[機械設計自動化精品] 槍鉆結構優(yōu)化設計與受力分析

1、槍鉆的優(yōu)化設計與受力分析隨著科學技術的進步，深孔加工技術已經運用到各機器制造部門，特別是在重型機械制造中，能否掌握它，運用自如，將對生產起著決定性作用。本設計介紹了深孔加工刀具中最常見的槍鉆，通過對國內外槍鉆的比較，分析了槍鉆的結構，對槍鉆的各個結構進行了系列化設計。然后對槍鉆進行了較為詳細的受力分析，。同時用pro/e 應用軟件作出典型槍鉆的三維造型，并用有限元分析軟件對槍鉆進行分析，得出應力分析結果，對槍鉆進行優(yōu)化設計。關鍵詞：深孔加工，槍鉆，優(yōu)化設計optimal design and stress analysis of gun drillabstractwith the progre

2、ss of science and technology，deep hole processing technology has been applied to the machine-building sector。especially in the heavy machinery manufacturing, the ability to master it will play a decisive role in production.this design introduces deep hole machining tool of the most common gun drill。

3、by comparison of gun drill at home and abroad，we analyzed the structure of the gun drill，and have all the structure of the gun drill a series design。then we conducted a drill on the gun more detailed stress analysis，and according to the situation we stress analysis, optimal design of the gun drill。a

4、t the same time with the pro / e we applications to three-dimensional shape of the typical gun drill，and by finite element analysis software for gun drilling were analyzed and the results of stress analysis.key words: deep hole drilling, gun drilling, optimization顯示對應的拉丁字符的拼音字典1. 名詞 1. summary2. abs

5、tract窗體頂端顯示對應的拉丁字符的拼音字典目錄1 緒論11.1 研究深孔鉆削的意義11.2 國內外現(xiàn)狀以及發(fā)展21.2.1 深孔鉆的發(fā)展過程21.2.2 國內深孔加工技術應用及發(fā)展狀況21.2.3 深孔加工技術和裝備的發(fā)展方向32、槍鉆的設計52.1 槍鉆的結構52.2 槍鉆的設計52.3.1 槍鉆切削部分的設計52.3.2 槍鉆鉆桿和鉆柄的設計163 槍鉆受力分析183.1 槍鉆切入階段的受力分析193.2 槍鉆鉆孔全過程中轉矩和軸向力的變化規(guī)律224 槍鉆的應力分析與優(yōu)化設計304.1 槍鉆實體模型的建立304.2 槍鉆力學模型的建立314.3 槍鉆的有限元分析334.3.1 導入槍鉆

6、實體模型334.3.2 定義材料特性334.3.3 網格劃分334.3.4 約束、處理344.3.5 處理后結果344.3.6 有限元結果分析355 總結36參考文獻37致謝391 緒論1.1 研究深孔鉆削的意義深孔加工技術最初廣泛應用于國防軍工制造業(yè)。隨著科學技術的進步，工業(yè)的發(fā)展，深孔加工技術已經運用到各機器制造部門，如石油化工機械，航空工業(yè)，造船，冶金，發(fā)電設備，橡膠機械等，從而使深孔加工成為機械加工中不可缺少的一種工藝方法。特別是近幾年來隨著宇航制造業(yè)，原子能工業(yè)，電力工業(yè)等行業(yè)的迅速發(fā)展，對機器機器零部件的綜合性能提出了更高的要求。新型高強度，高硬度的材料如鈦合金、不銹鋼、難熱合金、

7、高錳鋼、復合材料等應用越來越多，這些材料具有良好的物理機械性能、抗腐性能、抗磁性能和抗高溫氧化性能，在某些方面非常優(yōu)良，但是它們的切削加工性能一般比較差，表現(xiàn)為切削力大、切削溫度高、刀具磨損嚴重、斷屑、排屑困難。在這類材料上加工長徑比大的孔，就顯得十分困難。所以，難加工材料深孔加工問題是否解決好，將直接影響機械產品的生產效率和質量。特別是在重型機械制造中，能否掌握它，運用自如，將對生產起著決定性作用。深孔加工在各行業(yè)應用都比較廣泛，如槍炮管深孔加工，發(fā)動機輸水孔，活塞銷，曲軸通油孔，車輛的減震器筒，液壓缸，火箭發(fā)射裝置的精密高強度導管等等。這是一項具有代表性既關系到產品性能質量，又關系到工藝成

8、本和生產周期的關鍵技術。如果能以最小的投入，最快的速度使我國深孔加工技術提高到國際先進水平，對我國制造行業(yè)的技術改造和綜合國力的提高將有巨大的促進。1.2 國內外現(xiàn)狀以及發(fā)展1.2.1 深孔鉆的發(fā)展過程深孔鉆的發(fā)展過程可分為四個階段：第一階段在19世紀末20世紀初，為解決槍管的加工，發(fā)明了將高壓液體通過鉆桿內通道送到鉆頭，帶走切削和熱量，并在鉆頭外徑上加上導向塊，以保證鉆孔正確方向的方法槍鉆。第二次世界大戰(zhàn)期間，由于槍管的需求量猛增，使這項技術得到了快速發(fā)展。第二階段，后來國際孔加工協(xié)會加以完善，形成了bta加工方式，其所用的鉆頭簡稱為bta鉆。bta鉆頭在槍鉆的基礎上增強了剛性，改善了排屑條

9、件，并提高了孔的表面質量。第三階段，1963年瑞典sandvik公司發(fā)明了噴吸鉆加工方式，將切屑由切削液推出改為切削液推吸聯(lián)合作用，改善了排屑過程，降低了系統(tǒng)壓力，密封條件得以改善，改善了排屑過程，降低了系統(tǒng)壓力，密封條件得以改善，對應該系統(tǒng)所用的鉆頭成為噴吸鉆。第四階段，在70年代，日本冶金股份公司發(fā)明了df（double feeder）裝置，將原噴吸鉆的雙管系統(tǒng)改為單管系統(tǒng)，在鉆桿尾部增加一射流裝置，來完成液體推吸效應，使鉆桿系統(tǒng)剛性增加，切削液壓力減小。df系統(tǒng)是傳統(tǒng)深孔鉆的最好方式，該系統(tǒng)所用的鉆頭稱為df鉆。1.2.2 國內深孔加工技術應用及發(fā)展狀況20世紀70年代以前，我國槍鉆和內

