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内排屑深孔振动钻削系统的设计
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3219 内排屑深孔振动钻削系统的设计,3219,内排屑深孔振动钻削系统的设计,内排屑深孔,振动,系统,设计
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内排屑深孔振动钻削系统的设计王明阳1 廖结安2（塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300）（塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300）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，而且捧屑困难、工艺系统刚性差，切削效果不理想。本课题对深孔振动钻削的断屑机理进行分析，并分析了实现可靠几何断屑的条件和影响力学断屑的因素；对振动参数的选取进行了分析，在理论分析的基础上，结合实际，提出振动钻削参数选取原则；以现有理论为基础，利用了现有的频率、振幅可调的机械式双偏心轮振动发生器和DF负压抽屑系统进行了组合；并对DF内排屑负压抽屑装置的油路系统进行了改进；利用现有的深孔振动钻削系统的新型小直径内排屑深孔钻头，组合设计出了具有振动断屑负压内排屑功能的新型深孔加工系统。关键词 振动切削；偏心凸轮结构；振动模型；稳定性；参数选择中图分类号：TH162 文献标识码：AScraps discharge in deep hole vibration drilling system designWangMingYang1 LiaoJieAn2(tarim university machinery electrification engineering institute, xinjiang alar 843300)(tarim university machinery electrification engineering institute, xinjiang alar 843300)Abstract the mechanical manufacturing is the pillar of the national economy, in cutting processing, hole machining processing accounts for about one third of the total, and the deep hole processing and accounts for forty percent of the hole processing. Because of the deep hole is closed or close partly in the condition, and therefore can not be directly observed the cutting tool, heat cutting yi not scattered, and holds the crumbs difficulties, process system rigidity is poor, cutting the effect is not ideal. Deep hole for vibration drilling broken flocks mechanism analysis, and analyzes the geometric broken scurf realize reliable conditions and the influencing factors of mechanical broken flocks; The parameter selection of vibration analysis, on the basis of theoretical analysis, combined with the actual situation, the author puts forward vibration drilling parameters selection principle; For existing theory as a foundation, use the existing frequency, amplitude adjustable eccentric mechanical vibration generator and DF double negative pressure smoke flocks system combination; And the DF scraps discharge smoke crumbs in negative pressure device improved oil system; Use of the existing deep hole drilling system vibration new small diameter scraps discharge in deep hole drill bits, a combination of design went out to have broken flocks negative pressure vibration scraps discharge of the new function in the deep hole processing system.Key words the vibration cutting; Eccentric CAM structure; Vibration model; Stability; Parameter selection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。本课题在研究轴向振动钻削机理的基础上，分析了轴向振动钻削断屑完全几何断屑机理，提出了轴向振动钻削参数选择原则。用双偏心凸轮机构作为振动钻削系统发生器使产生的轴向振动和钻头的进给运动复合在一起，使得振动频率调节实现无级调节。1 振动切削断屑的必要条件 （a） （b） （c）图1 切屑形状图韧性材料不断屑之原因在于切削是有一个匀速的进给运动，致使断屑厚薄均匀一致如图1（a），如果给一变化的运动，到切屑两侧出现波浪形，如图1（b）中因波形在两侧面之频率振幅相位点会一致，切屑厚度没有变化，因而也不会实现完全断屑，在图1（c）中虽然切屑两侧腰形在频率和振幅是相同的，切屑厚度且形成周期性变化。