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西安理工大学2009届机械设计制造及其自动化毕业设计（论文）文献综述大型BTA深孔钻镗床主传动系统分析与设计文 献 综 述1. 前言BTA深孔钻是内排屑深孔钻的一种典型结构，它是在单刃内排屑深孔钻的基础上改进而成，其切削刃呈双面错齿状，切屑从双面切下，并经双面排屑孔进入钻杆排出孔外。BTA深孔钻切削力分布均匀，分屑、断屑性能好，钻削平稳可靠，钻削出的深孔直线性好1。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，深孔加工主要是在国防军工生产部门运用，用来加工枪管和炮管。随着技术的进步和工业的发展，深孔加工的应用越来越广泛，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、木材加工设备等等制造部门都应用，从而成为普遍采用的一种工艺方法，且占有越来越重要的地位。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，约占整个加工工作量的1/4，而深孔加工又在孔加工中占有很大的比例，所以深孔加工问题是否解决好，将会直接影响机械产品的生产进度和产品质量。 然而，在深孔加工过程中，切屑成形的不利条件，排屑的问题，刀杆的低刚度问题，刀杆的特殊设计以及无法直接观察到刀具的切削情况等都使得深孔加工非常复杂。因此，国内外的研究人员对深孔加工的加工方法、理论基础等等方面进行了大量的研究，取得了众多的重要成果，特别是在排屑等方面都有一定的或是相对较好的解决办法，但是在其影响加工质量重要要求即孔的偏移量这一问题上遇到了瓶颈。目前，在深孔加工方式中，BTA深孔加工因其加工范围广，同时具有良好的加工质量和稳定的加工性能，已成为深孔加工中普遍采用的一种深孔加工技术。本次设计正是对BTA深孔钻镗床进行分析研究，并设计其授油器系统和床身结构，从而达到对深孔加工这一技术领域的学习和研究的目的。制造业是传统工业，它的发展关系到国民经济命脉，具有举足轻重的作用。我国已经或者正在成为“世界工厂”，制造业是“工业之母”，而我国的装备制造业只占制造业总产值的26.46%，比发达国家低10个百分点。作为一个制造业大国，2001年我国却进口了价值1100亿美元的装备，占进口总值的48%。机械行业2006和2007年均保持在30以上的增长速度，已经成为了工业利润的主要贡献者之一。深孔加工是制造业中十分关键的一门技术，成为制造业中难度高而投入产出比大的领域。特别是今天，机械工业面临多品种、小批量、新型工程材料以及愈来愈高的精度要求，深孔加工愈发成为重点，探索其加工的有效方法，具有重大意义，BTA方式改善了深孔加工的条件，提高了加工效率、加工精度、孔的表面质量，解决了许多加工的问题。BTA深孔钻镗床使得深孔加工技术更加丰富，且提高了加工质量，基本满足了工业中的某些生产的需要，也是目前一种比较先进的深孔加工方法。深孔加工在切削领域占有很重要的地位。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2。大型BTA深孔钻镗床的设计具有十分重要的现实意义。2. 深孔钻削发展简况及深孔振动钻削的进展2.1 国内外深孔钻削发展简况深孔钻削加工技术是18世纪后期，由于制造的枪管和炮管要求有较精密的孔，由早期的枪匠们发展起来的。开始人们发明的是扁钻进行加工。到1860 年美国发明了麻花钻，在钻孔领域中迈出了重要的一部.尽管麻花钻还有一些缺点，例如，当深度超过排屑槽长度时麻花钻头需要多次从孔中抽出进行多次的润滑和排屑;还有麻花钻的抗扭矩性能是有限的，因此进入孔的速度低.最重要的是扁钻和麻花钻不能连续排屑、冷却和润滑，钻头自导性差，走偏严重，工件报废率大而工效极低3。1903年，高速钢枪钻开始用于枪炮管制造，开创了现代化深孔加工技术的新世纪。其突破性体现在：（1）实现了长径比超过40以上的超长深孔(2-50)的加工，并可以连续钻孔和冷却润滑。(2)开创了单边刃钻孔刀具在自导向条件下从实体材料上加工出形位尺寸精度都很高的深孔。这种自导单边刃切削钻头成为了现代深孔加工刀具的鼻祖。二战后 ，为了在国际上交换以德国海勒公司和瑞典卡尔斯德特公司的经验为主的孔加工情报，成立了一个以德、瑞典、英、法国为主要参加国的国际孔加工协会(Boring and Trepanning ASsociation)，推出了一种具有单边刃、自导向钻头和高压切削液的内排屑深孔钻，称为BTA钻或称为Beisner内排屑深孔钻。它能够自动地排屑冷却、润滑又有单边刃自导向功能，属于外进油内排屑。它可以加工18以上的孔，并且理论上孔径越大采用BTA钻效果越明显，所以它对于只能加工35以下孔的枪钻是很好的补充4。