深孔振動(dòng)鉆削裝置的設(shè)計(jì)

《深孔振動(dòng)鉆削裝置的設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《深孔振動(dòng)鉆削裝置的設(shè)計(jì)（45頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 1 頁(yè) 共 45 頁(yè)大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 2 頁(yè) 共 45 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書深孔振動(dòng)鉆削裝置的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 學(xué) 院： 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師： 年 月深孔振動(dòng)鉆削裝置的設(shè)計(jì)大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 3 頁(yè) 共 45 頁(yè)摘要：由于深孔加工是在封閉或半封閉的狀況下進(jìn)行，因此不能直接觀察刀具的切削情況，切削熱不易傳散，而且排屑困難，工藝系統(tǒng)剛性差，切削效果不理想，特別是0.8mm 以下，長(zhǎng)徑比大于 10, IT7 以上的精密深孔的加工，是目前國(guó)內(nèi)外的技術(shù)難題。本課題設(shè)計(jì)時(shí)，在對(duì)振動(dòng)鉆削和 DF 負(fù)壓抽屑機(jī)理進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)深孔振動(dòng)鉆削裝置，采用普通車床配用一種電磁式振動(dòng)裝置，電磁式振動(dòng)裝置克服了深孔加工斷屑排屑困難的問(wèn)題，并且提高深孔的加工質(zhì)量及加工效率。關(guān)鍵詞：深孔加工，振動(dòng)切削，DF 系統(tǒng)Deep hole vibration drilling device designAbstract: because of the deep hole processing in closed or semi-closed is conducted, and therefore cannot be directly observed the cutting tool, cutting, and scattered heat yi scraps discharge difficult, process system rigidity is poor, cutting the effect not ideal, especially 0.8 mm below, length-diameter ratio is more than 10, IT7 above precision deep hole processing, is the technical problems at home and abroad. This topic design, for vibration drilling and the mechanism of smoke crumbs DF negative pressure, thorough study on the basis of the deep hole design vibration drilling device, USES ordinary lathe with a assolenoid style vibrating device, assolenoid style vibrating device overcomes the deep hole processing broken bits scraps discharge difficult problems and improve deep hole processing quality and machining efficiency. Keywords: deep hole processing, the vibration cutting, DF system大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 4 頁(yè) 共 45 頁(yè)目 錄1 引言······························································11．1 本課題研究的目的和意義········································· 11. 2 國(guó)內(nèi)外深孔振動(dòng)鉆削發(fā)展簡(jiǎn)況及深孔振動(dòng)鉆削的進(jìn)展·················21．2．1 國(guó)內(nèi)外深孔振動(dòng)鉆削發(fā)展簡(jiǎn)況··································21．2．2 深孔振動(dòng)鉆削的進(jìn)展 ·········································51．3 低頻深孔振動(dòng)鉆削存在的主要問(wèn)題································ 71．4 本課題的來(lái)源及主要研究?jī)?nèi)容·····································71．5 對(duì)深孔振動(dòng)鉆削技術(shù)的展望······································102 振動(dòng)鉆削的斷屑機(jī)理的研究·········································122．1 振動(dòng)鉆削的完全幾何斷屑機(jī)理····································12大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 5 頁(yè) 共 45 頁(yè)2．1．1 振動(dòng)切削為什么能斷屑及斷屑之充分條件·······················122．1．2 切屑的形成·················································132．2 力學(xué)斷屑機(jī)理··················································142．3 本章小結(jié)······················································153 振動(dòng)裝置························································153．1 振動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)················································153．1．1 振動(dòng)鉆削裝置結(jié)構(gòu)圖·········································153．1．