深孔加工

目录 TOC \o "1-3" \h \z \u \* MERGEFORMAT 目录 I 摘要 III ABSTRACT IV 第一章 绪论 1 1.1引言 1 1.2深孔加工技术国内外现状 1 1.2.1国外深孔加工技术发展现状 1 1.2.2国内深孔加工技术发展现状 3 1.3 深孔加工的特点 4 1.4课题研究的背景、意义以及发展趋势 5 1.5 课题的研究内容 6 第二章 深孔加工方法及问题分析 7 2.1 深孔加工方法 7 2.1.1 扁钻 7 2.1.2 枪钻 8 2.1.3 BTA深孔加工系统 9 2.1.4 双管喷吸钻系统 10 2.1.5 DF(Double Feeder system)系统 11 2.1.6 单管内排屑深孔喷吸加工技术(SIED技术) 12 2.1.7 深孔扩钻(Counterboring)技术 12 2.2 常用深孔加工方法对比分析 13 2.3 深孔加工注意事项与问题分析 14 2.3.1加工时应注意的问题 14 2.3.2深孔钻常见问题及产生原因 14 2.4深孔加工系统的选用 15 2.5本章小结 15 第三章 深孔钻削的力学特性分析 15 3.1深孔钻削刀具的力学模型 16 3.1.1 BTA内排屑深孔钻的力学模型 16 3.2深孔钻削各切削力的求解 18 3.2.1钻削力的测量 18 3. 2. 2钻削力分量求解 19 3. 3导向块位置角的分布分析 20 3.4 本章小结 22 4.1 深孔钻削加工的动态钻削力 22 4.2机床振动理论 23 4.2.1金属切削过程的自激振动 24 4.2.2强迫再生颤振 31 4.2.3提高机床切削稳定性的基本途径 33 4.3深孔钻削过程中的振动分析 34 4.3.1深孔钻削加工过程的动力学模型 34 4.3.2瞬时动态钻削力的计算 36 4.3.3深孔钻削加工过程的振动分析 37 4.4 本章小结 38 第五章 深孔钻削仿真分析 38 5.1 深孔钻削加工仿真分析 39 5.2本章小结 47 第六章 结论 47 参考文献 49 致谢 52 摘要 随着科学技术的进步，产品的更新换代周期越来越短，新型的高硬度、高强度、高精度零件不断涌现，无论是对深孔加工的效率、加工的质量，还是加工成本都提出了更高的要求。由于深孔加工难度高、加工工作量大等特点，目前仅有为数不多的国外公司保持着对深孔加工的技术垄断。相对于国外，国内对于深孔加工技术、加工工艺以及深孔加工刀具和装备的基础研究仍相对匮乏，距离国外技术差距巨大，深孔加工技术己成为国内科研工作者亟待解决的问题。 本课题针对深孔加工系统的特点，介绍了几种比较典型的深孔加工方法，分析了深孔钻削加工的力学特性以及深孔加工金属切削过程中由于速度反馈和位移延时反馈所引起的颤振现象，并讨论了稳定切削的临界条件，建立了深孔钻削加工两自由度颤振动力学模型；使用Matlab Simulink对深孔钻削加工过程进行了仿真研究，结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明：在稳态钻削时，由于刀刃断续切削，进而产生强迫振动，其振动频率为刀刃通过率的整数倍，其振动幅值与切削深度、主轴转速的变化趋势一致；临界切削厚度值并不随主轴转速的增加而增大，而是有一定周期性的变化；适当的减小切削厚度，调整主轴转速可以提高系统钻削的稳定性，抑制颤振现象。本课题的研究有助于今后深孔钻削加工中改善深孔钻削性能，提高加工效率，优化切削参数。 