（机械制造及其自动化专业论文）小直径深孔钻削技术的研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 小直径深孔钻削技术的研究 机械制造及其自 王天琦( 签名) 刘战锋( 签名)崩懈 摘要 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。由于小直径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，特别是曲8 r a m 以下，长径比大于1 0 ，i t 7 以上的精密小直径深孔的加 工，是目前国内外的技术难题。 本课题在对枪钻系统和d f 负压抽屑机理进行深入研究的基础上，设计制造了小直 径枪钻d f 系统及小直径深孔钻削监测装置，并利用该系统对几种材料( 如4 0 c r ， 1 c r l 8 n i 9 t i ) 进行了小直径深孔钻削试验，并对实验过程进行实时检测，试验孔径 庐4 m m 、q 5 5 m m 、咖7 m m 和咖8 m m ，长度3 0 0i t l m 左右，试验结果证明该系统钻削效果 良好，工艺可靠。同时，还对产生良好工艺效果的原因进行了综合分析，得出切削力和 扭矩变化规律，推导出枪钻钻削时切削力和扭矩的经验公式。 关键词：小直径深孔加工；断屑；负压抽屑；枪钻 论文类型：应用研究 英文摘要 s u b j e c t ：as t u d yo fs m a l ld i a m e t e rd e e p h o l ed r i l l i n gt e c h n o l o g 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 da u t o m a t i o n n a m e ： w a n gt i a n q i ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：l i uz h a n f e n g ( s i g n a t u r e a b s t r a c t m a c h i n eb u i l d i n gi st h eb a c k b o n eo ft h en a t i o n a le c o n o m y h o l ed r i l l i n gi sa b o u to n e t h i r do ft h et o t a la m o u n to fm a c h i n i n g ，a n dd e e p - h o l ed r i l l i n ga c c o u n tf o ra b o u tf o r t yp e r c e n t o fh o l ed r i l l i n g b e c a u s ed e e p - h o l ei sd r i l l e di nc l o s e do rh a l f - c l o s e dp o s i t i o n ，t h ec o n d i t i o n o fc u t t e rc a nn o tb eo b s e r v e dd i r e c t l y t h er i g i d i t yo fm a n u f a c t u r i n go r g a n i z a t i o ni sl o w ，t h e s c a t t e r a t i o no ft h ec u t t i n gh e a ti sn o te a s y t h ec h i pd i s p o s a li sd i f f i c u l ta n dc u t t i n ge f f e c ti s l o w e s p e c i a l l y ，s m a l l - d i a m e t e rd e e p - h o l ed r i l l i n g ，i nw h i c ht h ed i a m e t e ro fah o l ei