10、排屑深孔鉆豬妖應用于兵器制造業(yè)，其技術大致相當于蘇聯(lián)50年代初期的水平。mm以下小深孔一律采用本廠自制的高速鋼槍鉆。70年代末才開始建立專門制造硬質合金槍鉆，槍鉸刀得軍工系統(tǒng)工具廠，因尺寸規(guī)格有限，規(guī)模不大，產品質量與進口刀具有很大差距。80年代后，一批大中型專業(yè)工具廠開始生產硬質合金槍鉆，以填補市場需求的空缺。但由于技術實力和生產方式的落后，在產品質量和規(guī)格品種方面始終無法與進口刀具分庭抗禮。目前，我國仍是深孔刀具的純進口國。由于機床工業(yè)基礎落后，國內需求的槍鉆機床一直以進口為主。80年代以來，國內機床工業(yè)水平提高較快，相對而言，機床深孔發(fā)展相對滯后，在設計水平、品種、精度和裝也化程度等方面

11、與歐、美、日本還有相當大的差距。數(shù)控深孔鉆床到80年代末才出現(xiàn)，而用于加工固定工件的深孔鉆床還是空白點。面對深孔裝備和深孔零件的廣泛應用，制造業(yè)對深孔加工技術的需求呈直線上升的趨勢。一方面，大批老國有企業(yè)由于缺少先進的深孔加工技術，自身擁有的大批深孔機床處于閑置狀態(tài)；另一方面，又有大批新興中小企業(yè)不具備深孔加工手段，導致其新裝備的開發(fā)面臨重重阻力。1.2.3 深孔加工技術和裝備的發(fā)展方向深孔加工技術的落后將會長期制約國家常規(guī)兵器工業(yè)的現(xiàn)代化。1958年開始國內硬質合金槍鉆的設計和實驗研究，1960年獲得成功。出于各種工原因，研究被迫中斷。20年后，幾乎在一無所有的條件下，重新起步踏上深孔加工技

12、術創(chuàng)新研究的漫長歷程。應當從制造業(yè)，特別是裝備制造業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略全局出發(fā)，把深孔加工技術作為其中必不可少但發(fā)展水平之后的一個環(huán)節(jié)給予關注和支持。作為制技術中一個不可替代的分支，深孔加工技術具有其獨特性。由于它的影響力幾乎遍布所有行業(yè)，所以決不可視之為“長線”技術。深孔加工技術的研究開發(fā)工作需要必要的物質 和資金保證，費力費時，一般企業(yè)難以承擔得起。除了高校和社會科研機構參加和投入外，國家在政策上的支持也必不可缺。深孔加工技術技術由于進入制造業(yè)的歷史短暫，遠未達到成熟和完善，具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。便現(xiàn)在兩個方面。第一，對深孔加工過程中特定條件下切削液參數(shù)及其影響、切屑的形成規(guī)律、排屑及抽屑機理、不同

13、加工條件下工藝參數(shù)的最佳匹配、加工過程的控制與檢測、刀具和輔具的設計理論、深孔加工裝備的規(guī)范及現(xiàn)代化設計等得一系列基礎研究，尚處于起步階段。第二，實體鉆孔由于其不可代替性，布魯別過去、現(xiàn)在和將來，將始終是衡量深孔加工技術發(fā)展三年惠平的最重要標志。但從其目前水平來看，還遠未陣雨成熟階段。主要問題是：內、外排屑兩類深孔鉆在鉆孔之境范圍上形成難以逾越的鴻溝，已經成為深孔加工技術通用化的巨大障礙；內排屑深孔鉆的斷屑、排屑問題始終制約著實體深孔鉆技術的發(fā)展和廣泛應用；在克服深孔鉆排屑障礙的同時，進一步提高了實體鉆的工效和加工質量，以達到減少后續(xù)工序并降低綜合加工成本問題；深孔鉆削過程的有效控制和檢測問題

14、；難加工材料、材質的加工和排屑問題。深孔加工技術面臨的另一類重大課題是：開發(fā)與深孔鉆削配套的后續(xù)加工刀具和技術。重點是開發(fā)可在深孔鉆床上通用的高效、低成本精加工刀具和技術。單從技術可行性角度而論，淺孔加工技術中的切削加工技術幾乎均不適用于深孔加工。但在多數(shù)情況下，深孔加工技術不僅可用于淺孔加工技術，而且在保證孔的尺寸、形位精度和改善鉆孔粗糙度等方面比淺孔加工技術更優(yōu)越。之所以未能變成現(xiàn)實，關鍵在于深孔加工的成本太高。據粗略估算，如果能通過種種措施使目前深孔加工的綜合成本降低60%，則深孔加工技術會開始部分應用于前孔加工技術；如果將深孔加工技術的綜合成本進一步降低，就會衍生出一批新型的集約制造方

15、法、新型裝備制造和新興產業(yè)。深孔加工技術作為制造業(yè)技術的一個廢分支，有外強烈的應用技術屬性。應用技術永遠是一門遺憾的技術，因為它依托于新科學發(fā)現(xiàn)、新科學理論、新材料、新方法和社會不斷提出的新需求，永無止境。但應用技術又是最貼近人流淚社會物質文明進步、推動人類精神文明發(fā)發(fā)展的最具生命力且無可替代的動力源泉。2 槍鉆的設計2.1 槍鉆的結構槍鉆由鉆頭、鉆桿和鉆柄組成。鉆頭切削部分是由圓柱體砍切而成，其輪廓與炮鉆相。不同之處在于，槍鉆的外部有一條貫穿前后的v形槽，用來排屑；v形槽的對側，是油孔，用來供入切削液。由于鉆桿尾部單薄，不便于夾持，因此制成一個同軸的厚壁套焊在鉆桿末端，這即是鉆柄。槍鉆的材料

