深孔加工畢業(yè)論文

1、目錄目錄I摘要IIIABSTRACTIV第一章 緒論11.1引言11.2深孔加工技術國內(nèi)外現(xiàn)狀11.2.1國外深孔加工技術發(fā)展現(xiàn)狀11.2.2國內(nèi)深孔加工技術發(fā)展現(xiàn)狀31.3 深孔加工的特點41.4課題研究的背景、意義以及發(fā)展趨勢51.5 課題的研究內(nèi)容6第二章 深孔加工方法及問題分析72.1 深孔加工方法72.1.1 扁鉆72.1.2 槍鉆82.1.3 BTA深孔加工系統(tǒng)92.1.4 雙管噴吸鉆系統(tǒng)102.1.5 DF(Double Feeder system)系統(tǒng)112.1.6 單管內(nèi)排屑深孔噴吸加工技術(SIED技術)122.1.7 深孔擴鉆(Counterboring)技術122.2

2、常用深孔加工方法對比分析132.3 深孔加工注意事項與問題分析142.3.1加工時應注意的問題142.3.2深孔鉆常見問題及產(chǎn)生原因142.4深孔加工系統(tǒng)的選用152.5本章小結15第三章 深孔鉆削的力學特性分析153.1深孔鉆削刀具的力學模型163.1.1 BTA內(nèi)排屑深孔鉆的力學模型163.2深孔鉆削各切削力的求解183.2.1鉆削力的測量183. 2. 2鉆削力分量求解193. 3導向塊位置角的分布分析203.4 本章小結224.1 深孔鉆削加工的動態(tài)鉆削力224.2機床振動理論234.2.1金屬切削過程的自激振動244.2.2強迫再生顫振314.2.3提高機床切削穩(wěn)定性的基本途徑334

3、.3深孔鉆削過程中的振動分析344.3.1深孔鉆削加工過程的動力學模型344.3.2瞬時動態(tài)鉆削力的計算364.3.3深孔鉆削加工過程的振動分析374.4 本章小結38第五章 深孔鉆削仿真分析385.1 深孔鉆削加工仿真分析395.2本章小結47第六章 結論47參考文獻49致謝52摘要隨著科學技術的進步，產(chǎn)品的更新?lián)Q代周期越來越短，新型的高硬度、高強度、高精度零件不斷涌現(xiàn)，無論是對深孔加工的效率、加工的質(zhì)量，還是加工成本都提出了更高的要求。由于深孔加工難度高、加工工作量大等特點，目前僅有為數(shù)不多的國外公司保持著對深孔加工的技術壟斷。相對于國外，國內(nèi)對于深孔加工技術、加工工藝以及深孔加工刀具和裝

4、備的基礎研究仍相對匱乏，距離國外技術差距巨大，深孔加工技術己成為國內(nèi)科研工作者亟待解決的問題。本課題針對深孔加工系統(tǒng)的特點，介紹了幾種比較典型的深孔加工方法，分析了深孔鉆削加工的力學特性以及深孔加工金屬切削過程中由于速度反饋和位移延時反饋所引起的顫振現(xiàn)象，并討論了穩(wěn)定切削的臨界條件，建立了深孔鉆削加工兩自由度顫振動力學模型；使用Matlab Simulink對深孔鉆削加工過程進行了仿真研究，結果表明：在穩(wěn)態(tài)鉆削時，由于刀刃斷續(xù)切削，進而產(chǎn)生強迫振動，其振動頻率為刀刃通過率的整數(shù)倍，其振動幅值與切削深度、主軸轉速的變化趨勢一致；臨界切削厚度值并不隨主軸轉速的增加而增大，而是有一定周期性的變化；適

5、當?shù)臏p小切削厚度，調(diào)整主軸轉速可以提高系統(tǒng)鉆削的穩(wěn)定性，抑制顫振現(xiàn)象。本課題的研究有助于今后深孔鉆削加工中改善深孔鉆削性能，提高加工效率，優(yōu)化切削參數(shù)。關鍵詞：深孔加工；鉆削；顫振；速度反饋；位移延時反饋ABSTRACTWith the advancement of science and technology, product life cycles are increasingly shorter, the new high hardness, high strength, high precision parts are emerging, both for deep hole mach

6、ining efficiency, the quality of processing, or processing costs have raised the higher requirements. Because the characteristics of high difficulty processing and workload, currently, only a small number of foreign companies monopoly the technology of deep-hole processing. Compared to foreign techn

7、ology, the basic research about the deep-hole machining, processing and deep processing tools and equipments, is still relatively scarce, there is a huge gap between foreign and domestic, deep processing technology has been an urgent problem what must be solved.Aiming at the characteristics of deep-

8、hole drilling system, this paper firstly analyzes the forces characteristics of deep-hole drilling. On the basic of it chatter of cutting processes is analyzed by speed feedback and displacement delaying feedback and curial condition of stability cutting is discussed. Secondly, dynamic model of deep

9、-hole drilling system with the two degrees of freedom are established in the light of principles of machining chatter in cutting processes. At the steady state of drilling, due to the intermittent cutting, then the forced vibration is excited, the vibration frequency is an integer multiple of the bl

10、ade passing rate, the trend of the vibration amplitude, the cutting depth, and the spindle speed is non-different. The critical cutting thickness does not increase with the spindle speed, but a certain periodic changes; Adjusting the cutting thickness and spindle speed can improve the drilling syste

11、ms stability, and suppress the chatter. All of this provides help for bettering ability and efficiency of deep-hole drilling，optimizing of cutting parameters.Key word：Deep-hole machining；Drilling；Chatter；Speed feedback；Displacement delaying feed-backIV第一章 緒論1.1引言深孔加工技術作為工業(yè)生產(chǎn)制造的重要技術，由于第二次世界大戰(zhàn)對槍支火炮的精度