ss m a l l e r t h e nq 5 8 r a ma n dt h el j d i o ( 1 e n g t h d i a m e t e r ) ，i sad i f f i c u l tp r o b l e mt h r o u g hw o r l d o nt h eb a s i so fs t u d yo nt h em e c h a n i s mo fg u n d r i l l d r i l l i n gs y s t e ma n dd f ( d o u b l e f e e d e r ) s u c t i o nc h i pr e m o v a l ，ad r i l l i n gs y s t e mc o m b i n e dw i t hd fs y s t e ma n dg u n d r i l la t s m a l l d i a m e t e rd e e p - h o l ed r i l l i n gi sd e s i g n e d i na d d i t i o n ，t h em o n i t o r i n gd r i v ei sd e s i g n e d a n dm a n u f a c t u r e d d r i l l i n ge x p e r i m e n t so ns e v e r a ld i f f i c u l t t o c u tm a t e r i a l ss u c ha s4 0 c ra n d 1 c r l 8 n i 9 t ih a v eb ed o n eu s i n gt h es m a l l d i a m e t e rg u n d r i l l d fd r i l l i n ga n dm o n i t o rs y s t e m t h ed i a m e t e ro ft h eh o l ea r e 西4 ，庐5 ，4 ) 7 a n d 咖8m m ，t h el e n g t hi sa b o u t3 0 0 m m t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ed r i l l i n ge f f e c t sa r eg o o da n dt h et e c h n o l o g yi sr e l i a b l e k e y w o r d s ：s m a l l - d i a m e t e r ；d e e p - h o l em a c h i n i n g ；c h i pb r e a k i n g ；s u c t i o nc h i pr e m o v a l ； g u n d r i i i t h e s i s ：f u n d a m e n ts t u d y 主要符号表 主要符号表 z l ，z i 】 i ，1 1 截面处的比位能r ，r导向块1 ，2 上的轴向摩擦力 墨，鼻。 i ，i i 截面处的平均压力 占，6 1 导向块1 ，2 的位置角 1 ，。，v 。i ，i i 截面处的平均流速乩 前锥7 l 径水力学直径 a l ，d l 】 i ，l i 截面处的动能修正系数d # ”钻杆内径水力学直径 冷却液密度 拾程能量损失 负压装置前锥直径 钴杆外径 钴杆内径 n n 截面液流面积 6 一b 截面液流面积 枪钻钻杆长度 钻尖到射流喷嘴口的距离 射流通道流量 动量修正系数 射流喷嘴环形通道间隙 射流喷嘴喷射角 径向合力( y 方向) 枪钻v 型榷圆心角度( 第三章) ，x总轴向力 背吃刀量 进给量 工件旋转速度 钻头公称半径 v c c m 切向合力( z 方向) 轴向力( x 方向) 总扭矩 ， l e i ， 6 9 p d a a n 口 r h 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内容以外，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捌料。