另外，值得一提的是在20世纪20年代出现了WC-CO和WC-TiC-CO类硬质合金，枪钻应用了硬质合金后切速比原来提高了35倍，加工精度等于用高速钢钻一次加铰一次，成为二十世纪无可替代的先进技术，是当时小口径(20以下)深孔加工的唯一有效途径。经过几十年的生产实践，BAT法(内排屑加工法)已经形成一套较完整的加工系统，钻头的发展也己经基本定型。瑞典Sandvik公司把直径3毫米以上的深孔钻全面系列化，列为该公司的定型产品，使BTA法有了新的发展。Sandvik公司推出的18.465的BTA钻采用单边刃或双边刃、双出屑口结构。65以上BTA钻头采用多刃、双出屑口、机夹结构。目前，山东普利森集团公司的T2150 T2250A 深孔钻镗床是在老牌成熟产品T2250深孔钻镗床的基础上开发研制的新一代深孔钻镗床产品。根据工件的长短，该产品选用两种加工工件艺：短工件采用授油器授油并液压顶紧；长工件采用由镗杆尾部授油，四爪卡盘夹紧。授油器采用创新的主轴式结构形式，承重性能有很大提高，旋转精度更高。床身导轨采用适宜深孔加工机床的双矩形导轨，承载能力大，导向精度好；导轨经过了淬火处理，耐磨性较高。适用于机床制造、机车、船舶、煤机、液压、动力机械、风动机械等行业的镗削、滚压加工，使工件粗糙度达0.4-0.8m。T2110A深孔钻镗床是专门加工深孔类工件的设备，主要用于采用BTA方式加工小直径深孔零件，不但可以钻孔、镗孔，还可以进行滚压加工。工件的顶紧和授油器的夹紧易采用液压控制，安全可靠、操作方便。适用于各种液压油缸、主轴孔、汽缸孔、冷却孔的加工。该机床还可以配备钻杆箱，以适应不同的加工工艺要求。普利森集团公司的TGK20 TGK35 数控深孔钻镗床适用各种液压油缸、汽缸等精密管件的钻、镗和滚压加工，特别适用于对带有台阶孔的工件精加工。其加工孔径精度可达IT7IT9级，表面粗糙度可达到Ra0.2-0.4m。 该机床床体采用钢板焊接结构，刚性好，承载能力大；两条平导轨上安装有滚动直线导轨，运动精度高，耐磨性好；床体兼作冷却油箱，可增强床体的稳定性，减少震动。配备德国SIEMENS 802D数控系统（或用户指定）。主轴箱采用交流主轴电机，两档无级调速，主轴轴承采用高精度FAG轴承，主轴刚性好，回转精度高。进给箱采用交流伺服电机，无级调速，配备高精度的滚珠丝杠。采用台湾液压元件（或用户指定），性能稳定可靠。该机床采用主轴排屑，配有自动排屑装置，防漏性能好；可配高效率的自动扩缩组合刀具，是一种高精度、高效率的深孔加工理想设备。 振动切削是在刀具（工具）或工作上附加一个或多个不同方向的低频、中频或超声振动，使传统封闭切削区加工变成切削区周期性打开的间断、瞬间、往复的断续切削过程。振动切削的核心技术是振动器、振动电源和振动切削工艺。振动频率横跨0-40KHZ，振动振幅从零至数毫米（扭转振动时为零度到几十度）。振动轨迹有直线振动、扭转振动、弯曲振动、椭圆振动及它们的复合振动，振动激励方式有机械式等。这是一种比较先进的深孔加工方法，有许多优点。振动钻削是振动切削的一个分支，它与普通钻削的区别在于钻孔过程中通过振动装置使钻头与工件之间产生可控的相对运动。振动方式主要有三种，即轴向振动(振动方向与钻头轴线方向相同)、扭转振动(振动方向与钻头旋转方向相同)和复合振动(轴向振动与扭转振动迭加)。其中，轴向振动易于实现，工艺效果良好，在振动钻削中占主导地位。振动的激励方式主要有超声波振动、机械振动、液压振动和电磁振动。其中，超声波振动的频率通常在16kHz以上，所以也称为高频振动钻削;其它三种振动方式的频率一般为几百赫兹，故称为低频振动钻削。振动钻削改变了传统钻削的切削机理。在振动钻削过程中，当主切削刃与工件不分离(不分离型振动钻削)时，切削速度、切削方向等参数产生周期性变化:当主切削刃与工件时切时离(分离型振动钻削)时，切削过程变成脉冲式的断续切削。当振动参数(振动频率和振幅)、进给量、主轴转速等选择合理时，可明显提高钻入定位精度及孔的尺寸精度、圆度和表面质量，减小出口毛刺，降低切削力和切削温度，延长钻头寿命。2.2 深孔振动钻削研究的进展1907年代中期，在人们发现振功钻削具有的一些优良工艺效果之后，为寻求科学的支持，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30多年来，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5。20世纪50年代，日本的限部淳一郎教授提出的了振动切削理论，并在不同的加工领域进行了应用，取得了良好的加工效果。在深孔加工领域，引入了振动切削理论之后，成功的解决了断屑和切屑处理问题，同时通过工艺参数的合理匹配，其加工精度和表面质量均有明显改善。深孔振动加工就是在钻削加工过程中，对刀具施加一个轴向的振动，使刀具周期性地与切屑分离以达到断屑的目的。