深孔振动钻削装置的设计

大学 届毕业设计说明书毕业设计说明书深孔振动钻削装置的设计学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 年 月深孔振动钻削装置的设计摘要：由于深孔加工是在封闭或半封闭的状况下进行，因此不能直接观察刀具的切削情况，切削热不易传散，而且排屑困难，工艺系统刚性差，切削效果不理想，特别是0.8mm以下，长径比大于10, IT7以上的精密深孔的加工，是目前国内外的技术难题。本课题设计时，在对振动钻削和DF负压抽屑机理进行深入研究的基础上，设计深孔振动钻削装置，采用普通车床配用一种电磁式振动装置，电磁式振动装置克服了深孔加工断屑排屑困难的问题，并且提高深孔的加工质量及加工效率。关键词：深孔加工，振动切削，DF系统Deep hole vibration drilling device designAbstract: because of the deep hole processing in closed or semi-closed is conducted, and therefore cannot be directly observed the cutting tool, cutting, and scattered heat yi scraps discharge difficult, process system rigidity is poor, cutting the effect not ideal, especially 0.8 mm below, length-diameter ratio is more than 10, IT7 above precision deep hole processing, is the technical problems at home and abroad. This topic design, for vibration drilling and the mechanism of smoke crumbs DF negative pressure, thorough study on the basis of the deep hole design vibration drilling device, USES ordinary lathe with a assolenoid style vibrating device, assolenoid style vibrating device overcomes the deep hole processing broken bits scraps discharge difficult problems and improve deep hole processing quality and machining efficiency. Keywords: deep hole processing, the vibration cutting, DF system目 录1 引言111本课题研究的目的和意义 11. 2 国内外深孔振动钻削发展简况及深孔振动钻削的进展2121 国内外深孔振动钻削发展简况2122 深孔振动钻削的进展 513 低频深孔振动钻削存在的主要问题 714 本课题的来源及主要研究内容715 对深孔振动钻削技术的展望102 振动钻削的断屑机理的研究1221 振动钻削的完全几何断屑机理12211 振动切削为什么能断屑及断屑之充分条件12212 切屑的形成1322 力学断屑机理1423 本章小结153 振动装置1531 振动装置的设计15311 振动钻削装置结构图15312 振幅，频率连续可调的理论分析1632 振动装置相关数值汇总174 排屑系统1841 排屑系统的选择1842 DF系统与其它深孔加工技术的比18421 DF系统与双管喷吸钻的比较18422 DF系统与BTA技术的对比20423 DF系统与枪钻加工技术的对比2143 负压排屑系统关键部分的设计2244 油路的设计2445 振动钻削系统总体布局255 振动钻削刀具的选用2551 深孔加工刀具简介25511 麻花钻简介25512 枪钻简介26513 内排屑钻简介286 振动钻削工艺效果的分析3161 钻头磨损，破损和耐用度3062 入钻，出钻与走偏量3163 孔壁表面质量(粗糙度)3264 切削力和切削温度3265 孔扩量337总结3371设计总结3372尚待解决的问题3373下一步工作展望34致谢35参考文献361 引言机械制造业是国民经济的支柱，在切削加工中，孔加工约占加工总量的三分之一，而深孔加工又占孔加工的百分之四十。