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： 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。 论文作者签名 导师签名 日期：b 。g s ，l f 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 研究小直径深孔钻削的意义 在机械制造中，通常用“长径比”( 即孔深与孔径之比值) 描述孔的深度特征。长径比 大于5 的孔称为深孔，一般要求采用特殊的孔加工工具、技术和装备来实现。 孔加工是机械加工中所占比例较大的一种重要的加工方法，约占整个机械加工工作 量的1 4 ，而深孔加工又在孔加工中占有很大比例。深孔加工技术最初是在国防军工生产 部门运用，用来加工枪管和炮筒。随着技术的进步，工业的发展，深孔产品应用越来越 广泛，几乎在所有机器制造部门，如石油化工机械、航空工业、造船、冶金、发电设备、 橡胶机械，木材加工设备等都有应用。现在，所有产品都朝小型化发展，而朝越来越小 的零件发展的趋势影响到了工业产品，小规格液压元件，微型泵和传感器、喷嘴以及激 光元件等都是这种发展的典型实例，所有这些小元件的制造都需要小尺寸刀具。尤其是 咖1 0 m m 以下，长径比大于1 0 ，i t 7 以上的精密小直径深孔的加工，至今仍比较困难， 且孔径愈小愈深，加工难度就愈大。所以，小直径深孔钻削技术的发展显得尤为重要。 由于小直径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1 ”。所以，小直径 深孔加工问题是否解决好，将会直接影响机器产品的生产进度和产品质量。 1 2 小直径深孔钻削刀具的发展及国内外现状 小直径深孔( 直径 咖2 0m m ) a n t 的发展经历了从传统的双刃麻花钻到单刃高速钢 枪钻到硬质合金枪钻，到2 0 世纪9 0 年代研制的s e d ( 单管内排屑喷吸钻1 、数控机床用 钻头等。 小直径深孔麻花钻由于其无需专用设备、成本低、切实用于非回转体零件的加工， 因此，得到一定的应用，国内外已研究出多种类型的小直径麻花钻，如美国的b e n d i x 公 司的抛物线槽型钻头、德国g u h r i n g 公司的g t 系列钻头、英国d o r m e r 公司的蜗杆形钻 头、德国r s t o r k 公司的v 槽型钻头、国内生产的深孔麻花钻及西安石油大学的四棱 带深孔麻花钻等，加工直径最小可以达到咖6 曲1 4 r a m “。但是，当深度超过排屑槽长 度时麻花钻钻头需要多次从孔中退出进行润滑和排屑，另外，麻花钻的抗扭矩性能有限， 进给速度低，而且加工孔可能出现螺旋形沟槽，使麻花钻的应用范围受到限制。 枪钻，因其自身的特点适用于加工小孔径零件，而且一次走刀就可以加工出高精度、 低表面粗糙度的深孔，并可取代现行的钻、扩、铰工艺口”。近几年出现的新型枪钻较多， 结构变化也大，其中突出的有双刃枪钻、断屑枪钻、振动枪钻、s p e e d b i t 枪钻及销式枪 钻 2 】。枪钻加工曲1 9 0 5 r a m咖5 0 8 0 0 m m ( 0 0 7 5 2 寸1 或更大的孔径，加工深度可达 西安石油大学硕士学位论文 3 8 1 0 m m 以上，孔加工误差一般在0 0 1 3m m 以内，特别是用于加工直径曲2 r a m 曲4 0 r a m ，长径l e d , 于1 2 5 的超深通孔或盲孔，是其他孔加工刀具所不能胜任的吼 d o u b l ef e e d e r 钻属于内排屑深孔钻，由于双抽吸作用，最d , a 1 工直径可达到曲6 r a m ， 在钻孔深度上，采取逐渐加长钻杆和适当加长导向块的办法，可以加工长径比为3 0 0 以 上的深孔，但是当钻头小于西8 m m 时，制造成本高于枪钻p 】。 s e d 钻( 单管内排屑喷吸钻) ，克服了枪钻结构不合理、力学性能差、制造困难等缺 点，它的结构工艺性完善，性能优越，易于国产化。