16、主要為硬質合金，以下的鉆頭，由硬質合金燒結撐整體式鉆頭坯，在經過焊、磨而成為節(jié)約硬質合金，直徑大的可以改用三片應內置合金鑲在鋼制鉆頭上。鉆頭與鉆桿的軸線必須嚴格保持同軸，否則易引起鉆桿與孔壁摩擦，或者導致走偏加大。為此，最好在鉆頭與鉆桿對焊后，夾持鉆桿對鉆頭進行刃磨。根據同樣的理由，鉆柄也必須和鉆桿保持同樣的同軸度。2.2 槍鉆的設計從槍鉆的結構上看，它的結構很簡單，但是它的參數(shù)卻很多，而且每一個參數(shù)對刀具的切削性能都有各種各樣的影響。在槍鉆的原始設計條件中，鉆孔直徑、孔的長徑比、被加工材料的物理機械性能和要求深孔加工后達到的技術條件，是設計或者訂貨前必不可少的條件?，F(xiàn)系列化設計孔徑520mm

17、的深孔槍鉆，設計過程如下。2.3.1 槍鉆切削部分的設計槍鉆由鉆頭，鉆桿和鉆柄組成。鉆頭有整體燒結式和鑲片式兩種結構，現(xiàn)采用硬質合金刀片，如圖2.1。 圖2.1 硬質合金鑲片式槍鉆鉆頭以下是鉆頭各個參數(shù)的確定。1、內外切削刃的的劃分和鉆尖偏移量槍鉆的鉆尖偏置于直徑的一側，形成了單邊刃切削及內外刃分工，內刃與外刃的橫寬之和等于半徑。內刃切削刃的劃分，使槍鉆具有以下特點： 在結構上為鉆頭提供了排屑通道（v形槽）和供油通道（進油孔）。 槍鉆外刃的工作條件相當于雙刃鉆的外側切削刃，鉆孔時形成一支右 的螺旋形切屑；其內刃相當于車削時前刀面通過棒料軸線的車刀，形成瓦片形的左旋圓錐狀間斷切屑。這兩只切削流因

18、受到被加工孔底部的限制和切屑液的沖擊力，在鉆尖的后部會交會在一起。設內外刃的橫寬對等，則外刃承擔了切除全部金屬量中的的任務，為內刃切除金屬量的3倍。因此，外刃的切屑流成為切屑流的主體，將內刃形成的錐形片狀切屑扭在一起，在高壓切削液的推動下前后互相擠壓，從v形槽中向后排出，如圖2.3。圖2.2 槍鉆內外刃的劃分圖2.3 內外刃切屑的流動和干擾1工件；2槍鉆；3外刃產生的切屑（右螺旋卷）；4內刃產生的切屑（左螺旋卷）；5切屑匯合處單邊刃的設計，使鉆頭避開了橫刃的存在，從而大大減輕了鉆頭的軸向推力。由于內外刃的劃分，將會產生一個內外刃徑向切削分力不對等的問題，但只要報紙外刃的徑向切削分力不小于內刃，

19、槍鉆在理論上是不會自動發(fā)生脫離軸線而走偏的，原因在于，如果外刃的徑向切削分力大于內刃，二分力之差將作用于切削刃對側的已加工孔壁。這種內外圓柱面之間的貼合，只能對鉆頭起到定向和導向作用，反而保證不鉆頭不會自動走偏。同樣，內外切削刃所受的垂直切削力的合力（主切削力）雖然單方向作用于鉆頭的前刀面并力圖使鉆頭偏向一側，但由于承受壓力和反作用力的都是圓柱面，鉆頭不會走偏。由于槍鉆切削部與工件孔壁相接處的圓柱面材質遠比工件要硬，且光滑并充滿潤滑冷卻液，因此，切削力不平衡實際導致的結果是鉆頭導向部對孔壁的擠壓和碾平，從而使孔壁的加工粗糙度減小。當然，過大的及壓力也會加快鉆頭導向部的磨損，引起轉頭震顫，因此需

20、要在設計中全面考慮。在槍鉆設計圖上，通常以標注外刃橫向寬度a的方式來確定鉆尖的位置（圖2.2）。因此，鉆尖與鉆頭的軸線的偏移量。在加工碳鋼、合金鋼材料時，通常取內外刃橫寬對等，即。圖2.4鉆頭幾何形狀2、鉆頭的幾何形狀鉆頭的幾何形狀包括對外刃偏角（簡稱外角）、內刃偏角（簡稱內角）、鉆尖位置、油隙形狀等參數(shù)的綜合匹配，如圖4。鉆頭幾何形狀的設計，應該綜合考慮三個方面的因素，所產生切屑的形狀及是否有利于切屑的排出，鉆尖的強度保持和足夠的供油間隙，以及沖出切屑。如圖2.4所示，圖為槍鉆頭部幾何參數(shù)的代表符號示意。鉆尖位置用外刃的橫寬a，外角用表示，內角用表示。根據設計要求，此槍鉆的外徑為，則外角，內

21、角，此類為槍鉆的標準頭部形狀，對多數(shù)常見材料都有通用性。3、前刀面的位置槍鉆前刀面的切削條件類似于內圓車刀，其位置應等于或者稍微低于孔的軸線，而不應高于孔的軸線。炮鉆的前刀面之所以必須略高于中軸，是由于其半圓柱體形狀的限制。槍鉆打的橫截面大于半圓，因此前刀面可以通過中心或低于中心。如低于中心，鉆孔時會避開切削速度為零的中心點，從而有利于減小軸向切削阻力。但如前刀面過低，在鉆孔過程中會留下一根細小的中心棒，影響切屑正常排出。通常允許前刀面低于中心線。4、斷屑臺在車、銑等常規(guī)切削加工中斷屑也是一個不忽視的課題。連續(xù)的纏繞形切屑會干擾加工過程的正常運行，傷害操作者和損傷工件、刀具、機床，更使生產過程

