步的研究。
2枪钻切削过程控制
(1)切入过程稳定性研究
切削过程稳定性对枪钻的深孔加工质量有显著影响，也是导致枪钻失效的主要原因之一。枪钻入口时的加工稳定性较差，因此枪钻入口处应钻预钻孔或者使用导向套。枪钻入口分为两个阶段：切削刃切入阶段和导向面由导向套进入工件材料阶段。在第一阶段，随着切削刃切入工件，参与切削的切削刃长度增加，切削力稳定增加，此阶段的切削过程稳定性较好。在第二阶段，内外切削刃全部参与切削，由于第一阶段切削过程钻孔直径偏小，因此钻孔切向力继续增加，但轴向力基本保持不变。当导向条进入工件时，钻孔直径扩大，轴向力显著增加，切向力逐渐减小。枪钻入口过程的主要现象为切向力和径向力的剧烈波动，如图3所示。切削力变化是刀具失效(通常表现为刀杆的疲劳断裂和钻头拗断)的主要原因之一。钻头切入过程不稳定的主要原因为导向套与钻头之间间隙过大以及枪钻导向条设计不合理。
图3枪钻切入工件过程切削力变化
HyperTool公司Astakhov分析了双导向条枪钻加工过程中喇叭口现象的产生因素，得到以下结论：①最初的钻孔直径取决于导向套和钻头之间的间隙和钻头受力在XY平面内的合力。单导向条枪钻的加工直径一般要大于双导向条枪钻的加工直径；②钻头入口的过程稳定性主要取决于钻刃边缘点到导向条最前端的距离；③最合理的导向条位置为其他力在导向条处合力为零。
枪钻切入工件时的稳定性导致枪钻的位置变化如图4所示。
图4枪钻切入工件时的位置变化
枪钻入口稳定性差会导致切削力的剧烈波动，导致钻孔质量下降、刀具磨损甚至钻头拗断。枪钻入口稳定性的研究对于枪钻钻头设计具有重要的指导意义。在实际生产过程中，为了保证枪钻入口处的切削稳定性，一般采用降低切削速度和进给速度的方式，保证加工质量和刀具有效使用寿命。
(2)枪钻断屑机制与排屑过程
枪钻能否正常断屑和排屑是决定枪钻能否正常切削的决定性因素之一。由于枪钻深孔加工过程中的排屑空间小，因此对切屑大小和形态有严格要求。切屑能否顺利排出取决于分屑、卷曲和折断，分别对应切屑的宽度、形态和长度。切削的断屑机理主要分为几何断屑和力学断屑两类。几何断屑主要指通过切削参数的变化，使切屑厚度规律性地变为零而断屑，如图5所示为振动切削的理论断屑图与不同相位差的波形图。力学断屑主要是指通过改变切屑形成的外部环境，产生新的力学机制，使切屑内应力超过其应力极限而断裂。应用于枪钻的断屑方法主要有振动钻削、在枪钻前刀面增加断屑台和改变枪钻几何角度。
(a)理论断屑图
(b)不同相位差的波形图
图5理论断屑图与不同相位差的波形图
亚琛工业大学FritzKlocke表示，切屑的断裂和排屑过程对枪钻加工稳定性和加工质量具有重要意义。通过在导向套附近安装红外传感器，建立枪钻加工切屑状态实时监测系统。该系统具有高信噪比、响应速度快和适用于小直径深孔的枪钻加工等特点，实现了切屑的切削状态监测。为了获得利于排屑的最佳切屑形态，张银东设计了一种用于DF深孔钻的双偏振动发生器，实现了适用于DF深孔钻的振动钻削系统。相比于DF深孔钻，完全依靠切削液冲刷将切屑排出的方法，排屑环境更差。由于切屑在排出过程中与已加工工件表面直接接触，切屑形状对加工表面质量有直接影响。为了实现枪钻理想的断屑条件，苟琪通过分析枪钻振动钻削的振动波形得到了理论断屑条件，研究了振动钻削过程中的空切角度和空切时间对于断屑的影响，并通过实验验证了断屑机理的正确性，实现了良好的断屑。
振动钻削是一种解决断屑问题的有效措施。但枪钻的振动钻削由于切削参数的变化，轴向切削力和扭矩会产生周期变化导致切削过程不稳定。尤其对于难加工材料来说，切削力大易于造成刀杆的附加振动，使得振动过程难以控制并影响刀具的使用寿命。而对于某些材料，通过工艺参数的选择亦可以实现理想的断屑。牛宏宝进行了枪钻加工紫铜的试验，验证了不同工艺参数对切屑变形系数和切屑形态的影响，并通过工艺参数优化得到了理想的切屑形态，实现了良好的排屑和加工表面质量。
