深孔加工畢業(yè)論文

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　目錄I</b></p><p><b>　　摘要III</b></p><p>　　ABSTRACTIV</p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p>

2、<p><b>　　1.1引言1</b></p><p>　　1.2深孔加工技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.1國外深孔加工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.2國內(nèi)深孔加工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀3</p><p>　　1.3 深孔加工的特點4</p><p>　

3、　1.4課題研究的背景、意義以及發(fā)展趨勢5</p><p>　　1.5 課題的研究內(nèi)容6</p><p>　　第二章 深孔加工方法及問題分析7</p><p>　　2.1 深孔加工方法7</p><p>　　2.1.1 扁鉆7</p><p>　　2.1.2 槍鉆8</p><p>

4、　　2.1.3 BTA深孔加工系統(tǒng)9</p><p>　　2.1.4 雙管噴吸鉆系統(tǒng)10</p><p>　　2.1.5 DF(Double Feeder system)系統(tǒng)11</p><p>　　2.1.6 單管內(nèi)排屑深孔噴吸加工技術(shù)(SIED技術(shù))12</p><p>　　2.1.7 深孔擴鉆(Counterboring)技術(shù)

5、12</p><p>　　2.2 常用深孔加工方法對比分析13</p><p>　　2.3 深孔加工注意事項與問題分析14</p><p>　　2.3.1加工時應(yīng)注意的問題14</p><p>　　2.3.2深孔鉆常見問題及產(chǎn)生原因14</p><p>　　2.4深孔加工系統(tǒng)的選用15</p>

6、<p>　　2.5本章小結(jié)15</p><p>　　第三章 深孔鉆削的力學(xué)特性分析15</p><p>　　3.1深孔鉆削刀具的力學(xué)模型16</p><p>　　3.1.1 BTA內(nèi)排屑深孔鉆的力學(xué)模型16</p><p>　　3.2深孔鉆削各切削力的求解18</p><p>　　3.2.1鉆削力的

7、測量18</p><p>　　3. 2. 2鉆削力分量求解19</p><p>　　3. 3導(dǎo)向塊位置角的分布分析20</p><p>　　3.4 本章小結(jié)22</p><p>　　4.1 深孔鉆削加工的動態(tài)鉆削力22</p><p>　　4.2機床振動理論23</p><p>　　

8、4.2.1金屬切削過程的自激振動24</p><p>　　4.2.2強迫再生顫振31</p><p>　　4.2.3提高機床切削穩(wěn)定性的基本途徑33</p><p>　　4.3深孔鉆削過程中的振動分析34</p><p>　　4.3.1深孔鉆削加工過程的動力學(xué)模型34</p><p>　　4.3.2瞬時動態(tài)鉆

9、削力的計算36</p><p>　　4.3.3深孔鉆削加工過程的振動分析37</p><p>　　4.4 本章小結(jié)38</p><p>　　第五章 深孔鉆削仿真分析38</p><p>　　5.1 深孔鉆削加工仿真分析39</p><p>　　5.2本章小結(jié)47</p><p>&l

10、t;b>　　第六章 結(jié)論47</b></p><p><b>　　參考文獻49</b></p><p><b>　　致謝52</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的進步，產(chǎn)品的更新?lián)Q代周期越來越短，新型的高硬

11、度、高強度、高精度零件不斷涌現(xiàn)，無論是對深孔加工的效率、加工的質(zhì)量，還是加工成本都提出了更高的要求。由于深孔加工難度高、加工工作量大等特點，目前僅有為數(shù)不多的國外公司保持著對深孔加工的技術(shù)壟斷。相對于國外，國內(nèi)對于深孔加工技術(shù)、加工工藝以及深孔加工刀具和裝備的基礎(chǔ)研究仍相對匱乏，距離國外技術(shù)差距巨大，深孔加工技術(shù)己成為國內(nèi)科研工作者亟待解決的問題。</p><p>　　本課題針對深孔加工系統(tǒng)的特點，介紹了幾種比較

12、典型的深孔加工方法，分析了深孔鉆削加工的力學(xué)特性以及深孔加工金屬切削過程中由于速度反饋和位移延時反饋所引起的顫振現(xiàn)象，并討論了穩(wěn)定切削的臨界條件，建立了深孔鉆削加工兩自由度顫振動力學(xué)模型；使用Matlab Simulink對深孔鉆削加工過程進行了仿真研究，結(jié)果表明：在穩(wěn)態(tài)鉆削時，由于刀刃斷續(xù)切削，進而產(chǎn)生強迫振動，其振動頻率為刀刃通過率的整數(shù)倍，其振動幅值與切削深度、主軸轉(zhuǎn)速的變化趨勢一致；臨界切削厚度值并不隨主軸轉(zhuǎn)速的增加而增大，而是

13、有一定周期性的變化；適當(dāng)?shù)臏p小切削厚度，調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速可以提高系統(tǒng)鉆削的穩(wěn)定性，抑制顫振現(xiàn)象。本課題的研究有助于今后深孔鉆削加工中改善深孔鉆削性能，提高加工效率，優(yōu)化切削參數(shù)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：深孔加工；鉆削；顫振；速度反饋；位移延時反饋</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　With the ad

14、vancement of science and technology, product life cycles are increasingly shorter, the new high hardness, high strength, high precision parts are emerging, both for deep hole machining efficiency, the quality of processi

15、ng, or processing costs have raised the higher requirements. Because the characteristics of high difficulty processing and workload, currently, only a small number of foreign companies monopoly the technology of deep-hol

16、e processing. Compared to foreign technology, the</p><p>　　Aiming at the characteristics of deep-hole drilling system, this paper firstly analyzes the forces characteristics of deep-hole drilling. On the bas

17、ic of it chatter of cutting processes is analyzed by speed feedback and displacement delaying feedback and curial condition of stability cutting is discussed. Secondly, dynamic model of deep-hole drilling system with the

18、 two degrees of freedom are established in the light of principles of machining chatter in cutting processes. At the steady state of</p><p>　　Key word：Deep-hole machining；Drilling；Chatter；Speed feedback；Disp

19、lacement delaying feed-back</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1引言</b></p><p>　　深孔加工技術(shù)作為工業(yè)生產(chǎn)制造的重要技術(shù)，由于第二次世界大戰(zhàn)對槍支火炮的精度和生產(chǎn)效率的需求，在生產(chǎn)制造槍炮管的過程中，逐漸發(fā)展形成的一種重要技術(shù)。第二

20、次世界大戰(zhàn)以后，深孔加工技術(shù)由于高成本、高難度的特點，使其發(fā)展和應(yīng)用限制在相對保密的軍工領(lǐng)域。上世紀80年代后期，隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，各行業(yè)迫切需要先進的深孔加工技術(shù)和深孔加工裝備來改變現(xiàn)有的深孔加工水平，對深孔加工提出了更高的技術(shù)要求[1]。隨著人們對產(chǎn)品的技術(shù)要求不斷提高，不斷的涌現(xiàn)出新型的高硬度、高強度、高精度零件，產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度越來越快，這要求更高的深孔加工效率、加工的質(zhì)量和較低的加工成本。由于深孔加工存在著加工難度高、

21、加工工作量大等特點，目前僅有為數(shù)不多的國外公司保持著對深孔加工的技術(shù)壟斷。相對于國外，國內(nèi)對于深孔加工技術(shù)、加工工藝以及深孔加工刀具和裝備的基礎(chǔ)研究仍相對匱乏，距離國外技術(shù)差距巨大，深孔加工技術(shù)己成為國內(nèi)科研工作者亟待解決的問題。</p><p>　　1.2深孔加工技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1國外深孔加工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　18世紀后