虽然s e d 钻在小直径深孔加工中性 能大大优于枪钻，完全能够适应普通材料小直径深孔的加工，但是，在加工难加工材料 时，特别是孔径小于咖8 r a m 的难a n i 材料( 如钛合金、不锈钢等1 时，由于这些材料在加 工中产生了很大的塑性变形，刀具在切削中受到了很大的扭矩作用，容易使刀体和刀杆 在焊接部分产生断裂n 广西工学院研制出一种用于数控机床的高效深孔钻【5 】，解决了在数控机床上加工小 直径深孔( 曲 2 0 r a m ，5 l d 妒。外刃径向力过大，将使作用于导向块的挤压力增 大，摩擦热量增加，己加工表面恶化；v 。 0 。 用枪钻加工钢时的实验表明，主切削分力沿内径和外径的负荷密度基本是均匀的， 而轴向分力和径向分力的相应负荷密度，都是内刃上低，外刃上高。与麻花钻相比，其 中心部f 横刃部位) 所受的轴向力和主切削力负荷密度都要集中的多。由实验结果得出以 下几点重要结论1 刮： ( 1 ) 在a = b ，d = 口的条件下，外刃所受的径向分力总是大于内刃上的径向分力，因 而切刃所受的径向分力之和( f y ) 恒指向中心。实际上，枪钻总是取a b ，a 卢，因而f ) o ， 即切削刃在径向受力不平衡，r 指向切削刃对面的圆柱体，并使其压向己加工孔壁，由 于对面无切削刃，枪钻的圆柱面刚好起到自导作用，反而使钻头更不易走偏。 内外钻刃所受主切削分力之和( f z = e 。+ r 6 ) ，一方面形成对己加工孔( 沿只方向) 的压 力，对钻头在z 方向起稳定作用，另外又形成一个使枪钻扭转的力矩。 图3 - 4 枪钻的切削力 枪钻良好的自导向性能是其最大的优势之一，由枪钻发展出来的各种自导式深孔刀 西安石油大学硕士学位论文 具都具有这一优点。枪钻的钻尖偏向一侧，构成单刃切削，并且以钻头为分界线，形成 外切刃和内切刃，这是枪钻所独有的特点。 ( 2 ) 径向切削分力的合力隅) 与垂直切削分力的合力限) 由枪钻的导向部承受( 实际 上，枪钻可在切削刃对面和主切削力对面设置两个突出来的导条，成为实际的导向部位1 。 此二力与已加工孔壁的反力，保证了枪钻在稳定状态下工作，还使导向部位对空壁起挤 压作用，从而使孔壁表面质量有所提高。 3 5 切削力模型的建立 以枪钻钻头为研究对象。在刀刃上作用有总切削力f ，它可咀分解为切向力分量f 、 径向力分量f ，和轴向力分量f 。在导向块上作用有正压力和摩擦力，还有钻头自重、冷 却液压力，总轴向力和扭矩m 。扭矩m 主要可分解为切削扭矩m 。和导向块摩擦力扭 矩m 。钻削模型的简化如下： ( 1 ) 钻头自重和冷却液压力对钻头的受力状态影响较小，可以忽略不计： ( 2 ) 钻杆、切屑、冷却液各部分的重力和导套、中心架支撑处的反力、摩擦力均很 小，或者影响甚微，所以在钻头静力分析时一般均忽略不计； ( 3 ) 由于钻头的轴向尺寸相对于钻杆来说很小，可认为除了走刀抗力和导向块上轴 向摩擦力外，各力均作用在一个平面内； ( 4 ) 三个切削力分量和导向块上摩擦立、正压力等均由分布力简化为集中力； ( 5 ) 由于外缘副切削刃与孔壁的接触面积很小，近似为直线，因此外缘副切削刃处 的挤压力只、轴向摩擦力琏和周向摩擦力r ，可忽略不计。 x 图3 - 5 枪钻钻削受力模型 在上述简化的基础上，建立枪钻钻削模型，如图3 ，5 所示，根据力的平衡关系有如 下方程： 第三章枪钻 只= 0 t + r j + 月i 一= 0 = 0 一一r js i n ( 6 ，) 一rs i n ( 占：) + ec o s ( 6 ，) + f 2c o s ( 6 ：) = 0 只；0 只+ r ，c o s ( 8 ，) + r z c o s ( 8 ：) + es i n ( 8 ，) + fs i n ( 6 ：) = 0 m = 0 f x l + r ，+ r 2 。