（机械制造及其自动化专业论文）难加工材料深孔镗削技术研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 指导教师： 难加工材料深孔镗削技术研究 机械制造及其自 付宏鸽( 签名) 朱林( 签名) 刘雁蜀( 签名) 摘要 随着科学技术的发展，深孔加工技术广泛地应用于机械加工领域，并且要求越来越 高，特别是对加工精度的要求也愈来愈严格。深孔镗削是提高深孔加工精度的一种方法， 它能校正已有孔上的缺陷，如圆度误差、直线度误差，从而获得良好的几何精度和表面 粗糙度。但是，随着被加工孔长径比的增大，深孔镗削的振动与螺旋沟问题愈加尖锐， 成为机械制造业的重要研究课题。 本课题以难加工材料深孔镗削过程为主要研究对象，以减小镗削振动和抑制螺旋沟 的产生为主要目的。对深孔加工材料的镗削机理进行研究，建立捱动堪型，分析影响深 孔镗削振动的主要因素；减小或抑制深孔镗削加工中的振动，避免螺旋沟的产生；并对 深孔镗刀的导向块长度、镗削时刀刃前刀面的放置方向和镗杆直径的大小等结构参数进 行了研究，提出在深孔镗削加工过程中最优的几何结构参数，以提高深孔镗削系统的抗 振性和深孔镗削的技术水平。并通过试验来证明该方法的可行性，指导并应用于深孔加 工的生产实际中。 关键词：深孔镗削；振动；螺旋沟；切削试验 论文类型：应用研究 ( 本文得到2 0 0 3 年陕西教育厅专项资金的资助) j霹、 英文摘要 s u b j e c t ：as t u d ) , o fd e e p - h o l eb o r i n gt e c h n o l o g yf o rt h ed i f f i c u l t t o c u tm a t e r i a l s 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 da u t o m a t i o n n a m e ： f uh o n g g e ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：z h ul i n ( s i g n a t u r e ) z 缸匕蚣 i n s t r u c t o r ：l i uy a n s h u ( s i g n a t u r e ) 继z 照么丝 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，d e e p h o l em a c h i n i n g t e c h n o l o g yi s w i d e l ya p p l i e di nm e c h a n i c a lm a n u f a t u r i n gf i e l d ，a n dt h ed e m a n di s h i g h e ra n dh i g h e ri n m a c h i n i n ga c c u r a c y d e e p h o l eb o r i n gi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e t h o d st oi m p r o v et h e m a c h i n i n ga c c u r a c y ，w h i c hc a nr e c t i f yt h ed i s f i g u r e m e n to ft h ep r e h o l e ，s u c ha sr o u n d n e s s a n dl i n ee r r o r ，s oc a nb eo b t a i n e dt h eh i g h e rg e o m e t r ya c c u r a c ya n ds u p e r i o rs u r f a c ef i n i s h s i n c et h er a t i oo ft h ed e p t ho fh o l et od i a m e t e ro fh o l ei sb i g ，t h ev i b r a t i o na n dh e l i xl o b e s p r o b l e mi nd e e p h o l eb o r i n ga r ea c u i t e ，s ot ob e c o m ea ni m p o r t a n ts u b j e c to fm e c h a n i c a l m a n u f a c t u r e t h i st h e s i st a k e sd e e p h o l eb o r i n gp r o c e s sa ss t u d y i n go b j e c ta n dt h em a i n p u r p o s ei st o m i n i s ht h ev i b r a t i o na n dr e s t r a i nt h eh e l i xl o b e s t h ep