由于深孔是在封闭或半封闭的状况下进行，因此不能直接观察刀具的切削情况，切削热不易传散，而且排屑困难，工艺系统刚性差，切削效果不理想。深孔加工特点有如下特点：1.刀杆受孔径的限制，直径小，长度大，造成刚性差，强度低，切削时易产生振动、波纹、锥度，而影响深孔的圆柱度和表面粗糙度。2.在钻孔和扩孔时，冷却润滑液在没有采用特殊装置的情况下，难于输入到切削区，使刀具耐用度降低，而且排屑也困难。3.在深孔的加工过程中，不能直接观察刀具切削情况，只能凭工作经验听切削时的声音、看切屑、手摸振动与工件温度、观仪表(油压表和电表)，来判断切削过程是否正常。4.切屑排除困难，必须采用可靠的手段进行断屑及控制切屑的长短与形状，以顺利排屑，防止切屑堵塞。5.为了保证深孔在加工过程中顺利进行和达到应要求的加工质量，应增加刀具内(或外)排屑装置，刀具引导和支承装置和高压冷却润滑装置。11 本课题研究的目的和意义机加工工艺中的深孔，通常是指长度大于直径5倍以上的孔，深孔加工技术产生于对枪炮管的制造过程。其加工存在三大问题：1.深孔加工时，孔的轴线易歪斜，这是因为深孔刀具细长，刚性差，强度低，在加工时钻头容易引偏和振动。2.刀具的散热条件差，切削温度升高会使刀具的耐用度降低。3.切屑排除困难，不仅会划伤已加工表面，严重时还会引起刀具的崩刃至折断。而且深孔加工的效率和质量一直低于其它方面的金属切削加工。经过近一个世纪的努力，深孔加工已达到了较高的水平，特别是深孔加工与新的加工技术结合，预示着很好的发展前景。振动切削的实质就是在传统的切削过程中给刀具或工件附加某种有规律的振动，使切削速度、进给量、切削深度按一定规律变化。振动切削改变了工件与刀具之间的时间与空间的分配，从而改变了切削加工机理，达到了减小切削力和切削热并且提高加工质量和效率的目的。由于切削速度的变化和加速度的出现，使得振动切削具有许多优点，特别是在难加工材料和普通材料的难加工工序的加工中，都收到了极其出色的效果。振动切削相比于传统切削的特点：1）切削力大大减小。2）切削温度明显降低。 3）切削液的作用得到了充分发挥。4）可提高刀具使用寿命。5）可控制切屑的形状和大小，改善排屑状况。6）提高加工精度和表面质量。7）可提高已加工表面的耐磨性和耐蚀性。12 国内外深孔振动钻削发展简况及深孔振动钻削的进展121 国内外深孔振动钻削发展简况1970年代中期，在人们发现了振动钻削具有的一些优良工艺效果之后，为了寻求科学的支持，国内外一些学者开始从理论上对振动钻削的机理与特性进行探索，至今40年来，主要对振动钻削的“钻头刚性化效果”理论，动态角度理论，振动断屑理论，脉冲能量和应力集中理论等进行了分析研究。振动切削按振动频率f分为高频振动切削和低频振动切削两种。振动频率在200Hz以下的振动切削称为低频振动切削，低频振动切削的振动主要靠机械装置来实现。高频振动切削是指振动频率在16kHz以上，利用超声波发生器、换能器、变幅杆来实现的。由于f10kHz的振动会产生可听见的噪声，一般不予采用。通常高频振动切削也被称为超声波振动切削。振动切削按振动的能源分为强迫振动装置和自激振动装置。自激振动切削是利用切削过程中产生的振动进行切削的。强迫振动切削是利用专门设置的振动装置，使刀具或工件产生某种有规律的可控振动进行切削的方法。1958年，美国学者研制了安装在自动车床上用凸轮控制的机械式轴向振动装置，后来日本学者研制了一种特殊万向节式的轴向振动钻削装置，如图1.所示。八十年代初，薛万夫教授研制了利用直流调速电机驱动偏心凸轮旋转，并推动滚子使刀具产生轴向振动的装置。总的来说，目前机械振动装置多数采用偏心机构实现钻头或工作台的振动。这种装置输出功率大，结构简单，便于调整振动参数，振动机构刚度大，负载能力强，但由于机构存在偏心质量，振动频率受到限制，通常不大于200Hz。图1.1 特殊万向节式的轴向振动钻削装置1979年，日本学者岸本等人研制出了安装在立铣上的电液伺服阀控制油缸的振动钻削装置。后来，足力胜重和前苏联的科学家也相继开发了与此类似的液压振动钻削装置。液压振动钻削装置的输出功率较大，负载能力较强，适用于钻削大直径深孔，但由于增加了液压系统，成本较高，液压油的体积弹性模量较小，所以反应迟钝，因此频率不大于200Hz。液压振动钻削装置又可分为机械液压式和电气液压式。机械液压式振动装置的振动频率较低，一般不超过60Hz。在电气液压式装置中，控制滑阀的运动是由电气机械装置带动的，在保持足够大振幅情况下，可以得到更高的振动频率。