12、和生產(chǎn)效率的需求，在生產(chǎn)制造槍炮管的過程中，逐漸發(fā)展形成的一種重要技術。第二次世界大戰(zhàn)以后，深孔加工技術由于高成本、高難度的特點，使其發(fā)展和應用限制在相對保密的軍工領域。上世紀80年代后期，隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，各行業(yè)迫切需要先進的深孔加工技術和深孔加工裝備來改變現(xiàn)有的深孔加工水平，對深孔加工提出了更高的技術要求1。隨著人們對產(chǎn)品的技術要求不斷提高，不斷的涌現(xiàn)出新型的高硬度、高強度、高精度零件，產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度越來越快，這要求更高的深孔加工效率、加工的質(zhì)量和較低的加工成本。由于深孔加工存在著加工難度高、加工工作量大等特點，目前僅有為數(shù)不多的國外公司保持著對深孔加工的技術壟斷。相對于國外，國

13、內(nèi)對于深孔加工技術、加工工藝以及深孔加工刀具和裝備的基礎研究仍相對匱乏，距離國外技術差距巨大，深孔加工技術己成為國內(nèi)科研工作者亟待解決的問題。 1.2深孔加工技術國內(nèi)外現(xiàn)狀1.2.1國外深孔加工技術發(fā)展現(xiàn)狀18世紀后期，由于槍管和炮管要求有較深且精密的孔，槍匠們開始發(fā)展并使用深孔鉆削加工技術，早起的深孔加工使用扁鉆。直到1860年美國人發(fā)明了麻花鉆，雖然麻花鉆存在著扁鉆和麻花鉆不能連續(xù)排屑、潤滑和冷卻，鉆頭自導性不好，很容易走偏，工件報廢率大而加工效率極低，但麻花鉆的發(fā)明使得深孔加工領域中邁出了重要的一步。19世紀末至20世紀初，為了提高槍管的加工效率和加工精度，在麻花鉆的基礎上發(fā)明了槍鉆深孔

14、加工方法：槍鉆的鉆頭外徑加有導向套，高壓切削液由鉆桿的內(nèi)孔送入刀頭，帶走切屑和熱量。槍鉆是深孔加工技術的一次技術性飛躍，它解決了麻花鉆在深孔加工中鉆頭的排屑困難，不易冷卻及加工不連續(xù)等問題，但它仍屬于外排屑加工方式，仍存在排屑不夠通暢，且已加工的表面易被鐵屑劃傷等問題 2。1930年，隨著刀具材料的發(fā)展，槍炮管的加工開始廣泛采用高速鋼制槍鉆。在1943年，德國的Heller公司研制出Beisher加工系統(tǒng)，即我國常稱的內(nèi)排屑深孔鉆削系統(tǒng)。二戰(zhàn)后，國際上為了交換德國的Heller公司和瑞典卡爾斯德特公司的深孔加工技術，德國、瑞典、英國、法國為主要成員國聯(lián)合組成了國際孔加工協(xié)會(Boring an

15、d Trepanning Association)，在Beisher加工系統(tǒng)的基礎上開發(fā)了一種自導向、單邊刃、高壓切削液的內(nèi)排屑深孔鉆BTA鉆（Beisher內(nèi)排屑深孔鉆）3。BTA鉆具有切削力分布均勻，分屑，斷屑性能好，鉆削平穩(wěn)可靠，鉆削出的深孔直線性好等優(yōu)點。并在槍鉆的基礎上改善了排屑條件，增加了鉆桿的剛性，提高了孔的加工精度和效率。BTA深孔加工技術因對密封要求極為嚴格，限制了該項技術的推廣與應用。20世紀60年代初，瑞典SANDVIK公司推出了基于BTA技術的雙管噴吸式深孔鉆(Double-bube Ejector Drills)，它是一種新型的實心深孔加工技術。其工作原理是當高壓切削

16、液通過一個狹小的通道(噴嘴)高速噴射時，在這股噴射流的周圍產(chǎn)生一個低壓區(qū)，形成負壓，加速切削液帶動切屑通過內(nèi)管通道排出。它從根本上的解決了BTA系統(tǒng)密封結構復雜的問題，它不需要專用的機床設備，只要求普通機床具有足夠的功率，必要的切速與機床結構的穩(wěn)定性就能使用。20世紀70年代，日本冶金株式會社利用雙管噴吸鉆的負壓抽屑機理，發(fā)明了DF(Double Feeder)單管噴吸鉆，雙管噴吸鉆，這類鉆在鉆桿末端的輸油器空腔中設置產(chǎn)生負壓作用的噴嘴，改善了BTA鉆中14 mm20 mm一段最容易發(fā)生堵屑故障的區(qū)間，改原雙管系統(tǒng)為單管系統(tǒng)，增加了一個專起吸效應的油壓頭，進一步提高了鉆桿系統(tǒng)的強度和剛性以及排

17、屑和加工效率4。DF系統(tǒng)由于深孔鉆的切削液易達到切削區(qū)，且具有推，吸雙重的作用，可充分發(fā)揮切削液的排屑、冷卻，潤滑的功能，是一種高效的深孔加工方法。近幾年來，深孔加工領域發(fā)展相對低迷，在深孔常規(guī)加工方面，國內(nèi)外未出現(xiàn)更加先進的加工系統(tǒng)。深孔加工刀具市場上依然是瑞典的Sandvi公司占有大部分的份額，其中主要以BTA鉆為主；在深孔非常規(guī)加工方面，由于深孔零件大多用于航空航天、武器裝備等方面，國外投入了大量的人力和財力進行研究，但出于技術保密的原因，國內(nèi)對其關鍵技術及研究進展還不了解。深孔鉆削中的孔軸線偏斜問題是現(xiàn)代深孔加工技術面臨的一個重要的技術問題5，國外非常重視該問題， Sandvi公司、德

18、國的Guhring公司以及日本的機械技術研究所進行了大量的研究與試驗，但均未取提突破性的進展，僅僅提出了一些減小孔軸線偏斜的途徑，如：提高機床、工裝和刀具的精度和剛度等，該方法一定程度上降低了孔軸線偏斜以及廢品率，但由于孔軸線的偏斜是一個復雜的問題，隨著鉆頭鉆進深度的增加偏斜量逐漸增大，對于高精度、較大長徑比的深孔鉆削加工，難以保證加工出來的孔的偏斜量在公差范圍之內(nèi)，所以目前還無法完全解決孔軸線的偏斜問題。1.2.2國內(nèi)深孔加工技術發(fā)展現(xiàn)狀20世紀70年代以前，我國軍工制造業(yè)主要采用槍鉆和內(nèi)排屑深孔鉆的途徑加工深孔，其技術相當于蘇聯(lián)50年代初期的水平。70年代末逐漸開始建立專門制造硬質(zhì)合金槍鉆