(3)切削力与切削温度研究
切削力是计算切削功率、机床和刀具选用的重要依据，并影响切削表面质量、刀具磨损和切削热的产生，是切削过程控制的重要因素之一。影响枪钻切削力的主要因素为刀具几何角度、工件材料和加工工艺参数等。在刀具和工件材料一定时，工艺参数是影响枪钻切削力的主要因素。王海琴进行了硬质合金枪钻加工50B材料的切削试验，得到了工艺参数对轴向力和扭矩的影响规律。试验结果表明，枪钻轴向力和扭矩随切削速度的升高而降低，随进给速度的升高而升高，并且趋势明显。对同一种材料，相同的工艺参数下切削力基本保持不变，但对不同材料层进行钻削时，切削力产生显著变化。对此，亚琛工业大学FritzKlocke等开发了小直径深孔枪钻加工的轴向力自适应控制系统(见图6)，可用于穿透不同材料的深孔加工，并适用于不同的材料硬度、刀具磨损和崩刃等情况，对于保证枪钻切削过程稳定性和加工质量稳定性具有重要意义，大大降低了刀具损坏的风险。
图6钻削力自适应流程图
除切削力外，切削温度也是枪钻加工过程必须要考虑的重要因素。过高的切削温度会使材料性能发生变化，加剧刀具磨损。但是，切削温度的精确测量较为困难。日本金泽大学T.Ueda等通过比色法对麻花钻钻削过程中的温度进行了测量，得到了麻花钻的温度分布以及切削速度和进给量对切削温度的影响规律，并通过油雾润滑使钻削温度降低了20%-25%。尽管切削温度的试验研究较为困难，但是近年来随着计算机仿真技术的进步，使得对钻削温度的研究更加便捷。贾永鹏等通过Deform-3D的枪钻过程仿真，得到了枪钻切削球墨铸铁时的刀尖切削温度分布情况，并得到了不同切削参数下切削温度的变化规律：切削温度随切削速度和进给量的增大而升高(见图7)。虽然计算机的仿真结果可以定性反映切削温度随工艺参数的变化规律，但是要准确预测切削温度还需要大量的工程试验来对仿真模型进行修正。
枪钻的切削力和切削温度都是反映枪钻切削过程稳定性的重要指标。但是，切削力和切削温度的测量设备较为复杂，且适用范围有限，很难用于实际生产。并且，对于钛合金等成本高昂的难加工材料进行大量的切削，试验成本往往难以接受。因此，通过低成本的计算机仿真技术对切削力和切削温度进行预报是未来枪钻加工的主要研究方向。
(a)枪钻切削温度等值线
(b)切削温度随切削参数变化
图7枪钻的切削温度仿真
3枪钻加工质量及其影响因素
工件加工质量会直接影响工件的工作性能。孔加工质量的主要评价指标为孔径偏差、钻孔轴向偏差、加工表面质量以及圆度误差和圆柱度误差。影响深孔加工质量的因素有很多，如刀具、工艺参数和切屑等。
(1)刀具对钻孔质量的影响
对于深孔，孔轴线偏差是评价深孔加工质量的重要指标。影响深孔轴线偏差的因素很多，如钻杆不重合、刀具磨损和刀具结构等。台湾国立交通大学Chyn-ShuDeng等研究了钻杆的不重合对深孔直线度的影响规律，发现不重合会发生在机床主轴、中间支撑和导向套等位置，由支撑不同轴导致的钻孔偏差如图8所示。他们通过欧拉公式建立了深孔加工轴线偏斜方程式，并通过枪钻和BTA深孔钻实验验证了相关直线度偏斜理论。随着钻孔行程的增加，刀具会产生磨损。新加坡国立大学K.S.Woon等研究了铬镍铁合金枪钻加工过程中刀具退化对钻孔直线度的影响规律，得出枪钻加工过程稳定性和钻孔质量随刀具退化而变差。由于切削速度不同，内刃和外刃退化速度不同，使切削力分布发生变化，从而导致钻孔直线度偏差。此外，孔的直线度片偏差也会受刃口圆弧半径影响。当切深小于刃口圆弧半径时，轴向力骤然增加，导致钻孔偏斜。在薄壁件加工时，钻孔会向壁厚较薄的方向偏斜。杨样等研究了枪钻深孔钻削直线度的影响因素，并通过仿真和试验证实了双导向条枪钻钻孔直线度优于单导向条枪钻，通过仿真得到了最优的导向条位置，并得到钻杆越短、钻孔直线度反而越差的结论。此外，孔轴线偏差还与孔的加工方式有关。例如，刀具转动工件固定的加工方式钻孔轴线偏差较大，而刀具固定工件转动的加工方式轴线偏差较小。