1988年，哈尔滨工业大学刘华明教授用电磁铁改造研制了电磁振动钻削工作台，用220伏交流电经调压变压器为电磁铁提供激振能量。这种装置结构简单，振动频率较高，频率与振幅负载特性较好，常用于对小孔的加工。电磁振动装置的核心是电磁激振器，振动能量来源于铁心对衔铁的在不闭合状态下的磁场吸力，可以通过改变励磁电压的方式来控制振幅输出，但由于磁隙的刚度相对较小，衔铁上负载的变化对衔铁振幅的影响较大，钻头与工件接触后，振幅明显减小，所以电磁振动装置的负载能力较差，效率较低。1997年由原吉林工业大学高印寒教授研制开发出永磁振动钻削装置能够产生复合振动。由于振源能量来自于永磁体的磁能，使整个振动装置具有操作方便，无发热的特点。2007年，中北大学研究生韩旭在毕业论文中详细介绍了深孔加工低频振动钻削，并用自行设计制造的钻削系统和钻头进行了深孔钻削实验，效果良好，可以推广到其它小深孔钻削。该钻削系统使用内排屑深孔钻钻削小直径深孔时，只要切削用量，振动参数匹配较好都可以很好的控制切削形态，取得满意的钻削效果。试验中使用的振动装置如图1.2所示。通过皮带轮直流电动机带动中心轴，而中心轴与偏心套1为紧配合，偏心套2和偏心套1为松配合，可以方便调整两个偏心套的相对位置，然后通过两端螺母压紧(未画出)，随着中心轴一起作旋转运动。保持架可以把由滚动轴承传来的偏心套2的旋转运动转换成往复直线运动，实现轴向振动。钻杆通过夹紧螺母固定在保持架上，钻杆带动钻头，随着保持架做轴向振动。振动箱安装在车床大托板上，随大托板做轴向进给运动。工件转动，钻头轴向进给并振动，这样就实现了振动钻削。 图1.2 双偏心套振动装置由于振动钻削具有特殊的工艺效果，从1980年代末至今国内有更多的学者开始对振动钻削进行研究，并逐渐开始向应用方向发展。同时，各国学者对振动钻削理论的研究推动了振动钻削的历史进程，为振动钻削的优良工艺效果提供了理论依据。但理论研究工作还远远不够全面，深入和系统，对某些工艺效果还不能做出有说服力的解释，有的理论还具有局限性，尚缺少严密的科学论证，所以振动钻削理论的研究工作仍是振动钻削新工艺的薄弱环节，有待于进一步发展和完善。122 深孔振动钻削的进展1970年代中期，在人们发现了振动钻削具有的一些优良工艺效果之后，为了寻求科学的支持，国内外一些学者开始从理论上对振动钻削的机理与特性进行探索，至今40年来，主要对振动钻削的“钻头刚性化效果”理论，动态角度理论，振动断屑理论，脉冲能量和应力集中理论等进行了分析研究。隈部淳一郎教授在他的著作精密加工振动切削基础的应用中，率先提出振动钻削的“钻头刚性化效果”理论。在他构造的钻头动力学模型中，把钻头抽象为自由端具有集中等效质量M，相互垂直的两个方向（X向和Y向）上的等效刚度为等效阻尼系数为的悬臂梁，并受到脉冲宽度为，周期为T，两个垂直方向的振幅分别为的脉冲力作用使钻头产生横向位移X 和 Y，从而构造出钻头在两个方向上的运动微分方程，并进行了求解和分析。1984年开始，王立江教授和他的课题组对高频和低频振动钻削都进行了系统的研究，他在研究中还提出了低频振动提高钻入定位精度的新观点，指出振动钻入时虽然由于某种原因产生的横向力作用使钻头产生横向偏移，但由于振动的存在，使钻头迅速退回脱离工件，并在再次钻入前的一段时间内受阻尼力的作用横向偏移迅速衰减，待衰减近平衡位置时再次钻入，故明显地提高了钻入定位精度，即具有“钻入偏移退回恢复重新钻入”的动力学特性。 这一特性的发现无疑丰富了刚性化理论，推动了振动钻削理论研究的进程。1986年刘华明教授在自制的超声波振动钻床上进行了实验研究，结果发现振动钻削使切削力下降，表面质量和孔径精度提高。并进一步探讨了钻头耐用度与进给量之间的关系，给出了两者之间的关系曲线。1988年，杨兆军教授根据自己的实验经验，提出通过改变进给量来减少入钻位置误差的理论。微孔钻削入钻时，钻头横刃连续刮削工件，由于工件表面的不平整，钻头两切削刃的不对称等各种因素，钻尖受到横向力的作用而产生偏移，使钻头偏移钻入工件，而产生入钻定位误差。振动钻削则改变了微孔钻削的入钻过程。入钻时，钻头相对于工件做轴向振动，横刃作脉冲式旋转楔入工件，与工件表面时切时离。楔入时，钻尖因横向力作用而产生偏移，设偏移量但进入工件表面分离后，钻头将做以为初始位移激励的偏移衰减振动，其动力学模型可简化为单自由度振动系统。通过计算和分析得出主切削刃全部钻入工件之前，楔入次数越多，修正次数就越多，入钻位置误差就越小的结论。显然，减小钻头的进给量，就增加修正次数，但降低加工效率。