22、期，由于槍管和炮管要求有較深且精密的孔，槍匠們開始發(fā)展并使用深孔鉆削加工技術(shù)，早起的深孔加工使用扁鉆。直到1860年美國人發(fā)明了麻花鉆，雖然麻花鉆存在著扁鉆和麻花鉆不能連續(xù)排屑、潤滑和冷卻，鉆頭自導(dǎo)性不好，很容易走偏，工件報廢率大而加工效率極低，但麻花鉆的發(fā)明使得深孔加工領(lǐng)域中邁出了重要的一步。19世紀末至20世紀初，為了提高槍管的加工效率和加工精度，在麻花鉆的基礎(chǔ)上發(fā)明了槍鉆深孔加工方法：槍鉆的鉆頭外徑加有導(dǎo)向套，高壓切削液由鉆桿的內(nèi)

23、孔送入刀頭，帶走切屑和熱量。槍鉆是深孔加工技術(shù)的一次技術(shù)性飛躍，它解決了麻花鉆在深孔加工中鉆頭的排屑困難，不易冷卻及加工不連續(xù)等問題，但它仍屬于外排屑加工方式，仍存在排屑不夠通暢，且已加工的表面易被鐵屑劃傷等問題 [2]。1930年，隨著刀具材料的發(fā)展，槍炮管的加工開始廣泛采用高速鋼制槍鉆。在1943年，德國的Heller公司研制出Beisher加工系統(tǒng)，即我國常稱的內(nèi)排屑深孔鉆削系統(tǒng)。二戰(zhàn)后，國際上為了交換德國的Heller公司和瑞典

24、卡爾斯德特公司的深孔加工技術(shù)，德國、瑞典、英國、法國為主要成員國聯(lián)合組成了國際孔加工協(xié)會(Boring and</p><p>　　近幾年來，深孔加工領(lǐng)域發(fā)展相對低迷，在深孔常規(guī)加工方面，國內(nèi)外未出現(xiàn)更加先進的加工系統(tǒng)。深孔加工刀具市場上依然是瑞典的Sandvi 公司占有大部分的份額，其中主要以BTA鉆為主；在深孔非常規(guī)加工方面，由于深孔零件大多用于航空航天、武器裝備等方面，國外投入了大量的人力和財力進

25、行研究，但出于技術(shù)保密的原因，國內(nèi)對其關(guān)鍵技術(shù)及研究進展還不了解。</p><p>　　深孔鉆削中的孔軸線偏斜問題是現(xiàn)代深孔加工技術(shù)面臨的一個重要的技術(shù)問題[5]，國外非常重視該問題， Sandvi 公司、德國的Guhring公司以及日本的機械技術(shù)研究所進行了大量的研究與試驗，但均未取提突破性的進展，僅僅提出了一些減小孔軸線偏斜的途徑，如：提高機床、工裝和刀具的精度和剛度等，該方法一定程度上降低了孔軸線

26、偏斜以及廢品率，但由于孔軸線的偏斜是一個復(fù)雜的問題，隨著鉆頭鉆進深度的增加偏斜量逐漸增大，對于高精度、較大長徑比的深孔鉆削加工，難以保證加工出來的孔的偏斜量在公差范圍之內(nèi)，所以目前還無法完全解決孔軸線的偏斜問題。</p><p>　　1.2.2國內(nèi)深孔加工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　20世紀70年代以前，我國軍工制造業(yè)主要采用槍鉆和內(nèi)排屑深孔鉆的途徑加工深孔，其技術(shù)相當(dāng)于蘇聯(lián)50年代

27、初期的水平。70年代末逐漸開始建立專門制造硬質(zhì)合金槍鉆、槍鉸刀的軍工廠，但因尺寸規(guī)格有限，產(chǎn)品質(zhì)量與進口刀具差距較大。80年代后，開始生產(chǎn)硬質(zhì)合金槍鉆，以彌補市場需求的空缺，但由于技術(shù)和生產(chǎn)方式的落后，在產(chǎn)品質(zhì)量和規(guī)格品種方面始終無法與進口刀具分庭抗禮，深孔加工技術(shù)依舊落后[6]。</p><p>　　20世紀80年代，在兵器工業(yè)和大型裝備制造業(yè)仍普遍應(yīng)用整體高速鋼內(nèi)排屑深孔鉆、麻花鉆，甚至扁鉆。我國于70年代末

28、引進BTA鉆技術(shù)，但由于BTA鉆存在斷屑臺重磨困難和堵屑等問題，且BTA鉆的制造未能形成專業(yè)化、規(guī)模化生產(chǎn)體系，使企業(yè)無法接受其刀具的使用成本和加工效率，因此限制了在企業(yè)的推廣[7]。80年代初，我國少數(shù)企業(yè)引進了雙管噴吸鉆和DF系統(tǒng)，由于這兩種深孔鉆削系統(tǒng)各自的局限性，至今未能得到廣泛的應(yīng)用[3]。</p><p>　　80年代以來，國內(nèi)機床工業(yè)水平發(fā)展較快，而深孔機床發(fā)展相對滯后，在設(shè)計水平、精度、品種和專業(yè)

29、化程度等方面與歐、美、日本等國家差距相當(dāng)大，直至80年代末才出現(xiàn)數(shù)控深孔鉆床。其實，早在80年代初，以深孔加工技術(shù)為關(guān)鍵制造技術(shù)的工程機械，石油鉆采，礦山機械，航空航天，軍工等領(lǐng)域，已經(jīng)感到我國深孔加工裝備與技術(shù)嚴重落后嚴重制約了這些領(lǐng)域的發(fā)展。80年代初在不少工科院校和企業(yè)中興起了深孔加工技術(shù)研究的熱潮，而這股熱潮為我國深孔加工技術(shù)走向現(xiàn)代化打下了基礎(chǔ)。</p><p>　　西安石油大學(xué)對普通的內(nèi)排屑深孔鉆頭的

30、刃型和結(jié)構(gòu)進行了改進和創(chuàng)新，開發(fā)出多尖齒內(nèi)折線刃深孔鉆頭，鉆頭包含不在相同圓錐面上的一個外齒、一個中心齒、一個中間平齒和兩個中間尖齒；在軸向方向上，兩個中間尖齒為尖齒型且其錐面高出中心齒和外齒的錐面(0.5～1)f，可實現(xiàn)鉆削時自動定心和完全分屑的作用；除外齒外緣一側(cè)為尖角，其余刀齒帶有倒角且有6?！?2。的側(cè)后角，增強了刀齒強度，加快了刀齒冷卻速度，使刀具壽命得到提高；并把中心齒的內(nèi)刃加工成兩條折線刃，使鉆尖高度降低，減少了鉆頭入鉆和

31、出鉆的時間；在鉆頭體后端增設(shè)了減振塊—在外齒切削刃上方并與之呈90。，即減小了鉆頭振動，起到保護切削刃的作用，又提高了孔的加工精度；內(nèi)刃采取較大的余偏角，有助于鉆頭的定心以及提高鉆削的穩(wěn)定性。這種深孔鉆的切削力分布均勻，定心和鉆削穩(wěn)定性好，在深孔加工應(yīng)用中取得了令人滿意的效果，進一步擴大了深孔加工的深度與孔徑范圍，推進了我國深孔加工技術(shù)的發(fā)展。廣西工學(xué)院研制出了高效數(shù)控深孔鉆床，這種數(shù)控深孔鉆床的鉆頭的頂角為120。，前角為0～2。，后

32、角為12。，以及120。V型的排屑槽，為小直徑的深孔 (Φ<20，5<L/D<32)</p><p>　　1.3 深孔加工的特點</p><p>　　深孔加工不同于普通孔的加工，主要表現(xiàn)為以下幾個方面：</p><p><b>　　一、切削狀況分析</b></p><p>　　(1) 深孔加工處于一種封