图8支撑不同轴对钻孔偏差的影响
合理的刀具几何参数对加工表面的完整性具有显著影响。德国多特蒙德工业大学D.Biermann的研究表明，提高钻头锥度会大幅降低加工表面质量，并且单导向面结构枪钻加工表面质量优于双导向条枪钻。对于单导向面枪钻，导向面的位置也会影响钻孔质量，而合理的导向面位置则取决于枪钻所加工的材料。实际生产中使用的枪钻在达到磨钝标准后会重新刃磨后继续使用，故枪钻几何参数取决于枪钻的刃磨精度。新加坡制造技术研究所KengSoonWoon通过研究铬镍铁合金的枪钻加工过程，发现不准确的刀刃角度和较大的几何误差会引起枪钻径向弯曲和轴向偏斜，并导致严重的振动、抖动和钻头破坏。除了枪钻的几何参数外，钻头和钻杆材料也会影响枪钻加工质量。托木斯克理工大学S.V.Kirsanov研究发现，涂层枪钻钻孔的孔径精度更高、孔径稳定性好、表面粗糙度更小，并且硬质合金钻杆枪钻的加工表面粗糙度优于钢杆枪钻。
刀具的几何参数、刀具涂层、钻杆和刀具磨损对枪钻的钻孔质量具有显著影响，而合理的刀具几何参数往往取决于枪钻所加工的工件材料，并且刀具精确、及时的刃磨有利于提高钻孔质量。
(2)切削工艺参数对钻孔质量的影响
工艺参数是影响枪钻加工质量的重要因素，枪钻加工工艺参数主要包括切削速度、进给速度和切削液压力。枪钻工艺参数中，对钻孔质量影响最大的因素为进给速度。Chyn-ShuDeng通过田口法分析了影响BTA深孔钻孔圆度的影响因素，并进行了验证试验，证明进给速度是影响钻孔圆度最大的因素。低转速、较大的钻头直径和小钻杆长度可以有效地减小钻孔圆度误差。S.V.Kirsanov研究枪钻加工2.05mm小直径深孔的AЦ40X钙钢时发现，当进给量小于0.mm/r和进给量大于0.mm/r时，枪钻钻孔圆度误差较大；进给量在0.和0.之间时，圆度误差变化不明显。梁浩文采用直径7mm枪钻在QA钢板上进行了单因素试验，结果表明降低进给速度有利于提高加工表面质量，并且随着深径比增大，加工孔的直径和轴线偏差都会变差，而圆度误差会变小。
相关研究表明，通过振动钻削也可以提高钻孔表面质量。其主要原理为通过振动钻削实现良好的断屑、排屑和润滑，并且振动钻削也有利于积屑瘤的消除，从而提高钻孔表面质量。基于相似的原理，巴基斯坦TauseefAized通过啄钻方法测试了切削速度、进给速度、每步钻削深度对钻孔圆度、圆柱度、直径误差和表面粗糙度的影响，试验证明小的单步钻深可以提高钻孔质量和刀具寿命。
通过工艺参数优化和工艺方法改良可以有效提高枪钻钻孔质量，尤其是易于加工的材料。但是对于钛合金等难加工材料，由于枪钻工艺参数范围窄、材料成本高昂、加工试验对钻头和工艺系统的要求较高，试验难度较大，枪钻切削难加工硬质材料的研究较少。因此，枪钻加工难加工材料的研究对于航空航天领域的发展具有重要意义。
(3)切屑对加工表面质量的影响
除了刀具和工艺参数，切屑也是影响加工表面质量的重要因素。切屑的大小和形状会影响切屑的排出过程，尤其是在切削液压力不足时，切屑在排出过程中会划伤已加工表面，导致加工表面质量变差。美国密歇根理工大学S.A.Batzer研究了铝合金钻削过程中切削液和其他切削变量对切屑形成的影响。研究发现，当产生相对更小的切屑时，主要的切屑对表面质量的影响不大，然而较大的切屑会造成表面质量的下降。华北工学院张银东研究了DF深孔钻过程中切屑形态对排屑效果的影响。结果表明，切屑形态对深孔钻过程中的排屑状态影响较大。减小切屑对加工表面质量影响的关键在于控制切屑形态和保证充足的切削液流量。可以通过改进枪钻结构、优化工艺参数等方式实现切屑形态，一般可以采用高压力流量泵来保证切削液流量。
原载《工具技术》作者：杨吟飞