若控制机床进给系统，在入钻阶段施以较小的进给量，而在钻削阶段再转变成正常的进给量，则在保证加工效率的前提下可减少微孔钻削的入钻定位误差。1999年池龙珠等人提出改变进给量能降低出口毛刺高度的理论，指出进给量越小，出口毛刺也越小，与恒进给量相比可降低出口毛刺的 43.5%59.8%。2000年1月，赵宏伟，李自军等人又利用电控式微孔振动钻床对多层复合材料的微孔振动钻削进行了试验研究，对不同材料层的加工参数进行优化，进而提出多层复合材料阶跃式三参数振动钻削新工艺。试验表明，阶跃式三参数振动钻削的入钻定位误差r，孔扩量，出口毛刺高度H值比普通钻削的相应值显著降低。2000年10月，杨兆军教授，王立平教授提出了三区段变参数振动钻削微孔的新工艺，探讨并研究了用非线性回归求取各区段最佳振动参数的方法，验证了以三区段最佳振动参数作变参数时，可以全面降低微孔加工误差的工艺效果。由于振动钻削具有特殊的工艺效果，从1980年代末至今国内有更多的学者开始对振动钻削进行研究，并逐渐开始向应用方向发展。同时，各国学者对振动钻削理论的研究推动了振动钻削的历史进程，为振动钻削的优良工艺效果提供了理论依据。 但理论研究工作还远远不够全面，深入和系统，对某些工艺效果还不能做出有说服力的解释，有的理论还具有局限性，尚缺少严密的科学论证，所以振动钻削理论的研究工作仍是振动钻削新工艺的薄弱环节，有待于进一步发展和完善。13 低频深孔振动钻削存在的主要问题振动钻削在各国科技人员的努力下，已取得了很大的发展，但是要实现加工过程的高可靠性和自动化，还存在以下问题：）振动钻削的参数匹配现在仍然停留在加工经验的基础上，需要加大对这方面问题的分析与研究，以便建立可供加工过程中选用的参数匹配工程表格，对推广振动钻削有重要意义。）国内外振动钻削所使用的钻头，基本上是以麻花钻和枪钻为主，而对于具有广阔前景的内排屑深孔钻头的研究却很少。我国所使用的枪钻基本上都是由国外购买，钻削成本高，麻花钻由于其先天性的缺陷，难以在超深孔加工中发挥作用。内排屑深孔钻不但设计制造成本低，而且可以实现对超深孔的加工，所以设计制造内排屑深孔钻进行振动钻削能带来显著的经济效益。）振动钻削的优良工艺效果己得到国内外很多专家学者的肯定，但其推广使用速度却很慢。这主要是由于目前振动钻削的激振装置还很不稳定，如超声振动系统往往存在结合面松动，发热疲劳以及振幅波动等缺点而限制了在生产中的广泛应用；而机械激振系统的频率受负载影响较大，一般在加工过程中难以控制，振幅因系统弹性也会与预先的设定值相差甚远；电磁激振系统也存在着类似的问题。激振装置的稳定性已成为振动钻削技术应用和推广最主要的制约因素，研究和制造稳定的激振装置成了从事振动钻削加工科技人员的一个重要课题。14 本课题的来源及主要研究内容（1）课题的来源 中北大学深孔加工实验室多年来一直从事孔加工技术方面的研究和开发，在深孔加工刀具和加工工艺方面的研究己取得很大成就，同时在深孔振动钻削方面也有很大进展。为了对深孔振动钻削进行进一步的研究，根据实验室项目需要，设计稳定可靠的激振装置，并使该技术能尽快投入生产应用，于是实验室将“深孔振动钻削装置的设计”项目作为本科生的论文题目。（2）本课题要研究的问题1.机械型振动驱动装置分析及选择。2.深孔加工排屑装置的确定。3.深孔加工钻头的选用。（3）拟采用的解决途径1.机械型振动驱动装置分析及选择。本设计拟采用低频振动切削。低频振动的驱动形式有电磁振动型、电气一液压型、机械液压型和机械型几种，振动频率为20200Hz。一般来说，低频振动切削的振动主要是靠机械装置实现，机械振动切削装置的结构简单、造价低、使用维护都比较方便，振动参数受负载影响较小，所以应用比较广泛。机械振动切削装置可形成独立机床部件，原机床不需要进行大的改装就可以与其配套，多用于钻孔、扩孔、铰孔、铿孔和螺纹加工中。 机械型振动驱动装置应用较多的是曲柄滑块式，四连杆机构及偏心轮式。结构简单造，低廉，工作可靠，有向机床通用附件方向发展的趋势，在原来机床不经改装或较少改装的情况下，就能配套使用。对于原已具备深孔加工系统的机床，只要将原来进给改机构成振动进给机构，配上相应的电控系统，就能实现振动深孔加工。本设计拟采用普通车床C6140配用一种电磁式振动装置，电磁式振动装置是针对上述不足,设计的一种振动钻削装置,克服了传统的振动装置的不足。其主要特点是：1)电磁力比较大，可承受较大负载。2)通过调节交流电的频率和大小，使钻杆的振幅和频率连续可调，适应性强。3)用电磁式振动装置取代了传统机械振动装置,摩擦力小，噪声小，发热少。