33、閉或半封閉的加工狀態(tài)下，不能直接觀察刀具的切削和走刀情況。</p><p>　　(2) 切屑在深孔內(nèi)，排屑路徑較長，不便于排屑。</p><p>　　(3) 切削區(qū)的熱量不易散發(fā)。</p><p>　　(4) 由于在深孔加工中，一般情況下孔的長徑比較大，鉆桿細長，其剛性差，工作時鉆頭容易產(chǎn)生振動和偏斜，且長徑比越大，振動和偏斜就越嚴重，所以難以保證被加工孔的尺寸精度

34、和表面質(zhì)量。</p><p>　　(5) 鉆頭工作在近似封閉的空間下，切削熱容易累積，加快了鉆頭的磨損。</p><p><b>　　二、運動方式分析</b></p><p>　　(1) 工件旋轉(zhuǎn)，刀具作反方向的旋轉(zhuǎn)和進給運動。常用硬質(zhì)合金刀高速鉆頭進行切削，加工出孔的直線度好，切削速度高，進給量大。</p><p>　

35、　(2) 工件轉(zhuǎn)動，刀具作進給運動，適用于鏜孔加工。</p><p>　　(3) 工件固定，鉆桿(刀具)做轉(zhuǎn)動和進給運動。</p><p><b>　　三、排屑方式分析</b></p><p>　　(1) 外排屑式：切削液由鉆桿的內(nèi)通道中輸入，通過切削區(qū)帶著切屑由鉆桿外壁和孔的內(nèi)表面間排出。</p><p>　　(2)

36、內(nèi)排屑式：切削液由鉆桿外壁和孔的內(nèi)表面間的縫隙輸入，通過切削區(qū)帶著切屑由鉆桿的內(nèi)通道排出。</p><p>　　由于內(nèi)排屑的切屑不受導(dǎo)向塊的限制，排屑通暢，鉆桿剛性高，不易損傷己加工表面，通常優(yōu)先選擇內(nèi)排屑。</p><p>　　1.4課題研究的背景、意義以及發(fā)展趨勢</p><p>　　隨著機械加工范圍的不斷擴大，零件的復(fù)雜程度不斷提高，孔加工在機械加工領(lǐng)域中占有

37、越來越重要的地位，占整個機械加工工作量的1/4左右，而深孔加工在孔加工中又占有較大比例，目前深孔加工技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于國防軍工生產(chǎn)、石油化工機械、航空工業(yè)、造船、冶金、發(fā)電設(shè)備、橡膠機械，木材加工設(shè)備等制造部門，成為制造業(yè)不可缺少的一門關(guān)鍵技術(shù)。但由于深孔加工的一些技術(shù)問題尚未解決，至今它仍是金屬切削加工中的“瓶頸”。深孔加工不同于普通的孔加工方式，深孔加工的難度更大，機理更加復(fù)雜，能否解決深孔加工問題將直接影響機器產(chǎn)品的生產(chǎn)進度和產(chǎn)品

38、質(zhì)量，特別是在國防軍品和重型機器制造業(yè)中，深孔加工對生產(chǎn)有著決定性的影響[2]。</p><p>　　深孔加工技術(shù)是深孔刀具、輔具(輸油器、排屑器、刀桿支架等)和機床(含液壓系統(tǒng))的總稱，其中深孔刀具及其排屑技術(shù)是決定整個深孔加工技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。從深孔加工技術(shù)的現(xiàn)有水平來看，深孔加工技術(shù)屬于新興技術(shù)，尚處于發(fā)展階段。20世紀40年代推出的三種BTA刀具(實體鉆、擴鉆、套料鉆)全都是用于深孔的初加工，但BTA實體鉆

39、存在重磨、堵屑、鉆孔直徑局限性等問題，雖然六七十年代曾先后推出雙管噴吸鉆、DF系統(tǒng)兩種改進方案，但均未收到預(yù)期效果，始終未開發(fā)出用于深孔精加工的內(nèi)排屑深孔刀具。20世紀50年代槍鉆開始廣泛用于民用裝備制造，實現(xiàn)了槍鉆的硬質(zhì)合金化與專業(yè)化生產(chǎn)，同期實現(xiàn)了槍鉆機床的專業(yè)化制造，并在80年代實現(xiàn)了槍鉆機床的無級調(diào)速，推出了數(shù)控槍鉆機床和加工中心[8,9]。80年代以來，國外的內(nèi)排屑深孔刀具和機床的發(fā)展也很緩慢，對深孔加工技術(shù)的學(xué)術(shù)研究出現(xiàn)低潮

40、。深孔加工技術(shù)一度處于停滯狀態(tài)，以槍鉆、BTA鉆為代表的深孔加工技術(shù)未出現(xiàn)任何突破性進展，有人認為槍鉆、BTA鉆已經(jīng)使深孔加工達到了技術(shù)的頂峰，很難找到更多的發(fā)展余地。目前世界上外排屑(如槍鉆)深孔加工技術(shù)可加工的最小孔徑為Φ1.8mm，而內(nèi)排屑</p><p>　　目前，深孔加工技術(shù)在許多企業(yè)中屬于“瓶頸”問題，國際深孔加工裝備行業(yè)又處于壟斷狀態(tài)，國際深孔刀具、深孔機床市場一直為歐洲、日本少數(shù)公司所壟斷，其價位

41、居高不下。即使在歐美裝備市場上，深孔刀具和機床在機床工具類產(chǎn)品中也屬于最昂貴的品種之一。一臺槍鉆機床的平均價格高達20萬美元以上，一支槍鉆、BTA鉆的平均價格也高達上百至數(shù)百美元?；谏鲜鲈驀鴥?nèi)絕大多數(shù)企業(yè)采用相對落后和成本較低的技術(shù)手段去應(yīng)對新裝備的開發(fā)以節(jié)約使用成本。然而，對于一些軍工產(chǎn)品如：槍炮管深孔，槍械的槍機擊針孔、活塞筒，火炮制退復(fù)進機的活塞筒、液壓缸等，這些落后的深孔加工技術(shù)顯然是無法滿足加工要求，這就使新型深孔加工技術(shù)

42、的開發(fā)成為我國制造業(yè)高速發(fā)展中必須加以克服的一個薄弱環(huán)節(jié)。</p><p>　　目前，我國仍是深孔加工刀具的純進口國，國內(nèi)機床工業(yè)基礎(chǔ)落后，需求的槍鉆機床一直以進口為主，BTA刀具的普及情況更差。深孔加工技術(shù)已成為制約國內(nèi)企業(yè)，甚至軍工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要原因，已到了不能不解決的地步，對于深孔加工技術(shù)的研究對于國內(nèi)深孔加工也由進口到自主生產(chǎn)具有深遠的意義。</p><p>　　深孔加工技術(shù)經(jīng)過長

43、期發(fā)展，逐步形成了實體鉆削的四種加工體系[1]：</p><p>　　(1) 外排屑加工系統(tǒng);</p><p>　　(2) 內(nèi)排屑加工系統(tǒng);</p><p>　　(3) 噴吸鉆加工系統(tǒng);</p><p>　　(4) DF加工系統(tǒng)。</p><p>　　這四種系統(tǒng)在鉆桿結(jié)構(gòu)、供油方式、刀具及制造使用成本等方面具有各自的

44、特點，所適用的加工孔徑、加工精度、表面質(zhì)量不同，在選用時，應(yīng)根據(jù)具體工況而定。</p><p>　　深孔加工技術(shù)從非自導(dǎo)式的扁鉆，麻花鉆發(fā)展到自導(dǎo)式的槍鉆，又從外排屑式的槍鉆發(fā)展到內(nèi)排屑深孔鉆—BTA鉆，為解決BTA鉆對密封要求嚴格的問題，隨后又開發(fā)的噴吸鉆系統(tǒng)，最近在BTA鉆系統(tǒng)和噴吸鉆系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研制了單管內(nèi)排屑噴吸鉆系統(tǒng)。從目前深孔加工方法來看，深孔加工已形成比較完善的體系，今后主要是在現(xiàn)有的各種加工方法的