一m = 0 r = “e r 2 = p e 式中，只一切向合力( z 方向) ； f 一径向合力( y 方向) ； r 二总轴向力： 只轴向力( x 方向) ： 仁一总扭矩； 啊一钻头公称半径； e ，f 2 一导向块1 ，2 上的正压力； r ，r 一导向块l ，2 上的周向摩擦力； q ，r ：导向块1 ，2 上的轴向摩擦力； 反，占：一导向块1 ，2 的位置角； 一导向块与工件间的摩擦系数； l 一主切削力分量的作用力臂l = o 3 8r n ； f x ：0 5 凡瞳 3 6 小结 本章对枪钻的结构和用途、工作原理、冷却润滑和排屑、枪钻的几何要素、受力以 及使用枪钻应注意的问题作了详尽的分析。 ( 1 ) 通过对枪钻几何要素的分析，得出内、外角和钻尖偏心量直接影响着切削刃的 受力状态，外刃径向力过大，将使作用于导向块的挤压力增大，摩擦热量增加，己加工 表面恶化；内刃径向力过大，将使合力作用于副切h 0 刃上，引起较大直线度误差，使孔 径尺寸超差、表面粗糙度增加、切削韧带过早磨损；内外径向力相等或外刃径向力稍大 于内刃径向力使合力作用于导向块上防止钻头走偏。零位芯柱的存在减少了轴向力和孔 m 彩 舢 舢 d 西安石油大学硕士学位论文 轴线的偏移，给枪钻以附加的导向。 ( 2 ) 对钻削模型简化，得到枪钻所受切削力理论平衡公式。 第四章试验装置的设计与制造 第四章实验装置的设计与制造 4 1 外排屑d f 系统的设计 影响d f 系统加工效果的关键部件一是负压抽屑装置，另一是授油器。本文设计了 一套针对外排屑( 枪钻) d f 深孔钻削装置。外排屑负压抽屑装置在钻削中的主要作用有 三点： ( 1 ) 产生负压效应，将切削区的切屑和切屑液向外抽吸； ( 2 ) 在钻头切入工件前，为钻头提供导向； ( 3 ) 为钻杆提供支撑。 ( a ) 内排屑钻杆截面积 ( b ) 外排屑钻杆截面积 图4 - 1 钻杆截面图 ( a ) 内排屑钻头的进油及排屑1 ：3( b ) 枪钻的进油及排屑口 图4 - 2 进油和出油口 负压效果的好坏与很多因素有关，钻头和钻杆的进油和排屑的面积都会影响到系统 液压的高低和排屑是否通畅。如图4 - 1 ，4 - 2 所示，用黑色填充部分为两种钻头进油面积 为s 内进，s 外避，阴影部分为排屑面积为s l 懈，s 州 按钻杆计算出内外排屑面积为 s j 排和s ； 排。内外排屑s a i 争j 系统进油和排屑的面积不同，将影响到负压装置排屑通道直 径d 。的选取。 设内排屑钻头的直径为d ，钻杆外径为d 1 ，钻杆内径为d o ，壁厚为f ，外排屑( 枪 钻) 钻头直径为d ，钻杆外径为d 1 ，钻杆内径为d 。钻杆壁厚为1 ，& 9 0 “，a = 1 1 0 ”，d = d 。 西安石油大学硕士学位论文 根据国际通用设计经验公式4 - 1 4 得出： d 1 = o 9 6 d ，f + = o 1 2 d ；d ，= o 9 d ，t = o 2 2 d ( 4 - ) s 内进= 等【d2 一( o ，9 d ) 2 ；0 1 5 d 2 ( 4 - 2 ) 排= 旦3 6 0 孙4 9 d ) 2 ：0 6 4 d 2 蠡- 0 1 ( 4 - 3 ) s j 排= 三d 。2 = 三( d o 2 2 2 d ) 2 = o 2 5 d 2 = s ! 压 ( 4 - 4 ) s 外进= l 。d2 = 三f 詈1 。= o o a 。d 2 ( 4 一s ) 捧= 蠡三d 2 - 0 7 9 d 2 蠡- 0 ”矿 ( 4 - 6 ) s ；旷翥z 了d 2 _ 0 2 4 。2 = s 箍 ( 4 - 7 ) 从以上式子中可以得到以下结论： ( 1 ) 由式4 - 2 ，4 - 5 可以得到内排屑钻头的进油面积大约为枪钻进油面积的3 倍，这 是枪钻供油压力远大于内排屑的主要原因，所以在选择泵的时候，与内排屑相比外排屑 应该选择流量大而不是压力高的泵。 ( 2 ) 与内排屑j ：目l l s ；压= 1 - 3 s 鑫，所以在选择排屑通道时，为确保产生良好的负压 效果应注意前锥负压通道直径d 。= 1 1 1 5 d ，试验表明，d o 还可以取得更大一些。 根据第2 章和以上的分析，并考虑实际工艺条件，设计出新型外排屑负压抽屑装置， 如图4 - 3 所示。该结构将负压腔内嵌在授油器内，采用圆锥形喷嘴，喷射角取2 0 。，前 锥靠螺母固定，负压间隙占可以通过后锥4 上的螺母6 进行调节，调好间隙后用螺母6 锁紧。