4)结构更加紧凑,易于在机床上安装,操作；便于维修和调整；整个装置使用寿命长,性能稳定,可靠。如图.所示，工作时电磁式振动装置通电，各磁极之间相互吸引或排斥，从而使钻头沿轴向往复振动；并且可按加工需要随意调整振动参数，以达到理想的振动切削效果。利用这种振动装置，配合使用负压抽血系统，可靠地解决了各种材料上加工深孔时的断屑问题，从而为各种内排屑钻头的应用提供了较好的排屑条件，可以在比传统加工方法更小的直径范围使用内排屑系统。 图. 振动装置和排屑装置2.深孔加工中如何排屑。在深孔加工中切屑排除困难，不仅会划伤已加工表面，严重时还会引起刀具的崩刃至折断，所以排屑系统的好坏对加工质量影响很大。本设计拟采用DF系统，DF的意思是双向供油系统，20世纪70年代中期由日本冶金株式会社研制，它是BTA系统和喷吸钻系统相结合的产物。其工作原理是：如图所示，在DF系统的前端放置有一个提供切削液的高压输油器，以便利用压力推出切屑与送进切削液，尾端置有一个产生负压效应装置，可起到抽吸切屑的作用。DF系统这种推、吸双重作用的发挥，可加快切削液的流速，增加单位时间的排屑量，提高生产效率，是一种高效、高质量的深孔加工系统。抽屑器负压效应的大小，首先取决于液体通过锥形喷嘴间隙后产生的轴向液体动量。由于对负压抽屑效应的影响因素繁多，事前准确的计算出最佳的喷射间隙显然是困难且无必要的。最简办法是做成一个可调的“封闭环”，通过调试达到最佳的抽屑效果。原则上，适用于某种钻孔直径的抽屑器，其抽屑力也足以适用于更小直径的钻头，但是不一定适用于更大的钻头。这种“小猫可以钻大洞”的效应可以为抽屑器的规范设计制造带来巨大的方便，但是实践中也会造成“大马拉小车”的弊端，功率过大的抽屑器会不必要的浪费资源，且使抽屑器的造型与机床不相协调，因此产生了其规范化设计的问题，可以通过同一抽屑器有两个以上的喷嘴快速更换来解决。3.深孔加工钻头的选用。深孔钻头的缺点主要是排屑困难，钻头刚度不够大，磨损严重，冷却效果差等。本设计拟采用英国罗太克斯公司设计的具有半圆形出屑口的内排屑深孔钻。钻头与钻杆采用方牙螺纹连接，外刃分屑并有断屑台，内刃磨出的正刃倾角。其特点是切削刃和第二导向条采用两块硬质合金，因而出屑口面积加大，呈半圆形。据报道，该钻头用于加S80合金钢时V=82m/min，f=0.19mm/r，不但工效高而且排屑通畅。15 对深孔振动钻削技术的展望近年来，由于材料科学的飞速发展，具有优良机械和物理性能的新型材料不断涌现，并逐渐在各个领域得到应用。高强度、高硬度金属材料、正交纤维束增强复合材料及涂层材料等的应用日益广泛，尤其是正交纤维束增强复合材料以其优良的比强度、比刚度和加工性能被广泛应用于飞机结构中，然而其主要弱点之一是层间剪切强度低，采用普通钻削加工时因轴向力较大，使层间容易产生脱层现象，尤其钻出时脱层更为严重。针对这一问题，采用振动钻削工艺，并在钻入和钻出时采用不同的加工参数(振幅A、振动频率v、进给量f、主轴转速n等)以减小轴向力，无疑可显著提高孔的加工质量。由多种材料(如钦合金、铝合金及复合材料)组合构成的叠层材料己逐渐应用于新型飞机的制造中，其应用前景十分广阔，但由于其切削性能很差，成为推广应用的主要障碍，因此迫切需要解决其切削加工难的问题。对于这种材料采用定参数振动钻削的加工方法难以奏效，必须在钻削不同材料层时相应改变加工参数，才能在性能差别悬殊的不同材料层上钻出高质量的孔。极有发展前途的金属基(主要是铝基)非连续增强复合材料以及最近出现的一些具有晶须、短纤维和陶瓷颗粒结构的材料，不仅性能优异，而且价格也可与传统金属材料竞争，国外已在导航系统、航空发动机、汽车连杆、活塞、汽缸体、工业机器人传动齿轮上投入应用。但是这类材料中的增强相(纤维、晶须或颗粒)硬度很高，且在材料中随机分布，故钻削加工中刀具磨损严重，加工表面质量差，且随钻削深度的增加而加剧。所以，必须采用变参数振动钻削工艺才能较好解决其加工问题。上述新型材料有可能在下世纪初被大量广泛应用，而其加工难题还远未很好解决，目前仅在车削加工领域有极少的研究和报道。针对上述材料的加工难题，振动钻削应根据加工孔的材料组合特性、孔的长径比和技术要求等灵活选择参数变量(A, v, f,n)，并将参数变量作为钻削深度的函数，即A(x), v(x), f(x)，n (x)，最终目的是使整个钻削过程处于优化状态，全面提高孔的加工质量。因此，对振动钻削的研究主要应从以下几方面进行:(1)在充分考虑各种复杂因素尤其是非线性因素的基础上，构造能够真实反映钻削过程机理的动力学模型，深入进行振动钻削动力学特性的研究:由于振动钻削系统是一个包含非线性因素的复杂动力学系统，系统运行过程中可能出现诸如分叉、混沌等方面的动力学特性，这方面内容在以往的振动钻削研究中很少涉及。