45、基礎(chǔ)上，不斷提高現(xiàn)有系統(tǒng)的加工質(zhì)量和能力。隨著新型的刀具材料不斷涌現(xiàn)，將大幅度提高刀具的切削能力和耐用度。再者，電解加工技術(shù)在深孔加工中得到了應(yīng)用，這是深孔加工技術(shù)上的一個重大變革。目前，國外企業(yè)已采用激光技術(shù)來提高深孔的加工精度，這將是深孔加工技術(shù)新的發(fā)展方向[2]。</p><p>　　1.5 課題的研究內(nèi)容</p><p>　　針對深孔加工的特點和主要問題，本課題的主要研究內(nèi)容有以下

46、幾個方面：</p><p>　?。?） 介紹比較典型的深孔加工方法，并分析深孔加工常遇問題；</p><p>　　（2）分析深孔鉆削加工時的力學(xué)特性和導(dǎo)向塊的合理分布位置；</p><p>　?。?）分析深孔鉆削加工時的顫振現(xiàn)象對深孔鉆削穩(wěn)定性的影響；</p><p>　?。?）利用Matlab/Simulink建立仿真模型，進行仿真研究，并

47、對仿真結(jié)果進行分析。</p><p>　　第二章 深孔加工方法及問題分析</p><p>　　深孔加工不同于普通孔的加工，由于深孔自身的一些特點要求采用特殊的孔加工工具、技術(shù)、裝備以及合理的加工工序來實現(xiàn)對深孔的加工。深孔加工技術(shù)發(fā)展很快，目前已開發(fā)了槍鉆、BTA鉆、噴吸鉆、DF鉆等深孔加工系統(tǒng)。無論在孔加工的尺寸精度、粗糙度、圓度、偏移量和生產(chǎn)效率等方面均有了較大的提高，并且已開始推廣到

48、機械制造的各個領(lǐng)域。本章對比較典型的幾種深孔加工方法進行了簡要的介紹和對比分析，并對深孔加工中常出現(xiàn)的問題和原因進行了分析。</p><p>　　2.1 深孔加工方法</p><p><b>　　2.1.1 扁鉆</b></p><p>　　扁鉆是過去工廠內(nèi)廣泛使用的一種深孔鉆頭，此類鉆頭結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，在使用過程中除鉆桿、水泵外無需其它輔

49、助工裝，使用方便，適用于單件小批生產(chǎn)[1]。</p><p>　　扁鉆適用于長徑比(L/D)小于10，孔徑范圍Φ20mm—Φ150mm的深孔加工。扁鉆只適用于臥式深孔機床或銼床加工，鉆片采用機夾式結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)范圍寬，在使用此類鉆頭進行深孔鉆削的過程中，切屑在一定壓力的冷卻潤滑液的作用下，從工件內(nèi)孔中排除，不需退刀排屑，可以實現(xiàn)工件的連續(xù)鉆削，適用于精度和表面粗糙度要求不高的深孔鉆削，扁鉆系列實物圖如圖2-1所示：&

50、lt;/p><p>　　圖2-1 扁鉆系列實物圖</p><p><b>　　2.1.2 槍鉆</b></p><p>　　槍鉆是單刃外排屑深孔鉆，由鉆頭、鉆桿、鉆柄組成。槍鉆的工作原理如圖2—2所示。槍鉆是目前應(yīng)用最多的外排屑實體深孔鉆，直徑范圍一般Φlmm—Φ35mm，鉆桿可分級接長?，F(xiàn)在槍鉆鉆頭的制造拋棄了以往由高速鋼與無縫鋼管焊接而成的方法

51、[11]，采用硬質(zhì)合金加工成型，其切削速度(鋼材) Vc介于70～120m/min之間，但由于槍鉆的扭轉(zhuǎn)剛度約為同直徑的實心桿的三分之一，且質(zhì)心偏離回轉(zhuǎn)中心，慣性矩呈各向異性，刀桿剛度不足，易產(chǎn)生扭曲和撓曲，因而不宜采用大進給量，進給量f一般在0.01～0.04mm/r之間，且進給量f和鉆頭直徑d成正比。在切削過程中，高壓切削油通過鉆頭體內(nèi)的油孔進入切屑區(qū)，加工形成的切屑被具有一定壓力和速度的切削液沖走，經(jīng)鉆桿的”V”形槽排入排屑箱。槍

52、鉆具有自導(dǎo)向作用，受力平衡，比麻花鉆等其它雙刃鉆孔刀具具有更高的加工精度、直線度和表面質(zhì)量，所加工的孔單位長度走偏值遠小于麻花鉆。其加工精度可達IT10—IT7級，通常的加工粗糙度Ra為3.2 ~12.5μm，圓度誤差一般為5~10μm[12-16]。槍鉆實物圖和結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-3所示：</p><p>　　圖2-2槍鉆工作原理</p><p><b>　　圖2-3 槍鉆系列&l

53、t;/b></p><p>　　2.1.3 BTA深孔加工系統(tǒng)</p><p>　　BTA是由歐洲的鉆鍵孔與套協(xié)會—BTA(Boring and Trepanning Association)在總結(jié)Beisner鉆的加工經(jīng)驗后推出的一款雙出屑口單管內(nèi)排屑深孔加工刀具，又稱TST(Single-Tube System，單管鉆)鉆頭[4]。具有錯齒結(jié)構(gòu)的BTA實體鉆，切削力的平衡和錯齒的

54、分工更合理，其結(jié)構(gòu)更加具有優(yōu)越性，成為現(xiàn)代深孔鉆進一步發(fā)展的基礎(chǔ)。</p><p>　　圖2-4 BTA深孔加工系統(tǒng)加工原理圖</p><p>　　BTA深孔加工系統(tǒng)的加工原理如圖2-4所示，其工作原理：具有一定壓力的切削液進入輸油器后通過鉆桿外部與已加工孔孔壁間的環(huán)狀空隙流向切削刃部，將切削刃上形成的切屑反向壓入鉆頭出屑口，經(jīng)鉆桿的內(nèi)腔向后排出，流入鐵屑收集箱，切削液經(jīng)過濾網(wǎng)回落到油箱中

55、，經(jīng)過若干層濾網(wǎng)后，可重復(fù)使用。</p><p>　　1、2、3—硬質(zhì)合金刀片；4、5—導(dǎo)向條</p><p>　　圖2-5 BTA深孔鉆的結(jié)構(gòu)簡圖</p><p>　　BTA深孔鉆的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2—5所示，為滿足快速裝卸和準確定位的要求，鉆桿和鉆頭柄部均采用了“雙止口圓柱面定位”及方牙螺紋聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)，其切削部分是由若干個(圖中為三個)硬質(zhì)合金刀片(l，2，3)交錯

56、地焊接在刀體上，切削刃在切削時可布滿整個孔徑，并起到分屑的作用；采用了導(dǎo)向條進而增大了切削過程的穩(wěn)定性，圖中4，5即為導(dǎo)向條，其位置可根據(jù)鉆頭的受力情況重新調(diào)整。刀具和鉆桿均采用圓形結(jié)構(gòu)，扭轉(zhuǎn)剛度是同直徑實心鉆桿的0.9倍左右，剛性較好，可進行大進給切削，但當(dāng)加工孔的孔徑太小時，切削液的流動空隙相應(yīng)變小，切屑易堵塞，壓力高，密封困難，故不適宜直徑小于Φ14mm孔的加工。BTA深孔加工系統(tǒng)通?？梢赃_到鉆孔精度Ra0.8~Ra3.2μm，加

