（机械制造及其自动化专业论文）亚干式深孔加工切削机理研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 亚干式深孔加工切削机理研究 机械制造及其自 席卫锋( 签名) 彭海( 签名) 摘要 亚干式深孔加工是将亚干式切削技术与深孔加工技术相结合，采用压缩空气雾化微 量切削液的方法进行深孔钻削( 内排屑) 加工，以达到排屑及对刀具的冷却、润滑效果。 该研究成果可以节约能源、降低生产成本、减少环境污染，具有良好的经济效益和社会 效益。 由于亚干式深孔加工采取了雾化切削液对刀具进行润滑和冷却，其切削机理与传统 的b t a 加工方式会有一定的不同。本课题主要研究了亚干式深孔加工系统的组成及其工 作原理，并对亚干式深孔加工的切削机理进行了一定的分析研究。在试验的基础上，对 亚干式深孔钻削的切屑形态、断屑效果、切削力及内孔表面质量进行了分析研究，表明 亚干式深孔加工的综合性能要优于传统的b t a 加工方式。通过对亚干式深孔加i 进行的 切削振动监测试验，分析其切削过程中的振动特性，确定出在刀具磨损严重和堵屑时 ，：1 异常切削状态征兆频谱。此外，分析了各类型切削液的特点，通过刀具磨损试验选取了 适用于亚干式深孔加工的切削液。 本课题的研究拓展了绿色制造的范围，使其在深孔加工中得以应用，对亚干式深孔 加工的推广应用提供了理论基础和一定的技术指导作用。 关键词：亚干式切削深孔加工绿色制造 论文类型：应用研究 l j 英文摘要 s u b j e c t ：t h en e a r - d 眄d e e ph o l ep r o c e s s i n gc u t t i n gm e c h a n i s ms t u d y s p e c i a l i t y ：m a c h i n eb u i l d i n ga n d a u t o m a t i o n n a m e ：x i w e i f e n g ( s i g n a t u 心) 2 4 5 1 时液 体射流不稳定并要破碎，这时破碎出来的液滴平均直径为1 8 9 d o 。瑞利在研究中假设是 理想的非粘性液体低速射流破碎的过程，而且只假设液体的表面张力是唯一抵抗液体破 碎的力，所以，瑞利对液滴直径的预测值与现在常用的直射式喷嘴的实际雾化结果不符 合，其值偏大。 韦伯在瑞利研究的基础上对液体的射流破碎进行了较细致的研究。韦伯在瑞利研究 的基础上，把液体的粘性、表面张力、密度等因素考虑在内，并导出了形成粘性射流最 西安石油大学硕士学位论文 大不稳定性的比值【15 1 。他认为有一个最小的扰动波长k i 。和最有可能导致射流破裂成为 液滴的扰动波长k 当喷嘴出e 1 附近的初始扰动波长小于k i 。时，受表面张力作用，射 流的扰动渐缓；当初始扰动波长大于k i 。时，扰动波振幅增大，并最终导致射流破裂， 对于非粘性流体： ， n j n2 删 九。l = 4 2 h a 4 4 4 d 籽黼榔：麓小丽3 t t ) 。， 2 妇【1 + 丽j 1 ) 其中朋为液体的动力粘度，岛为液体的密度，吼为液体表面张力。从上两式可以看 出，粘性流体的最有n - l n 匕导致射流破裂成为液滴的扰动波长k 要比非粘性流体的 大。 韦伯还分折了喷嘴周围的空气对液体射流破碎的影响并指出：气体动力是使液体破 碎的主要因素，破碎后的液滴尺寸取决于气体动力与液体表面张力的比值，从而总结出 了经常为后人所引用的韦伯数，其表达式如下： w e ：旦坦( 3 2 ) 式中耽韦伯数； 。 u ，一气体相对速度( m s ) ： 以气体密度( k g m 3 ) ； d 射流直径( m ) ； 仃，液体表面张力( n m ) 。 韦伯数代表惯性力和表面张力效应之比，韦伯数愈小代表表面张力愈重要，譬 如毛细管现象、肥皂泡、表面张力波等小尺度的问题。一般而言，大尺度的问题， 韦伯数远大于1 0 ，表面张力的作用便可以忽略。人们实验发现，若韦伯数大于1 2 ， 则液滴就会分裂出来。 对于实际工程应用来说，总是希望以最小的代价使液体在最大面积上分裂并散开。 而从雾化过程的机理来看，影响雾化颗粒的直径以及数量的因素很多，比如扰动振幅、 频率、流场的形状以及液体的粘度、表面张力和密度等等，而且还有不确定的实际工况 等因素，要从理论推导得到准确的参数是非常困难的。通常通过实验手段来获取比较理 想的雾化效果，在本系统中主要考虑以下几个方面： ( 1 ) 切削液的性质。切削液的表面张力与扰动外力的平衡关系决定了能否被雾化。 扰动外力大于切削液的表面张力时，切削液自由表面的稳定性遭到破坏，又在表面张力 的作用下收缩而分裂成小液滴，所以切削液的表面张力是影响雾化的重要因素之一。若 是切削液的粘性大，则阻碍了扰动在切削液表面形成的波幅增长，吸收了扰动能量，使 1 2 第三章亚干式深孔加工切酎机理研究 得切削液分裂获得能量变小，雾化效果变差。 ( 2 ) 气流速度。较高的气流速度能够提供足够的扰动能量，克服液体的表面张力， 使液体的自由表面稳定性破坏有利于分裂出小液滴，而且还可能使液滴再进一步细化。 韦伯数计算公式也表明，气体的流速对韦伯数的影响比较大，气体流速大则韦伯数大。 ( 3 ) 雾化装置的结构。雾化喷嘴的结构影响了流场的形状以及气液的混合的质量 比。对于亚干式深孔加工来说，雾状切削液要克服管路沿途雾化液滴的损失能够够到达 钻头切削部位，起到冷却和润滑刀具的作用，还要参与断屑排屑功能，因此切削液的携 带量不能太小。但同时又考虑到环保和节约有要尽量减小切自液的使用。要解决好这一 对矛盾，雾化装置的结构设计就犹为关键。 本加工系统所用的雾化装置，其雾化效果明显、排屑顺畅，实际效果如图卜2 所示： 圈3 - 2 雾化效果图 3 1 2 雾化切削液的流动机理 雾化切削液的的流动是一个气液两相流动问题。对于两相流动的流型相关研究较多 一般认为有以下几种川( 图3 - 3 ) ： 定! 翌麴- 一 芒三! 苎竺3 嘏蠢 e 三三三三j 甘一- 匹三三三三j t 鞭t 三翌圈栅t 寇互蚕盈一* 罡墨盈至蒌盈雾状藏 西安石油大学硕士学位论文 环状流这种流态在较高的气体流速时发生。液相的一部分是以管壁上的液膜的形式 流动，同时气体携带液滴在管中心流动。若是气体流速更高时，气体与液体将均匀混合， 那么将会产生雾状流。 对于本系统来说，空气压缩机所产生的气流相对于切削液速度很高。气相流动流量 较大约为o 5 m 3 m i n ，而其携带切削液流量约为0 0 0 0 2 8m 3 m i n ( 据实验测定) 。切削液 经过雾化器雾化在钻杆和孔壁的环形空间流动应以雾状流为主，因环形间隙较小，雾化 液与钻杆外壁和空内壁接触面积较大，小液滴会碰撞而附着在钻杆外壁和加工孔内壁上， 因而也呈现出一些环状流的特点即一部分切削液以管壁的液膜形式流动。当液膜流动至 钻头部位时，在高压气流作用下与工件及刀具碰撞，形成钻削加工中的二次雾化，并喷 洒在加工部位。 关于气液两相流动的压降研究很多，但是由于气液两相流动的复杂性，具体工况不 同纯理论的方法误差较大，研究一般都是根据实验数据总结，应用半经验半理论的方法 归纳而成。常用方法有纯经验法、均相模型法、修正的均相模型法、分相模型法、修正 的分相模型法等。周芳德等人应用修正的均相模型计算法，对气液两相水平圆管的压降 进行实验，与1 0 0 0 多个试验点比较，均方根误差为1 1 4 i l 。对于亚干式深孔加工的雾 化系统来说，液相流体( 切削液) 流量很小，气相( 压缩空气) 流量很大，两相混合比 较均匀，在计算中可以将两相流体作为单向处理。因此采用修正的均相模型法计算雾化 液的流动压降比较合适。 简化计算模型的几个假设：( 1 ) 由钻杆和已加工孔形成环形空间中流动的压降可以 看做是雾化液在已加工孔中流动的压降与同钻杆直径相同孔中流动的压降的叠加。( 2 ) 对于导向块和钻头形状忽略。( 3 ) 绝大多切削热被切屑、工件、刀具和气流及时传导， 其对于均相气体压力变化影响较小。 采用西安交通大学林宗虎教授总结的水平直管中修正的均相模型摩擦阻力公式【l 1 ： 式中 妒哆吉譬 1 + x ( 1 + 如p l ) - ， 根据试验资料确定的修正系数： k 均相的摩擦阻力系数： 被计算管子的长度，m ； d 被计算管子的直径，m ； p - 液相密度，k e , m 3 ； 材。均相流体入口速度，m s ； x 均相流体中的含气比率； 纯一气相密度，k g m 3 ： 则在钻杆与已加工孔形成的环形流道内的摩擦阻力压降为： 1 4 第三章亚干式深孔加工切自机理研究 忧学睁吼 - - 、】1 + x ( 1 - ：- 如p l ) 旺：， 式中正- 钻杆外径，m ： d 2 已加工孔径，m ； 参数和x 可通过实验数据得出，其它参数通过资料 n t i 得出 3 2 雾化切削液的润滑与冷却机理 3 2 1 雾化切削液的润滑机理 在深孔加工中排屑状况恶劣，切削热不易散出，而导致刀具与已加工表面及切屑间 摩擦系数变大刀具磨损严重，所以刀具的润滑犹为重要。传统的b t a 深孔加工采用浇 注式的润滑方法，切削波经齿轮泵加压进入切削区域，不断冲刷刀具和切女目表面，在刀 具与工件接触区形成润滑膜，以减小它们之间的摩擦力。在切削刃附近由于切削力的作 用使工件发生弹塑性变形，刀具与工件之间紧密抵触，很难形成润滑油膜，由于捧屑需 要一般用油基切削液( 如机油) ，其粘度较大的特点也使得通过刀具的“毛细管”渗透变 的困难。加之切削液不断循环，切削液分子之间结合力较大，使停留在刀刃附近的切削 液被循环进来的切削液带走。而切削刃附近却是刀具磨损最剧烈的区域。所以相对于亚 干式深孔加工的方式来说，刀具的润滑很不均匀。 雾化切削液的润精机理是建立在毛细管动力学的基础上。雾化切削液在切削刃较远 处雾化液均匀的喷洒在刀具和已加工表面同浇注式一样形成润滑膜，而在切削刃附近主 要是阻毛细管渗透的方式来润滑刀具。j a w i l l i m a s 和d t a b o r 认为，在切削过程中，刀 具与切屑接触面间存在大量的毛细管，切削液可通过这些毛细管渗透到切削区p z 。在切 削过程中切屑经前刀面流出，与前刀面剐擦而形成大量的毛细管，由于工件和刀具的 表面粗糙度存在后刀面与已加工表面摩擦也会形成毛细管。通过虹吸作用切削液会沿 着毛细管到达切削刃，实现切削液的润滑效果。