钻头的结构和几何参数比较复杂，以往国内外对振动钻削进行理论研究时都是把钻头近似看作具有两自由度且自由端具有集中质量(或均匀分布质量)的悬臂梁来建立动力学模型，根据这种模型进行理论分析，求出的解只能是近似解，不能完全、真实地反映钻头结构及切削过程的动力学特性，因此需要从振动理论上进一步深入分析振动钻削的动力学特性，寻找更为有效的求解方法，为振动钻削技术在现代加工条件下的完善和发展提供更充分、更精确的理论依据。(2)从切削力学角度看，振动钻削的实质是变厚切削、变角切削、变速切削和冲击切削，要搞清各参数变量对切削过程的多维影响关系、分离型与不分离型振动钻削的分界、零相位差振动断屑机理、尤其是在广域内确定钻头各个切削刃的负后角禁区及切削厚度的变化对动态切削力的影响，必须对动态切削过程进行深入研究，从而为今后的实验研究奠定基础。(3)开发先进的振动钻削设备。振动钻削是一种先进的加工工艺，振动参数对孔加工质量的影响非常大，而且需要根据不同的加工对象和钻削区段作相应变化。因此，依靠传统的钻削设备很难实现这一目标，必须配置能进行变参数振动钻削的自动控制系统，实现振动钻削的自动化和智能化。(4)开拓新的分析方法。振动钻削研究的最终目的是适应新型材料的加工要求，优化切削过程，全面提高孔加工质量。但受实验设备等客观条件的限制，不可能在实验中大幅度地任意改变参数，因此采用计算机仿真对切削过程进行全方位的分析和优化是必不可少的，这就要求在系统辨识的基础上根据振动理论、切削理论、控制理论等对系统进行形象的描述并构造振动钻削的仿真模型，实现对振动钻削的动态仿真。综上所述，振动钻削为了适应现代化高科技发展的需要，要从各方面进行不断地发展和完善，并发挥出其先进的工艺水平。2 振动钻削的断屑机理的研究在切削加工中，如果工件韧性良好，且刀具不设断屑槽，通常在进给运动与旋转运动共同作用下，会产生厚薄均匀连续之带状切屑，这种长长的带状切屑在孔加工中，会聚集在狭窄的已加工好的孔里面，它们极易卷成团，这一方面会划伤己加工好的孔之表面；另一方面也极易发生卡钻甚至断钻事故。深孔排屑常常应用负压排屑系统，而只有断屑才能使负压将切屑顺利吸出。关于断屑的方法有许多种，但是归结起来按机理分为两大类。一种是通过改变切削层的几何参数，使切削面积规律地变为零值，实现断屑，称为完全几何断屑。另一种是通过改变切屑形成的外部环境，以产生新的力学机制，使切屑内部应力超过其应力极限，使其产生薄弱环节而达到断屑的目的，称为不完全几何断屑或力学断屑。在振动钻削中，其断屑方法同时具有了这两种断屑方法的特点。下面分别讨论这两种断屑方法的原理。21 振动钻削的完全几何断屑机理211 振动切削为什么能断屑及断屑之充分条件韧性材料不断屑之原因在于切削时有一个匀速的进给运动，致使切屑厚薄均匀一致，如图2.1。图 2.1 图2.2 图 2.3如果有一个变化的进给速度，会使切屑两侧面出现波浪形，但图2.2因波形在两侧面之频率、振幅、相位点会一致，切削厚度S=S没有改变，因而不会实现完全断屑。同样是变化的进给速度，在图2.3中，切屑两侧腰形在频率和振幅是相同的，但切屑厚度SS且形成周期性变化。当选择好合理的振幅可以使S =0，这就是完全断屑之充分条件。212 切屑的形成切屑是在两个运动下形成的，一个是轴向的进给运动；另一个是工件的转动。将轴向运动作为Y方向，工件在切削点的速度之反方向即切屑形成方向为x方向，由于轴向进给量相对工件切削速度来说比较小，可以认为YX，具体来说切屑厚度方向是Y方向，切屑长度方向是x方向。切屑宽度是扩孔时的工件内外半径之差，即z方向，图中未画出。所以图1，2，3就是将Y轴作为横坐标，x轴作为纵坐标的切屑图。在一个旋转时间内，工件转360，刀具完成切屑侧面一周，形成了切屑侧面波浪形，当然我们希望获得如图.的切屑侧面图形。图. 理想切屑侧面22 力学断屑机理大量的实验证明，即使不满足(几何)断屑条件，也能可靠的断屑。为探索其机理，引入了切削厚度相对变化率的概念:切削厚度变化量对切削长度的变化梯度da/dy (y为理论切削长度)；单位切削长度上的切削厚度变化率acr /y即为平均切削厚度相对变化率。 根据相关实验结果，在切削厚度产生周期性变化时，如果保持切削厚度的薄弱环节不变，亦即最小切厚不变，那么切削厚度的相对变化率越大，则越有利于断屑。这就等同于：通过增大切削厚度的相对变化率，在保持最小切厚不变的条件下也可以实现断屑。这种机理的简化模型如图2.5所示。 