a p e rs t u d i e st h ed e e p h o l eb o r i n g m e c h a n i s m ，s e t su pt h ed y n a m i cm o d e l ，a n a l y z e st h ep r i m a r yf a c t o r so fi n f l u e n c i n gd e e p h o l e b o r i n gv i b r a t i o n ，m i n i s h e so rr e s t r a i n st h ev i b r a t i o na n da v o i d sp r o d u c i n gh e l i xl o b e s m o r e o v e r ，b a s e do nt h et h r e ef a c t o r s ：t h el e n g t ho ft h eb u r n i s h i n gp a d s ，t h ed i r e c t i o no ft h e c u t t i n ge d g ea n dt h ed i a m e t e ro ft h eb o r i n gb a r ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r dt h eo p t i m u m p a r a m e t e r so ft h eg e o m e t r ya n ds t r u c t u r ea n de n h a n c e st h ea n t i v i b r a t i l i t yo ft h ed e e p h o l e s y s t e m t h em e t h o dt u r n so u tt ob ew o r k a b l et h r o u g ht h et e s t ，a n df i n a l l yi sa p p l i e dt ot h e p r a c t i c e k e y w o r d s ：d e e p - h o l eb o r i n g ；v i b r a t i o n ；h e l i xl o b e s ；c u t t i n gt e s t s t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y ( t h i sp a p e ri ss u p p o r t e db ys p e c i a lf u n do fs h a a n x ie d u c a t i o n a lb u r e a u ) 、” 卜， g 主要符号表 主要符号表 a 刀具中心与工件中心在y 轴方向上 的偏移量，m m ； b 刀具中心与工件中心在z 轴方向上的 偏移量，m m ； d 刀具直径，m m 厂进给量，m m r 舷0 单位长度梁上分布的外力，n 疗 导向块b 相对孔壁转动时产生的摩 擦力，n 正 导向块c 相对孔壁转动时产生的摩 擦力，n z 镗杆的外伸长度，m m ，z 工件旋转速度，r m i n r 半径刀具，m m h 刀具半径，m m r t工件被加工孔半径，m m t 时间，s 1 ，刀具进给速度，m m m i n a 梁的横截面积，m m 2 b粘性摩擦阻尼系数 e 材料的弹性模量，g p a b镗刀上所受的轴向力，n r镗刀上所受的径向力，n v l 镗刀上所受的切向力，n 剪切弹性模量，g p a 截面对中性轴的惯性矩，m m 4 截面的极惯性矩，咖4 镗杆的扭转刚度，n m 切削扭矩，n m 截面上的弯矩，n m m 导向块b 与孔壁之间的挤压力，n 导向块c 与孔壁之间的挤压力，n 截面上的剪力，n 导向块b 的位置角，度 导向块c 的位置角，度 转角，度 在导向曲线中导向块c 的位置角， 度 在导向曲线中导向块b 的位置角， 度 镗杆振动频率，h z 单位体积梁的质量，k g m m 2 p ( o )导向圆的极半径，m m ，p ，= p ( o ，) 0 9 刀 刀具旋转的角速度，r a d s c o 工 工件旋转角速度，r a d s r g ，以k 丁m m 地y 毗9 铭 v p 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的t a 容以外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名_ 5 丑痉金丝日期：丝! 笪：羔堡 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文名 导师签名 羟扯 日期 日期：迎! ：! 丛 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究深孔镗削的目的和意义 深孔加工是机械加工的一个重要分支，同时深孔加工工艺理论也是机械加工研究的 重要课题。