哈工太刘俊岩博十对切削区的毛细现象 进行了详细的研究，并给出了切削液能够通过毛细管润滑的条件i l m ，如下图表： d 日e 目j 卜* e自e # 丧曲譬h 圈3 4 切削区毛细管i 唑 两安石油大学硕士学位论文 表 l 不同切削涟状态润滑物理化学作用l q 切削液的物理状态 切削液的物理化学作用 液态 气态同态 非枯性轱性 切削区毛细管渗入 蒸发 化学吸附或化学反应 物理吸附 “此过程一定发生，x 一此过程一定不发生此过程可能发生 从表3 1 可以看出气态和非粘性板态切削液可以从毛细管渗入使切削液能够进入 靠近切削刀的切削区域。而作为浇注式的润滑排屑方法，切削液一般粘性较大，则在切 削刃附近区域，切削液无法通过毛细管渗入到达切削刃附近。再者，当雾化液进入切削 区域时，切削热使切削液雾化液滴中的水分蒸发，润滑成分以浓缩的形式留在切削区域， 在刀具和切屑之间形成润滑膜，润滑刀具。因而从润滑机理上来说，亚干式的润滑方式 比浇注式的润滑方式更好。在对亚干式和b t a 方式的刀具磨损实验时，发现其磨损形态 有很大不同，如图3 - 5 所示：浇注式润滑刀具的磨损区域呈一三角形，在最先八钻的刀 尖部磨损最大，证明此处切削液进入少或者不能进入，而用雾化液的方式进行润滑刀具 磨损区域呈直线状，说明在刀具与t 件低压弹塑性变形最厉害的刀尖部位也有切削液 ( 气) 通过进a ，而使刀具的润滑比较均匀。 0 麓战惫舀既& 意 图3 - 5 不同润滑方式刀具磨损对比 3 2 2 雾化切削液的冷却机理 在金属切削中由于材料的弹塑性变形、刀具与_ 上i 牛的摩擦以及铁屑与工件和刀具 的摩擦会产牛大量的热量，温度急剧升高，加剧刀具磨损。而深孔加工是在封闭状态下 进行，切削热不易传散，一般切削过程中8 0 的切削热被铁屑带走，而深孔钻削只有4 0 * ， 刀具占切削热比例大，扩散迟，易过热州。因此，刀具的冷却对于深孔加工非常重要。 1 v i 一一j 第三章亚干式深孔加丁切削机理研究 提高冷却作用一般通过以下几个方面：( 1 ) 提高冷却物质的传热系数。( 2 ) 增大冷却介 质与高温区的换热面积和换热速度。( 3 ) 增大换热差。 雾化冷却是一个复杂的物理过程，当雾化液到达钻削部时遇到高温的刀具、工件和 切屑时，以单个的小液滴为汽化中心，小液滴立即沸腾、汽化、蒸发并带动周围液滴剧 烈翻动使其进一步汽化，进行强烈的热交换，带走大量的热量，被蒸发的切削液在高压 气流作用下迅速排出，使换热速度大大提高。并且，在液滴蒸发时局部压力上升，切削 液以及其蒸发气体可以气压作用下通过毛细管均匀的分布在切削区域，使散热均匀。 b t a 深孔加工中，浇注式冷却在进入切削部位时，切削液很难进入温度最高的切削 刃附近，而且切削液一般用难汽化蒸发的机械油，传热方式以机械油的流动传导为主。 使刀具受热不均匀，切削刃附近没有得到足够的冷却，在机械油浸润的离切削刃较远部 分又冷却充分，容易因温度变化产生应力，造成刀具损坏。机械油的循环使用使得油温 升高，减小了换热差，降低换热效果，不利于刀具冷却。 在浇注式冷却中切削液多用油泵加压循环，现用齿轮油泵c b b 1 2 5 ，排量：1 2 5 m l r ； 转速：1 4 5 0 m i n ；有效容积芝9 5 ；可计算流量为：1 7 2 1 l m i n 。而亚干式系统雾化液( 主 要考虑空气) 流量约为：6 0 0 0l m i n 。可以看出在加工环境相同且在忽略切削液雾滴的 情况下亚干式换热面积是浇注式换热面积的三倍。加之空气不会因为循环使用而导致雾 化切削液与刀具的温差变小，小液滴的充分汽化，增强了换热效果。 从现场加工实验也证明，当用b t a 方式加工时，排出的切屑和机械油温度较高，加 工4 5 钢时其温度为4 0 ，加工难切削材料时温度更高，而用亚干式方法钻削时无论是 4 5 钢还是难切削材料，切屑温度都大致同室温。并且工件也始终都处于室温状态，内孔 表面也无过热及硬化现象( 后续章节论述) ，说明亚干式切削具有非常良好的冷却效果。 3 3 亚干式深孔钻头受力分析 亚干式深孔钻削是将b t a 加工系统改造而成的，所采用的刀具为多刃错齿内排屑钻 头。 在亚干式深孑l j 3 1 工中刀具所受的力主要有以下几个方面： ( 1 ) 切削力：钻头的切削力可分解为相互垂直的切向分力兄，径向分力凡和轴向 分力f 。； ( 2 ) 导向块摩擦力：导向块相对于已加工孔壁转动时所产生的摩擦力e 。和f f ： 导向块轴向运动时所产生的摩擦力e 。和f x ：副切削刃与以加工孔壁之间的摩擦力c ，； ( 3 ) 导向块与副切削刃径向压力：导向块与副切削刃相对与已加工孔壁的径向压力 分别为。，2 ，3 ； ( 4 ) 雾化气流对刀具的压力：气压在钻头头部所产生轴向力只，气压在钻头周边 对导向块产生的压力。 西安石油大学硕：l ：学位论文 及 n l f z zf ：f 们 蛉跖 。 n 3 坛 邈 图硒多刃错齿内排屑深孔钻受力图 为了便于分析和计算，将刀具所受的切削力向钻心o 简化，简化后其切削力合力 及其合力矩为： 式中 f 民，= 巳 i = 兄 ic = 巴+ + 厶。+ 厶：+ ， 【m ，= m 。