22、的連續(xù)性難以實現(xiàn)。理想的情況是采用切屑手段，讓切屑按照按照一定的規(guī)律斷成小段。最方便易行的就是在刀具前面上磨出斷屑臺或者設置斷屑器。對于深孔鉆削來說，能否連續(xù)的、無堵塞的自動排除切屑，始終是成敗的首要課題?，F(xiàn)代深孔鉆削刀具由于保證了供油、排屑通道以及高壓切削液，使連續(xù)自動排屑成為可能，但并未從根本上堵屑發(fā)生的可能。無堵塞的連續(xù)自動排屑，必須同時得到以下三個方面的保證，缺一不可。（1）供油、排屑通道結構合理。（2）保持正常合理的油壓和流量。（3）合理的切屑形態(tài)用以上三方面的要求來對照槍鉆。槍鉆的出屑槽呈前后一致的扇形，排屑斷面積接近于被鉆孔截面的，擁有各種深孔鉆中最為理想的排屑通道。不足之處在于

23、頭部通油孔的面積太小（只及孔截面的），因此必須加大油壓和油量，才能有足夠的動量用來推動切屑通過v形槽和與鉆頭相對旋轉著得孔壁而順暢溢出。在油壓足夠的而前提下，槍鉆即使不斷屑，一般也不會發(fā)生堵屑障礙。因此，槍鉆在多數(shù)情況下不須磨出斷屑臺。在加工費碳鋼、合金鋼和鋁、銅等比較軟的材料時，連綿不斷的螺旋形卷狀切屑受高壓切削液的推擠而相互擠壓，周期性的以條絮狀被推出v形槽，甩入排屑器。當工件為灰鑄鐵、石墨等脆性材料時，切屑呈碎粒狀被排出。只有當工件材料為高強度、高韌性的難加工材料或者地質不均勻時，才因切屑卷過大或者切屑形態(tài)不一致而容易發(fā)生堵屑。當然，一旦機床的油壓不足，切削刃變鈍，也會發(fā)生堵屑。在這些特

24、定的情況下，斷屑也不失為一種應急的措施。槍鉆之所以能在不斷屑的前提下實現(xiàn)連續(xù)排屑，部分原因是由于槍鉆的進給量很?。ǎ蚨行己鼙?。其所以不能采用更大的進給量，是由于槍鉆的剛度（特別是扭轉剛度）遠低于同一直徑的內排屑深孔鉆。槍鉆的前角為，且不設斷屑臺，這樣就為槍鉆具有可多次重磨性奠定了基礎。在國際市場上，槍鉆至今仍是切削工具產品中售價昂貴的產品。其所以能得到較為普遍的應用，很大程度上是與槍鉆的可重磨性有關。5、切削刃的主要幾何參數(shù)如圖2.5所示為切削刃的主要幾何參數(shù)，根據設計要求，該槍鉆的直徑為，對該范圍內的槍鉆進行系列化設計。圖2.5 切削刃的主要幾何參數(shù)(1)前角 內外刃的前刀面為同一平面

25、，因此內外刃的前角都為。（2）外刃后角和內刃后角當槍鉆直徑為時，。外刃后刀面的磨法有兩種，對以下的小直徑鉆頭，其外刃后刀面可仿照麻花鉆磨成螺旋錐面；較大的槍鉆，其外刃后刀面一般磨成平面。內刃的后刀面，不論直徑大小，一律磨成平面。當內外刃刀面都是平面時而平面之間形成一道多余的交線。當用槍鉆制造時，通常將尖峰磨去，形成一個副后角，其取值為。但刃磨副后角時不應觸及內外刃交點t，以免形成三股切屑流。副后角的存在，有利于刀尖和和切削刃的冷卻潤滑。(3)定徑刃寬度s和定徑刃后角在切削刃外側，需要留有一條與鉆頭軸線平行的窄狹圓柱面，即定徑刃.或稱刃帶。其作用與多刃鉸刀的刃帶相同。刃帶的寬度s取值范圍一般為

26、(直徑越大，取值越大)。太小，定徑刃容易磨損；過大，會增加摩擦阻力。定徑刃對孔壁有一定的修光作用。定徑刃后角取值范圍為，它的作用是改善定徑刃的冷卻潤滑條件。(4)槍鉆頭部倒錐為減小槍鉆頭部與孔壁的摩擦阻力，切削部分要磨出一個的微小倒錐。(5)槍鉆切削部分的長度由外刃拐點至導向條終點的長度，稱為槍鉆切削部分的長度。表是不同鉆頭直徑下的切削部分長度。 表1 不同鉆頭直徑下的切削部分長度鉆頭直徑切削部分長度鉆頭直徑切削部分長度13301935234025452525 該表是單邊刃槍鉆的切削部分長度，當鉆頭直徑是時，切削部分的長度可由表查出。6.進油孔的設計進油孔設計包括供油孔形狀、尺寸、位置三個因素

27、。而這三個因素的確定又受制于槍鉆橫截面形狀、鉆頭扭轉強度、鉆桿外徑和導向條布置等因素。因此，進油孔的面積遠不如預期那么大。圖2.6 槍鉆進油孔本設計由于是鑲片式硬質合金槍鉆通油孔，因受到導向條的限制，一般只能采用圖2.6所示那樣的單油孔結構。7.槍鉆的導向面和導向條對于整體燒結式槍鉆而言，除定徑刃外，凡是與工件孔壁接觸的部分均為導向面。但對于鑲片式硬質合金槍鉆，只用兩條硬質合金充任鉆頭的導向元件，這兩條硬質合金稱為導向條(簡稱導條)，如圖2.7。圖2.7整體燒結式槍鉆導向面的設計導向面的設計和配置，服從于槍鉆切削時所受徑向分力、垂直分力和轉矩的關系。圖2.7a是最普通的導向面。導向面1為大于

28、(其止點在切削刃對側)的一段圓弧，與定徑刃圓柱面合成一個完整半圓。這種導向面適用于加工精度不高的深孔.特點是槍鉆使用壽命長。圖2.7b是在a型的基礎上，增加一段較短的導向面2,使鉆頭圓柱面覆蓋大半個圓周。本型適用于要求加工精度高的鑄鐵及輕金屬材料加工。圖2.7c是將a的導向面延長，使其超過半周。本型的加工精度高于a型。但因導向面的面積過大，導向面與孔壁之間的潤滑不良，摩擦轉矩較大，導向面易磨損，所以多用于擴鉆。圖2.7d是在c型基礎上的改進，即將c型導向面的中間磨去一段，以改進其不足，用于要求加工精度高的鋼材工件。本型也是鑲片式槍鉆導向條的基本型。圖2.7e是b,c兩型的結合，兼有導向面大和覆