二十世纪六十年代以前，深孔加工技术最初应用于国防军工制造业，加工枪 管和炮筒。随着科学技术的发展，深孔加工技术已经运用到各机器制造部门，如石油化 工机械、航空工业、造船、冶金、发电设备、橡胶机械等，特别是近年来随着宇航制造 业、原子能工业、电力工业等行业的迅速发展，对机器及其零部件的综合性能提出了更 高的要求。高、精、尖产品越来越成为加工业追求的目标，在很多情况下，为了满足对 加工的要求，对刀具的性能提出了更高的要求，使机械加工中刀具的抗振成为机械制造 业的重要课题，这种情况在深孔镗削技术上表现的格外明显。 由于深孔镗削是在封闭或半封闭的状况下进行，不能直接观察刀具的切削情况而且 切削热不易传散，镗削排屑困难，工艺系统刚性差，因此切削效果不理想。深孔镗削兼 有普通镗削和深孔钻削的特点，镗削振动是普通镗削存在的主要问题，并随着被加工孔 长径比增大而愈加尖锐。深孔镗削除了普通镗削存在的振动问题外，由于被加工长径比 较大，容易在被加工孔表面形成螺旋沟，严重影响孔的加工精度，并对刀具的耐用度产 生直接的影响。为了避免发生振动或减小振动，有时不得不降低切削用量，致使机床、 刀具的工作性能得不到充分发挥，限制了机械加工生产效率的提高；加工中发生的高频 振动，有时还会伴随产生一种刺耳的尖叫声，造成噪声污染，危害操作者的身心健康。 以上问题均要求提高传统深孔加工方法的水平，开发新的制造技术与工艺方法。因 此，根据深孔加工的特点，对难加工材料的镗削机理进行研究，建立振动模型，分析影 响深孔镗削振动的主要因素，加强难加工材料镗削、断屑和排屑的控制；减小或抑制深 孔镗削加工中的振动，避免螺旋沟的产生；并对深孔镗刀的几何结构和参数进行优化， 提高深孔镗削系统的抗振性，以提高深孔镗削的技术水平。 本文以难加工材料深孔镗削过程为主要研究对象，以减小镗削振动和抑制螺旋沟的 产生为主要目的。从上述几个方面着手深入研究镗削的切削机理，建立镗削加工过程的 动态力学模型，分析了引起切削振动的各个因素，提出解决该问题的方法，通过试验来 证明该方法的可行性，指导并应用于深- t l 力n 工的生产实际中。 1 2 国内外现状 1 2 1 深孔加工技术的发展过程 深孔加工的发展可以分为如下四个阶段：第阶段在1 9 世纪末2 0 世纪初，为解 决枪管的加工，发明了将高压液体通过钻杆内通道送到钻头，带走切屑和热量，并在钻 头外径上加导向块，以保证钻孔正确方向的方法枪钻。第二次世界大战期间，由于 西安石油大学硕士学位论文 枪管的需要量猛增，使这项技术得到了快速发展。第二阶段，1 9 4 2 年德国的b e i s h e r 发 明了内排屑深孔钻，后来国际孔加工协会( b o r i n g a n d t r e p a n i n g a s s o c i a t i o n ) 加以完善， 形成了b t a 加工方式，其所用的钻头简称为b t a 钻。b t a 钻头在枪钻的基础上增强了 刚性，改善了排屑条件，并提高了孔的表面质量。第三阶段，1 9 6 3 年瑞典s a n d v i k 公司 发明了喷吸钻加工方式，将切屑由切削液推出改为切削液推吸联合作用，改善了排屑过 程，降低了系统压力，密封条件得以改善，对应该系统所用的钻头称为喷吸钻。第四阶 段，在7 0 年代，日本冶金股份公司发明了d f ( d o u b l ef e e d e r ) 装置，将原喷吸钻的双 管系统改为单管系统，在钻杆尾部增加一射流装置，来完成液体推吸效应，使钻杆系统 刚性增加，切削液压力减小。d f 系统是传统深孔钻的最好方式，该系统所用的钻头称 为d f 钻。 时至今日，国内外学者已经对深孔加工刀具结构、断屑方式、刀具材料冷却方式等 做了大量的研究。在国外，瑞典s a n d v i k 公司、德国r s t o c k 公司、美国s o n o b o n d 公司 在深孔加工刀具领域取得了显著的成果，处于世界领先水平。在深孔钻削力测量技术方 面，处于国际领先地位的德国d o r t r u d 大学致力于发展带有测力元件的测量钻头，用这种 测量钻头能直接测量切削分量，但这种方法还处于实验室试验阶段，而且价格昂贵，设 计制造周期较长。 在国内，江西量刃具厂、成都工具研究所、华北工学院、西安理工大学、西安石油 大学、北京科技大学、大连理工学院等单位在深孔加工技术研究方面处于领先水平。北 京科技大学机械工程学院对深孔钻削状态的监测，采用了多尺度的分析方法，利用小波 变换对深孔钻削振动加速度信号进行了功率谱分析，并取得了一定的成果。大连理工学 院应用有限元法对测力轴承的结构进行校验和分析，找出最优结构，对深孔钻削加工监 测进行了研究。广西工学院研制出一种用于数控机床的高效深孔钻乜1 ，解决了在数控机床 上加工小直径深孔( 4 ， 2 0 ，5 的论文中，用实验结果首次对t a y l o r 提出的切屑单元体理 论提出异议，并首次提出自激振动的概念。他在这篇文章中指出：“如果切屑单元体理 论是正确的话，那么切削振动频率应等于一秒钟内形成的切屑单元体数，颤振频率应和 切削速度成正比增加，且切屑单元体倾向表现较为明显的铸铁应该比切屑单元体倾向不 太明显的软钢振动大”，然而这些理论均未被试验所证实。