( 兄) c 轴向( x 方向) 合力； 死，一水平方向( y 方向) 切削合力； 瓦，一垂直方向( z 方向) 切削合力； m ，一分力巴对0 点合力矩； z d 图3 7 刀具力学模型 忽略副切削刃c ，和，根据刀具受力平衡可得刀具受力力学模型为： 1 8 ( 3 3 ) 第三章亚干式深孔加t 切削机理研究 其中 x = c c 。一c ：一= 0 】，= 民，+ ( l + 2 v p ) c o s 4 + ，z + p ? s 疋一乃s i n 瓯一f 2s i n 最 ( 3 _ 4 ) z = k + ( l + p ) s i n8 l + ( 2 + p ) s i n 疋一t ic o s8 i 一乃2c o s8 2 = 0 m = m ，+ 乃。譬+ t ：了d o 一心= o f t 。= ( l + p 必 l ：= ( 2 + 址 坼= p s l l = p s 2 【p = 1 o 一衅 式中： m 。一钻杆对钻头的支承力矩； 矾一钻头直径： 最一导向块l 位置角； 文导向块2 位置角； s 。一导向块受压面积； s 一钻头前端受气压面积； 一工件与导向块摩擦系数； p 一钻头处雾化气压； 只一雾化气进口表压： ( 3 - 5 ) a l p 一雾化气流流动压降；可由3 1 2 中式3 2 求得。 力平衡方程的求解分析：钻杆所受轴向力e 和其承受扭矩m 。可由实验的方法求出； 导向块位置角点和最已知；导向块与孔壁摩擦系数为已知常数；n 。和c 可以通过( 3 - 5 ) 计算得出；在3 - 3 式中还有未知数l ，：，c 。，只：，瓦，兄，m ，一。，一：，需要补充方 程，假设在错齿钻头中各切削刃切削状况稳定均匀，工件材料性能均衡，则其各切削刃 上的切削分力与其切削刃长度成比例关系( 各切削刃几何角度相同) ，扭矩则与位置成比 例关系，可以根据刀具中各切削刃的几何因素及布置建立错齿钻头中不同切削刃的各切 削分力及扭矩之间的关系。联立式3 3 ，3 4 ，3 5 解出未知量。 3 4 亚干式深孔加工的断屑机理 在深孔加工中断屑和排屑是关键和难点。深孔加工时排屑空间小，切削热不易传散， 若是切屑不能及时折断排出，很容易堵塞在钻头头部进屑处，造成堵屑，此时切削热迅 速升高，切削力突增而产生崩刃、扎刀等现象，使加t 无法进行。 切屑断裂的力学原理：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，达到断屑目的。在钻削过程中为了得到理想的( 有利于排 1 9 西安石油大学硕士学位论文 屑) 切屑，切屑必须周期性的折断。如果切削过程中切屑的变形超过了的断裂应变那 么切屑将自行折断。根据最大应变理论切屑折断的判据应为： s - t s , 融，2 等 式中 f i - ，一切屑的卷曲应变； 丑，一切屑的卷曲半径； 口。一切屑厚度； s 一切屑断裂应变。 由此可见，要提高断屑能力可以从以下三个方面考虑： ( 1 ) 增大切屑厚度。增大切削厚度a 。有两条途径：一是增加进给量，或者丰偏角f ， 因为d 。= f s i n f ，。但是过大的进给量使得单位时间内产生的切屑太多，如果排屑压力 不够也容易造成堵屑，过大的主偏角又会使刀尖强度和散热体积显著降低。所以应该结 合工件材料性能和排屑能力进行取舍。在亚干式深孔钻削中影响排屑最重要的因素是雾 化气流的压力，如果气流压力足够大，可以适当增大主偏角和进给量。 ( 2 ) 减小切屑卷曲半径。通过减小切屑的卷曲半径来实现断屑，主要是对刀具进行 断屑槽或断屑台的设计，当切屑流出到大断屑槽或断屑台时，通过断屑台( 槽) 几何形 状施加一个供切屑卷曲的力，使其卷曲半径变小。断屑台( 槽) 的尺寸主要由t 件材料 的切削性能及钻头直径决定。一般多刃错齿内排屑钻头都设计有断屑台宽度为卜3 ， 深度为0 5 2 ，过渡圆角0 5 i2 。如图3 - 8 所示。对于亚干式钻削高速气流吹向切屑，在 风力的作用下切屑的卷曲半径将会变的更小更容易断屑。如图3 - 9 所不。 叠彳 图3 - 8 多刃错齿内排屑钻头断屑台图3 - 9 气流帮助断屑示意图 ( 3 ) 减小材料的断裂应变。即改善被切削材料的脆性，在钻削中当温度超过临界值 时断裂应力就会急剧上升，亚干式深孔钻削中换热强烈，对刀具和工件材料的冷却充 分而快速，保证了其断屑稳定。 从切屑断屑机理三个方面来讲，亚干式加j 二方法的断屑都要优于浇注式，主要是因 为其冷却充分和高速气流帮助排屑所致。从实际加： 效果来看，在相同加工条件下，亚 干式钻削明显比b t a 钻削斯屑效果要好。图3 - l o ，3 1 1 分别为进给量o 0 3 m m r 、转速 3 7 5 r m i n 时两种加t 方式对4 5 钢进行加丁的切屑的切屑对比及排屑情况。 第三章亚干式深孔加工切自机理研究 簿警 曩黧豳_ l 西安石油大学硕： ：学位论文 第四章亚干式深孔钻削实验及分析 亚干式深孔钻削系统是在b t a 深孔加工系统基础上改造而成的，其改造简单却能很 大程度的降低生产成本，减少环境污染。为了将该系统推广应用，增加社会效益，需要 进行大量的实验研究。本实验研究目的主要有：( 1 ) 为亚干式深孔钻削切削用量选择提 供参考；( 2 ) 分析亚干式深孑l 钻削中切削用量对断屑的影响并与b t a 深孔钻削( 湿式) 进行对比分析。