如果振动参数和切削参数选择合适，在一定范围内，就可按照预定的要求控制切屑的大小，达到稳定可靠地断屑和排屑，极大地改善加工条件6。限部淳一郎教授在他的著作精密加工振动切削基础及应用中，率先提出了超声波振动钻削的“钻头刚性化效果”理论7。之后，美国学者W.Hansen又对低频振动钻削进行了研究，提出了低频振动钻削的概念和方法，研制了安装在自动车床上的用凸轮控制的机械式轴向振动钻削装置并进行了实验研究，发现低频振动钻削能够减少钻头烧伤，提高钻头寿命，加快排屑过程以及提高孔的位置精度8。 1973年，前苏联鲍曼工学院的V.N.Poduraev通过实验研究提出了振动钻削的冲击理论，认为振动钻削时钻头横刃的冲击作用能明显改善横刃的切削条件，并运用了弹塑性理论对振动钻削的动力学机理进行了分析论证9。钻削时若能使ft0，则可以实现断屑，能否断屑与fr、A和Wf有关，若选择的Wf使刀刃相邻运动轨迹波形相位差为零，则相邻运动轨迹的轴向距离相等，进给方向的切削厚度ft不变，此时无论fr和A取何值，都不能实现断屑。同时，他还认为在振动钻削过程中刀具的工作角度是周期性变化的，并给出了主切削刃的动态前角计算公式10。1982年，薛万夫教授对用枪钻振动钻削时刀刃相邻运动轨迹波形进行了理论分析和计算，得出了保证断屑的条件，进一步丰富了足立胜重的振动断屑理论。同时，他在实验研究的基础上，进一步提出了振动钻削的动态角度理论，指出主切削刃的前角和后角在钻削过程中是动态变化的，并给出了实际动态后角Q的计算公式和计算图。在后续的研究工作中，动态后角的提出给加工塑性金属时可以改善刀具与工件的摩擦条件提供了理论依据11。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1217。首先，在研究振动与毛刺的关联性和切屑形成过程时指出，当采用较大振幅振动钻削一些软金属时会出现零相位差振动断屑现象，理由是根据动态角度理论，振幅较大时会产生负后角，这时后刀面挤压已加工表面，破坏了刀刃形成的等距离波形表面，使得刀刃运动轨迹在零相位差时能够穿越被后刀面挤压形成的表面，实现零相位差振动断屑。同时，通过分析计算还进一步指出，零相位差振动钻削时随着振幅的增大，切屑由不断屑到局部断屑，最后到整体断屑，分别产生带状切屑、锯齿形切屑和针状单元切屑等多种切屑形态。这一研究成果无疑弥补了足立胜重从运动学角度对振动钻削分析时得出的零相位差不能断屑的缺陷和不足，使振动断屑理论进一步完善化。其次，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-偏移一退回一恢复一重新钻入”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。此后，张德远博士从几何学角度对倾斜表面上超声波振动钻削时钻头横刃的入钻特性进行了理论分析，指出横刃在每一振动周期中有两种过程:一是瞬时切削产生小于普通钻削时的横向偏移，并给出了横向偏移的理论公式;二是在空切时使偏移恢复到零，这种减小偏移的能力和使偏移恢复的能力决定了超声波振动钻削具有精密入钻特性。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振幅之间的关系，给出了两者的关系曲线。由于振动钻削具有特殊的工艺效果，从80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节，有待于进一步发展和完善18。3. BTA系统的特点及应用深孔加工按照冷却、排屑装置分类，现在仍沿用的有4类：枪钻系统、BTA系统、喷吸钻系统和DF系统。它们各有特点，合理选择，比较枪钻系统与BTA系统的特点如下： （1）枪钻系统采用钻杆内部通入高压切削的方式进行润滑、冷却，并将切屑从孔内壁与刀杆V形槽之间排出。其缺点是：外排屑方式，容易擦伤已加工表面；采用V形槽，降低了刀杆刚度，导致低生产率。 （2）BTA系统克服了枪钻系统的缺点，为内排屑方式，切屑随切削液从钻杆内部推出。参考文献1 傅作义. BTA深孔钻的合理使用J. 工具技术，2003,37(2):55-56.2 石建军. 孔的切削加工的研究D. 西安:西安交通大学,2001, 3-25.3 薛万夫. 振动深孔加工技术J. 机械工艺师, 1992, (12): 56-59.4 白万民，徐国柱，白振平. 深孔钻销时的力学特性分析J. 工具技术，2000,(6)：19-21.5 Sitenvish. InsideTips on Gundrill GeometryJ. Tolling & Production, March 1985, 33-35.6 State Eaet. Vibratory Drilling of Holes in Stainless and Heat Resisting SteelsJ . Russ