19、、槍鉸刀的軍工廠，但因尺寸規(guī)格有限，產(chǎn)品質(zhì)量與進口刀具差距較大。80年代后，開始生產(chǎn)硬質(zhì)合金槍鉆，以彌補市場需求的空缺，但由于技術和生產(chǎn)方式的落后，在產(chǎn)品質(zhì)量和規(guī)格品種方面始終無法與進口刀具分庭抗禮，深孔加工技術依舊落后6。20世紀80年代，在兵器工業(yè)和大型裝備制造業(yè)仍普遍應用整體高速鋼內(nèi)排屑深孔鉆、麻花鉆，甚至扁鉆。我國于70年代末引進BTA鉆技術，但由于BTA鉆存在斷屑臺重磨困難和堵屑等問題，且BTA鉆的制造未能形成專業(yè)化、規(guī)模化生產(chǎn)體系，使企業(yè)無法接受其刀具的使用成本和加工效率，因此限制了在企業(yè)的推廣7。80年代初，我國少數(shù)企業(yè)引進了雙管噴吸鉆和DF系統(tǒng)，由于這兩種深孔鉆削系統(tǒng)各自的局限

20、性，至今未能得到廣泛的應用3。80年代以來，國內(nèi)機床工業(yè)水平發(fā)展較快，而深孔機床發(fā)展相對滯后，在設計水平、精度、品種和專業(yè)化程度等方面與歐、美、日本等國家差距相當大，直至80年代末才出現(xiàn)數(shù)控深孔鉆床。其實，早在80年代初，以深孔加工技術為關鍵制造技術的工程機械，石油鉆采，礦山機械，航空航天，軍工等領域，已經(jīng)感到我國深孔加工裝備與技術嚴重落后嚴重制約了這些領域的發(fā)展。80年代初在不少工科院校和企業(yè)中興起了深孔加工技術研究的熱潮，而這股熱潮為我國深孔加工技術走向現(xiàn)代化打下了基礎。西安石油大學對普通的內(nèi)排屑深孔鉆頭的刃型和結構進行了改進和創(chuàng)新，開發(fā)出多尖齒內(nèi)折線刃深孔鉆頭，鉆頭包含不在相同圓錐面上的

21、一個外齒、一個中心齒、一個中間平齒和兩個中間尖齒；在軸向方向上，兩個中間尖齒為尖齒型且其錐面高出中心齒和外齒的錐面(0.51)f，可實現(xiàn)鉆削時自動定心和完全分屑的作用；除外齒外緣一側為尖角，其余刀齒帶有倒角且有6。12。的側后角，增強了刀齒強度，加快了刀齒冷卻速度，使刀具壽命得到提高；并把中心齒的內(nèi)刃加工成兩條折線刃，使鉆尖高度降低，減少了鉆頭入鉆和出鉆的時間；在鉆頭體后端增設了減振塊在外齒切削刃上方并與之呈90。，即減小了鉆頭振動，起到保護切削刃的作用，又提高了孔的加工精度；內(nèi)刃采取較大的余偏角，有助于鉆頭的定心以及提高鉆削的穩(wěn)定性。這種深孔鉆的切削力分布均勻，定心和鉆削穩(wěn)定性好，在深孔加工

22、應用中取得了令人滿意的效果，進一步擴大了深孔加工的深度與孔徑范圍，推進了我國深孔加工技術的發(fā)展。廣西工學院研制出了高效數(shù)控深孔鉆床，這種數(shù)控深孔鉆床的鉆頭的頂角為120。，前角為02。，后角為12。，以及120。V型的排屑槽，為小直徑的深孔 (20，5L/D32)的加工提供了有效的裝備，尤其是在加工材料為合金結構鋼時效果很好。中北大學開發(fā)了一種具有創(chuàng)新性和實用性的深孔加工技術體系單管內(nèi)排屑噴吸鉆(Single-tube Inner chipremoval Ejecfor Drill，簡稱SIED)，它是以單邊刃切削，單管內(nèi)排屑噴吸加工和刀具自導向為主要特性的加工體系；它融合了BTA鉆、槍鉆的優(yōu)

23、點，解決了BTA鉆不能加工小直徑深孔的難題；在同一設備上，可實現(xiàn)工件的鉆、擴、絞、鏜及絎磨等多種類型的加工方式，刀具結構簡單，可以實現(xiàn)多次重磨，且不同類型的加工類型的刀具具有高度的相似性，易于實現(xiàn)系列化，專業(yè)化的生產(chǎn)。SIED系統(tǒng)具有加工不同尺寸范圍，各種粗、精加工方法，及不同的零件類型的能力，以模塊式的部件組裝成不同用途的深孔加工設備，以滿足不同用戶需求，增強了SIED加工體系的實用性。1.3 深孔加工的特點深孔加工不同于普通孔的加工，主要表現(xiàn)為以下幾個方面：一、切削狀況分析(1) 深孔加工處于一種封閉或半封閉的加工狀態(tài)下，不能直接觀察刀具的切削和走刀情況。(2) 切屑在深孔內(nèi)，排屑路徑較長

24、，不便于排屑。(3) 切削區(qū)的熱量不易散發(fā)。(4) 由于在深孔加工中，一般情況下孔的長徑比較大，鉆桿細長，其剛性差，工作時鉆頭容易產(chǎn)生振動和偏斜，且長徑比越大，振動和偏斜就越嚴重，所以難以保證被加工孔的尺寸精度和表面質(zhì)量。(5) 鉆頭工作在近似封閉的空間下，切削熱容易累積，加快了鉆頭的磨損。二、運動方式分析(1) 工件旋轉，刀具作反方向的旋轉和進給運動。常用硬質(zhì)合金刀高速鉆頭進行切削，加工出孔的直線度好，切削速度高，進給量大。(2) 工件轉動，刀具作進給運動，適用于鏜孔加工。(3) 工件固定，鉆桿(刀具)做轉動和進給運動。三、排屑方式分析(1) 外排屑式：切削液由鉆桿的內(nèi)通道中輸入，通過切削區(qū)