( 3 ) 对表面粗糙度和硬度进行检测并分析。 4 1 实验设备 ( 1 ) 试验用钻床：由c d 6 2 5 0 b 车床改装的b t a 深孔钻床。 ( 2 ) c s i a 动态电阻应变仪；电桥盒； ( 3 ) t y p e 3 0 3 6 x y 纸质函数记录仪； ( 4 ) 型号3 w - 0 9 7 i 空气压缩机，性能参数为：风量0 9 m 3 m i n ，额定压力0 7 m p a 功率7 5 k w ； ( 5 ) j x 6 型工具显微镜；t r 2 4 0 表面粗糙度仪； ( 6 ) 三刃错齿内排屑深孔钻头：切削刃材料为y g 8 ，外径9 3 2 。钻头几何角度如表 4 1 。 表4 - l 三刃错齿内排屑深孔钻几何角度 外刃前内刃前外刃后内刃后 外刃余 内刃余刃倾角断屑台断屑台圆弧半 角丫0角丫。角铷角0 【0偏角、l ，r偏角、l ， k 宽度h 。深度w n径r 。 7- 71 21 2l8 2 0 52 1 m m0 5 5 m m0 8 m m 4 2 实验内容 ( 1 ) 连接空气压缩机通风管路和雾化器。准备好切削液，并调试雾化器使喷雾效果 良好，进口气压应保持在0 3 5 m p 左右； ( 2 ) 在钻杆上贴金属电阻式应变片，连接电桥盒、动态电阻应变仪和纸质记录仪并 调试完好。( 参考西安石油大学编制的机械制造及自动化专业课实验指导书) ； ( 3 ) 分别用亚干式( 切削液采用亚乳五号乳化液) 和b t a ( 切削液采用l o 号机油) 方式加工调质4 5 钢棒料。机床转速调为3 7 5 r m i n ，依次改变进给量为0 0 2 m m r0 0 3 m m r 、 0 0 4 m m r 、0 0 5 m m r 、0 0 6 m m r 进行加工实验； ( 4 ) 将机床转速调至19 5r m i n ，进给量为0 0 2 m m r , 0 0 3 m m r ，分别对4 5 钢、钛合 金t c 4 、不锈钢1 7 - 4 ( o c r l 7 n i 4 n b ) 进行亚干式加工实验； ( 5 ) 观察排屑状况，记录切屑形状( 拍照) ； ( 6 ) 对钻杆进行标定； 第四章亚千式深孔钻削实验及其分析 ( 7 ) 检测工件表面粗糙度及硬度。 4 3 验数据及其处理 测力系统的标定，即给测力系统一个已知的力或扭矩，对应于函数记录仪上的一个 位移变化，从而得出切削力与函数记录仪上位移之间的关系。通过对测力系统的标定可 以把函数记录仪上所记录反应位移的数据转变为切削力数据。标定原理如下图 力 通过标定可得如下数据： 图4 1 切削力的标定原理系统图 表4 2 轴向力标定数据表 轴向力标定 已知轴向力( n ) 3 0 06 0 08 0 0 1 2 0 0 记录仪上的距离( m m ) 4 3 21 3 8 81 8 1 22 3 4 2 表4 - 3 扭矩标定数据表 注：已知扭矩为g x l ，g 为标准砝码重量，l 为标定实验用力臂，其值为o 1 4 5 m 。 用m a t l a b 进行最小二乘拟合可得：轴向力与位移关系为：c = 4 5 8 8 x + 4 5 6 3 6 扭矩与位移关系为：m = 0 1 7 5 3 x + 0 1 5 4 7 4 3 1 钻削4 5 钢的切削力和切屑形态 ( 1 ) 切削力数据( n = 3 7 5 r m i n ) 表禾4 切削力数据表 进给量b t a 深孔：s n -l 切削力亚干式深孔加工切削力 m m r轴向力n扭矩n m轴向力n扭矩n m 0 0 23 8 0 65 1 74 2 0 84 0 7 o 0 36 2 8 86 0 25 4 9 27 8 2 0 0 4 9 8 2 4 l o 8 01 1 3 0 71 1 6 5 0 0 51 4 l o 51 5 0 61 4 0 0 51 3 2 3 0 0 61 9 0 8 0 1 7 3 61 5 8 2 21 5 3 4 西安石油大学硕l 。学位论文 ( 2 ) n = 3 7 5 r m i n 时切屑形态 第四章亚干式深孔钻削实验及其分析 ( a ) m 0 2 m m r 亚千式加工切屑( b ) f = o 0 3 m m r 亚千式加工切屑 图4 0 亚干式加工被合金切屑 ( 3 ) 加工不锈钢( 1 7 - 4 ) ( n = 3 7 5 r m i n ) 西安石油大学硕上学位论文 4 4 实验分析 图f - = o 0 3 m a f f r 亚干式加工不锈钢切屑 本次实验的研究内容主要有：通过对比亚干式与湿式在相同切屑条件下的轴向切削 力和切削扭矩分析其异同并指出造成切削力变化的原因；通过对不同切削用量和不同 材料条件下分析亚干式钻削的断屑排屑情况及其对加工过程的影响：分析在亚干式钻削 时刀具损坏、堵屑等异常状况产生的原因。 4 4 1 亚干式深孔钻削的断屑及其切屑形态分析 关于切屑形态的理论研究很多，但是由于实际加工中工况复杂，理论与实际情况还 有较大误差。通过实验的方法可以较准确的掌握影响切屑形状进而影响排屑的相关因素， 从而采取相应的方法使切屑形状尽量控制在有利于排屑的范围内。 