图2.5 振动切削简化模型由于切削厚度的变化，致使切削过程中产生一种新的力学机制，宏观地讲，切屑变形不再保持恒定。切削厚度大的部位，切屑变形小，瞬时卷屑半径增大。随着切削厚度的减小，切屑变形增大，瞬时卷屑半径减小，加工硬化程度增大，直到切削厚度达到最小，此时产生薄而脆的切屑薄弱环节。同时，切屑卷屑半径的减小，使得切屑卷曲速度加快。这种迅速卷起的切屑，在一定程度上阻碍了高压切削液的顺利通过，从而受到切削液的冲击，又一次的附加变形也易使切屑断裂，实现断屑。切削厚度的相对变化率越大，这意味着当刀尖运动到切削厚度最小点时，处于第二变形区的平均切屑厚度越大，致使此时切屑所受弯矩越大，剪切角越小，切屑变形越大，加工硬化越严重，所以越易断屑。要实现可靠断屑，增大振幅A的值或者sin的值均有效，只要在加工过程中合理的选择A、n、v的值，就可以实现可靠的断屑。23 本章小结综上所述，振动钻削条件不同断屑也不同，可分为几何断屑和力学断屑两种情况，即使不满足完全几何断屑条件时，也是可以通过产生切屑的薄弱环节来实现力学断屑的。这一点只有在振动钻削中可以实现，同时也是振动钻削的最大优点之一。3 振动装置31 振动装置的设计311 振动钻削装置结构图图 3.1 电磁振动装置结构图图3.1中钻杆通过夹紧螺母与电磁铁定，给电磁铁通一定频率的脉冲电流（本设计采用60Hz的脉冲电流），从而电磁铁产生交变磁场，并且与左右两端的永磁铁相互作用产生脉冲，这样的力通过夹紧螺母带动钻杆作水平方向上一定频率与振幅的振动。振动频率的大小通过电流频率控制，振幅大小通过电流大小控制，从而实现了振动频率与振幅的连续调节控制。钻杆通过孔与钻杆杆的配合固定在箱体上，钻杆带动钻头，随着电磁铁做轴向振动。振动装置安装在车床大托板上，随大托板做轴向进给运动。工件转动，钻头边轴向进给边振动，这样就实现了振动钻削。312 振幅，频率连续可调的理论分析不同切削条件下的断屑实验效果所以本设计取：频率f=40Hz，振幅A=0.08mm，工件转速n=1 500r/min，进给量f=0.03mm/r，振动装置（钻杆，钻头，电磁铁，夹紧螺母，铁芯）总重m=8kg，永磁铁磁感应强度B=1T。 图3.2 脉冲电流因为 S=at带入数值得：0.0810=a（）求得：a=4.1m/s所需电磁力F=ma=84.1=32.8N因为f1N，所以设计中忽略摩擦力的影响。 因为实际工作中影响因素较多且情况复杂，以下部分为估算，需要在实际中测量电磁力的大小，这样可以简单又准确的获得电磁力大小。如果条件允许，最好在钻削的时候测量实时振幅。取电磁铁导线直径=110m，铁芯长度L=0.1m，=0.08m，导线匝数n=100，L=n2R=10023.140.04=25m因为左右两端有同样的永磁铁，工作的时候一端产生推力，另一端产生拉力，并且两端推力拉力不断交替变化，所以F=F=32.8=16.4N。由安培定律是得：F=BIL带入数值得：16.4=1i25求得： i=0.7A 32 振动装置相关数值汇总本设计中：振动频率f=40Hz，振幅A=0.08mm，工件转速n=1 500r/min，进给量f=0.03mm/r，永磁铁磁感应强度B=1T，导线直径=1mm，铁芯长度L=105mm，=80mm，导线匝数n=100，导线长度L=25m，脉冲电流频率60Hz。脉冲电流大小i=0.7A，钻头直径=25mm。4 排屑系统41 排屑系统的选择20世纪70年代中期，日本冶金有限公司利用流体喷射所产生的负压效应，设计出一种深孔钻抽屑装置，装设在BTA钻进刀座位置，从钻杆末端产生负压以促进排屑。这种系统所用的深孔刀具与BTA刀具完全相同，其输油器与BTA钻也完全相同，只是将切削液分出另外一支用以产生喷流。因此，与BTA钻的单一油路相比，成为一种与之相区别的双向供油系统（Double Feeder System，简称DF系统。），因而命名为DF系统。其抽屑机理与双管喷吸钻相同，但只需要在单层BTA钻杆后部增加一套简单的抽屑器。这种被称为单管喷吸系统的改进型深孔加工技术，由于抽屑器改善了排屑条件，可以将BTA钻的应用范围适当向下扩展，但却不需要专用的BTA机床。企业可以利用车床类普通机床和旧的深孔钻床改装后用于中小直径的深孔钻，钻头和钻杆完全与BTA刀具一致。20世纪80年代以后，我国有不少中小企业将这种技术用于加工板料上的系列中小直径深孔，取得了较好的经济效益。由于其装置结构比较简单，刀具成本低于双管喷吸钻，将现有内，外排屑深孔钻床或车床类机床进行简易的改进后即可采用。