25、帶著切屑由鉆桿外壁和孔的內(nèi)表面間排出。(2) 內(nèi)排屑式：切削液由鉆桿外壁和孔的內(nèi)表面間的縫隙輸入，通過切削區(qū)帶著切屑由鉆桿的內(nèi)通道排出。由于內(nèi)排屑的切屑不受導向塊的限制，排屑通暢，鉆桿剛性高，不易損傷己加工表面，通常優(yōu)先選擇內(nèi)排屑。1.4課題研究的背景、意義以及發(fā)展趨勢隨著機械加工范圍的不斷擴大，零件的復雜程度不斷提高，孔加工在機械加工領域中占有越來越重要的地位，占整個機械加工工作量的1/4左右，而深孔加工在孔加工中又占有較大比例，目前深孔加工技術已被廣泛應用于國防軍工生產(chǎn)、石油化工機械、航空工業(yè)、造船、冶金、發(fā)電設備、橡膠機械，木材加工設備等制造部門，成為制造業(yè)不可缺少的一門關鍵技術。但由于

26、深孔加工的一些技術問題尚未解決，至今它仍是金屬切削加工中的“瓶頸”。深孔加工不同于普通的孔加工方式，深孔加工的難度更大，機理更加復雜，能否解決深孔加工問題將直接影響機器產(chǎn)品的生產(chǎn)進度和產(chǎn)品質(zhì)量，特別是在國防軍品和重型機器制造業(yè)中，深孔加工對生產(chǎn)有著決定性的影響2。深孔加工技術是深孔刀具、輔具(輸油器、排屑器、刀桿支架等)和機床(含液壓系統(tǒng))的總稱，其中深孔刀具及其排屑技術是決定整個深孔加工技術發(fā)展的關鍵。從深孔加工技術的現(xiàn)有水平來看，深孔加工技術屬于新興技術，尚處于發(fā)展階段。20世紀40年代推出的三種BTA刀具(實體鉆、擴鉆、套料鉆)全都是用于深孔的初加工，但BTA實體鉆存在重磨、堵屑、鉆孔直

27、徑局限性等問題，雖然六七十年代曾先后推出雙管噴吸鉆、DF系統(tǒng)兩種改進方案，但均未收到預期效果，始終未開發(fā)出用于深孔精加工的內(nèi)排屑深孔刀具。20世紀50年代槍鉆開始廣泛用于民用裝備制造，實現(xiàn)了槍鉆的硬質(zhì)合金化與專業(yè)化生產(chǎn)，同期實現(xiàn)了槍鉆機床的專業(yè)化制造，并在80年代實現(xiàn)了槍鉆機床的無級調(diào)速，推出了數(shù)控槍鉆機床和加工中心8,9。80年代以來，國外的內(nèi)排屑深孔刀具和機床的發(fā)展也很緩慢，對深孔加工技術的學術研究出現(xiàn)低潮。深孔加工技術一度處于停滯狀態(tài)，以槍鉆、BTA鉆為代表的深孔加工技術未出現(xiàn)任何突破性進展，有人認為槍鉆、BTA鉆已經(jīng)使深孔加工達到了技術的頂峰，很難找到更多的發(fā)展余地。目前世界上外排屑(

28、如槍鉆)深孔加工技術可加工的最小孔徑為1.8mm，而內(nèi)排屑深孔加工技術可加工的最小孔徑為2.5mm，且多數(shù)采用單管內(nèi)排屑噴吸式深孔加工技術。而SIED技術可對直徑在1.8300mm范圍內(nèi)的深孔進行加工，且鉆削過程平穩(wěn)，排屑通暢，被加工孔的表面質(zhì)量和尺寸精度均達到設計要求10。目前，深孔加工技術在許多企業(yè)中屬于“瓶頸”問題，國際深孔加工裝備行業(yè)又處于壟斷狀態(tài)，國際深孔刀具、深孔機床市場一直為歐洲、日本少數(shù)公司所壟斷，其價位居高不下。即使在歐美裝備市場上，深孔刀具和機床在機床工具類產(chǎn)品中也屬于最昂貴的品種之一。一臺槍鉆機床的平均價格高達20萬美元以上，一支槍鉆、BTA鉆的平均價格也高達上百至數(shù)百美

29、元。基于上述原因國內(nèi)絕大多數(shù)企業(yè)采用相對落后和成本較低的技術手段去應對新裝備的開發(fā)以節(jié)約使用成本。然而，對于一些軍工產(chǎn)品如：槍炮管深孔，槍械的槍機擊針孔、活塞筒，火炮制退復進機的活塞筒、液壓缸等，這些落后的深孔加工技術顯然是無法滿足加工要求，這就使新型深孔加工技術的開發(fā)成為我國制造業(yè)高速發(fā)展中必須加以克服的一個薄弱環(huán)節(jié)。目前，我國仍是深孔加工刀具的純進口國，國內(nèi)機床工業(yè)基礎落后，需求的槍鉆機床一直以進口為主，BTA刀具的普及情況更差。深孔加工技術已成為制約國內(nèi)企業(yè)，甚至軍工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要原因，已到了不能不解決的地步，對于深孔加工技術的研究對于國內(nèi)深孔加工也由進口到自主生產(chǎn)具有深遠的意義。深孔加

30、工技術經(jīng)過長期發(fā)展，逐步形成了實體鉆削的四種加工體系1：(1) 外排屑加工系統(tǒng);(2) 內(nèi)排屑加工系統(tǒng);(3) 噴吸鉆加工系統(tǒng);(4) DF加工系統(tǒng)。這四種系統(tǒng)在鉆桿結構、供油方式、刀具及制造使用成本等方面具有各自的特點，所適用的加工孔徑、加工精度、表面質(zhì)量不同，在選用時，應根據(jù)具體工況而定。深孔加工技術從非自導式的扁鉆，麻花鉆發(fā)展到自導式的槍鉆，又從外排屑式的槍鉆發(fā)展到內(nèi)排屑深孔鉆BTA鉆，為解決BTA鉆對密封要求嚴格的問題，隨后又開發(fā)的噴吸鉆系統(tǒng)，最近在BTA鉆系統(tǒng)和噴吸鉆系統(tǒng)的基礎上研制了單管內(nèi)排屑噴吸鉆系統(tǒng)。從目前深孔加工方法來看，深孔加工已形成比較完善的體系，今后主要是在現(xiàn)有的各種加