在深孔加工中排屑是否顺畅取决于两个方面。一是系统切削液携带切屑的能力，对 于传统的湿式b t a 加工方式来说主要因素是切削液的压力和流量以及切削液的粘度和 密度，对于亚干式加工来说一是气流的压力；二是切屑的形状，切屑的形状直接影响切 屑从钻头进屑孔进入，若是断屑不好，切屑较氏较宽厚则很容易堵塞住进屑口，使新产 牛的切屑无法排出，导致切削热无法传出，温度急剧上升而使刀具损坏，无法正常加工。 影响切屑的产生因素很多，其中最主要的有刀具前角、被加工材料的切削性能、以及断 屑台的尺寸和切削用量及切削液的选择。对于亚干式深孔加工由于其排屑是在气流的帮 助作用下完成的，其断屑和排屑又有新的特点。 ( 1 ) 亚干式深孔加工中进给量对切屑的影响。( 参见图4 - 2 ) 当进给量很小 ( f - - 00 2 m m r ，f = 00 3 m m r ) 时，亚干式切削的切屑断屑很好，但是有一半左右的切屑 成细末状。其丰要原因是：进给量小切则屑厚度较小，由3 4 中切屑的断屑机理可知切 屑厚度变小则切屑不容易通过断屑台折断，湿式b t a 加工中的切屑图反映出这一特点， 但是在亚干式加工中气流对切屑的断屑有帮助作用，细薄的切屑所需的折断力较小，其 表面积较人则吸收切削热较快，雾化液对其冷却速度也较快对切屑有一定冷脆作用， 所以在高速气流的不断冲击下反而更容易实现断屑。当折断的切屑体积、重量鞍小时， 会有一部分切屑被气流压力吹向钻头头部，在持续压力的作用下使其堆积在钻头头部， 随着钻头的进给这些切屑与待加t 面挤压、摩擦其体积会进一步变小最终形成细末状 第四章亚干式深孔钻自实验及其分析 排出。这些堆积的切屑因受到挤压变形一般呈薄片状，如图4 - 6 所示 ( a ) 加工钍台金时钻头头部堆积切屑 呻加工4 5 钢时钻头头部堆积切屑 堆积区 f c l 钻头堆积区示意图 图4 石堆积区及其切屑形状圈 这种切屑的堆积不利于正常加t ，所以在以后的亚干式刀具设计中应该尽量减小堆 积区域的容积及其粗糙度。尽管切屑在钻头的堆积影响了正常加工，但是由于进给量很 小，加t 过程还是比较平稳，排屑直好。 当进给量增大( f = o0 4 m m r ) 时，切屑的厚度和宽度都有所增加。根据断屑机理， 其卷曲应变增大，但尚未达到其断裂应变，所以切屑卷曲程度较大。因为切屑的厚度和 宽度增加，气流的冲击也不足以折断切屑，只能使其卷曲半径更小，使切屑卷曲的更加 紧密。此时，由于切屑成卷曲的团状，而钻头的进屑口尺寸有限，所以排屑较困难，其 表现是压力表数值波动。 随着进给量的进一步增大( f = - 00 5 m m r ，f - - 00 6 m m r 时) ，切屑厚度变大，宽度不变， 卷曲应变进一步增大在和气流的冲击共同作用下，当大于其断裂应变时，切屑就会折 断。相比与b t a 加工方式，亚干式切屑的长度要短一些，切屑卷曲的也更紧密。排屑效 果较好，压力表数值波动不大加j 二过程比较平稳。 ( 2 ) 亚干式加工中机床转速对切屑形状的影响。在传统的金属切自加工中，一般转 速对切屑的形状影响不大。但是在亚干式加= 中，机床转速对切屑的影响很大。如图4 - 3 、 4 _ 4 、所示，当机床转速降至n = 1 9 5 r m i n 时，切屑被折断成理想的c 状切屑，有利于排 西安石油大学硕f 学位论文 屑通畅。其主要原因还是亚干式切削中的高速气流存在。设机床主轴旋转一周的时间为t 秒，则r ，= 6 0 n 假如加工过程稳定，则切屑因气流冲击所获得的断屑能量k 与其作 用在切屑上的时间成正比。即：e b = * t ，* 6 0 h ，e ，与机床转速n 成反比，所以在亚干 式加工中，适当降低转速，有利于切屑获得更多的气流冲击能量而有利于断屑。 ( 3 ) 加t 材料切削性能对切屑形状的影响。加工材料的切削性能也很大程度的影响 切屑形状，进而影响排屑和正常加工。对于不同的加工材料需要对其进行切h 性能进行 具体分析，从而制定合理的切削用量控制其切屑形状使排屑通畅加1 顺利进行。例如 钛合金t c 4 强度大、导热系数小、弹性模量小。其中对切削性能影响较大的是其弹性模 量和导热系数，由于弹性模量小在切削时加_ r 表面的回弹量很大，造成切屑在前刀面的 摩擦路程太大增加，加速刀具磨损，同时其导热系数小，切削温度高。所以对钛台金 进行亚干式加工时的切屑较薄且- o j j 有烧黑的痕迹( 图4 4 ) 。由于其切屑薄而韧不易断 屑，因此应该选取较大的进给量和较低的转速进行加工。不锈钢1 7 _ 4 的突出特点则是， 加工硬化严重，切削过程的塑性变形很大切屑的强度和韧度大，很难折断、易粘结。 所以其切屑表面并无流经断屑台所产生的裙皱，而且卷曲不够紧密( 图4 - 5 ) 。应该选择 较低的转速，较小的进给量( 应大于硬化层深度) ，同时要是条件许可还应加大气流压力。 ( 4 ) 亚干式深孔加工中所产牛的特殊形状切屑( 长片状切屑) 。在实验过程中，发 现了有少量的长片状切屑，其表面无褶皱，长度约等于钻头直径的三分之，如图4 7 所示。这种切屑产生的原因是：当切屑较宽薄难以折断且卷曲半径大时切屑很容易进 入钻头侧部区域( 图4 - 8 ) 由于气流压力的作用将其压紧在钻头侧部使其夹在钻头与 孔壁之间，跟随钻头一起相对于工件做旋转运动与孔壁摩擦挤压延展而形成。