29、蓋圓周比例大雙重特點，但摩擦面太大且潤滑不良，有燒傷鉆頭或孔壁的危險。更適合于鋁合金等輕金屬合金加工，可加工出表面粗糙度很小的孔。圖2.8是鑲片硬質合金槍鉆導向條的配置方式，是圖2.7d型的移植。鉆頭體3由中碳鋼或合金鋼棒料(調質)銑出v形排屑槽、刀片槽(其內側適當超過圓心)和兩個導向條槽，鉆出通油孔，再焊(或粘接)上硬質合金刀片和導向條，將尾端焊口與鉆桿對焊后，再進行磨削而成。其第一導向條1的中線與主切刃平面成，第二導向條中央與主切刃平面成。 圖2.8 鑲片式槍鉆導向條的配置8.v形槽開角(圖2.8)的取值范圍為,本設計采用，目的在于增大槍鉆的扭轉剛度。 9，鉆頭體直徑鉆頭體直徑取值為()d

30、(d為鉆頭公稱直徑)，見圖2.8。 10.導向條倒角導向條的前端應有的倒角，以減小槍鉆的進給力，并保證導向條剛進人孔壁時切削平穩(wěn)。導向條的前端倒角應光潔平滑。導向條后端應有的倒角，以避免鉆頭從已加工孔退出時損傷孔壁。11、導向條前端對外切削刃拐點a的滯后量不論槍鉆頭部形狀屬于哪一種型，第二導向條(圖2.8中的“2)必須滯后于外刃拐點a一定的距離e,e的最佳取值范圍為() d。第一導向條(圖2.8中的1)前端對a點的滯后量約為e/2。重磨槍鉆時，必須在重磨外刃、內刃后刀面之后，對導向條倒角進行補充刃磨，使e值符合要求。12、槍鉆切削刃及導向條材料的選擇深孔刀具，特別是深孔鉆頭切削刃，在選材時比普

31、通刀具材料的要求更加嚴格。首先要考慮被加工工件材料的物理機械性能，有時還應當考慮工件材料的化學成分，以避免二者化學組成元素之間因不良化學反應而導致刀具加快磨損。其次，深孔刀具對被加工材料應有足夠的抗彎強度，以避免在正常切削用量條件下發(fā)生切削刃崩裂、破損。第三，切削刃的耐磨性應盡可能高一些。當工件是難加工材料時，在正常切削用量下刀具材料最低限度應保證能加工一個深孔。如果連這一最低要求也無充分把握，則必須適當降低切削速度或更換更適合的刀具材料或采用特種加工方法。須知，無論對于深孔精密加工還是實體鉆削，由于切削刃破損或磨鈍而中途換刀，都可能導致工件報廢或刀具、刀桿與工件全部報廢。槍鉆導向條的選材一般

32、與切削刃相同，這有利于刀具制造。在特定情況下(例如發(fā)現(xiàn)導向條有超常磨損時)，也可以使用不同的材料。 槍鉆切削刃材料一般用不同牌號的硬質合金，目前，涂層硬質合金刀片和陶瓷刀片也已經用于深孔鉆頭制造。2.3.2 槍鉆鉆桿和鉆柄的設計1.鉆桿外徑槍鉆鉆桿用中碳鋼或低碳合金鋼冷拔無縫鋼管為坯料，經過調質、校直、無心磨、軋制v形槽、再校直等工序加工而成。鉆桿的v形槽張角與鉆頭相等，與鉆頭對焊時，鉆桿與鉆頭的v形槽應完全對正。 圖2.9 槍鉆鉆桿鉆桿外徑與鉆頭體的外徑相等，取。過大.有可能在鉆桿進人孔壁后與孔壁發(fā)生干涉；取值過小，會降低本來就不足的槍鉆鉆桿剛度，并且將使鉆頭部分進油孔面積減小。2.鉆桿壁厚

33、通常取鉆桿壁厚。t的取值過小，直接導致降低鉆桿剛度；取值過大，可能使鉆桿壁援蓋進油孔。3.槍鉆鉆柄設計槍鉆鉆柄的主要設計參數(shù)(結構代碼、外徑、長度)應與所采用槍鉆機床的刀座孔或夾頭一致。例如，鉆孔范圍為的機床，所用鉆柄的外部尺寸參數(shù)是完全相同的，僅內圓隨鉆桿的外圓而定。鉆桿的末端無v形槽，以滑配合與鉆柄孔配合后，再焊為一個整體。圖2.10是一些常見的鉆柄. 圖2.10 常見的鉆柄設鉆柄尾部直徑為，鉆柄總長為，則表2列出了部分不同鉆柄在鉆頭直徑不同時和的值。表2 幾種常見鉆柄的數(shù)據鉆柄鉆頭直徑63610401648205025561645207019.057010402570104025703

34、槍鉆受力分析槍鉆在切削全過程中的受力情況遠比雙刃鉆復雜。仔細研究槍鉆在切人工件、正常工作和切出工件、退出刀具等各階段的受力情況，對于正確設計、使用單邊刃深孔刀具有普遍的指導意義。3.1 槍鉆切入階段的受力分析從鉆尖接觸工件一直到內外切削刃全部進人工件，為槍鉆的切人階段。此階段的槍鉆，可用一把具有外刃和內刃的車刀來加以模擬，而被加工工件可視為一根平頭的轉軸。為便于分析對比，假定內外刃寬度相等，并取，以及工件材料為的硬鋁棒料.，工件轉速為1 500 r/min，在不同進給量下進行模擬切削實驗，所測得的主切削分力、軸向切削分力(推力)和徑向切削分力曲線見圖3.1。 圖3.1切入階段槍鉆的受力情況由圖