31、工方法的基礎上，不斷提高現(xiàn)有系統(tǒng)的加工質(zhì)量和能力。隨著新型的刀具材料不斷涌現(xiàn)，將大幅度提高刀具的切削能力和耐用度。再者，電解加工技術在深孔加工中得到了應用，這是深孔加工技術上的一個重大變革。目前，國外企業(yè)已采用激光技術來提高深孔的加工精度，這將是深孔加工技術新的發(fā)展方向2。1.5 課題的研究內(nèi)容針對深孔加工的特點和主要問題，本課題的主要研究內(nèi)容有以下幾個方面：（1） 介紹比較典型的深孔加工方法，并分析深孔加工常遇問題；（2）分析深孔鉆削加工時的力學特性和導向塊的合理分布位置；（3）分析深孔鉆削加工時的顫振現(xiàn)象對深孔鉆削穩(wěn)定性的影響；（4）利用Matlab/Simulink建立仿真模型，進行仿真

32、研究，并對仿真結果進行分析。第二章 深孔加工方法及問題分析深孔加工不同于普通孔的加工，由于深孔自身的一些特點要求采用特殊的孔加工工具、技術、裝備以及合理的加工工序來實現(xiàn)對深孔的加工。深孔加工技術發(fā)展很快，目前已開發(fā)了槍鉆、BTA鉆、噴吸鉆、DF鉆等深孔加工系統(tǒng)。無論在孔加工的尺寸精度、粗糙度、圓度、偏移量和生產(chǎn)效率等方面均有了較大的提高，并且已開始推廣到機械制造的各個領域。本章對比較典型的幾種深孔加工方法進行了簡要的介紹和對比分析，并對深孔加工中常出現(xiàn)的問題和原因進行了分析。2.1 深孔加工方法2.1.1 扁鉆扁鉆是過去工廠內(nèi)廣泛使用的一種深孔鉆頭，此類鉆頭結構簡單，制造容易，在使用過程中除鉆

33、桿、水泵外無需其它輔助工裝，使用方便，適用于單件小批生產(chǎn)1。扁鉆適用于長徑比(L/D)小于10，孔徑范圍20mm150mm的深孔加工。扁鉆只適用于臥式深孔機床或銼床加工，鉆片采用機夾式結構，調(diào)節(jié)范圍寬，在使用此類鉆頭進行深孔鉆削的過程中，切屑在一定壓力的冷卻潤滑液的作用下，從工件內(nèi)孔中排除，不需退刀排屑，可以實現(xiàn)工件的連續(xù)鉆削，適用于精度和表面粗糙度要求不高的深孔鉆削，扁鉆系列實物圖如圖2-1所示：圖2-1 扁鉆系列實物圖2.1.2 槍鉆槍鉆是單刃外排屑深孔鉆，由鉆頭、鉆桿、鉆柄組成。槍鉆的工作原理如圖22所示。槍鉆是目前應用最多的外排屑實體深孔鉆，直徑范圍一般lmm35mm，鉆桿可分級接長。

34、現(xiàn)在槍鉆鉆頭的制造拋棄了以往由高速鋼與無縫鋼管焊接而成的方法11，采用硬質(zhì)合金加工成型，其切削速度(鋼材) Vc介于70120m/min之間，但由于槍鉆的扭轉剛度約為同直徑的實心桿的三分之一，且質(zhì)心偏離回轉中心，慣性矩呈各向異性，刀桿剛度不足，易產(chǎn)生扭曲和撓曲，因而不宜采用大進給量，進給量f一般在0.010.04mm/r之間，且進給量f和鉆頭直徑d成正比。在切削過程中，高壓切削油通過鉆頭體內(nèi)的油孔進入切屑區(qū)，加工形成的切屑被具有一定壓力和速度的切削液沖走，經(jīng)鉆桿的”V”形槽排入排屑箱。槍鉆具有自導向作用，受力平衡，比麻花鉆等其它雙刃鉆孔刀具具有更高的加工精度、直線度和表面質(zhì)量，所加工的孔單位長

35、度走偏值遠小于麻花鉆。其加工精度可達IT10IT7級，通常的加工粗糙度Ra為3.2 12.5m，圓度誤差一般為510m12-16。槍鉆實物圖和結構簡圖如圖2-3所示：圖2-2槍鉆工作原理圖2-3 槍鉆系列2.1.3 BTA深孔加工系統(tǒng)BTA是由歐洲的鉆鍵孔與套協(xié)會BTA(Boring and Trepanning Association)在總結Beisner鉆的加工經(jīng)驗后推出的一款雙出屑口單管內(nèi)排屑深孔加工刀具，又稱TST(Single-Tube System，單管鉆)鉆頭4。具有錯齒結構的BTA實體鉆，切削力的平衡和錯齒的分工更合理，其結構更加具有優(yōu)越性，成為現(xiàn)代深孔鉆進一步發(fā)展的基礎。圖2

36、-4 BTA深孔加工系統(tǒng)加工原理圖BTA深孔加工系統(tǒng)的加工原理如圖2-4所示，其工作原理：具有一定壓力的切削液進入輸油器后通過鉆桿外部與已加工孔孔壁間的環(huán)狀空隙流向切削刃部，將切削刃上形成的切屑反向壓入鉆頭出屑口，經(jīng)鉆桿的內(nèi)腔向后排出，流入鐵屑收集箱，切削液經(jīng)過濾網(wǎng)回落到油箱中，經(jīng)過若干層濾網(wǎng)后，可重復使用。1、2、3硬質(zhì)合金刀片；4、5導向條圖2-5 BTA深孔鉆的結構簡圖BTA深孔鉆的結構簡圖如圖25所示，為滿足快速裝卸和準確定位的要求，鉆桿和鉆頭柄部均采用了“雙止口圓柱面定位”及方牙螺紋聯(lián)結的結構，其切削部分是由若干個(圖中為三個)硬質(zhì)合金刀片(l，2，3)交錯地焊接在刀體上，切削刃在切