57、工精度IT8~IT10級[17-19]。</p><p>　　2.1.4 雙管噴吸鉆系統(tǒng)</p><p>　　BTA深孔加工技術(shù)因?qū)γ芊庖髽O為嚴格，限制了該項技術(shù)的推廣與應(yīng)用。20世紀60年代初，SANDVIK公司推出了基于BTA技術(shù)的雙管噴吸鉆，它首次將負壓抽吸效應(yīng)用于深孔加工，簡化了機床結(jié)構(gòu)，將已有的設(shè)備改裝后即可用于深孔加工系統(tǒng)[18]。</p><p>　

58、　噴吸鉆的工作原理如圖2-6所示，它采用內(nèi)、外兩根鉆桿，鉆頭內(nèi)腔設(shè)置一根內(nèi)管，鉆頭與鉆桿(外管)以方牙螺紋連接，內(nèi)、外管間形成環(huán)形的供油通道，大約2/3的切削液通向切削刃部，另1/3進入內(nèi)管后部的噴射槽(俗稱月牙槽)，從而在內(nèi)管后部產(chǎn)生一個低壓區(qū)，形成負壓，加速切削液帶動切屑通過內(nèi)管通道排出。</p><p>　　內(nèi)管的設(shè)置及負壓作用，使排屑狀況明顯改善，所需的油壓和流量僅為BTA系統(tǒng)的二分之一，降低了密封要求，

59、同時因省去了輸油器而代之以結(jié)構(gòu)尺寸較小的鉆套，鉆桿的懸伸長度減短，扭曲變形量降低。它的主要缺點在于孔的深度受到抽吸效應(yīng)的限制，一般限制在1000mm左右，不適宜加工長深孔；不適于多品種小批量生產(chǎn)；失去了切削液對鉆桿振動所產(chǎn)生的阻尼作用，易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)；系統(tǒng)刀具剛性好，可以實現(xiàn)大進給切削，是一種高效的孔加工方法，但當(dāng)孔徑過小時，很難形成真空效應(yīng)，排屑不順利，而且由于該系統(tǒng)采用了雙層鉆管，切削液的流動空間受到極大的限制。</p>

60、<p>　　圖2-6 噴吸鉆的工作原理</p><p>　　2.1.5 DF(Double Feeder system)系統(tǒng)</p><p>　　70年代日本冶金公司推出了結(jié)構(gòu)更為簡單的雙向供油噴吸鉆系統(tǒng)—DF(Double Feeder)系統(tǒng)。其創(chuàng)新性主要在于簡化了鉆桿的結(jié)構(gòu)，采用了錐形噴嘴抽屑器，為深孔加工技術(shù)的完善起到啟發(fā)作用[20,21]。</p><

61、p>　　DF系統(tǒng)需在單管BTA鉆桿后增加一套抽屑器，屬于單管噴吸鉆系統(tǒng)的改進型。它可將BTA鉆的應(yīng)用范圍適當(dāng)向下擴展，而鉆桿和鉆頭與BTA鉆完全一致。DF系統(tǒng)的工作原理如圖2—7所示，其抽屑機理與雙管噴吸鉆相同。利用流體噴射產(chǎn)生負壓效應(yīng)，裝在刀座上的抽屑裝置從鉆桿末端產(chǎn)生負壓促進排屑。它吸收了BTA系統(tǒng)和噴吸系統(tǒng)的優(yōu)點，用一根鉆桿完成推、吸作用。由于其抽屑裝置較簡單，刀具制造簡單，具有比BTA鉆排屑狀況好的優(yōu)點，是目前應(yīng)用最為廣泛

62、的一種深孔加工系統(tǒng)，它特別適合于Φ16~Φ30的深孔。</p><p>　　DF系統(tǒng)比BTA系統(tǒng)適應(yīng)性更大，對油泵排油量、油箱容積和機床密封的要求低于同直徑的BTA鉆，而DF系統(tǒng)加工效率、加工質(zhì)量和經(jīng)濟性均高于BTA鉆。雖然DF系統(tǒng)的抽屑器噴嘴采用了完整的圓錐形，而不是雙管噴吸鉆內(nèi)管所采用的兩排相互間隔的弧形槽，增強了抽屑效果，但對深度大于1000mm的深孔，抽屑效果仍不是很理想，因而其深度通常限制在1000mm

63、以內(nèi)的深孔。</p><p>　　由于DF系統(tǒng)的局限性，它僅填補了BTA系統(tǒng)未覆蓋的加工范圍。BTA系統(tǒng)因具有寬廣的適用范圍仍保持其在內(nèi)排屑深孔加工中的主導(dǎo)地位。</p><p>　　1—工件; 2—中心架; 3—BTA 鉆; 4—鉆套; 5—輸油器; 6—鉆桿; 7—夾頭;</p><p>　　8—抽屑裝置; 9—前噴嘴; 10—后噴嘴</p>&l

64、t;p>　　圖2-7 DF系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　2.1.6 單管內(nèi)排屑深孔噴吸加工技術(shù)(SIED技術(shù))</p><p>　　從20世紀80年代初開始，我國科研工作者經(jīng)過20多年的不斷探索，歸納、總結(jié)了現(xiàn)有槍鉆、BTA鉆、雙管噴吸鉆、DF系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)點，并在最大限度避免其缺點的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種具有創(chuàng)新性和實用性的深孔加工技術(shù)體系—單管內(nèi)排屑噴吸鉆(Single-tube

65、 Inner chipremoval Ejecfor Drill，簡稱SIED)[10]。</p><p>　　SIED系統(tǒng)的工作原理如圖2—8所示，切削液經(jīng)液壓泵輸出后，一部分流入輸油器經(jīng)鉆桿與鉆套、己加工孔壁之間的間隙流入切削區(qū)，推動切屑進入出屑口;后一部分進入抽屑器，經(jīng)間隙可調(diào)的錐形噴嘴副之間進入后噴嘴內(nèi)腔，產(chǎn)生高速射流和負壓。兩支油路各設(shè)獨立的調(diào)壓閥，可以將油壓及流量分別調(diào)整至最佳狀態(tài)。</p>

66、;<p>　　圖2-8 SIED系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　2.1.7 深孔擴鉆(Counterboring)技術(shù)</p><p>　　深孔擴鉆(Counterboring)技術(shù)是實體鉆(Solid Drilling)技術(shù)的重要補充，BTA擴孔鉆由BTA實體鉆衍生而來。BTA擴孔鉆具有導(dǎo)向作用，能修正原有孔的尺寸和形位誤差，但其本質(zhì)仍是鉆孔。其主要用途在于：</

67、p><p>　?。?） 用于擴大已加工的孔。當(dāng)深孔直徑大于設(shè)備加工范圍或功率限度時，可以先在實體上鉆較小的孔，通過擴孔，獲得所需的尺寸，不必重新購置大規(guī)格的機床，從而節(jié)約成本。對于單件小批量或生產(chǎn)批量不大時，通常采用此方法。</p><p>　?。?） 用于工件上已有原始孔的加工。鑄件、無縫鋼管孔均可采用BTA擴孔鉆加工。</p><p>　　BTA擴孔鉆使用與BTA實

68、體鉆相同的設(shè)備、鉆桿、導(dǎo)向套，操作方法基本相同。但BTA擴孔鉆加工余量比實體鉆小得多，因而切削力、轉(zhuǎn)距和切削功率相應(yīng)的也小得多，鉆桿剛度和排屑通道卻相對大得多。因此，其經(jīng)濟加工精度可達IT8~IT9級，表面光潔度可達Ra0.8μm，一般不低于Ra1.6μm，孔的直線度和偏移量均好于實體鉆，其加工直徑范圍Φ20~Φ124mm，擴孔余量3~6mm[20,21]。</p><p>　　2.2 常用深孔加工方法對比分析&