35、3.1可見，即使在內外刃寬度相等條件下，徑向切削分力也是指向刀具軸心的，即外刃的徑向切削力大于與其方向相反的內刃徑向切削力。因此，對于標準型槍鉆（），其切人階段所受的徑向切削分力指向圖2.8所示切削刃對側的導向條2。主切削分力最大，指向圖所示的導向條1。圖3.2是在上述實驗的基礎上進行的切削刃各分力密度的實驗測定。所用工件材料為45鋼、棒料直徑仍為、工件轉速為1500 r/min、進給量為0.025 mm/r，。圖中橫坐標為受力點在槍鉆切削刃上的位置，中線的右側相當于外刃，左側相當于內刃。圖3.2 單刃鉆的切削密度由圖可知，主切削分力的分布密度基本上是均勻的，但軸向推力和徑向切削分力的密度都是

36、外刃大于內刃。而且越接近于工件中心，切削力密度越小。對于徑向分力來說，因外刃和內刃的方向相反.徑向切削力的合力指向中心。作為對比，圖3.2(b)列出了同直徑麻花鉆半徑上的相應切削力密度。實驗條件為:工件材料為中碳鋼；。與單邊刃鉆頭比較可知，其橫刃處(橫刃寬度為，單邊橫刃寬為)的主切削力、軸向力密度都很大。但由于雙刃對稱，主切削力構成轉矩，軸向力疊加，徑向力互相抵消?？紤]到標準型槍鉆,，則外刃的徑向切削分力更加大于內刃。據此，可畫出槍鉆受力情況的解析圖，見圖3.3。對解析圖做進一步的分析，可以發(fā)現(xiàn)槍鉆加工的以下特點:。圖3.3內外刃切入過程中槍鉆受力情況在內外刃切人工件的過程中，由于軸向分力之和

37、()是偏心負荷，可轉換為作用于鉆頭中軸的推力和一個彎曲力矩 (為軸向切削分力作用點與中心的距離)。同樣，內外刃主切削分力之和()可轉換為從z方向施加于鉆頭中心的一個彎曲力和一個轉矩（為主切削分力作用點與中心的距離)。外刃和內刃上所受徑向切削分力由于方向相反且大小不等(對于標準型槍鉆，)，其合力使鉆頭向內側彎曲，并使鉆孔直徑有變小的傾向。由于槍鉆是長徑比很大的非剛性鉆頭，上述切削分力、中任何一個，即使數(shù)值不大，也足以使鉆頭不能正常工作。為此，必須在鉆頭切人工件之前設置一個導向套，以保證鉆頭能正常切人工件。當鉆頭的切削刃和導向部分進人工件以后，導向套完成其規(guī)定的使命，鉆頭靠自己的導向面使切削力達到

38、平衡并實現(xiàn)自身的導向。當采用導向套后，在內外刃切人工件過程中由于鉆頭的導向面緊貼導向套，鉆頭進給方向得到了保證。但導向套的內徑不可能與鉆頭直徑完全一致，而必須留有一個微小的直徑間隙 (通常不大于0.015 mm)。由于此間隙的存在，切削刃切人工件時，只能鉆出比鉆頭直徑約小的孔。當導向部開始進人工件時，將成為導向部的過盈量，被強行擠壓擴大。因此，導向部和孔壁之導向面之間互相處于擠壓狀態(tài)，其結果是工件孔壁被擠光，而鉆頭得到了可靠的導向。由于槍鉆扭轉剛度很低，上述擠光轉矩必須受到嚴格的限制。因此.槍鉆的進給量很小，這是又一個突出特點。3.2 槍鉆鉆孔全過程中轉矩和軸向力的變化規(guī)律圖3.4(a),(b

39、)是用槍鉆鉆孔時，在鉆柄上貼應變片，通過電磁示波器測得的鉆孔全過程中轉矩和軸向推力曲線。 先對圖3.4(.a)的轉矩曲線進行解讀。從鉆尖接觸工件的點，至外刃拐點切人工件的點，鉆頭所受轉矩完全由切削力造成，稱為切削轉矩()，與外刃切人長度成正比。由至，因鉆孔直徑不變，導向條尚未進人工件，所以值不變。為第一導向條的起點。由于第一導向條進人后與孔壁產生正壓力和擠光轉矩()，此擠光轉矩隨導向條倒角的逐漸進人而由小變大。為第二導向條的進人點，見圖3.5(a)。由于導向套孔徑略大于鉆頭一個邊值，槍鉆外刃的徑向切削分力大于內刃時，鉆頭被推向內刃一側而使鉆頭軸線相應偏移/2，從而使開始鉆出的孔徑比鉆頭小(即d

40、一)。如圖3.5(b)所示，當?shù)诙驐l進人時，直徑為d的孔徑突然被擴張為d，因而擠光轉矩也突然升至最高點。 開始切削；外刃拐點開始進入；第一導向條進入點；第二導向條進入點；導向條全部進入；停止進給；鉆頭開始退回 圖 3.4槍鉆加工全過程的轉矩和軸向力曲線圖3.5 槍鉆切入時孔徑縮小示意圖第二導向條前端進人工件后，內外切削刃進人正常切削狀態(tài)，值隨之回落。但由于第二導向條進人長度逐漸增加，摩擦面積隨之增大，值緩慢回升。之后，由于兩導向條對孔壁的擴張和軋平作用，值再次回落，直到兩導向條全部進人工件(點), 完全處于平穩(wěn)狀態(tài)。鉆孔完畢，鉆頭于處停止進給(但工件繼續(xù)轉動)。因切削轉矩已不存在，但擠光轉

41、矩不變，故總轉矩下降，并保持在的水平，直到點鉆頭開始返回為止。點之后總轉矩的回升，是由于導向條軋過之后，孔壁因彈性變形而收縮，導向條的后倒角在鉆頭退回時，切人比鉆頭直徑稍小的孔。當鉆頭退出已加工孔時，轉矩迅速下降至零。軸向力由三個來源組成:切削力的軸向分力、導向條與孔壁的軸向摩擦阻力和切削液壓力。在切削過程中，可視為現(xiàn)代深孔加上技術一個常值；的值很小;只是在切削刃進人工件階段由零上升為最大值，當導向條進入時，總軸向推力由增至()，見圖3.6。圖3.6槍鉆受力解析圖圖3.6為根據槍鉆切削刃和導向條受力情況繪出的槍鉆受力解析圖。1.轉矩槍鉆頭部所受的轉矩由以下三部分組成:(1)切削轉矩切削轉矩。為