1 9 4 4 年苏联学者a t t g a u n 】a h 在他编写的一本著作金属切削振动的研究盯3 中提出了负摩擦理论，他在这篇专著中 详尽地引用了大量试验数据证明：“在刀具对工件进行的切削过程中，在一定范围内， 切削力随切削速度的增加而减小的负摩擦现象。”。据此，他建立了切削颤振的负摩擦理 论口6 。1 9 4 6 年英国学者a n a r n o l d 也在他写的一篇论文钢材切削中刀具的振动机理 中，用试验证明了在一定速度范围内切削力随切削速度的增加而降低的现象隅3 。5 0 年代 中期，r s h a h n 在他写的两篇论文：金属切削颤振及其防治旧1 和精磨加工再生型颤振理 论n 们中提出了切削颤振的再生理论，他认为切削振动的产生是在有波纹的表面上进行切 削而由波纹再生引起的。接着捷克学者j t l u s t y 及苏联学者等相继在试验中发现：“在 机械加工系统发生颤振时，振动体在空间的振动轨迹不是一条直线，而是一条空间封闭 曲线”，并据此建立了切削颤振的振型偶合理论。 近年来，随着科学技术的飞速发展，在基本认识颤振和受迫振动机理的基础上，人 们开始注意研究切削振动的控制问题。目前主要是通过以下几个方面进行切削振动的控 西安石油大学硕士学位论文 制。一是在振动发生之前，通过检测系统抢先把切削过程即将发生的振动信号信息通报 控制系统，实现对切削振动的适时控制，这是近几十年来国内外许多学者热衷研究的振 动预报控制装置。二是通过加设减振装置，例如在连接处安装减振环等。三是通过改变 工艺系统静刚度的方法，改用特殊材料、增大截面直径等。 1 2 3 深孔加工模型与减振研究现状 深孔加工中对工件；0 n - r 精度的研究从8 0 年开始逐渐深入，对深孔加工模型的建立 与完善也越来越多。但是国内很难查到相关资料，说明我国深孔加工模型分析方面的滞 后性。在国外，1 9 8 0 年，s a k u m a 等对导向块的运动过程进行了试验研究，并建立了 简单的公式，他们在文章中提到了钻削加工过程中影响加工精度的各种切削环境。之后， s a k u m a 等又将b t a 加工系统看成是一个四刃加工刀具，并提出产生多头螺旋沟孔的主 要原因是自激振动。 1 9 8 7 年，c h a n d r a s h e k h a r 等提出了一个三维模型，该模型主要研究了静止工件和 旋转刀具之间的关系。之后，又利用螺旋沟预测工件的精度误差，但是理论与试验结果 有很大的差异u 副。 1 9 9 3 年，c h i n 等提出了一个数学模型以模拟枪钻的排屑过程并通过压电传感器监 控该过程。1 9 9 6 年，c h i n 和l i n 把刀杆看成是一个二维集中质量系统分析了钻削过程 中的稳定性问题n 3 1 4 3 。 1 9 9 4 年，g e s s e s s e 等研究了b t a 加工过程中螺旋沟或多头螺旋沟孔形成的过程5 。 2 0 0 1 年，d e n g 等利用梁理论分析了导向块和中间支撑块对孔直线度的影响。 2 0 0 4 年，c h y n s h ud e n g 建立了一个平衡系统来描述一定长度钻杆的钻削过程。该 系统揭示了引起加工孔不圆度的低频振动机理，由一个欧拉一伯努利梁来分析钻杆，用 傅立叶系数来研究激励力。根据经验公式建立了切削力模型，并由此计算出其他的切削 力。该模型可以对孔表面粗糙度进行预警，在不同情况下测得的试验数据与模型所的 数据基本吻合5 | 。 随着深- t l ；b n 工模型的建立与应用，深孔加工过程中产生的振动并由振动引起的螺旋 沟逐渐进入人们的视线。国内外各个专家对减小振动和抑制螺旋沟做了各种尝试。主要 是从减振刀杆方面进行研究，以下为各国研究减振刀杆的现状： 减振刀杆在机械行业的研究中，已经有很长的历史了。其中比较成功的有日本的 t o s h i b a 和三菱公司，瑞典的s a n d v i k 公司，美国的k e n a m e t a l 公司。日本和美国的 公司研究时间较长一些，但瑞典的s a n d v i k 公司却是最成功的。国内也有一些研究，但 减振效果和产品化的程度远远低于国外的水平。辽宁省高速切削工程技术中心正在进行 这方面的研究，虽然他们已获得了国家级奖励，但还没有研制出成型的产品u6 。一汽大 众和上海大众的轿车生产线，已经有百分之十的刀具使用的是国产刀具。到目前为止， 这些已经国产化的刀具设计采用的方法一般都是增加刀杆的静刚度或者提高刀片的刚 第一章绪论 度，还没有使用增加刀杆的动刚度的方法h 1 。 到目前为止，世界上只有为数不多的几家厂商能生产出性价比较好的刀具。在国外， 日本三菱公司和东芝公司已经有系列化的产品。三菱公司( 刀杆最大长径比砌= 6 ) 的 设计思想是减轻刀具的头部重量。一般这种刀的刀头和刀杆是一体的，刀片一般使用可 转位刀片，刀杆的头部被切掉一部分制成特定的形状来改变刀具的性能。 东芝公司的减振刀( 刀杆最大长径比l d = 6 ) 是在刀杆的两边平行地切掉一部分，再 用刚度和强度大的材料嵌在这两部分，嵌在刀杆内的两条硬质材料和刀体粘结的紧密程 度是影响刀杆减振质量的关健因素，同时由于受到两条加固材料的刚度、厚度和它与刀 体粘结的紧密程度的影响，因此长径比的值也受到一定的局限。 