69、lt;/p><p>　　在生產(chǎn)實際過程中，通常要根據(jù)被加工深孔的毛坯材料、長徑比以及其他的技術(shù)性指標來選擇合適的加工方法來完成特定的加工目標，本節(jié)將對常用的加工方法進行對比分析，為深孔加工方法的選擇提供依據(jù)[1]。</p><p>　　表2—1 常用深孔加工方法</p><p>　　表2—2常用深孔加工方法的特點</p><p>　　2.3 深孔

70、加工注意事項與問題分析</p><p>　　2.3.1加工時應(yīng)注意的問題</p><p>　?。?）主軸、刀具導(dǎo)向套、刀桿支承套，工件中心架等中心線的不同軸度應(yīng)符合要求；</p><p>　?。?）檢查切削液系統(tǒng)是否則暢通和正常工作；</p><p>　?。?）工件的加工端面上不應(yīng)有中心孔，并避免在斜面上加工鉆孔；</p>&l

71、t;p>　?。?）采用較高速度加工通孔，當(dāng)鉆頭即將鉆通時，最好停車或降速。防止損壞鉆頭和工件出口處；</p><p>　?。?）應(yīng)盡量避免在加工過程中停車。如必須停車，應(yīng)先停止進給，并將刀具退回一段距離，然后停止油泵和主運動的旋轉(zhuǎn)，以防止刀具在孔中產(chǎn)生“咬死”現(xiàn)象。</p><p>　?。?）對深孔盲孔的鉆孔，只能采取單邊鉆空，空深尺寸要求嚴格控制，為了保證深度尺寸的精度，在粗車外圓

72、時，在工作長度方向要留有足夠的加工余量，以便在深孔鉆削完成后，加工掉多余部分。</p><p>　　2.3.2深孔鉆常見問題及產(chǎn)生原因</p><p>　?。?）孔徑直線性差：主軸、刀具導(dǎo)向套、鉆桿支撐套，共建支撐套等中心線不同軸度超差；刀具導(dǎo)向套孔徑過大；進給量過大引起較大的鉆桿變形；</p><p>　　（2）孔不圓度大：主軸、刀具導(dǎo)向套、鉆桿支撐套，共建支撐套

73、等中心線不同軸度超差；切削刃幾何形狀不當(dāng)；夾緊力不均勻引起工件變形；</p><p>　　（3）孔徑尺寸差：切削刃幾何形狀或位置不當(dāng)?shù)毒邔?dǎo)向套磨損出現(xiàn)喇叭口，進給量大；</p><p>　?。?）表面粗糙度較差：刀具的振動過大、切削速度過低，進給量過大或不均勻；主軸、刀具導(dǎo)向套、鉆桿支撐套，共建支撐套等中心線不同軸度超差；導(dǎo)向支撐塊幾何形狀不當(dāng)；刀具導(dǎo)向套孔徑過大；切削液種類不當(dāng)；切削液壓

74、力不當(dāng)或過濾不好。</p><p>　　2.4深孔加工系統(tǒng)的選用</p><p>　　通過以上分析可知，上述的深孔加工方法都是生產(chǎn)實際中行之有效的方法。它們用于自身的一些加工優(yōu)點和缺點，在不同的程度上改善了深孔加工中存在的難題。如刀桿的強度方面，由麻花鉆、槍鉆改到圓形刀桿的BTA鉆、雙管噴吸鉆和DF鉆，增加了鉆桿的剛度；從冷卻潤滑方面來看，由于采用了強制冷卻系統(tǒng)，緩解了加工散熱及潤滑問題；

75、對于斷屑問題，人們力求改善刀具幾何參數(shù)，研究不同類型、不同參數(shù)的斷屑臺，以期望得到理想的刀具切削部分形狀來解決斷屑、排屑等問題，目前已做了大量的研究工作，并取得了一定的成績，使深孔加工的應(yīng)用范圍越來越廣泛。</p><p>　　雖然采取一些措施解決了一些深孔加工的問題，但由于工件材料、加工條件等多方面因素的改變，使深孔加工的一些歷史性問題仍未得到徹底解決，使得鉆削過程并不能穩(wěn)定進行，因而適用范圍仍就有限。<

76、/p><p><b>　　2.5本章小結(jié)</b></p><p>　　本章簡要的介紹了扁鉆、槍鉆系統(tǒng)、BTA內(nèi)排屑鉆系統(tǒng)、雙管噴吸鉆內(nèi)排屑系統(tǒng)、DF噴吸鉆系統(tǒng)、擴孔鉆等加工技術(shù)及其存在的優(yōu)缺點，對常用的深孔加工方法進行了對比分析，分析了深孔加工過程的常遇問題，旨在為生產(chǎn)實際中深孔加工方案的選用和修正提供理論依據(jù)。</p><p>　　第三章 深孔鉆

77、削的力學(xué)特性分析</p><p>　　為了提高深孔鉆削的質(zhì)量和經(jīng)濟性對深孔鉆削進行研究是必不可少的。深孔鉆削的質(zhì)量包括孔的位置和宏觀、微觀幾何狀態(tài)等參數(shù)，即孔的尺寸、形狀和表面質(zhì)量。深孔鉆削的經(jīng)濟性主要包括刀具耐用度、切削效率及加工狀態(tài)等因素，而影響深孔鉆削加工質(zhì)量和經(jīng)濟性的眾多因素都可以使用作用在工件上的力來加以描述。因此，研究深孔鉆削的受力情況具有十分重要的理論和實際意義，具體表現(xiàn)在以下幾個方面[22]：&l

78、t;/p><p>　　(1) 有助于切削用量的優(yōu)化；</p><p>　　(2) 有利于研究導(dǎo)向塊的作用機理和合理分布，并進行鉆頭的最優(yōu)設(shè)計；</p><p>　　(3) 有利于鉆桿的設(shè)計及強度校核；</p><p>　　(4) 為進一步研究深孔鉆削提供了依據(jù)；</p><p>　　(5) 為完善深孔加工機床提供幫助。&l

79、t;/p><p>　　3.1深孔鉆削刀具的力學(xué)模型</p><p>　　深孔鉆削加工是在復(fù)雜工況下進行的，它利用導(dǎo)向塊在已加工孔表面上的定位和支承進行孔的鉆削[23-25]，其特點是工件與刀具不僅是刀刃的單一接觸，還有刀具附加導(dǎo)向塊與工件的接觸，最終起作用的有導(dǎo)向塊上的正壓力與摩擦力、總的切削力。</p><p>　　就深孔鉆削加工而言，由于導(dǎo)向塊上的正壓力以及摩擦力的

80、存在，使工件、導(dǎo)向塊和刀具之間形成了一個封閉力系，因此，可以測量出總的扭矩及軸向力，但不能直接測得各切削力的分量[26]。為了研究鉆頭上各個切削力的分量，支持深孔加工的力學(xué)分析，可從測量的總的扭矩和軸向力出發(fā)，同時結(jié)合測量與計算的方法，對其所受的力進行分析，分解得到作用在鉆頭上的各個切削力的分力。從簡化受力狀況，分析鉆削力的主要影響因素考慮，可做出以下假設(shè)：</p><p>　　(1)由于鉆頭自重以及冷卻液壓力幾