42、外刃和內刃垂直切削分力之和，它的大小僅與鉆頭直徑和工件材料有關。其作用點大約在距中心0.6 r處，見圖3.2(a).(2)摩擦轉矩由切削力作用于鉆頭導向面與孔壁之間所產生的正壓力和二者之間的摩擦系數(shù)相乘，構成摩擦轉矩。其數(shù)值在總轉矩中所占比率很小，可以忽略不計。(3)擠光轉矩()由圖3.4(a)和圖3.6可知，擠光轉矩產生于第二導向條進人孔徑并將孔徑突然擴大時。此時，已經被徑向切削力推向導向套另一側的鉆頭突然返回中間位置，靠定徑刃和導向條的受力平衡，把被加工孔擴大至與鉆頭直徑相等。由于定徑刃有一個寬度不大的圓柱面刃帶而迫使孔壁彈性變形而讓刀，結果會對鉆頭留下巨大的夾緊力，其所產生的轉矩就是擠光

43、轉矩。由圖3.7可以看出，擠光轉矩與切削轉矩并無直接關系。(實驗條：:槍鉆直徑，為切削轉矩，為擠光轉矩，m為總轉矩)。擠光轉矩是一個十分活躍的因素，很多因素都影響擠光轉矩的變動。如果以代表與的比值，則有，稱為轉矩比。圖3.7進給量與切削轉矩和擠光轉矩的關系圖3.8為幾種不同因素對的影響。圖(a)為導向面張角的影 響，圖(b)為不同匹配時的影響，圖(c)為外刃寬度a的影響，圖(d)為定徑刃寬度的影響。導向面張角是由外刃邊線至導向面終點的弧角。圖(a)中列出了三種情況：，)。當導向寬度的影響面張角大于時，明顯增大。圖3.8不同因素對轉矩比的影響根據上述分析研究，可得出以下幾點具有普遍指導意義的結論

44、:對于單邊刃鉆頭，由于切削力不對稱，在切人工件前，必須用鉆頭導向套加以引導。當鉆頭導向部分進人工件后，導向面可以產生自導作用。當槍鉆的外刃徑向切削刃分力大于內刃時，鉆頭切削刃進入工件時會產生孔徑的縮小。當?shù)诙驐l進人工件時，會在短暫的時間內產生很大的擠光轉矩并使孔擴大到與鉆頭直徑相等的尺寸。擠光轉矩的正面作用是降低鉆孔的粗糙度，但它不應過大。由于槍鉆的扭轉剛度很低，擠光轉矩過大時會導致鉆頭或鉆桿扭斷、刀具振動、導向面磨損加快、切削液過熱及機床功率消耗增大等弊端。減小轉矩比的措施是:使導向部張角適當小于，使外刃寬度略小于d/4;使外角a與內角的差值不超過。槍鉆扭轉剛度的不足是制約總轉矩的一個根

45、本因素。除了控制轉矩比之外，切削轉矩也要受到限制。根據實驗，切削轉矩與進給量基本上成線性關系，即式中，為常數(shù)，與工件材質有關。當不變時，降低進給量就成為減小切削轉矩的主要途徑。這也是槍鉆進給量相對低于內排屑深孔鉆的根本原因。2.軸向推力槍鉆所受軸向推力共由三部分組成:軸向切削分力，軸向擠光力分量和切削液壓力。圖3.9為實際測到的、與進給量的關系曲線(原始條件同圖3.7)。其中，軸向切削分力與進給量在時成線性關系，在小進給量時為非線性關系。由于擠光力造成的擠光軸向推力占總軸向力的比例很小(約占1/8)，實際上影響不大。圖3.9軸向力與進給量的關系切削液壓力是造成軸向推力的第三個因素。由于槍鉆進油

46、孔面積很小，需要很高的油泵壓力。但當切削液通過細長的供油通道(特別是鉆頭頭部進油孔)時有壓力損失，所以在鉆頭坡口處的實際壓強會有所降低。例如們的槍鉆，當，供油壓力為 4.4 mpa時，在出油孔外僅有2.8 mpa的壓強，其所產生的軸向推力約為76.44 n。軸向推力之和構成進給力，使鉆桿產生壓縮。為避免鉆桿發(fā)生彎曲變形，除依靠鉆套預先進行導向外，在排屑器后端還設置帶有密封的鉆桿支承件。過于細長的鉆桿，還應在排屑器后方設置專用的鉆桿支承架。4 槍鉆應力分析過程及結果4.1槍鉆實體模型的建立本文以d=16mm槍鉆為例，利用pro/e的建模功能，完成了鉆頭、鉆桿和鉆柄的實體模型，將鉆頭、鉆桿和鉆柄三

47、部分裝配成實體槍鉆，如圖4.1所示。圖4.1槍鉆的模型4.2 槍鉆力學模型的建立受力分析時以鉆頭為研究對象，在刀刃上作用總切削力,它可以分解為主切削力分量徑力分量和軸向力分量。在導向塊上作用有壓力和摩擦力， 還有鉆頭自重、冷卻液壓力，總軸力 ，和扭矩。扭矩主要可分解為切削扭和導向塊摩擦力矩。1、受力狀態(tài)的簡化 鉆頭自重和冷卻液壓力對鉆頭的受力狀態(tài)響較小， 可以忽略不計。 鉆桿、切屑、冷卻液各部分的重力和導套、中支承處的反力、摩擦力均很小，或者影響甚微，所以在鉆頭靜力分析時一般均忽略不計。 由于鉆頭的軸向尺寸相對于鉆桿來說很小，認為除了走刀抗力和導向塊上軸向摩擦力外，各均作用在一個平面內 個切削