2 振幅，頻率連續(xù)可調(diào)的理論分析·······························163．2 振動(dòng)裝置相關(guān)數(shù)值匯總··········································174 排屑系統(tǒng)·························································184．1 排屑系統(tǒng)的選大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 6 頁(yè) 共 45 頁(yè)擇················································184．2 DF 系統(tǒng)與其它深孔加工技術(shù)的比································184．2．1 DF 系統(tǒng)與雙管噴吸鉆的比較·································184．2．2 DF 系統(tǒng)與 BTA 技術(shù)的對(duì)比···································204．2．3 DF 系統(tǒng)與槍鉆加工技術(shù)的對(duì)比·······························214．3 負(fù)壓排屑系統(tǒng)關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)····································224．4 油路的設(shè)計(jì)····················································244．5 振動(dòng)鉆削系統(tǒng)總體布局··········································255 振動(dòng)鉆削刀具的選用···············································255．1 深孔加工刀具簡(jiǎn)介··············································255．1．1 麻花鉆簡(jiǎn)介·················································255．1．2 槍鉆簡(jiǎn)大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 7 頁(yè) 共 45 頁(yè)介···················································265．1．3 內(nèi)排屑鉆簡(jiǎn)介···············································286 振動(dòng)鉆削工藝效果的分析···········································316．1 鉆頭磨損，破損和耐用度········································306．2 入鉆，出鉆與走偏量············································316．3 孔壁表面質(zhì)量(粗糙度)··········································326．4 切削力和切削溫度··············································326．5 孔擴(kuò)量························································337 總結(jié)····························································337．1 設(shè)計(jì)總結(jié)·······················································33大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 8 頁(yè) 共 45 頁(yè)7．2 尚待解決的問(wèn)題·················································337．3 下一步工作展望·················································34致謝·······························································35參考文獻(xiàn)···························································361 引言機(jī)械制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱，在切削加工中，孔加工約占加工總量的三分之一，而深孔加工又占孔加工的百分之四十。由于深孔是在封閉或半封閉的狀況下進(jìn)行，因此不能直接觀察刀具的切削情況，切削熱不易傳散，而且排屑困難，工藝系統(tǒng)剛性差，切削效果不理想。深孔加工特點(diǎn)有如下特點(diǎn)：1.刀桿受孔徑的限制，直徑小，長(zhǎng)度大，造成剛性差，強(qiáng)度低，切削時(shí)易產(chǎn)生振動(dòng)、波紋、錐度，而影響深孔的圓柱度和表面粗糙度。2.在鉆孔和擴(kuò)孔時(shí)，冷卻潤(rùn)滑液在沒(méi)有采用特殊裝置的情況下，難于輸入到切削區(qū)，使刀具耐用度降低，而且排屑也困難。3.在深孔的加工過(guò)程中，不能直接觀察刀具切削情況，只能憑工作經(jīng)驗(yàn)聽(tīng)切削時(shí)的聲音、看切屑、手摸振動(dòng)與工件溫度、觀儀表(油壓表和電表)，來(lái)判斷切削過(guò)程是否正常。4.切屑排除困難，必須采用可靠的手段進(jìn)行斷屑及控制切屑的長(zhǎng)短與形狀，以順利排屑，防止切屑堵塞。5.為了保證深孔在加工過(guò)程中順利進(jìn)行和達(dá)到應(yīng)要求的加工質(zhì)量，應(yīng)增加刀具內(nèi)(或外)排屑裝置，刀具引導(dǎo)和支承裝置和大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 9 頁(yè) 共 45 頁(yè)高壓冷卻潤(rùn)滑裝置。1．1 本課題研究的目的和意義機(jī)加工工藝中的深孔，通常是指長(zhǎng)度大于直徑 5 倍以上的孔，深孔加工技術(shù)產(chǎn)生于對(duì)槍炮管的制造過(guò)程。其加工存在三大問(wèn)題：1.深孔加工時(shí)，孔的軸線易歪斜，這是因?yàn)樯羁椎毒呒?xì)長(zhǎng)，剛性差，強(qiáng)度低，在加工時(shí)鉆頭容易引偏和振動(dòng)。2.刀具的散熱條件差，切削溫度升高會(huì)使刀具的耐用度降低。3.切屑排除困難，不僅會(huì)劃傷已加工表面，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起刀具的崩刃至折斷。而且深孔加工的效率和質(zhì)量一直低于其它方面的金屬切削加工。經(jīng)過(guò)近一個(gè)世紀(jì)的努力，深孔加工已達(dá)到了較高的水平，特別是深孔加工與新的加工技術(shù)結(jié)合，預(yù)示著很好的發(fā)展前景。