关键词：深孔加工；钻削；颤振；速度反馈；位移延时反馈 ABSTRACT With 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 machining 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 technology, 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-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-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 blade 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 system’s 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-back 第一章 绪论 1.1引言 深孔加工技术作为工业生产制造的重要技术，由于第二次世界大战对枪支火炮的精度和生产效率的需求，在生产制造枪炮管的过程中，逐渐发展形成的一种重要技术。第二次世界大战以后，深孔加工技术由于高成本、高难度的特点，使其发展和应用限制在相对保密的军工领域。上世纪80年代后期，随着世界经济的快速发展，各行业迫切需要先进的深孔加工技术和深孔加工装备来改变现有的深孔加工水平，对深孔加工提出了更高的技术要求[1]。随着人们对产品的技术要求不断提高，不断的涌现出新型的高硬度、高强度、高精度零件，产品的更新换代速度越来越快，这要求更高的深孔加工效率、加工的质量和较低的加工成本。由于深孔加工存在着加工难度高、加工工作量大等特点，目前仅有为数不多的国外公司保持着对深孔加工的技术垄断。相对于国外，国内对于深孔加工技术、加工工艺以及深孔加工刀具和装备的基础研究仍相对匮乏，距离国外技术差距巨大，深孔加工技术己成为国内科研工作者亟待解决的问题。 1.2深孔加工技术国内外现状 1.2.1国外深孔加工技术发展现状 18世纪后期，由于枪管和炮管要求有较深且精密的孔，枪匠们开始发展并使用深孔钻削加工技术，早起的深孔加工使用扁钻。直到1860年美国人发明了麻花钻，虽然麻花钻存在着扁钻和麻花钻不能连续排屑、润滑和冷却，钻头自导性不好，很容易走偏，工件报废率大而加工效率极低，但麻花钻的发明使得深孔加工领域中迈出了重要的一步。19世纪末至20世纪初，为了提高枪管的加工效率和加工精度，在麻花钻的基础上发明了枪钻深孔加工方法：枪钻的钻头外径加有导向套，高压切削液由钻杆的内孔送入刀头，带走切屑和热量。枪钻是深孔加工技术的一次技术性飞跃，它解决了麻花钻在深孔加工中钻头的排屑困难，不易冷却及加工不连续等问题，但它仍属于外排屑加工方式，仍存在排屑不够通畅，且已加工的表面易被铁屑划伤等问题 [2]。1930年，随着刀具材料的发展，枪炮管的加工开始广泛采用高速钢制枪钻。在1943年，德国的Heller公司研制出Beisher加工系统，即我国常称的内排屑深孔钻削系统。二战后，国际上为了交换德国的Heller公司和瑞典卡尔斯德特公司的深孔加工技术，德国、瑞典、英国、法国为主要成员国联合组成了国际孔加工协会(Boring and Trepanning Association)，在Beisher加工系统的基础上开发了一种自导向、单边刃、高压切削液的内排屑深孔钻—BTA钻（Beisher内排屑深孔钻）[3]。BTA钻具有切削力分布均匀，分屑，断屑性能好，钻削平稳可靠，钻削出的深孔直线性好等优点。并在枪钻的基础上改善了排屑条件，增加了钻杆的刚性，提高了孔的加工精度和效率。BTA深孔加工技术因对密封要求极为严格，限制了该项技术的推广与应用。20世纪60年代初，瑞典SANDVIK公司推出了基于BTA技术的双管喷吸式深孔钻(Double-bube Ejector Drills)，它是一种新型的实心深孔加工技术。其工作原理是当高压切削液通过一个狭小的通道(喷嘴)高速喷射时，在这股喷射流的周围产生一个低压区，形成负压，加速切削液带动切屑通过内管通道排出。