瑞典s a n d v i k 公司的减振刀具( 刀杆最大长径比l d = 1 2 ) 是目前最先进的刀具，它所 采取的方法是给刀杆加内置减振系统。这虽然提高了刀体的动刚度，但也有它的局限性， 例如减振块的密度不可能太大，阻尼器的寿命严重地影响这种刀具的使用寿命n 7 。 美国的k e n a m c t a l 公司生产的减振刀具( 刀杆最大长径比砌= 8 ) 主要是采用特殊的 材料制成，也属于提高刀杆静刚度的一种。 国内的一些减振刀具很多都处于研究阶段，采用的都是增加刀体静刚度的方法，例 如镍基重合金防振刀具等。但是大部分的减振措施都是在工艺上进行改良或是在加工过 程中采用一些技巧。到目前为止，国内的工具厂商还没有在车刀和镗刀方面有大的进展， 特别是在深孔镗刀方面基本没有。 综上所述，深孔镗削加工过程中的振动问题一直是影响加工质量和工作效率的关键 因素，对振动的控制逐渐成为一门重要的课题。可以看出，虽然从力学建模和减振刀杆 方面，都做了一定的研究，但深孔镗削中的振动和由振动产生的螺旋沟仍然是切削加工 的一大难题。 1 3 本课题的来源及主要研究内容 1 3 1 课题来源 西安石油大学深孔加工研究所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、深孔加工技术和深孔加工设备改造的研究，都取得一些成果，其研究水平 处于国内领先。但是在深孔镗削方面，对镗刀的振动及其产生的螺旋沟进行控制还存在 不足，为了提高工件加工质量和刀具耐用度，2 0 0 3 年，研究项目“石油测井仪器和井 下工具深孔加工技术的研究”被列为陕西省教育厅专项科研项目( 合同编号：0 3 j k l 7 5 ) ， 根据项目的需要，将“难加工材料深孔镗削技术研究”部分作为本论文的题目。 1 3 2 主要研究内容 本课题主要对深孔镗削中的螺旋沟产生机理及抑制方法进行了深入的研究，具体研 西安石油大学硕士学位论文 究内容包括： ( 1 ) 对深孔镗削机理进行了深入的研究，分析了深孔镗削过程中产生的振动及由此 引起的螺旋沟，并对螺旋沟产生过程和原因进行了研究； ( 2 ) 在研究深孔镗削螺旋沟产生机理的基础上，分析了引起振动和产生螺旋沟的原 因和参数，从导向块的长度、切削刃的方向和镗杆直径三个方面对其进行了力学分析和 建模； ( 3 ) 对深孔镗削加工过程中引起振动的激励力进行了分析并建立了力学模型； ( 4 ) 从导向块的长度、切削刃的方向和镗杆直径三个方面对深孔镗削进行了试验研 究，对其结果进行分析，比较试验结果与所建模型结果的一致性。 1 4 创新点 ( 1 ) 通过研究难加工材料深孔镗削过程中的振动机理，分析了深孔镗削自激振动产 生的原因及螺旋沟产生的原因和过程，并对螺旋沟产生过程和原因进行了研究； ( 2 ) 通过研究深孔镗削镗刀导向块、切削刃方向和镗杆直径三个方面对振动和螺旋 沟的影响，从力学模型和试验两个方面研究减小振动、抑制螺旋沟和提高工件的加工精 度的方法。 6 第二章深孔镗削分析 第二章深孔镗削分析 深孔镗削的加工方式、运动形式、镗刀的轨迹方程和对镗削的受力分析是深孔镗削 加工中各不稳定因素的渊源，以下就这几个方面进行了研究，以便为深孔镗削中的振动 和螺旋沟的研究打下基础。 2 1 深孔镗削加工的分类 深孔镗削按其排屑方式可分为内排屑与外排屑、前排屑与后排屑；按其送进力的 方向可分为推镗和拉镗；按镗削工序特征可分为粗镗和精镗。 2 1 1 推镗法 用推镗法进行镗削时，镗杆始终处于轴向受压状态下进行工作。按排屑方式不同又 可分为向前排屑推镗法和向后排屑推镗法。 a 前排屑推镗法n 儿1 8 1 切削液由油泵输出后，一种从镗杆后端授入，另一种从授 油器授入。前者通过镗杆内孔，后者通过镗杆外圆与工件已加工孔之间的环形空隙流到 切削区，然后带着切屑向床头方向排出到排屑箱。这种推镗方法的两种授油位置对刀具、 支承垫的寿命及工件粗糙度的影响差异较大。 前一种方法切削液从镗刀出油孔射到切削区，由于工件旋转，容易形成附着于内孔 表面的“螺纹轨迹液”，轨迹液中残存的切屑由于离心力的作用，附着于工件内孔表面 上，使切屑排出不彻底。由此影响了工具切削刃寿命和加工表面粗糙度。 后一种方法切削液从授油器授入时，是以“圆柱 状均匀地流到镗刀及内孔周围， 减少切屑停留在内孔表面的机会，使切屑几乎全部排出，另外，由于切削液是以镗刀周 围流到切削区，因此它对切削刃支承垫起强制冷却、润滑和减振作用，这对延长刀具使 用寿命和保证加工表面粗糙度是非常有利的。 b 后排屑推镗法n 1切削液由油泵输出来以后，从授油器输入，流经镗杆外表面 和已加工孔之间的环形空间到切削区，然后强制切屑从镗刀上的排屑孔流入镗杆内孔， 将切屑推至镗杆尾部排屑箱中。这种方法可以起到强制冷却、润滑镗刀和减少振动的作 用。后排屑推镗法与前排屑推镗法相比，其排屑空间小，对卷屑和断屑要求高。此方法 亦可采用d f 系统，增加负压抽屑效应，提高排屑效率。由于此法是通过镗杆内孔排屑， 一般称它为内排屑推镗法，国外称之为b t a 镗削法。 