均压腔的作用是使射流通道切削油在射流前均压，保证环锥形射流束均匀，以提 高负压效应。后锥排屑通道直径d ，按d ，= d 。+ 2 6c o s 0 选取，后锥j 1 | , - 一x ，：度，o 玮3 d ， 圆整后即可。 由材料力学闭口薄壁截面杆扭转刚度变形公式4 - 8 可以得出，在同等条件下，b t a ， d f 钻杆的扭转刚度比枪钻大得多。【3 0 j rw = t s l 4 g c o2 f ts ：丁掣 ( 4 8 ) 式中，乎l 单位杆长受扭矩t 后变形角； s 一杆壁中线全长； 一杆壁中线所包容的面积； f 一钻杆壁厚； 第四章试验装置的设计与制造 g 杆材料剪切弹性模量。 但b t a 和d f 钻都采取方牙螺纹结构，其抗扭强度的薄弱点在钻杆前端和钻头尾部 a , 9 i 艺槽部位( 或方牙螺纹底径处) ，该处的实际壁厚仅及钻杆壁厚的1 3 1 4 。所以，其 实际扭转刚度和抗扭强度仅及钻杆后部的3 0 左右，比枪钻还要小得多【3 。由此可见， b t a 钻和d f 钻力学性能与枪钻相比差的多。另外，b t a 钻和喷吸钻的钻孔直径下限分 别为函1 6 8 r a m 和咖2 0 m m ，虽然d f 钻最小加工直径可达到 6 r a m ，但是，当钻头直 径小于咖8 m m 时制造成本高于枪钻，所以为了保证钻削过程中系统的整体刚度和工艺 性，以及考虑到成本，本试验的外排屑刀具采用枪钻。 根据上述分析，得到外排屑d f 钻削系统入图4 3 所示。 1 支架2 螺母3 前锥4 后锥5 密封圈6 螺母7 轴承8 钻套 图4 - 3 外排屑d f 系统 4 2 枪钻d f 系统的输油头设计 枪钴的输油头同时又是柄部与传感器相连不仅要使输油油路密封，同时要保证力和 扭矩的有效传递，柄部与输油头连接要有一定的配合，如图4 - 4 所示。 1 螺母2 枪钻夹具3 传感器4 输油头 图4 - 4 枪钻输油头 4 3 枪钻冷却、润滑系统的设计 深孔钻削过程中的冷却、润渭和排屑非常重要，本文针对d f 系统和机床的特点 西安石油大学硕士学位论文 设计了一套冷却、润滑系统，其油路如图4 5 所示。切削液2 3 从枪钻柄部流入切削区， 冷却、润滑切削区，并冲击切屑，带着切屑从钻杆v 形槽内流入负压抽屑装置后，与打 入负压腔的1 3 切削油混流后，流入油箱内的滤油装置进行回油。其中在通往负压抽屑 装置的油路上安装调速阀是为了恒定其流量，防止在钻削深度增加时导致油压增大、流 量减小，影响冷却润滑和排屑1 2 ”，通过压力表可以观察油压的大小，及时调整系统压力。 由于枪钻直径较小，所以相对进油孔较小，要求切削液必须洁净，防止杂质过多阻塞输 油孔，采用二次过滤的方式，保证切削液的洁净度。添加负压装置后，是枪钻切削液压 力可下降l 2 m p a 。 图4 - 5 冷却、润滑系统油路 4 4 测力和测扭矩的监控系统设计 4 4 1 应变式传感器的结构及安装简图 传感器的结构及安装简图如图4 - 6 所示，应变片贴在法兰结构上，此传感器的弹性 元件，经过强度校核，满足深孔钻削时的强度要求。1 为枪钻夹持端，2 为传感器，3 为 机床尾座。， 3 图4 - 6 传感器 4 4 2 应变式传感器的工作原理及优点 应变片传感器是在弹性元件上的适当位置上粘贴具有一定电阻值r 的电阻应变片 第四章试验装置的设计与制造 并将其连成电桥。切削时，弹性元件受力变形于是紧贴在弹性元件上的应变片也随之变 形，从而电桥有电压输出【2 ”。 应变片传感器最大优点就是具有较强的通用性，能适用于不同孔径的深孔钻削力和 扭矩的测量，对加工操作无任何影响，安装方便，而且机床无须作任何改动。克服了以 往测力装置笨重并需改动原机床设备的缺点。另外，该传感器是通过法兰结构直接与钻 杆夹持机构相连，传递总轴向力和扭矩，减少了附加设备对加工过程的影响。 4 4 3 传感器电阻应变片布片方式与桥路连接 采用半桥式连接，在法兰式薄壁圆筒的表面粘贴4 片电阻应变片，分别组成测量轴 向力和测量扭矩的两个回路。应变片采用的是箔式应变片。 r 1 r 2 ( a ) 应变片在圆周方向的布片方式 ( b ) 电桥连接 图4 7 应变式传感器布片与电桥连接 在实际测量中，沿轴的某断面的圆周方向对称布置应变片，并将它们接成半桥回路。 