37、削時可布滿整個孔徑，并起到分屑的作用；采用了導向條進而增大了切削過程的穩(wěn)定性，圖中4，5即為導向條，其位置可根據(jù)鉆頭的受力情況重新調(diào)整。刀具和鉆桿均采用圓形結構，扭轉剛度是同直徑實心鉆桿的0.9倍左右，剛性較好，可進行大進給切削，但當加工孔的孔徑太小時，切削液的流動空隙相應變小，切屑易堵塞，壓力高，密封困難，故不適宜直徑小于14mm孔的加工。BTA深孔加工系統(tǒng)通?？梢赃_到鉆孔精度Ra0.8Ra3.2m，加工精度IT8IT10級17-19。2.1.4 雙管噴吸鉆系統(tǒng)BTA深孔加工技術因對密封要求極為嚴格，限制了該項技術的推廣與應用。20世紀60年代初，SANDVIK公司推出了基于BTA技術的雙管

38、噴吸鉆，它首次將負壓抽吸效應用于深孔加工，簡化了機床結構，將已有的設備改裝后即可用于深孔加工系統(tǒng)18。噴吸鉆的工作原理如圖2-6所示，它采用內(nèi)、外兩根鉆桿，鉆頭內(nèi)腔設置一根內(nèi)管，鉆頭與鉆桿(外管)以方牙螺紋連接，內(nèi)、外管間形成環(huán)形的供油通道，大約2/3的切削液通向切削刃部，另1/3進入內(nèi)管后部的噴射槽(俗稱月牙槽)，從而在內(nèi)管后部產(chǎn)生一個低壓區(qū)，形成負壓，加速切削液帶動切屑通過內(nèi)管通道排出。內(nèi)管的設置及負壓作用，使排屑狀況明顯改善，所需的油壓和流量僅為BTA系統(tǒng)的二分之一，降低了密封要求，同時因省去了輸油器而代之以結構尺寸較小的鉆套，鉆桿的懸伸長度減短，扭曲變形量降低。它的主要缺點在于孔的深度

39、受到抽吸效應的限制，一般限制在1000mm左右，不適宜加工長深孔；不適于多品種小批量生產(chǎn)；失去了切削液對鉆桿振動所產(chǎn)生的阻尼作用，易產(chǎn)生扭轉；系統(tǒng)刀具剛性好，可以實現(xiàn)大進給切削，是一種高效的孔加工方法，但當孔徑過小時，很難形成真空效應，排屑不順利，而且由于該系統(tǒng)采用了雙層鉆管，切削液的流動空間受到極大的限制。圖2-6 噴吸鉆的工作原理2.1.5 DF(Double Feeder system)系統(tǒng) 70年代日本冶金公司推出了結構更為簡單的雙向供油噴吸鉆系統(tǒng)DF(Double Feeder)系統(tǒng)。其創(chuàng)新性主要在于簡化了鉆桿的結構，采用了錐形噴嘴抽屑器，為深孔加工技術的完善起到啟發(fā)作用20,21。

40、 DF系統(tǒng)需在單管BTA鉆桿后增加一套抽屑器，屬于單管噴吸鉆系統(tǒng)的改進型。它可將BTA鉆的應用范圍適當向下擴展，而鉆桿和鉆頭與BTA鉆完全一致。DF系統(tǒng)的工作原理如圖27所示，其抽屑機理與雙管噴吸鉆相同。利用流體噴射產(chǎn)生負壓效應，裝在刀座上的抽屑裝置從鉆桿末端產(chǎn)生負壓促進排屑。它吸收了BTA系統(tǒng)和噴吸系統(tǒng)的優(yōu)點，用一根鉆桿完成推、吸作用。由于其抽屑裝置較簡單，刀具制造簡單，具有比BTA鉆排屑狀況好的優(yōu)點，是目前應用最為廣泛的一種深孔加工系統(tǒng)，它特別適合于1630的深孔。DF系統(tǒng)比BTA系統(tǒng)適應性更大，對油泵排油量、油箱容積和機床密封的要求低于同直徑的BTA鉆，而DF系統(tǒng)加工效率、加工質(zhì)量和經(jīng)濟

41、性均高于BTA鉆。雖然DF系統(tǒng)的抽屑器噴嘴采用了完整的圓錐形，而不是雙管噴吸鉆內(nèi)管所采用的兩排相互間隔的弧形槽，增強了抽屑效果，但對深度大于1000mm的深孔，抽屑效果仍不是很理想，因而其深度通常限制在1000mm以內(nèi)的深孔。由于DF系統(tǒng)的局限性，它僅填補了BTA系統(tǒng)未覆蓋的加工范圍。BTA系統(tǒng)因具有寬廣的適用范圍仍保持其在內(nèi)排屑深孔加工中的主導地位。1工件; 2中心架; 3BTA 鉆; 4鉆套; 5輸油器; 6鉆桿; 7夾頭;8抽屑裝置; 9前噴嘴; 10后噴嘴圖2-7 DF系統(tǒng)的工作原理2.1.6 單管內(nèi)排屑深孔噴吸加工技術(SIED技術)從20世紀80年代初開始，我國科研工作者經(jīng)過20多

42、年的不斷探索，歸納、總結了現(xiàn)有槍鉆、BTA鉆、雙管噴吸鉆、DF系統(tǒng)的技術優(yōu)點，并在最大限度避免其缺點的基礎上，開發(fā)了一種具有創(chuàng)新性和實用性的深孔加工技術體系單管內(nèi)排屑噴吸鉆(Single-tube Inner chipremoval Ejecfor Drill，簡稱SIED)10。SIED系統(tǒng)的工作原理如圖28所示，切削液經(jīng)液壓泵輸出后，一部分流入輸油器經(jīng)鉆桿與鉆套、己加工孔壁之間的間隙流入切削區(qū)，推動切屑進入出屑口;后一部分進入抽屑器，經(jīng)間隙可調(diào)的錐形噴嘴副之間進入后噴嘴內(nèi)腔，產(chǎn)生高速射流和負壓。兩支油路各設獨立的調(diào)壓閥，可以將油壓及流量分別調(diào)整至最佳狀態(tài)。圖2-8 SIED系統(tǒng)的工作原理2