推镗法在镗削过程中，镗杆始终处于轴向受压状态，因而不论是向前排屑还是向后 排屑，都容易引起镗杆弯曲，致使镗杆支承套磨损不均匀，容易出现加工孔轴线较大的 直线度误差。但对于加工孔孔径较大，镗杆刚性较好的情况，还是可以满足要求的。并 且，因为推镗法在刀具制造和加工工艺上比较简单方便，所以这种方法目前使用比较普 遍。 西安石油大学硕士学位论文 2 1 2 拉镗法 拉镗法在镗削过程中，镗杆始终处于受拉伸状态下进行工作，镗刀沿着镗杆前进的 直线方向作进给运动，稳定性较好，但由于刀具结构和装卡复杂的原因，一般采用较少。 通过综合考虑，本课题中选用后排屑推镗法。 2 2 深孔镗削运动形式分析 深孔镗削目前的加工形式有三种：( 1 ) 工件固定、刀具旋转且作进给运动；( 2 ) 工件 旋转、刀具不旋转只作进给运动；( 3 ) 工件与刀具均作旋转运动，刀具同时作进给运动。 2 2 1 工件固定、刀具旋转且作进给运动 如图2 - 1 所示，该形式利用镗刀刀刃进行精镗和半精镗，切削运动是刀具的旋转 及进给的合成运动，因此孔轴线就是刀具的回转中心0 j 连续移动的轨迹线。而刀具的 回转中心0 j 是随着镗削深度的变化而变化的。特别是在推镗的情况下，由于镗杆受压 而弯曲的趋势和由于镗杆旋转引起的离心力，迫使刀具回转中心逐渐偏斜。这种镗削形 式加工出来的孔轴线直线度误差最大，但其加工孔的圆度等精度较好，因此这适于加工 不能旋转的、孔径精度要求较高的工件n 引。 厂刀 z 厉 互 j ， f 飕趟0 1 嶝萎彰y 图2 1 工件固定、刀具旋转的加工示意图 此时工件的转速为0 ，被加工工件的表面形状是由刀尖的切削运动轨迹决定，在图 2 _ 1 所示的平面内，被加工孔的图形是圆，则刀尖的轨迹方程为： y 2 a + r nc o s t o n t z = b + r n s i nc o 刀t x2 v f t 式中 r 刀刀具半径，m m ； 8 第二章深孔镗削分析 t o 刀刀具旋转的角速度，r a d s ； 口刀具中心与工件中心在y 轴方向上的偏移量，m m ： 6 刀具中心与工件中心在z 轴方向上的偏移量，m m ； 卜时间，s ： ，广深孔镗刀进给速度，m m s 。 2 2 2 工件旋转、刀具不旋转只作进给运动 这种加工形式由于镗削的工件孔径始终以主轴中心0 为回转中心，所以孔的轴线直 线度较高，若工件的旋转中心与刀具中心在一条直线上时，如图2 - 2 所示，可以加工 出直线度和圆度均很好的孔。 此时，刀具转速为0 ，刀尖切削的运动轨迹为刀尖在工件上的切削点随工件旋转的 运动轨迹，其轨迹方程为： y2 厂工c o s t o 工t z = ，ic o s t o a ：t z2 v f t 式中 r 工工件被加工孔半径，m m ； 啦工件旋转角速度，r a d s 。 z r 工 慧渗 一 淦y 图2 2 工件旋转、刀具固定的加工形式示意图 2 2 。3 工件与刀具均作旋转运动，刀具同时作进给运动 此时，工件与刀具同时作相反的旋转运动，具有以下特点： ( 1 ) 刀具与工件均作旋转运动，所以具有选择转速级数较多的机会，并减小工件旋 转的惯性； ( 2 ) 如果采用内排屑镗削法时，由于镗杆处于转动状态下工作，在镗杆中间形成了 9 西安石油大学硕士学位论文 离心力，不易于排屑。 根据生产实际和对加工孔表面粗糙度的要求，本文中选用了工件作旋转运动，刀具 不旋转只做进给运动的模式。 2 3 深孔镗刀的轨迹方程 深孔镗削的长径比较大，刚度也较低，只有保证刀尖回转轨迹为正圆，才能加工出 高几何精度的孔，其关键在于刀具的导向块支撑，它是以自身的己加工表面作导向，导 向表面的质量高低直接影响刀尖的运动轨迹。所以，讨论深孔镗刀的回转轨迹方程对刀 具结构的合理设计及加工质量提高具有非常重要的意义。 如图2 _ 3 所示，c 、b 两点分别代表导向块，a 点代表刀尖，p ) 为导向曲线。 下面分两种情况讨论。 2 3 1 导向曲线为理想圆 图2 _ 3 导向曲线为理想圆时刀具回转运动轨迹示意图 如图2 _ 3 所示，当p p ) 为理想圆时，根据刀具上c 、b 两点距离为定长，得方程 式： 2 r2 【1 一c o s ( a c a b ) 】= p 2 ( ) + p 2 ( 口c ) 一2 p ( e n ) p ( 艮) c o s ( o 曰一0 c )( 2 _ 1 ) 式中r 半径刀具，m m ； 口。导向块b 的位置角，度； 口r 导向块c 的位置角，度； 郎在导向曲线中导向块c 的位置角，度； 目。在导向曲线中导向块b 的位置角，度； p ) 导向圆的极半径，m m ，p ，= p ( o ，) 。 1 0 第二章深孔镗削分析 令铭为自变量，o e 即为0 c 的函数。对于任意良， c 、b 两点的坐标分别为： y c = p cc o s 0 c z c = p c s i n0 c y 曰= p 占c o s o 口 z 丑= p 曰s i n0 b 可由式( 2 1 ) 确定相应的。 ( 2 2 ) 根据? a b c 中a c 、a b 为定长，得f = 列方程组： p c 毗) ；+ ( z c 一) ：妇：( 1 一c o s 口c )( 2 _ 3 ) i ( y 爿一y b ) 2 + 阮一z b ) 2 = 2 r2 ( 1 一c a ) s o t 丑) 解方程组( 2 - 3 ) 得： z 。