电阻应变片在圆周方向的布片方式及桥路连接如图4 。7 所示。测量扭矩时采用电阻为 1 2 0 q 的应变片两片呈4 5 度放置，应变片的布片图如图4 7 ( a ) 中所示风，r 4 。这样的 布片方式可以只测出扭矩而排除轴向力。轴向力的测量的布片方式如图4 7 ( a ) 中所示 r 】，r 2 ，感器采用半桥连接方式，电桥的输出电压【，。与应变的关系式为f 2 8 l ： u o = 世u 忙1 一s 2 ) ( 4 - 9 ) n 1 u o = u 0 3 一s 4 ) ( 4 1 0 ) 4 式中，u 一供桥电压； 西安石油大学硕士学位论文 k 一金属电阻丝的灵敏度系数； s ，! ，岛，s 。一分别为电阻应变片月，月2 ，岛，几的应变量。 在小直径深孔钻削过程中，由于钻削力的作用，薄壁圆筒将会产生变形，经电桥转 化为电压变化信号输出，输出信号由动态电阻应变仪放大，然后再输出到数字电压表和 函数记录仪，测量系统框图如图4 - 8 所示。 圈斗 图4 - 8 测量系统框图 4 4 4 传感器的静态标定 由于受每次具体测量环境的影响，在测量钻削力和扭矩之前必须要对此传感器进行 标定。此传感器的轴向力是通过测力环来标定的，为了防止枪钻钻尖受损，标定时在枪 钻前端垫铝垫片或黄铜垫片；力矩是在由已知重量的砝码组成的系统中标定的。标定系 统框图如图4 - 9 示。图4 1 0 为传感器静态标定曲线，图中的曲线为各测量离散点的连线， 直线为标定后，根据标定方程画出的线。 轴向力的标定曲线方程标定常数为：k = 0 5 4 ； 扭矩的标定曲线方程标定常数为 p 6 k 数据 采集 器 图4 - 9 应变式传感器的标定系统框图 第四章试验装置的设计与制造 ( a ) 传感器的静态扭矩标定线 4 5 数据采集及处理 ( b ) 传感器的静态力标定线 图4 - 10 传感器的静态标定标定线 4 5 1 数据采集 采用传感器电阻应变仪一p c m 6 0 0 0 数据采集器微机一体化的数据采集方式。 p c m 一6 0 0 0 数据采集器是一种使用计算机打印口向计算机传递采集数据的外挂式高 性能测试专业用a d 卡。p c m 6 0 0 0 系列a d 卡主要技术指标：1 2 1 6 b i t 精度、1 0 0 4 0 0 0 k h z 采样速率、1 6 通道、1 2 8 k 5 1 2 k 字高速数据缓存区、6 种触发方式；1 个m 厂r 法高精度、宽量程测速电路。 p c m 一6 0 0 0 系列构造特点：采用硬件自动通道扫描技术和高速数据缓存区技术，最 高采样通过率= a d 芯片标称转换频率采样通道数；相邻通道间数据不串扰；高信噪比； 可任意设置起始通道，任意确定采样通道个数；任意设置电平( 或边沿) 触发通道、触发 西安石油大学硕士学位论文 电平和预触发长度；有同时刻采样功能；既使不用同时刻采保芯片，超低速率采样时 ( 1 0 h z 以下) ，也能保证信号通道间非常小的相位差和高信噪比；1 2 8 k 字( 或5 1 2 k 字) 高速数据缓存区；1 2 位、3 3 3 k h z 以下d 卡有程控放大器：1 、2 、4 、8 倍。数据采集 时，a d d 转换数据先存入卡上的高速数据缓存区，计算机再通过打印机接口把a d d 卡上 高速数据缓存区中的采样数据读回计算机，进行分析、处理。 大规模门阵电路技术( 一万门) 和单片机管理技术。由于采用大规模门阵电路技术， a d d 卡上元件数量少，可靠性高，功耗小，尺寸小，但集成了很强的功能。使用单片机 参与管理，则进一步简化了硬件电路，强化了和计算机的通讯联络功能和扩展能力。a d d 卡和计算机的数据交换误码率非常低，传输速率较高( 3 0 0 k 字节秒左右】。a f t 3 卡上的功 能切换用软件命令实现，替代了传统的硬件跳线，简化了操作。有较强的功能扩展能力。 可以扩充用户所需的d a 、数字i o ，前端予处理功能，挂接下位单片机，构造用户希望 的附加功能，譬如，智能前端，量程的调整，滤波器截止频率的调整，等等。 路高精度、