它从根本上的解决了BTA系统密封结构复杂的问题，它不需要专用的机床设备，只要求普通机床具有足够的功率，必要的切速与机床结构的稳定性就能使用。20世纪70年代，日本冶金株式会社利用双管喷吸钻的负压抽屑机理，发明了DF(Double Feeder)单管喷吸钻，双管喷吸钻，这类钻在钻杆末端的输油器空腔中设置产生负压作用的喷嘴，改善了BTA钻中Φ14 mm～Φ20 mm一段最容易发生堵屑故障的区间，改原双管系统为单管系统，增加了一个专起吸效应的油压头，进一步提高了钻杆系统的强度和刚性以及排屑和加工效率[4]。DF系统由于深孔钻的切削液易达到切削区，且具有推，吸双重的作用，可充分发挥切削液的排屑、冷却，润滑的功能，是一种高效的深孔加工方法。 近几年来，深孔加工领域发展相对低迷，在深孔常规加工方面，国内外未出现更加先进的加工系统。深孔加工刀具市场上依然是瑞典的Sandvi 公司占有大部分的份额，其中主要以BTA钻为主；在深孔非常规加工方面，由于深孔零件大多用于航空航天、武器装备等方面，国外投入了大量的人力和财力进行研究，但出于技术保密的原因，国内对其关键技术及研究进展还不了解。 深孔钻削中的孔轴线偏斜问题是现代深孔加工技术面临的一个重要的技术问题[5]，国外非常重视该问题， Sandvi 公司、德国的Guhring公司以及日本的机械技术研究所进行了大量的研究与试验，但均未取提突破性的进展，仅仅提出了一些减小孔轴线偏斜的途径，如：提高机床、工装和刀具的精度和刚度等，该方法一定程度上降低了孔轴线偏斜以及废品率，但由于孔轴线的偏斜是一个复杂的问题，随着钻头钻进深度的增加偏斜量逐渐增大，对于高精度、较大长径比的深孔钻削加工，难以保证加工出来的孔的偏斜量在公差范围之内，所以目前还无法完全解决孔轴线的偏斜问题。 1.2.2国内深孔加工技术发展现状 20世纪70年代以前，我国军工制造业主要采用枪钻和内排屑深孔钻的途径加工深孔，其技术相当于苏联50年代初期的水平。70年代末逐渐开始建立专门制造硬质合金枪钻、枪铰刀的军工厂，但因尺寸规格有限，产品质量与进口刀具差距较大。80年代后，开始生产硬质合金枪钻，以弥补市场需求的空缺，但由于技术和生产方式的落后，在产品质量和规格品种方面始终无法与进口刀具分庭抗礼，深孔加工技术依旧落后[6]。 20世纪80年代，在兵器工业和大型装备制造业仍普遍应用整体高速钢内排屑深孔钻、麻花钻，甚至扁钻。我国于70年代末引进BTA钻技术，但由于BTA钻存在断屑台重磨困难和堵屑等问题，且BTA钻的制造未能形成专业化、规模化生产体系，使企业无法接受其刀具的使用成本和加工效率，因此限制了在企业的推广[7]。80年代初，我国少数企业引进了双管喷吸钻和DF系统，由于这两种深孔钻削系统各自的局限性，至今未能得到广泛的应用[3]。 80年代以来，国内机床工业水平发展较快，而深孔机床发展相对滞后，在 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 水平、精度、品种和专业化程度等方面与欧、美、日本等国家差距相当大，直至80年代末才出现数控深孔钻床。其实，早在80年代初，以深孔加工技术为关键制造技术的工程机械，石油钻采，矿山机械，航空航天，军工等领域，已经感到我国深孔加工装备与技术严重落后严重制约了这些领域的发展。80年代初在不少工科院校和企业中兴起了深孔加工技术研究的热潮，而这股热潮为我国深孔加工技术走向现代化打下了基础。 西安石油大学对普通的内排屑深孔钻头的刃型和结构进行了改进和创新，开发出多尖齿内折线刃深孔钻头，钻头包含不在相同圆锥面上的一个外齿、一个中心齿、一个中间平齿和两个中间尖齿；在轴向方向上，两个中间尖齿为尖齿型且其锥面高出中心齿和外齿的锥面(0.5～1)f，可实现钻削时自动定心和完全分屑的作用；除外齿外缘一侧为尖角，其余刀齿带有倒角且有6。