43、.1.7 深孔擴鉆(Counterboring)技術深孔擴鉆(Counterboring)技術是實體鉆(Solid Drilling)技術的重要補充，BTA擴孔鉆由BTA實體鉆衍生而來。BTA擴孔鉆具有導向作用，能修正原有孔的尺寸和形位誤差，但其本質(zhì)仍是鉆孔。其主要用途在于：（1） 用于擴大已加工的孔。當深孔直徑大于設備加工范圍或功率限度時，可以先在實體上鉆較小的孔，通過擴孔，獲得所需的尺寸，不必重新購置大規(guī)格的機床，從而節(jié)約成本。對于單件小批量或生產(chǎn)批量不大時，通常采用此方法。（2） 用于工件上已有原始孔的加工。鑄件、無縫鋼管孔均可采用BTA擴孔鉆加工。BTA擴孔鉆使用與BTA實體鉆相同的設

44、備、鉆桿、導向套，操作方法基本相同。但BTA擴孔鉆加工余量比實體鉆小得多，因而切削力、轉距和切削功率相應的也小得多，鉆桿剛度和排屑通道卻相對大得多。因此，其經(jīng)濟加工精度可達IT8IT9級，表面光潔度可達Ra0.8m，一般不低于Ra1.6m，孔的直線度和偏移量均好于實體鉆，其加工直徑范圍20124mm，擴孔余量36mm20,21。2.2 常用深孔加工方法對比分析在生產(chǎn)實際過程中，通常要根據(jù)被加工深孔的毛坯材料、長徑比以及其他的技術性指標來選擇合適的加工方法來完成特定的加工目標，本節(jié)將對常用的加工方法進行對比分析，為深孔加工方法的選擇提供依據(jù)1。表21 常用深孔加工方法加工方法加工刀具加工孔徑（m

45、m）尺寸精度圓度誤差m表面粗超度Ra/m深孔鉆削扁鉆25450IT11IT1440102.5深孔麻花鉆175IT11IT14102.5槍鉆250IT7IT1051051.25DF鉆665IT7IT105153.21.25BTA鉆680IT7IT1051551.25噴吸鉆1865IT9IT1054051.25BTA套料鉆47500IT9IT122051.25BTA擴鉆20240IT7IT95150.83.2深孔鏜削外排屑深孔鏜刀250IT8IT11108051.25BTA鏜刀20IT8IT11108051.25浮動鏜刀50IT8IT11104051.25組合鏜刀20220IT8IT1110403

46、.21.25深孔鉸削多刃鉸刀1060IT8IT1110403.20.2單刃鉸刀1060IT8IT105103.20.2金剛鉸刀3100IT7IT105101.60.2深孔磨削深孔磨削大、中直徑IT8IT1010403.21.6深孔衍磨21200IT6IT95300.80.2滾壓滾壓頭6IT5IT95300.80.1表22常用深孔加工方法的特點加工方法長徑比特點扁鉆小于10制造簡單,鉆削不平穩(wěn),一般只用于粗加工,生產(chǎn)效率低麻花鉆小于50剛性差,進給量小,生產(chǎn)效率低,冷卻困難鉆頭耐用度低,重磨次數(shù)多槍鉆可達250單位長度走偏值遠小于麻花鉆,效率高BTA鉆可達250密封要求高,壓力高,效率比槍鉆高3

47、倍噴吸鉆大于100密封要求低,壓力低,效率比槍鉆高3倍DF系統(tǒng)可達100效率比槍鉆高36倍,比BTA高3倍SIED系統(tǒng)可達200孔徑范圍基本不受限制,排屑能力不受鉆頭直徑影響2.3 深孔加工注意事項與問題分析2.3.1加工時應注意的問題（1）主軸、刀具導向套、刀桿支承套，工件中心架等中心線的不同軸度應符合要求；（2）檢查切削液系統(tǒng)是否則暢通和正常工作；（3）工件的加工端面上不應有中心孔，并避免在斜面上加工鉆孔；（4）采用較高速度加工通孔，當鉆頭即將鉆通時，最好停車或降速。防止損壞鉆頭和工件出口處；（5）應盡量避免在加工過程中停車。如必須停車，應先停止進給，并將刀具退回一段距離，然后停止油泵和主

48、運動的旋轉，以防止刀具在孔中產(chǎn)生“咬死”現(xiàn)象。（6）對深孔盲孔的鉆孔，只能采取單邊鉆空，空深尺寸要求嚴格控制，為了保證深度尺寸的精度，在粗車外圓時，在工作長度方向要留有足夠的加工余量，以便在深孔鉆削完成后，加工掉多余部分。 2.3.2深孔鉆常見問題及產(chǎn)生原因（1）孔徑直線性差：主軸、刀具導向套、鉆桿支撐套，共建支撐套等中心線不同軸度超差；刀具導向套孔徑過大；進給量過大引起較大的鉆桿變形；（2）孔不圓度大：主軸、刀具導向套、鉆桿支撐套，共建支撐套等中心線不同軸度超差；切削刃幾何形狀不當；夾緊力不均勻引起工件變形；（3）孔徑尺寸差：切削刃幾何形狀或位置不當?shù)毒邔蛱啄p出現(xiàn)喇叭口，進給量大；（4）

49、表面粗糙度較差：刀具的振動過大、切削速度過低，進給量過大或不均勻；主軸、刀具導向套、鉆桿支撐套，共建支撐套等中心線不同軸度超差；導向支撐塊幾何形狀不當；刀具導向套孔徑過大；切削液種類不當；切削液壓力不當或過濾不好。2.4深孔加工系統(tǒng)的選用通過以上分析可知，上述的深孔加工方法都是生產(chǎn)實際中行之有效的方法。它們用于自身的一些加工優(yōu)點和缺點，在不同的程度上改善了深孔加工中存在的難題。如刀桿的強度方面，由麻花鉆、槍鉆改到圓形刀桿的BTA鉆、雙管噴吸鉆和DF鉆，增加了鉆桿的剛度；從冷卻潤滑方面來看，由于采用了強制冷卻系統(tǒng)，緩解了加工散熱及潤滑問題；對于斷屑問題，人們力求改善刀具幾何參數(shù)，研究不同類型、不