当选择好合理的振幅可以使，这是完全断屑的必要条件。2 双偏心凸轮式振动发生器振动方程 图2 偏心结构（） 图3 偏心结构（）图2是偏心凸轮结构，该位置凸轮转角，从动位移。图3凸轮转过，从动件位移，令v是凸轮每秒钟转速，则，则偏心凸轮式振动发生器的振动方程是： （1）这样A是振动方程之振幅，v是振动频率。这种振动发生器的优点是振动方程能精确地反映机构的振动情况，而有些振动发生器由于机构上的原因近似地符合正弦波曲线从而按正弦波推出来的一些振动方面的结论，也只能近似地符合发生器振动情况。3 振幅可调振动钻削装置的理论分析 (a) (b) (c)图4振动装置工作情形图如图4中，中心轴圆心为,偏心套1外圆圆心为，偏心套2外圆圆心为，由于偏心套1和中心轴为紧配合，偏心套1和回转中心就是，偏心套2绕偏心轮1转动时，实际是绕转动，那么整体形成的偏心距就是到的距离。设偏心套1与偏心套 2的偏心距都为e，与的夹角为。 如图4（a）所示：振幅=两个极限位置：当时，和重合。如图4（b）所示：振幅=当时，和成直线。如4（c）所示：振幅=这样只要调节的值就能调节振幅，而偏心套1和偏心套2为松配合，可以方便调节的值，而可调最大振幅为2e，可调最小振幅为0e取0.25mm，可调振幅范围00.5mm。由上所知，振幅随两偏心套间的转过的角度而变化，如图5所示图5 振幅随转角变化曲线当e=0.25mm由表1可得到所需振幅：表1 e=0.25时部分振幅表 （mm）角度振幅角度振幅角度振幅00.000210.091420.17930.013240.104450.191 60.026270.117480.20390.039300.129510.212120.052330.142540.227150.065360.155570.239180.078390.167600.2504 影响深孔振动钻削稳定性的轴向振动和扭转振动 假设轴向力，扭矩和主切削力随轴向切削厚度而线性变化，实际上对于不完全几何断屑，瞬时进给量安按正弦规律变化时，钻削扭矩和主切削力也是按正弦规律变化的，轴向力的变化近似于正弦规律。所以，假设所有的激振力都是时间t的正弦函数，各激振力，扭矩的变化和切削厚度的变化之间没有相位差。为研究轴向振动，建立图6所示的模型，刀柄处的振动为，图6中为钻头的瞬时位移，为钻头的质量。图6 轴向振动模型当m=2时得瞬时轴向进给量为 （2）由于进给量的变化而产生的瞬时轴向力为 （3）式中 -激振力的力幅 - 相邻两转刀刃轨迹波形间的相位差。故，可得出动力学方程 （4）式中 -钻头的瞬时位移； -钻头的瞬时加速度； -系统的弹性系数； -系统的固有频率， -激振力频率； -模型的质量。解方程可得： （5）其中，是由轴向切削力周期性变化而引起的；是由刀柄的振动引起的。令 ， 一般即 （6）其中 （7）其中 -振动钻削时钻头的振幅。可以看出：当，时， （8）总体分析：当时，钻头的轴向激振力的幅值最大，所受冲击最大；当时，钻头轴向激振力的幅值最小，所受振动冲击最小；当时，钻头振幅将无限大，即系统达到共振，要设法避开；刀柄的振幅越大，钻头的振幅越大。5 影响深孔振动钻削稳定性的横向振动和弯曲振动（一）横向振动 由于径向力以及主切削力的周期性变化，使得压向块的合力及导向套上的支反力也周期性变化。导向块在轴向位置上滞后于切削刃，这样主切削力与导向块所受的支反力形成一力偶（见图7），也随瞬时轴向切削厚度周期性的变化。又由于导向块的倒锥量，导向块后部与孔壁间存在间隙，使得周期变化的力偶引起钻杆产生横向振动。导向块与主切削刃轴向距离很小，产生的力偶也很小，所以横向振动一般不是很严重，但是如果振动频率接近横向振动的固有频率就会发生共振，这是应该避免的。图7 钻头受到周期性的力偶 图8 轴向力不过钻头轴心（二）钻杆的弯曲振动一方面，由于周期性力偶的存在，必然会使钻杆发生弯曲振动；另一方面，当采用了单刃刀具时，切削时轴向力的合力不是作用在钻头中心（如图8），偏置的轴向力必然引起钻杆的弯曲，由于轴向力的周期性变化，同时也会引起钻杆的弯曲振动。钻杆的弯曲振动是这两种振动的合成。当振动频率接近系统的固有频率时，同样产生共振，也应该避免。6 振幅损失 振幅对断屑和控制断屑尺寸有很重要的作用，从振动装置传递出的振幅值A到达切削刃时，由于工艺系统本身固有的缺陷，必然产生损失，这种损失给人为控制振动钻削加工过程带来了极大的困难。在低频轴向振动钻削加工的凸轮-钻杆（刀具）-工件系统中，影响振幅损失因数主要有三种：（1）凸轮高速旋转时，从动件的惯性力较大，整个机构会发生弹性变形，使得钻杆工作端的实际位移小于凸轮机构预设的振幅值；（2）由于钻杆刚性较差，钻杆受压后发生弯曲变形；（3）工件收到周期性的冲击后，会产生振动响应，出现一定振幅的振动，该振动与激振存在相位差，产生振幅损失。在小直径深孔振动钻削中，当工艺系统各部分都可靠连接的情况下，振幅损失主要是由钻杆的刚性不足引起的。在如图4-7所示的模型中，振幅的损失率 （9）当，时，达到最小，振幅损失最小；当，时，达到最大，振幅损失最大。通过以上分析可以得出减小振幅损失的途径有：（1）在保证断屑的前提下，减小相位差。（2）适当加大振幅A，但不能太大，否则增大会使钻头承受的周期切削力幅值太大，冲击增大，影响钻头寿命。（3）增大弹性系数K，即增大钻杆的刚度。7 深孔振动钻削的工艺参数选取原则 振动钻削工艺参数包括振动参数（振幅A，振动频率V）和切削参数（机床转速n，进给量f）两部分，该参数对小直径深孔钻削至关重要。因此，选取振动参数时必须根据加工情况，仔细分析，综合考虑各项因数选择。（1） 进给量f的选取原则根据被加工材料的材质，孔的直径和加工精度要求，考虑与振幅A的匹配以及机床的实际情况，选取适当的值。（2） 转速n的选取原则转速直接影响切削速度，小直径孔钻削时，由于孔径小，切削速度不会很高，所以根据材质，考虑加工效率，初步确定转速范围，一般转速可以取较大的值，同时要考虑频转比。（3） 振动频率V的选取原则选取振动频率V时，应首先使加工过程稳定良好，使用中，在保证断屑和考虑排屑空间对切屑尺寸的制约作用的基础上，选取较低的V值，这样加工过程中稳定性更好一些，同时适合长度的切屑对加工质量的提高也有利。（4） 振幅A的选取原则一般来说，加工中的振幅越大，钻头所受的冲击也就越大，使钻头的磨损加快。所以选择A值时，在满足断屑的情况下，选较小值，以减小切削力的波动，避免出现强烈振动而影响加工质量。同时配合i的取值，确保最小瞬时实际进给量不要过小，一般实际中。对于小直径深孔钻削，要考虑振幅损失，给定的值可以取得较大。8 总结 本课题针对小直径深孔钻削
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