～12。的侧后角，增强了刀齿强度，加快了刀齿冷却速度，使刀具寿命得到提高；并把中心齿的内刃加工成两条折线刃，使钻尖高度降低，减少了钻头入钻和出钻的时间；在钻头体后端增设了减振块—在外齿切削刃上方并与之呈90。，即减小了钻头振动，起到保护切削刃的作用，又提高了孔的加工精度；内刃采取较大的余偏角，有助于钻头的定心以及提高钻削的稳定性。这种深孔钻的切削力分布均匀，定心和钻削稳定性好，在深孔加工应用中取得了令人满意的效果，进一步扩大了深孔加工的深度与孔径范围，推进了我国深孔加工技术的发展。广西工学院研制出了高效数控深孔钻床，这种数控深孔钻床的钻头的顶角为120。，前角为0～2。，后角为12。，以及120。V型的排屑槽，为小直径的深孔 (Φ<20，5 计算公式 六西格玛计算公式下载结构力学静力计算公式下载重复性计算公式下载六西格玛计算公式下载年假计算公式 [28]： 3-4 通过试验的方法找到一个Fx、Fy、Fz之间或者它们任意两个量之间的 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 关系，试验表明：通常主切削力分量Fz约为轴向切削力分量Fx的2倍，即可得到补充方程： 3-5 3.2.1钻削力的测量 由前面的分析可知，为求解各切削力的分量，必须首先测得总轴向力 和扭矩M，在测量总轴向力和扭矩时，使用直接承受轴向力和扭矩的钻杆，将其作为测量钻削力的弹性体，同时测得总的轴向力和扭矩[27]。 (1) 测量切削扭矩M 测量扭矩时应变片的布片图如图3-2所示。以这种方式布片可以达到只测量出扭矩而排除轴向力的目的。 图3-2 测量扭矩时的布片和电路简图 由材料力学的相关知识，各类载荷使应变片之间的的应变关系如式3—6所示： 3-6 为M作用下第 个应变片上产生的应变值； 为力F作用下第 个应变片上产生的应变值； =1，2，3，4。 应变片电阻的相对变化量 ，则B、D之间的电压U的表达式为： 3-7 式3-7中，Kp—应变片的灵敏系数；V—桥路所加的电压。 (2) 轴向力的测量 测量轴向力的应变片布片如图3—3所示，测量轴向力时，采用电阻应变片，R1、R2如图分布，则应变片发生变化时，B处的电压见式3—8： 图3-3 测量轴向力时的布片和电路简图 3-8 3. 2. 2钻削力分量求解 在测得总的轴向力 和扭矩M后，联立方程式求解各切削力分量，如式3—9： 3-9 通过分解总轴向力 和扭矩M，求解得加工过程中深孔钻削刀具的轴向切削分力Fx、径向切削分力Fy和主切削分力Fz，同时可求出导向块上的正压力N1、N2，轴向摩擦力Ffx1、Ffx2和周向摩擦力Ff1、Ff2。从式3—9可以看到导向块的位置角对这些力有影响，不同分布的导向块对深孔加工过程的力学特性有着十分重要的影响，因此，分析导向块的分布情况是很有必要的。 3. 3导向块位置角的分布分析 导向块对深孔钻具有支撑、稳定和挤压的作用，其位置角的分布情况影响深孔加工的力学特性，导向块的设计原则如下[25]： (l) 能使作用在切削刃上的合力在孔中起着有利于支撑的作用； (2)为保证两个导向块磨损均匀，应使作用在各个导向块上压力应最小，且最好相等； (3)支撑在孔中的钻头应尽量保持稳定。 假定径向切削力分量Fy和主切削力分量Fz的合力(Fyz)的夹角为λ，孔壁与导向块的摩擦角为β，导向块1，2所受的正压力和周向摩擦力的合力分别为F1和F2，则有： 3-10 切削力对导向块的作用简图见图3-4所示： 图3-4 导向块的受力简图 从图3-4中可以得到： 3-11 解方程组得： 3-12 通过分析式3—12可知：当θ1—θ2介于90。~180。之间时，F1、F2为正值，切削处于平衡状态，同时，如将角λ大于90。时，切削容易处于平衡状态。 