81、乎不會影響到鉆頭的受力，可將其忽略；</p><p>　　(2)由于切屑、冷卻液、鉆桿各部分的重力以及導(dǎo)套、中心架支承處的反力、摩擦力都很小，可將其忽略；</p><p>　　(3)由于鉆桿相對于鉆頭的軸向尺寸很大，可看作除導(dǎo)向塊上的軸向摩擦力和走刀抗力外，其余各力都作用于同一個平面內(nèi)；</p><p>　　(4)簡化正壓力、導(dǎo)向塊上的摩擦力、各個切削力分量等分布力

82、為集中力。</p><p>　　深孔加工刀具種類繁多，常見鉆頭有BTA鉆、噴吸鉆、DF系統(tǒng)和槍鉆等，從力學(xué)的分析來講，上述幾種鉆頭的結(jié)構(gòu)特點和受力情況均是一致的，即副切削刃與兩個導(dǎo)向塊在圓周三點布置，導(dǎo)向、切削分離，切削時，主切削力和徑向力把導(dǎo)向塊壓向孔壁，導(dǎo)向塊和副切削刃還受到孔壁的摩擦力矩，所以，在簡化各種深孔刀具的作用力后，可表示為相同的力學(xué)模型，下面以BTA錯齒內(nèi)排屑深孔鉆為例，建立BTA鉆的力學(xué)模型[2

83、7-29]。</p><p>　　3.1.1 BTA內(nèi)排屑深孔鉆的力學(xué)模型</p><p>　　分析BTA深孔刀具，由其結(jié)構(gòu)特征分解作用在刀刃上的總的切削力，分解為：軸向切削力分量Fx，徑向分量切削力Fy和主切削力分量Fz。BTA深孔刀具力學(xué)模型如圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1 BTA深孔刀具力學(xué)模型</p><p>　　由上圖

84、的力學(xué)關(guān)系方程式，寫出其力學(xué)方程式見式3—1：</p><p><b>　　3-1</b></p><p><b>　　—總軸向力；</b></p><p>　　Fz—主切削力分量；</p><p>　　Fy—徑向削力分量；</p><p>　　Fx—軸向削力分量；</

85、p><p><b>　　M—總扭矩；</b></p><p>　　L—主切削分量力的作用力臂；</p><p>　　N1、N2—導(dǎo)向塊1、2上的正壓力；</p><p>　　Ff1、Ff2—導(dǎo)向塊1、2上的周向摩擦力；</p><p>　　Ffx1、Ffx2—導(dǎo)向塊1、2上的軸向摩擦力；</p&

86、gt;<p>　　θ1、θ2—導(dǎo)向塊1、2上的位置角；</p><p>　　μ1、μ2—導(dǎo)向塊1、2與孔壁之間的摩擦系數(shù)。</p><p>　　以上方程中考慮的只是庫侖摩擦，并假定導(dǎo)向塊具有相等的周向摩擦系數(shù)和軸向摩擦系數(shù)，因此導(dǎo)向塊也具有相等的周向摩擦力和軸向摩擦力，即有：</p><p><b>　　3-2</b></p

87、><p><b>　　3-3</b></p><p>　　3.2深孔鉆削各切削力的求解</p><p>　　由于切削力分量Fx、Fy、Fz和導(dǎo)向塊上的正壓力N1、N2，摩擦力Ff1、Ff2、Ffx1、Ffx2需要通過式3-1至式 3-3以及一個補充方程式3-5才能求得，當(dāng)鉆頭的公稱直徑d0、導(dǎo)向塊的位置角θ1和θ2確定以后，可直接測得深孔加工時的總

88、軸向力和扭矩M。同時，依據(jù)Dortmund大學(xué)的U. weker和Stuttgart大學(xué)的Franz Pflegh博士用不同的實驗方法測量出的深孔鉆削時主切削力力臂L的計算公式[28]：</p><p><b>　　3-4</b></p><p>　　通過試驗的方法找到一個Fx、Fy、Fz之間或者它們?nèi)我鈨蓚€量之間的函數(shù)關(guān)系，試驗表明：通常主切削力分量Fz約為軸向切削

89、力分量Fx的2倍，即可得到補充方程：</p><p><b>　　3-5</b></p><p>　　3.2.1鉆削力的測量</p><p>　　由前面的分析可知，為求解各切削力的分量，必須首先測得總軸向力和扭矩M，在測量總軸向力和扭矩時，使用直接承受軸向力和扭矩的鉆桿，將其作為測量鉆削力的彈性體，同時測得總的軸向力和扭矩[27]。</p

90、><p>　　(1) 測量切削扭矩M</p><p>　　測量扭矩時應(yīng)變片的布片圖如圖3-2所示。以這種方式布片可以達到只測量出扭矩而排除軸向力的目的。</p><p>　　圖3-2 測量扭矩時的布片和電路簡圖</p><p>　　由材料力學(xué)的相關(guān)知識，各類載荷使應(yīng)變片之間的的應(yīng)變關(guān)系如式3—6所示：</p><p>&l

91、t;b>　　3-6</b></p><p>　　為M作用下第個應(yīng)變片上產(chǎn)生的應(yīng)變值；為力F作用下第個應(yīng)變片上產(chǎn)生的應(yīng)變值；=1，2，3，4。</p><p>　　應(yīng)變片電阻的相對變化量，則B、D之間的電壓U的表達式為：</p><p><b>　　3-7</b></p><p>　　式3-7中，Kp—應(yīng)

92、變片的靈敏系數(shù)；V—橋路所加的電壓。</p><p>　　(2) 軸向力的測量</p><p>　　測量軸向力的應(yīng)變片布片如圖3—3所示，測量軸向力時，采用電阻應(yīng)變片，R1、R2如圖分布，則應(yīng)變片發(fā)生變化時，B處的電壓見式3—8：</p><p>　　圖3-3 測量軸向力時的布片和電路簡圖</p><p><b>　　3-8<

93、/b></p><p>　　3. 2. 2鉆削力分量求解</p><p>　　在測得總的軸向力和扭矩M后，聯(lián)立方程式求解各切削力分量，如式3—9：</p><p><b>　　3-9</b></p><p>　　通過分解總軸向力和扭矩M，求解得加工過程中深孔鉆削刀具的軸向切削分力Fx、徑向切削分力Fy和主切削分力F

94、z，同時可求出導(dǎo)向塊上的正壓力N1、N2，軸向摩擦力Ffx1、Ffx2和周向摩擦力Ff1、Ff2。從式3—9可以看到導(dǎo)向塊的位置角對這些力有影響，不同分布的導(dǎo)向塊對深孔加工過程的力學(xué)特性有著十分重要的影響，因此，分析導(dǎo)向塊的分布情況是很有必要的。</p><p>　　3. 3導(dǎo)向塊位置角的分布分析</p><p>　　導(dǎo)向塊對深孔鉆具有支撐、穩(wěn)定和擠壓的作用，其位置角的分布情況影響深孔加工

95、的力學(xué)特性，導(dǎo)向塊的設(shè)計原則如下[25]：</p><p>　　(l) 能使作用在切削刃上的合力在孔中起著有利于支撐的作用；</p><p>　　(2)為保證兩個導(dǎo)向塊磨損均勻，應(yīng)使作用在各個導(dǎo)向塊上壓力應(yīng)最小，且最好相等；</p><p>　　(3)支撐在孔中的鉆頭應(yīng)盡量保持穩(wěn)定。</p><p>　　假定徑向切削力分量Fy和主切削力分量F

96、z的合力(Fyz)的夾角為λ，孔壁與導(dǎo)向塊的摩擦角為β，導(dǎo)向塊1，2所受的正壓力和周向摩擦力的合力分別為F1和F2，則有：</p><p><b>　　3-10</b></p><p>　　切削力對導(dǎo)向塊的作用簡圖見圖3-4所示：</p><p>　　圖3-4 導(dǎo)向塊的受力簡圖</p><p>　　從圖3-4中可以得到：