48、力分量和導向塊上摩擦力、正壓力均由分布力簡化為集中力。 深孔鉆削時，導向塊與孔壁之間的接觸起著修光刃的作用， 能使孔壁粗糙度降低。這時不僅產生庫侖摩擦力矩， 還產生了變形力矩。變形力矩包括使孔壁表面產生塑料變形和彈性變形的力矩。這就是說， 在導向塊上由于正壓力 f的作用， 產生兩個方向相同的切向力，一個是庫侖摩擦力， 另一個是產生變形的切向力。為了方便起見，考慮到硬質合金的硬度很高，塑性變形很小，我們用庫倫摩擦系數(shù)代替當量摩擦系數(shù)。2數(shù)學模型在上述簡化的基礎上，槍鉆鉆頭的力學模型如圖所示，根據平衡關系有如下方程： 圖4.2 槍鉆力學模型主切削力分量 徑向切削力分量 總軸向力 軸向切削力分量總扭

49、矩 鉆頭公稱半徑 導向塊1,2上的正壓力導向塊1,2上的軸向摩擦力 導向塊1,2的位置角l主切削力分量的作用力臂假設只考慮庫倫摩擦系數(shù)，于是導向塊上軸向摩擦力與周向摩擦力相等。在上面的公式中，由于一些角度和鉆頭直徑是已知的，扭矩和內總軸向力可以直接測出，l可以用經驗公式得出，因此，其他的未知量都可以近似的求出。4.3槍鉆的有限元分析4.3.1導入槍鉆實體模型 利用pro/e軟件建立槍鉆的三維實體模型，將其導入ansys workbench協(xié)同仿真軟件進行計算分析。4.3.2 定義材料特性本次研究中，鉆頭使用的材料為牌號yg8（iso牌號：k20）的硬質合金，其參數(shù)為：楊氏彈性模量610gp，a

50、泊松比0.21，密度，剪切彈性模量252.1gpa抗壓/拉強度4.47gpa，抗彎強度1.5gpa，屈服強度1.8gpa。4.3.3網格劃分單元類型的選用對于分析精度有著重要的影響。正確的選擇單元類型是進行有限元分析的保證，也是設計人員在前處理階段的主要任務之一。網格劃分涉及單元的形狀及拓撲類型、單元類型、網格生成器的選擇、網格密度等。圖4.3是ansys workbench的網格劃分。圖4.3 鉆頭的網格劃分4.3.4約束、處理在鉆頭模型上施加以下鉆削力和轉矩：外刃、內刃和導向條上的軸向力和轉矩。由于對槍鉆做的是應力仿真分析，除添加約束和載荷外，還添加后處理的數(shù)據類型：應變、方向變形、總變形

51、和剪應變。4.3.5后處理結果利用ansys workbench對鉆頭進行有限元分析以后，得到如下的圖形。 等效應力圖 圖4.4 等效應力圖可以看出，等效應力主要發(fā)生在鉆頭的切削刃附近，最大等效應力則發(fā)生在鉆尖靠近外刃的部分，說明鉆尖處的強度最弱 方向變形圖圖4.5 x軸變形圖 圖4.6y軸變形圖圖4.7 z方向變形圖從圖4.5到4.6中可知：x軸最小變形發(fā)生在鉆尖附近，而且最小變形的絕對值大于最大變形的絕對值，說明鉆尖處的變形沿-x向，變形量較大；y軸徑向最大變形發(fā)生在鉆尖附近，最小；z軸軸向變形恒為負值，最小變形在鉆尖附近，說明鉆削過程中的槍鉆一直處于壓縮狀態(tài)，鉆尖附近壓縮量最大。因此得出

52、鉆頭的剛度較差，如果該處的變形量較大，則會影響加工精度。4.3.6有限元結果分析槍鉆的外角、內角、外刃第一后角、內刃后角、外刃寬度五個幾何結構參數(shù)共同決定了鉆頭的主要結構，相互影響和制約著鉆頭的強度、剛度和切削性能。為了得出鉆削過程中槍鉆幾何結構參數(shù)的最佳組合值，本文采用正交試驗法分析這些參數(shù)對槍鉆鉆頭的影響。正交試驗法考慮了各因素間的交互影響,由于因素間的搭配均勻,不僅能區(qū)分每個因素的作用,找出最佳搭配,而且還可以考慮因素的聯(lián)合作用,并大大減少了試驗次數(shù)。本文選擇外角、內角、外刃第一后角和外刃寬度這四個主要的幾何結構參數(shù)，通過四因素三水平正交試驗法得出四個參數(shù)的最佳組合。表4.1 水平表水平

53、因素外角內角外刃第一后角外刃寬度abcd11.7mm21.95mm32.6mm通過各因素對各指標影響的綜合分析，得出較好的方案組合是：a1：外角，第1水平，15，b1：內角，第1水平，10，c3：外刃第一后角，第3水平，15，d2：外刃寬度，第2水平，1.95mm。鉆削過程中，槍鉆鉆尖附近的應力、變形最大，此處強度、剛度較差；鉆頭的結構主要有4個幾何結構參數(shù)共同決定，采用四因素三水平的正交試驗法得出4個參數(shù)的最佳組合。分別改變進給量和后刀面磨損寬度，進行有限元分析，結果表明：應力和變形均呈遞增趨勢。因此在保證加工精度的情況下，可適當提高進給量，以提高加工效率；若進給量適中，應力、變形較大，影響

54、加工精度時，需要對槍鉆進行重磨。5 總結 通過三個月的努力，在老師和同學們的幫助下，我完成了槍鉆結構設計優(yōu)化與受力分析。 該槍鉆為單邊刃硬質合金鑲片式槍鉆，通過對鉆頭形狀及各個參數(shù)，鉆柄和鉆桿的分析計算，系列化地設計出了鉆頭直徑在的槍鉆，并且分析了槍鉆在切入和鉆孔時的受力情況，對槍鉆進行了優(yōu)化設計。同時，在這次設計中，我也發(fā)現(xiàn)了自己的許多不足。首先，最初分析該槍鉆時，對槍鉆結構和受力分析的掌握還不算很全面，走了不少彎路。其次，最初對槍鉆沒有一個完整的概貌，考慮不是很全面，所以分析時，碰到不少困難。最后，我還應當多查閱一些有關刀具設計的資料，提高自己分析刀具結構和受力情況的能力。參考文獻1王峻.

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