依据导向块设计原则，导向块起着支撑的作用，即合力的方向应在两个导向块之间，这样才不致偏移和翻转，通常在设计时，应使两个导向块面积相等，导向块1，2上作用的正压力N1，N2相等，也就是F1等于 F2，即： 3-13 由于摩擦角β很小（一般不超过5。），可忽略其影响，即： ，可得： 3-14 式3-14表明，若横截面的切削合力与Y轴的夹角λ同导向块的位置角θ1和θ2满足上述关系，导向块所受的压力相等，磨损也相同。此时，导向块的合力F1，F2分别为： 3-15 由前面的分析可知，θ1-θ2的值一般不会超过180。，（θ1-θ2）/2的值在90。的范围以内变化。由于F1、F2是secθ的函数，当θ在0。~50。范围内变化时，F1，F2变化比较平稳；当θ在60。~65。范围内变化时，F1，F2上升较快；当θ在65。~90。范围内变化时，F1，F2急速上升。 通过分析，可确定导向块较为合理的分布为：θ1=80。~90。，θ2=180。~190。。 3.4 本章小结 本章以BTA错齿内排屑深孔钻为例，分析了BTA深孔钻的力学特性，在测得总轴向力和扭矩的条件下，分解深孔钻削刀刃上的作用力，提出了测量总的轴向力和扭矩的方法，并且给出了求解各切削力分量的方程，为深孔钻削加工的进一步研究，提供了力学分析的依据；关于深孔钻削加工受导向块位置角的影响，研究了合理分布的导向块位置，并且最终确定出：θ1=80。~90。，θ2=180。~190。。第四章 深孔钻削加工稳定性分析 4.1 深孔钻削加工的动态钻削力 第三章中的深孔钻削加工的力学特性分析是在深孔加工处于稳定的钻削状态下进行的。然而，在实际钻削加工过程中，由于存在多种因素的干扰，使深孔钻削力处于不断变化的动态过程之中，这严重影响深孔钻削加工，动态钻削力的产生及影响因素主要可以分为以下几个方面[30-37]： (1) 机床、工件以及加工过程构成的闭环系统是形成深孔钻削动态钻削力的主要原因。由于深孔的加工过程可以视为一个闭环的系统，在加工过程中会产生振动，甚至在某些条件下会产生自激振动，由此产生的动态钻削力和刀具磨损关系密切，刀具磨损比影响切削刚度和切削过程阻尼比，这将使动态钻削力处于不断变化之中。 (2) 误差、工件安装不正及机床运动误差(包括主轴回转误差)等因素会影响切削厚度的变化，产生动态切削力，并使其不断变化[31]。 (3) 刀具在加工过程中切割硬质点会产生动态钻削力，由于不均匀分布的工件材料金相组织，会造成硬度在材料内部各空间位置上分布不一致，使得作用在刀刃上的力在加工过程中不断变化，进而引起动态钻削力。 (4) 刀具与工件及刀具与切屑之间存在着高速相对运动，表现为产生近乎于白噪音的动态钻削力。 (5) 切屑的形成、变形以及折断引起的动态钻削力使深孔钻削处于复杂的动态变化之中。机床、工件和加工过程中系统产生的振动是影响深孔钻削动态性的主要因素，为保证深孔加工的顺利进行，有必要对深孔钻削系统中的振动现象进行分析[38]。 4.2机床振动理论 深孔钻削过程中刀具的切削刃与工件的被切削表面之间存在着切削运动和周期性的相对运动—切削振动。切削振动显然是一种不利于切削稳定的运动，因为切削振动会产生诸多负面的影响，某些情况下甚至会导致非常恶劣的结果。首先，工件和刀具之间的切削振动不仅使工件和刀具的相对位置以及速度发生变化，导致切削过程恶化，而且切削振动对切削效率和深孔钻削质量至关重要；其次，切削振动将会导致刀具的瞬时切削厚度在名义切削厚度附近产生波动，进而导致机床和刀具工作在动载荷下，加速了刀具的磨损并丧失了切削精度，最终降低了机床的使用寿命和刀具的耐用度，而且如果出现严重振动，刀刃可能会跳离工件，切削厚度突然降至零，或者刀刃又会深深地扎入工件，其瞬时切削厚度是名义切削厚度的好几倍；此外切削振动还使得刀具的实际前角和后角产生周期性的变化。上述因素将引起一个比没有振动时的静态切削力还要大