：血：叠兰4 二圣型笙堑坐! 竺二坐! ( 2 _ 4 )z ：羔里! 三曼三二型墨羔4 二型! 生! 竺竺! 竺二竺! 竺吐( 2 _ 4 ) “ 2 ( z 丑+ z c ) 再将c 、b 两点的坐标代入式( 2 - - 4 ) 中得刀尖a 的回转轨迹方程为： z。 壁垒二圣! 壁墨竺! 皇垒2 竺! 里! ! 墨 (2_5)a 2 r 2 ( c o s a bc o s a c ) + p b 2 2 ( p 口s i n o n p cs i n o c ) 又知0 c = t g 。1 竺，所以当0 c 由o 一2 连续变化时，即可得到旋转一周刀尖a 的 连续运动轨迹。 2 3 2 当p ( 口) = ，+ 4c o s ( i o + 蛾) 时 图卜4 刀具回转运动轨迹示意图 实际上，理想圆的导向曲线是不存在的，它总是存在一定的圆度误差，如图卜4 所示。因此，导向曲线的形状可能是极其复杂而多样的，但可通过谐波分析的方法研究。 任意单值连续封闭曲线都可展开成傅立叶级数，表示为： p ( 口) = ，+ 罗4c o s ( i o + 唬) ( 2 - 6 ) 式中 a i 第i 次谐波的振幅，m m ；9 1 西安石油大学硕士学位论文 识第f 次谐波的相位角，度。 由此，可以把一个不规则的圆看成是一个半径为厂的理想圆和许多具有不同振幅， 不同相位角的谐波之和，而各次谐波之和罗4c o s ( i o + 谚) 即为此圆的不圆度。这样， 当考察导向曲线的不圆度如何影响加工表面的不圆度时，只要考虑每一次谐波的影响， 综合起来，便可明显地反映出来。因此，下面考虑第一次谐波所产生的影响乜0 | 。设导向 曲线为： p ( 口) = 厂+ 彳ic o s ( i 0 + 咖) ( 2 7 ) 式中卜为谐波次数，i = 2 、3 、4 。 由于一次谐波只产生偏心，对圆度无影响，故不考虑i = 1 的情况。 将( 2 _ - 7 ) 代入( 2 _ 1 ) 式，得： a i 2c o s 2 ( i o b + 噍) 一2 ，4 i 【，+ 4c o s ( i o c + i ) c o s ( 0 b + 唬) c o s ( o 曰一o c ) + 2 r a fc o s ( 0 b + 蛾) 一2 r ( r + a fc o s ( o c + 唬) 】c o s ( 一) + 【2 r a fc o s ( i o c + 谚) + 4 2c o s 2 ( l 4 i + 谚) + 2 r 2c o s ( a 曰一口c ) 】= 0 ( 2 8 ) 式( 2 8 ) 为超越函数的二次方程，目前还无法求出曰。的解析解，但可用数值计 算的方法，通过计算机求解。 当0 r 由0 2 按一定步长变化时，解出对应于6 l c 的每一个口。的值，就可求出c 点的运动轨迹。 由以上对深孔镗刀的轨迹方程分析可知：当导向曲线为理想圆时，刀尖的轨迹方程 与铭和有很大的关系，若o c = a c ，o b = 口口，则导向曲线即为镗孔的轮廓线，为正圆， 这对提高加工质量有着重要的影响。在分析导向曲线p p ) = r + 4c o s ( i o + 哦) 时，只讨 论了一次谐波的情况，此时刀尖轨迹方程需通过计算机求解，刀尖的回转不稳定性大大 提高，从而影响了工件的加工精度。 2 4 深孔镗削受力分析 深孔镗削的受力分析对于研究深孔镗削稳定性和可靠性有着极其重要的作用。以下 就深孔镗刀的静力学和动力学及深孔镗杆的静力学和振动力学进行了分析。 2 4 1 深孔镗刀的静力学分析 图2 _ 5 为深孔镗刀受力示意图，可以看出深孔镗刀上的作用力有： a 作用在刀刃上力切削力f 可分解为切向力e 、径向力r 、轴向力b ；切 削刃与孔壁之间的摩擦力五和厶；切削刃与孔壁之间的挤压力心。由于镗削余量小， 背吃刀量a 。比镗孔半径厂要小的多，因此假设切削力的作用点就在刀尖上，那么力矩 就是镗刀的半径，。设一个作用于刀具中心的等效力f ( f 爿k ) 及其力矩 m s ( m s 吗z r s i n ? ) 代替作用在刀尖上的y o z 平面内的实际切削合力f y z 。 1 2 第二章深孔镗削分析 图2 一深孔镗刀静力示意图 b 导向块上的作用力导向块相对孔壁转动时产生的摩擦力 和尼；导向块沿 轴向移动时与孔壁之间产生的轴向摩擦力五和如；导向块与孔壁之间的挤压力m 和2 。 c 深孔镗刀上的角度关系导向块上所受的合力与挤压力之间的夹角摩擦角 卢；等效力与y 轴之间的夹角a ；导向块b 与y o z 平面内的切削力的等效力f 的夹角 为：口= a 一口曰；导向块c 与y o z 平面内的切削力的等效力f 的夹角为：) ，= 口c a 。 d 受力计算为了便于分析计算，将深孔镗刀所受的切削力向0 点简化，考虑深 孔镗刀在力平衡状态时的情况，并忽略心和厶，则可得到深孔镗刀在y o z 平面内的力 学模型。 令如为y o z 平面内的切削合力，则：瓦= 丘+ 丘；凡为导向块b 在y o z 平面内 的合力，则：丘= 霄。