这种切屑 对于亚干式加工是有害的，有时甚至会夹杂在导向块与孔壁问，从而加剧导向块与已加 工表面的摩擦，增大切削力，髟响加工表面的粗糙度。因此在加工应该尽量避免产生这 种形状切屑的产生：选取较大的进给量，避免出现较薄的切屑：在以后的亚干式刀具设 计上应对于刀体头部加大圆弧过渡，并要求粗糙度较小可以使切屑在此区域不易停留； 增大气流压力 乏国 轴矿蕊强 q 睁翟蟹 圈舢7 长片状切屑 图4 钻头侧韶切屑进入区域 4 4 2 亚干式深孔钻削与b t a 深孔钻削的切削力及排屑对比分析 将表4 - 4 切削力数据绘制成柱状对比图，如图4 - 9 所示： 2 8 第四章哑t 式深扎钻削实验及其分析 2 5 0 0 日2 0 0 d ；”o o e l0 0 0 碍5 。 二计 * 孔 削口t 十式* 孔 削 。】盯 棒孔训削口干式捧孔埘削 赢耐e 进错星( 肌，) 苫” 1 ： 0厢 进培星( m ，r ) 圈4 4 两种加工方式切削力对比图 当进给量很小的时候( 仁00 2 m m r ) 时，亚干式加工切屑断屑很好，为c 状切屑但 其中细末状成分很多，而b t a 方式加上( 湿式) 的切屑为细薄的条形切屑。两者加1 过 程都比较平稳。在小进给量的时，亚千式切削的轴向力要比b t a 切削力大。其原因有： 在亚干式切削加丁中由于气压作用使得一部分细小的切屑粉末堆积在钻头头部干扰钻 头进给而增大了其轴向力：气压对钻头头部也产生一定的压力而增大其轴向力：而b t a 切削方式则不会产牛堆积在钻头的切屑。在扭矩方面，亚干式切自要比b t a 切削小。其 原因有：亚干式的雾状切削液能够充分冷却、润滑刀具，减小了刀具磨损，保证其合理 的几何角度，因而减小了切削力：b t a 切削所产生的切屑细长，在钻削过程中会一定程 度的缠绕在钻头上，与孔壁摩擦而增大了其手儿矩。 随着进给量的增大( f = 00 3 m m r ，f = o0 4 m m r 时) ，切屑变宽变厚变长，两种加【： 方式的断屑都不好，轴向力都随之增加，但相差不大。主要是因为亚干式加j 冲所产f 的细末状切屑减少，吲而影响进给的阻力减小。在扭矩方面疆干式切自i j 要比b t a 切削 的扭矩大，主要是因为在亚干式四削中，由于其排屑能力不如b t a 切削，当切屑的断屑 不好时，会在钻头切屑入口处短时间停留，阻碍雾化液喷洒在切削区域的数量，此时刀 具与加工材料的摩擦力增大，切削扭矩相应也增大。另一方面切屑粘挂在刀具上对孔壁 也会产生摩擦力而导致扭矩增大。b t a 切削过程相对平稳；而亚干式切削过程中，压力 表有所波动，排屑稍有不畅，但总体r 能够正常加1 。 当进一步增加进给量( f - 00 5 m m r f - 00 6 m m r ) 时，切屑宽度和厚度稍有增加，开始 出现明显的断屑。弧干式切削的轴向力和扭矩都比b t a 切削的轴向力和扭矩有所降低。 主要是因为四屑断屑效果好，有利于切屑进入钻头顺利排出而在钻头头部停留时间较短， 雾化液大多能被喷洒到切削区，充分润借冷却刀具，以减小刀具和加t 材料之间的摩擦 力。两者切削过程都很平稳，排屑通畅。 4 4 3 亚干式深孔钻削中的堵屑分析 堵屑是深孔加i 冲多见的一种异常状况，由于钻头的进屑口尺寸有限，当切屑宽厚 且较长难以折断的时候，有时会卡在进屑口处，如果排屑压力和钻杆的振动不足以使其 两安石油大学硕上学位论文 进入排屑口，则其会对新产生的切屑起到阻碍作用，造成恶性循环，最终堵死钻头进屑 口，此时切自温度和切削力急剧上升，导向块和切削刃的磨损加剧，会造成崩刃或钻头 断裂等， 因实验条件有限，空气压缩机提供的气流压力不足够大，在加t 钍合金t c 4 ( 机床 转速n = 3 7 5 r m i n ，进给量f = - o0 5 m m r ) 和不锈钢1 7 - 4 ( 机床转速n - 3 7 5 r m i n 进给量 f = - o0 3 m m r ) 时钻头发生了堵屑。如图4 一i l ，4 一1 2 所示，堵屑多发生在钻头较小的进屑 口处，在加j 钛合金时由于其材料强度大堵屑造成了切削刃崩刃，而在加工不锈钢时的 堵屑由于其材料塑性变形大切削温度高则造成了切屑与导向块粘连，导向块磨损严重。 0 】( 吣 图4 - 1 1 亚干式加工不锈钢堵眉图( 机床转速n = 3 7 5 r m i n 进给量f = o 0 3 m m r ) 从堵屑产生的过程来看，防止堵屑有两条最直观的途径：一是增大进屑口面积：二 是增大排屑压力。所以亚干式钻头的结构设计应予以改进，在满足刀具强度和刚度的前 提下尽量增大进屑口面积及其周边有较大的圆弧过渡，以利于进屑。另外，应根据材料 的可加i 性能合理的选取切削用量，使切屑能够及时断屑，保证其排屑通畅。 