97、</p><p><b>　　3-11</b></p><p><b>　　解方程組得：</b></p><p><b>　　3-12 </b></p><p>　　通過分析式3—12可知：當(dāng)θ1—θ2介于90。~180。之間時，F(xiàn)1、F2為正值，切削處于平衡狀態(tài)，同時，如將角

98、λ大于90。時，切削容易處于平衡狀態(tài)。</p><p>　　依據(jù)導(dǎo)向塊設(shè)計原則，導(dǎo)向塊起著支撐的作用，即合力的方向應(yīng)在兩個導(dǎo)向塊之間，這樣才不致偏移和翻轉(zhuǎn)，通常在設(shè)計時，應(yīng)使兩個導(dǎo)向塊面積相等，導(dǎo)向塊1，2上作用的正壓力N1，N2相等，也就是F1等于 F2，即：</p><p><b>　　3-13</b></p><p>　　由于摩擦角β很小

99、（一般不超過5。），可忽略其影響，即：，可得： 3-14</p><p>　　式3-14表明，若橫截面的切削合力與Y軸的夾角λ同導(dǎo)向塊的位置角θ1和θ2滿足上述關(guān)系，導(dǎo)向塊所受的壓力相等，磨損也相同。此時，導(dǎo)向塊的合力F1，F(xiàn)2分別為：</p><p><b>　　3-15</

100、b></p><p>　　由前面的分析可知，θ1-θ2的值一般不會超過180。，（θ1-θ2）/2的值在90。的范圍以內(nèi)變化。由于F1、F2是secθ的函數(shù)，當(dāng)θ在0。~50。范圍內(nèi)變化時，F(xiàn)1，F(xiàn)2變化比較平穩(wěn)；當(dāng)θ在60。~65。范圍內(nèi)變化時，F(xiàn)1，F(xiàn)2上升較快；當(dāng)θ在65。~90。范圍內(nèi)變化時，F(xiàn)1，F(xiàn)2急速上升。</p><p>　　通過分析，可確定導(dǎo)向塊較為合理的分布為：θ

101、1=80。~90。，θ2=180。~190。。</p><p><b>　　3.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章以BTA錯齒內(nèi)排屑深孔鉆為例，分析了BTA深孔鉆的力學(xué)特性，在測得總軸向力和扭矩的條件下，分解深孔鉆削刀刃上的作用力，提出了測量總的軸向力和扭矩的方法，并且給出了求解各切削力分量的方程，為深孔鉆削加工的進一步研究，提供了力學(xué)分析的依據(jù)；關(guān)于深孔

102、鉆削加工受導(dǎo)向塊位置角的影響，研究了合理分布的導(dǎo)向塊位置，并且最終確定出：θ1=80。~90。，θ2=180。~190。。第四章 深孔鉆削加工穩(wěn)定性分析</p><p>　　4.1 深孔鉆削加工的動態(tài)鉆削力 </p><p>　　第三章中的深孔鉆削加工的力學(xué)特性分析是在深孔加工處于穩(wěn)定的鉆削狀態(tài)下進行的。然而，在實際鉆削加工過程中，由于存在多種因素的干擾，使深孔鉆削力處于不斷變化的動態(tài)過程

103、之中，這嚴重影響深孔鉆削加工，動態(tài)鉆削力的產(chǎn)生及影響因素主要可以分為以下幾個方面[30-37]：</p><p>　　(1) 機床、工件以及加工過程構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)是形成深孔鉆削動態(tài)鉆削力的主要原因。由于深孔的加工過程可以視為一個閉環(huán)的系統(tǒng)，在加工過程中會產(chǎn)生振動，甚至在某些條件下會產(chǎn)生自激振動，由此產(chǎn)生的動態(tài)鉆削力和刀具磨損關(guān)系密切，刀具磨損比影響切削剛度和切削過程阻尼比，這將使動態(tài)鉆削力處于不斷變化之中。<

104、;/p><p>　　(2) 誤差、工件安裝不正及機床運動誤差(包括主軸回轉(zhuǎn)誤差)等因素會影響切削厚度的變化，產(chǎn)生動態(tài)切削力，并使其不斷變化[31]。</p><p>　　(3) 刀具在加工過程中切割硬質(zhì)點會產(chǎn)生動態(tài)鉆削力，由于不均勻分布的工件材料金相組織，會造成硬度在材料內(nèi)部各空間位置上分布不一致，使得作用在刀刃上的力在加工過程中不斷變化，進而引起動態(tài)鉆削力。</p><p

105、>　　(4) 刀具與工件及刀具與切屑之間存在著高速相對運動，表現(xiàn)為產(chǎn)生近乎于白噪音的動態(tài)鉆削力。</p><p>　　(5) 切屑的形成、變形以及折斷引起的動態(tài)鉆削力使深孔鉆削處于復(fù)雜的動態(tài)變化之中。機床、工件和加工過程中系統(tǒng)產(chǎn)生的振動是影響深孔鉆削動態(tài)性的主要因素，為保證深孔加工的順利進行，有必要對深孔鉆削系統(tǒng)中的振動現(xiàn)象進行分析[38]。</p><p><b>　　4

106、.2機床振動理論</b></p><p>　　深孔鉆削過程中刀具的切削刃與工件的被切削表面之間存在著切削運動和周期性的相對運動—切削振動。切削振動顯然是一種不利于切削穩(wěn)定的運動，因為切削振動會產(chǎn)生諸多負面的影響，某些情況下甚至?xí)?dǎo)致非常惡劣的結(jié)果。首先，工件和刀具之間的切削振動不僅使工件和刀具的相對位置以及速度發(fā)生變化，導(dǎo)致切削過程惡化，而且切削振動對切削效率和深孔鉆削質(zhì)量至關(guān)重要；其次，切削振動將會

107、導(dǎo)致刀具的瞬時切削厚度在名義切削厚度附近產(chǎn)生波動，進而導(dǎo)致機床和刀具工作在動載荷下，加速了刀具的磨損并喪失了切削精度，最終降低了機床的使用壽命和刀具的耐用度，而且如果出現(xiàn)嚴重振動，刀刃可能會跳離工件，切削厚度突然降至零，或者刀刃又會深深地扎入工件，其瞬時切削厚度是名義切削厚度的好幾倍；此外切削振動還使得刀具的實際前角和后角產(chǎn)生周期性的變化。上述因素將引起一個比沒有振動時的靜態(tài)切削力還要大的周期性變化的動態(tài)切削力。這種交變的動態(tài)切削力會導(dǎo)

108、致刀具切削部分疲勞，進而引起崩刃、打刀等，而且加速機床和夾具相關(guān)部位的磨損、松動、喪失精度。此外，強烈的切削振動還會產(chǎn)生噪音，危害操作者的健康[39]。因此，研究機床中的各種振動的特性、規(guī)律和產(chǎn)生機理是</p><p>　　按振動產(chǎn)生的原因機械振動可以概括為以下三種：</p><p>　　(1) 自由振動：當(dāng)機械系統(tǒng)受到干擾，打破了原有的平衡狀態(tài)后，由系統(tǒng)的彈性恢復(fù)力來維持的振動。在阻尼系

109、統(tǒng)中，振動過程中由于只存在能量消耗，系統(tǒng)振動幅值將會逐漸衰減，自由振動的頻率即為系統(tǒng)的固有頻率。</p><p>　　(2) 強迫振動：由外界的持續(xù)激振力引起和維持的振動，振動的頻率即為激振頻率。</p><p>　　(3) 自激振動：系統(tǒng)在不存在外部激振力的條件下，而由系統(tǒng)本身產(chǎn)生的交變力激發(fā)和維持的一種穩(wěn)定的周期性振動，振動的頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率。</p><p