+ 五；f 2 为导向块c7 左y o z 平面内的合力，则：丘= 霄：+ 五；设 驱动力矩为m p 。 根据摩擦力与正压力的关系可得：，1 = 斛。，厂2 = 斛：。 从静力学观点看，如果刀具上作用力的合力总保持为零，那么刀具切削部位就总处 于平衡状态。 i ， 西安石油大学硕士学位论文 根据力矩平衡可求出驱动力矩： m p r 【c + 肛( 1 + 2 ) 】- 0 得： m p = r 【只+ ( 1 + 2 ) 】 根据力平衡条件元+ 丘+ 丘= o 可得： f p z c o s a + f l c o s ( a b + 冗一t 0 + f 2 c o s ( a c + 冗一0 、= 0 f # z s i na + f 1 s i n ( a b + 冗一t 0 + f 2 s i n ( a c + 氕一p ) = 0 联立式( 2 _ 1 1 ) 和式( 2 _ 1 2 ) 可得： e ：f y zs i n ( a c - a - f 1 )1 s i n ( a c 一口口) ( 2 9 ) ( 2 一1 0 ) ( 2 - 一1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 _ 一1 3 ) 只。f y ：s i n ( ) - a b + f 1 )( 2 1 4 ) s i n ( a c a b ) 式( 2 1 3 ) 和( 2 _ 1 4 ) 是导向块上作用力的计算公式，为优化导向块的位置角度 提供了依据。 2 4 2 深孔镗刀的动力学分析 一 z j l f 厂 、卜2 c 一。 fz1 2 必一多 手口以彳 图2 _ 6 深孔镗刀动力学分析示意图 图2 _ 6 为深孔镗刀动力学分析示意图。切削力系统包括，刀刃a 点的力和两个导 向块b 和c 点的力。切削力系统在圆周方向受力平衡，所以刀具受到的自激力于( f ) 可 以写成： 厂o ) = 民+ 互+ 易 ( 2 _ 1 5 ) 1 4 第二章深孔镗削分析 通常，切削力的大小与切削层的面积有关，或者说当迸给量为定值时，与背吃刀量 有关。当这种非线性切削力直接作为对镗杆的激振力时，很难讨论它对系统的影响，在 此，从实际的切削力出发，将其分解为谐和函数。马丁和r a h m a n 第一次把这力当作傅 立叶级数n5 j 。基于相同的思想，刀刃的切削力和导向块所受的力可用谐和函数表示如下： & = 半+ 习口州c o s ( t o o ) 帆s i n ( m a ) l ( 2 _ 1 6 ) e = 等+ 卦口柚c o s 朋( 0 + a s ) “s i n m ( 0 + a b ) ( 2 _ 1 7 ) 疋= 等+ 芝【口。cc o s m ( o + 口c ) 柏。cs i n m ( o + 口c ) 】 ( 2 _ 1 8 ) o m 暑1 式中m 谐波数目； a o 一、口o b 、以o c 、口利、口柚、口。c 、6 和、k c 傅立叶系数； 卜时间，s ； 口工件旋转角度，0 = t o t ，度。 工件的旋转角速度，r a d s 。 由式( 2 _ 1 6 ) ( 2 _ 1 8 ) ，力、t 、厂1 、n 1 、厂2 、n ：根据谐和函数可表示为： = 等+ 窆【口剃c o sm 纠(2-19) c = p 蒯s i n ( m 0 ) ( 2 _ 2 0 ) ，1 = 警+ 卦口棚c o s 胁( 0 + c t b ) 】 ( 卜2 1 ) n = p 柚s i n m ( o + 口口) 】 ( 2 _ 2 2 ：等+ 舢。cc o s m ( 0 + a c ) 】( 2 - - 2 3 ) ，2 = 罗p 。cs i n m ( o + a c ) 】 ( 2 - 2 4 g y - a 在任意两切削刃之间的中间位置对式( 2 _ 1 9 ) 一( 卜2 4 ) 求积分，傅立叶系数口州、口柚、 a 。c 、6 蒯、6 柚和k c 可获得： 口州= 撬麓伪c o s 明日= 笔【s i n 朋( 争+ s i n m ( 塑) 】 ( 卜2 5 ) = i 彬( h 帆1 2 删n 排m f 石2 c o s m ( 等产) 一m e ) 】 ( h 6 ) 1 5 西安石油大学硕士学位论文 口柚：三广? 2 le o s m ( o + c t b ) d a ：直【s 砌( 半) “n 小净) 】( 2 _ 2 7 ) t t j a a 2m 氕己己 = l 槲( a 2 川， s i n 批m n 刀l c o s 胁掣) 一胁( = 三联2 ：( 1 9 + a c 瑚= 篆陋n 肌掣字) - s i n m c k c = 三膨2 倒n 胁( 0 + c t c ) 批丧小p 笋 ( 2 - 一2 8 ) ( 2 2 9 ) ) - c o s m ( 堑学) 】 ( 2 _ 3 0 ) 式( 2 _ 1 9 ) 、( 2 _ 2 1 ) 、( 2 2 3 ) 的常数可通过将式( 2 2 5 ) 、( 2 _ 2 8 ) 、 ( 2 2 9 ) 中的m =