50、同參數(shù)的斷屑臺，以期望得到理想的刀具切削部分形狀來解決斷屑、排屑等問題，目前已做了大量的研究工作，并取得了一定的成績，使深孔加工的應用范圍越來越廣泛。雖然采取一些措施解決了一些深孔加工的問題，但由于工件材料、加工條件等多方面因素的改變，使深孔加工的一些歷史性問題仍未得到徹底解決，使得鉆削過程并不能穩(wěn)定進行，因而適用范圍仍就有限。2.5本章小結本章簡要的介紹了扁鉆、槍鉆系統(tǒng)、BTA內(nèi)排屑鉆系統(tǒng)、雙管噴吸鉆內(nèi)排屑系統(tǒng)、DF噴吸鉆系統(tǒng)、擴孔鉆等加工技術及其存在的優(yōu)缺點，對常用的深孔加工方法進行了對比分析，分析了深孔加工過程的常遇問題，旨在為生產(chǎn)實際中深孔加工方案的選用和修正提供理論依據(jù)。第三章 深孔

51、鉆削的力學特性分析為了提高深孔鉆削的質(zhì)量和經(jīng)濟性對深孔鉆削進行研究是必不可少的。深孔鉆削的質(zhì)量包括孔的位置和宏觀、微觀幾何狀態(tài)等參數(shù)，即孔的尺寸、形狀和表面質(zhì)量。深孔鉆削的經(jīng)濟性主要包括刀具耐用度、切削效率及加工狀態(tài)等因素，而影響深孔鉆削加工質(zhì)量和經(jīng)濟性的眾多因素都可以使用作用在工件上的力來加以描述。因此，研究深孔鉆削的受力情況具有十分重要的理論和實際意義，具體表現(xiàn)在以下幾個方面22：(1) 有助于切削用量的優(yōu)化；(2) 有利于研究導向塊的作用機理和合理分布，并進行鉆頭的最優(yōu)設計；(3) 有利于鉆桿的設計及強度校核；(4) 為進一步研究深孔鉆削提供了依據(jù)；(5) 為完善深孔加工機床提供幫助。3

52、.1深孔鉆削刀具的力學模型深孔鉆削加工是在復雜工況下進行的，它利用導向塊在已加工孔表面上的定位和支承進行孔的鉆削23-25，其特點是工件與刀具不僅是刀刃的單一接觸，還有刀具附加導向塊與工件的接觸，最終起作用的有導向塊上的正壓力與摩擦力、總的切削力。就深孔鉆削加工而言，由于導向塊上的正壓力以及摩擦力的存在，使工件、導向塊和刀具之間形成了一個封閉力系，因此，可以測量出總的扭矩及軸向力，但不能直接測得各切削力的分量26。為了研究鉆頭上各個切削力的分量，支持深孔加工的力學分析，可從測量的總的扭矩和軸向力出發(fā)，同時結合測量與計算的方法，對其所受的力進行分析，分解得到作用在鉆頭上的各個切削力的分力。從簡化

53、受力狀況，分析鉆削力的主要影響因素考慮，可做出以下假設：(1)由于鉆頭自重以及冷卻液壓力幾乎不會影響到鉆頭的受力，可將其忽略；(2)由于切屑、冷卻液、鉆桿各部分的重力以及導套、中心架支承處的反力、摩擦力都很小，可將其忽略；(3)由于鉆桿相對于鉆頭的軸向尺寸很大，可看作除導向塊上的軸向摩擦力和走刀抗力外，其余各力都作用于同一個平面內(nèi)；(4)簡化正壓力、導向塊上的摩擦力、各個切削力分量等分布力為集中力。深孔加工刀具種類繁多，常見鉆頭有BTA鉆、噴吸鉆、DF系統(tǒng)和槍鉆等，從力學的分析來講，上述幾種鉆頭的結構特點和受力情況均是一致的，即副切削刃與兩個導向塊在圓周三點布置，導向、切削分離，切削時，主切削

54、力和徑向力把導向塊壓向孔壁，導向塊和副切削刃還受到孔壁的摩擦力矩，所以，在簡化各種深孔刀具的作用力后，可表示為相同的力學模型，下面以BTA錯齒內(nèi)排屑深孔鉆為例，建立BTA鉆的力學模型27-29。3.1.1 BTA內(nèi)排屑深孔鉆的力學模型分析BTA深孔刀具，由其結構特征分解作用在刀刃上的總的切削力，分解為：軸向切削力分量Fx，徑向分量切削力Fy和主切削力分量Fz。BTA深孔刀具力學模型如圖3-1所示：圖3-1 BTA深孔刀具力學模型由上圖的力學關系方程式，寫出其力學方程式見式31： 3-1總軸向力；Fz主切削力分量；Fy徑向削力分量；Fx軸向削力分量；M總扭矩；L主切削分量力的作用力臂；N1、N2

55、導向塊1、2上的正壓力；Ff1、Ff2導向塊1、2上的周向摩擦力；Ffx1、Ffx2導向塊1、2上的軸向摩擦力；1、2導向塊1、2上的位置角；1、2導向塊1、2與孔壁之間的摩擦系數(shù)。以上方程中考慮的只是庫侖摩擦，并假定導向塊具有相等的周向摩擦系數(shù)和軸向摩擦系數(shù)，因此導向塊也具有相等的周向摩擦力和軸向摩擦力，即有： 3-2 3-33.2深孔鉆削各切削力的求解由于切削力分量Fx、Fy、Fz和導向塊上的正壓力N1、N2，摩擦力Ff1、Ff2、Ffx1、Ffx2需要通過式3-1至式 3-3以及一個補充方程式3-5才能求得，當鉆頭的公稱直徑d0、導向塊的位置角1和2確定以后，可直接測得深孔加工時的總軸向力和扭矩M。同時，依據(jù)Dortmund大學的U. weker和Stuttgart大學的Franz Pflegh博士用不同的實驗方法測量出的深孔鉆削時主切削力力臂L的計算公式28： 3-4通過試驗的方法找到一個Fx、Fy、Fz之間或者它們?nèi)我鈨蓚€量之間的函數(shù)關系，試驗表明：通常主切削