4 4 4 加工表面粗糙度和硬度分析 第四章亚干式深孔钻削实验及其分析 表4 两种加工方式的表面粗黻 对4 5 钢加工的表面粗糙度r a ( 对钛合金加工的表面租糙度r a ( p r o ) b t a 加工亚干式加工b t a 加工亚干式加工 1 26 21 6 2 68 2 3 1 2 8 5 ( a ) b t a 加工4 5 钢表面 呻亚千式加工惦翎表面 ( c ) 脚 加工铁合金表面( d ) 亚干式加工钍台金表面 图4 - 1 2 加工表面显徽圈片 从以上图表可以看出，无论是对4 5 钢还是钛合金亚千式钻削的表面粗糙度都要稍高 一些，b t a 加工的表面刀痕清晰，没有鳞刺，而亚干式加工的表面刀痕模糊且有少量鳞 刺出现。说明虽然雾化切削液( 乳化液) 虽然更容易渗透到切削刃附近进行润滑，但是 乳化液相对于切削油( 机油) 的油性成分比较少，所以对刀具的润滑不够充分，加之采 用雾化气排屑的方式对于切削过程中所产生的细碎切屑不能及时带出r 会在刀具压力 下残留在刀痕中，在一定程度上对其表面粗糙度有影响；而浇注式润滑大量的切削液不 断冲洗加j 二表面，切削液( 机油) 粘度较大，对于细碎的切屑能够及时带出。 对于表面硬度的检测结果显示( 见表4 6 ) ，亚干式钻削与b t a 钻削的表面硬度差别 不大。都是材料热处理后的硬度值，说明亚干式加工井未出现严重的过热及硬化现象。 两安石油大学硕i 学位论文 表4 表面硬度测量数据 对4 5 钢加工的表面硬度( h r c ) 对钛台金加工的表面硬度( h r c ) b 1 a 加工亚干式加工b t a 加工亚干式加工 2 32 l - 2 44 1 _ 4 34 0 0 2 圈4 - 1 3 硬度铡量圈片 综上所述，从润滑机理上来讲雾化切削液的润滑应该比浇注式要好，但是实验中雾 化切削液( 乳化液) 相比与切削油( 机油) 的油性成份很少，所以对刀具润滑不够充分， 造成表面租糙度略高。从实际应用来讲，对于精度要求较高的深孔加t 一般都在粗, 0 1 ：1 1 i 后，要安排相应的精加工_ t 序，所以亚干式的加工方法能够满足一般的加丁精度要求。 在表面硬度方面也未产生严重的过热及硬化现象。 4 5 实验结论 ( 1 ) 亚干式深孔加工中切屑因获得气流的冲击能量使断屑更容易进行，同等切削 崩量条件下，比b t a 湿式加工方式所产生的切屑卷曲更紧密，长度更短； ( 2 ) 切削用量对亚干式深孔加j ：的切屑形态影响明显。增大进给量切屑的卷曲应力 尚未达到其断裂应力时，不易折断，但当超过某一进给量时( 实验中p 00 0 4 m m r ) ，由 于其卷曲应变大于切屑的断裂应变切屑断屑较好。机床转速与断屑的难易成反比，主要 是因为转速与气流对单位长度切屑冲击时间成反比： ( 3 ) 若是切削用量合理，排屑通畅的条件下，亚干式深孔加工的切削力要比b t a 加t ( 湿式) 的切削力小： ( 4 ) 亚干式深孔加工的断屑能力要比b t a 深加工( 湿式) 好，但是气体的密度小， 所提供的排屑动量较小，其排屑( 携带切屑排出) 能力比b t a 加工的排屑能力要稍弱。 为防止堵屑，使切屑顺利进入排屑口，可将钻头结构进行改进即增大排屑口设置过渡 圆弧： ( 5 ) 从表面粗糙度和硬度两方面的检测数据来看，亚干式钻削表面粗糙度比b t a 钻削( 湿式) 略高，表面硬度则变化不大。 第四章亚干式深孔钻削实验及其分析 4 6 实验现场图片 圉4 - 1 4 切削力测量现局图 圈4 - 1 5 亚于式加工过程的堵屑 4 7 小结 ( 1 ) 分别对4 5 钢、钛合金、不锈钢进行了亚干式深孔钻削实验： ( 2 ) 分析了亚干式探孔钻削在不同切削用量下切屑的形态及其产生的原因； ( 3 ) 对比分析了亚干式深孔钻削与b t a 深孔钻削( 湿式) 的切削力异同； ( 4 ) 对亚干式深孔钻削和b t a 深孔钻削的表面粗糙度和硬度进行了测量分析 西安石油人学硕+ 学位论文 第五章亚干式深孔钻削的振动监测分析 在深孔加工中，钻头安装在钻杆头部，钻杆尾部安装在钻杆联结器上，由于钻杆较细 长，系统刚度较差。钻杆在加工中很容易弯曲和扭转，造成钻偏或孔圆柱度差等后果， 加剧刀具磨损，影响加工质量。因此本章着重研究利用振动信号对于亚干式深孔加工过 程的实时监测。在深孔加工中各种复杂的振动式始终存在的，它是系统自适应性的体现， 振动信息有着丰富的内容，它包含了系统的工作状态，通过对振动的监测能够即时了解 系统的工作状态，以便做出有利的决策。 5 1 深孔加工中的振动类型 金属切削中的振动可分为强迫振动和自激振动。强迫振动：由外界持续的激振力引 起和维持的振动。振动的频率就是激振频率。自激振动：系统在一定的条件下，没有外 部激振力而由系统本身产生的交变力激发和维持的一种稳定的周期性振动，振动的频率 接近于系统的固有频率1 2 。 在亚干式深孔加工中，引起强迫振动的丰要因素有：( 1 ) 机床电机、主轴、进给机 构等机床系统的振动。 ( 2 ) 工件旋转不平衡。( 3 ) 各种因素影响切削力的交替变化。 ( 4 ) 雾化切削液在钻头部位的压力分布不平衡。引起自激振动( 也叫颤振) 的主要因素 有：( 1 ) 刀具几何因素。( 2 ) 加工过程中的切削用量。( 3 ) 工件材质不均匀和其因切 削热的变形。( 4 ) 钻杆的装夹及其弹性变形。( 5 ) 刀具、导向块与工件之间的摩擦力 变化。 在机床系统工作正常，工件、钻杆、刀具装央正确等工作条件下，深孔加工中由于 其刀具的装夹、钻杆、钻杆联结器的刚性，以及切削力在错齿