DF系统特别适合钻1630mm的深孔，具有比BTA钻排屑状况好，比枪钻，双管喷吸钻等投资少，成本低等优势，因而在我国应用比较广。因此本设计拟采用DF系统。42 DF系统与其它深孔加工技术的比较421 DF系统与双管喷吸钻的比较迄今为止，在国际范围内有关深孔加工技术研究和应用方面的文献资料中，涉及DF系统的甚为稀少。关于DF系统的代表性技术特征，见于刊物并为用户普遍遵守的设计规范不外乎以下两点:（1）将双管喷吸钻的内管废除，使钻头恢复BTA钻的原貌，并以两个锥形空心喷嘴构成的抽屑装置取代双管喷吸钻内管的月牙槽，从而在结构上简化了双管喷吸钻。两者相对比，用一台结构简单的抽屑装置取代了双管喷吸钻的一根内管和一套连接器，使双管喷吸钻的结构得以简化。 （2）继承了双管喷吸钻在负压效应方面的设计思路：第一，喷嘴间隙取值0.20.5 mm；第二，前油路流量取为总流量的2/3，后油路取为总流量的1/3。值得注意的是，射流喷射角是对负压效应产生重要影响的一个参数。一般说，较小的喷射角能够产生较大的轴向射流分量，从而产生较大负压效应。但双管喷吸钻的内管受到结构和工艺上的局限，实际上的取值不小于。DF系统的喷嘴则可能加工成更小的锥角。根据现有的研究证明取是完全可行的，因而能取得比双管喷吸钻更好的抽屑效果。图4.1 DF系统抽屑装置设计参数的模拟比较DF系统抽屑装置与双管喷吸钻内管的另一项差别是，后者的内管直径(包括外径和内径)是与钻头直径配套设计的，钻头直径越大，喷射槽的总面积越大。而对于DF抽屑装置来说，其喷嘴的内径和喷嘴间隙无法适用于不同尺寸(特别当尺寸相差较大时)的钻杆。换言之，为某种钻头直径设计的抽屑器，只能用于变动很小的钻头直径范围，否则就必须更换新的喷嘴副并进行调整。最后，DF抽屑器的另一个优势是，DF抽屑器喷嘴是一个完整的圆锥，而不像双管喷吸钻内管那样需要加工出两排相互断隔的弧形槽。因而，针对单一钻头直径设计出来的DF抽屑器，所产生的射流形态比双管喷吸钻更优越，抽屑效果更大。根据以上分析对比，可得出以下结论:（1）DF系统和双管喷吸钻的共同优势是，由于利用射流负压抽屑效应，两种喷吸钻的排屑功能都比BTA钻有明显的提高，特别是对25mm以内的内排屑深孔加工表现突出。与此相应的是，两种喷吸钻的油压和流量都比BTA钻有明显降低。DF系统虽然密封要求稍高于双管喷吸钻，但比BTA钻低得多。两种喷吸钻的共同特点是，它们对机床的专用性要求都不高。（2）从钻孔直径范围方面对比，双管喷吸钻的最小钻孔直径为18.4mm，DF系统由于不设内管而且负压抽屑功能更强，因而最小钻孔直径可继续向下扩展。根据我们的研究，如以深孔的长径比等于40及能实现顺利排屑为约束条件，DF系统用于8 mm钻孔具有技术可行性，但DF系统钻孔的经济合理限度最小为直径12 mm。（3）DF系统和双管喷吸钻各自适用于不同的生产类型和深孔零件。双管喷吸钻由于钻具(钻头、内外管和连接器)的装备投资较高、订货期较长，用于多品种单件小批生产是不经济的，其主要用途是长度在1 000 mm以内深孔的批量生产。如用于单一钻孔直径(或钻孔直径相差不多)零件的大批量生产，特别当孔深较大时，DF系统比BTA钻和双管喷吸钻更为优越。4.2.2 DF系统与BTA技术的对比1）在所用机床设备方面，DF系统比BTA钻适应性更大。如BTA钻孔示意图4.2所示，所有的BTA钻床，只需增加一台抽屑装置并对油路进行简单改造，均可用于DF系统加工。已有的枪钻机床、普通车床等，都可以简单改造为DF深孔钻床。另外，DF系统对油泵排油量、油箱容积和机床密封的要求也低于同直径的BTA钻。图4.2 BTA钻孔示意图2）凡属大批量生产的深孔零件，均适于采用DF方法加工。在抽屑装置设计正确的条件下，在孔径、工件材质等条件相同时，采用DF系统加工的工效、加工质量和经济性均高于BTA技术。3）对于加工孔径是15.625mm的深孔零件(特别当生产批量很大时)，是BTA钻最易产生排屑故障的区段；对于孔径1415.6mm这一区段，则超出了BTA钻的推荐应用范围。但是BTA钻的这一弱势区段，正好被DF系统加以填补。4）由于DF系统和双管喷吸钻各有其局限性，所以对于多品种、批量各异、材质各异的深孔零件生产企业而言。BTA加工装备因具有宽广的适用范围而仍能保持其在内排屑深孔加工中的主导地位。423 DF系统与枪钻加工技术的对比早在20世纪80年代，先后有不少权威性文献指出: BTA钻的可钻孔范围为6(0.236)100.16(4)mm。在DF系统问世后，曾引起我国制造业高度重视并对DF系统在我国的发展寄予厚望。有人甚至乐观地预言，DF系统将在8mm以上的深