振動(dòng)切削的實(shí)質(zhì)就是在傳統(tǒng)的切削過(guò)程中給刀具或工件附加某種有規(guī)律的振動(dòng)，使切削速度、進(jìn)給量、切削深度按一定規(guī)律變化。振動(dòng)切削改變了工件與刀具之間的時(shí)間與空間的分配，從而改變了切削加工機(jī)理，達(dá)到了減小切削力和切削熱并且提高加工質(zhì)量和效率的目的。由于切削速度的變化和加速度的出現(xiàn)，使得振動(dòng)切削具有許多優(yōu)點(diǎn)，特別是在難加工材料和普通材料的難加工工序的加工中，都收到了極其出色的效果。振動(dòng)切削相比于傳統(tǒng)切削的特點(diǎn)：1）切削力大大減小。2）切削溫度明顯降低。 3）切削液的作用得到了充分發(fā)揮。4）可提高刀具使用壽命。5）可控制切屑的形狀和大小，改善排屑狀況。6）提高加工精度和表面質(zhì)量。7）可提高已加工表面的耐磨性和耐蝕性。1．2 國(guó)內(nèi)外深孔振動(dòng)鉆削發(fā)展簡(jiǎn)況及深孔振動(dòng)鉆削的進(jìn)展1．2．1 國(guó)內(nèi)外深孔振動(dòng)鉆削發(fā)展簡(jiǎn)況1970 年代中期，在人們發(fā)現(xiàn)了振動(dòng)鉆削具有的一些優(yōu)良工藝效果之后，為了尋求科學(xué)的支持，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者開(kāi)始從理論上對(duì)振動(dòng)鉆削的機(jī)理與特性進(jìn)行探索，至今40 年來(lái)，主要對(duì)振動(dòng)鉆削的“鉆頭剛性化效果”理論，動(dòng)態(tài)角度理論，振動(dòng)斷屑理論，脈沖能量和應(yīng)力集中理論等進(jìn)行了分析研究。振動(dòng)切削按振動(dòng)頻率 f 分為高頻振動(dòng)切削和低頻振動(dòng)切削兩種。振動(dòng)頻率在x200Hz 以下的振動(dòng)切削稱為低頻振動(dòng)切削，低頻振動(dòng)切削的振動(dòng)主要靠機(jī)械裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。高頻振動(dòng)切削是指振動(dòng)頻率在 16kHz 以上，利用超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿來(lái)實(shí)大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 10 頁(yè) 共 45 頁(yè)現(xiàn)的。由于 f ≈10kHz 的振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生可聽(tīng)見(jiàn)的噪聲，一般不予采用。通常高頻振動(dòng)切x削也被稱為超聲波振動(dòng)切削。振動(dòng)切削按振動(dòng)的能源分為強(qiáng)迫振動(dòng)裝置和自激振動(dòng)裝置。自激振動(dòng)切削是利用切削過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行切削的。強(qiáng)迫振動(dòng)切削是利用專門設(shè)置的振動(dòng)裝置，使刀具或工件產(chǎn)生某種有規(guī)律的可控振動(dòng)進(jìn)行切削的方法。1958 年，美國(guó)學(xué)者研制了安裝在自動(dòng)車床上用凸輪控制的機(jī)械式軸向振動(dòng)裝置，后來(lái)日本學(xué)者研制了一種特殊萬(wàn)向節(jié)式的軸向振動(dòng)鉆削裝置，如圖 1.１所示。八十年代初，薛萬(wàn)夫教授研制了利用直流調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心凸輪旋轉(zhuǎn)，并推動(dòng)滾子使刀具產(chǎn)生軸向振動(dòng)的裝置?？偟膩?lái)說(shuō)，目前機(jī)械振動(dòng)裝置多數(shù)采用偏心機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鉆頭或工作臺(tái)的振動(dòng)。這種裝置輸出功率大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于調(diào)整振動(dòng)參數(shù)，振動(dòng)機(jī)構(gòu)剛度大，負(fù)載能力強(qiáng)，但由于機(jī)構(gòu)存在偏心質(zhì)量，振動(dòng)頻率受到限制，通常不大于 200Hz。圖 1.1 特殊萬(wàn)向節(jié)式的軸向振動(dòng)鉆削裝置1979 年，日本學(xué)者岸本等人研制出了安裝在立銑上的電液伺服閥控制油缸的振動(dòng)鉆削裝置。后來(lái)，足力勝重和前蘇聯(lián)的科學(xué)家也相繼開(kāi)發(fā)了與此類似的液壓振動(dòng)鉆削裝置。液壓振動(dòng)鉆削裝置的輸出功率較大，負(fù)載能力較強(qiáng)，適用于鉆削大直徑深孔，但由于增加了液壓系統(tǒng)，成本較高，液壓油的體積彈性模量較小，所以反應(yīng)遲鈍，因此頻率不大于 200Hz。液壓振動(dòng)鉆削裝置又可分為機(jī)械－液壓式和電氣－液壓式。機(jī)械－液壓式振動(dòng)裝置的振動(dòng)頻率較低，一般不超過(guò) 60Hz。在電氣－液壓式裝置中，控制大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 11 頁(yè) 共 45 頁(yè)滑閥的運(yùn)動(dòng)是由電氣－機(jī)械裝置帶動(dòng)的，在保持足夠大振幅情況下，可以得到更高的振動(dòng)頻率。1988 年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉華明教授用電磁鐵改造研制了電磁振動(dòng)鉆削工作臺(tái)，用 220 伏交流電經(jīng)調(diào)壓變壓器為電磁鐵提供激振能量。這種裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，振動(dòng)頻率較高，頻率與振幅負(fù)載特性較好，常用于對(duì)小孔的加工。電磁振動(dòng)裝置的核心是電磁激振器，振動(dòng)能量來(lái)源于鐵心對(duì)銜鐵的在不閉合狀態(tài)下的磁場(chǎng)吸力，可以通過(guò)改變勵(lì)磁電壓的方式來(lái)控制振幅輸出，但由于磁隙的剛度相對(duì)較小，銜鐵上負(fù)載的變化對(duì)銜鐵振幅的影響較大，鉆頭與工件接觸后，振幅明顯減小，所以電磁振動(dòng)裝置的負(fù)載能力較差，效率較低。1997 年由原吉林工業(yè)大學(xué)高印寒教授研制開(kāi)發(fā)出永磁振動(dòng)鉆削裝置能夠產(chǎn)生復(fù)合振動(dòng)。由于振源能量來(lái)自于永磁體的磁能，使整個(gè)振動(dòng)裝置具有操作方便，無(wú)發(fā)熱的特點(diǎn)。2007 年，中北大學(xué)研究生韓旭在畢業(yè)論文中詳細(xì)介紹了深孔加工低頻振動(dòng)鉆削，并用自行設(shè)計(jì)制造的鉆削系統(tǒng)和鉆頭進(jìn)行了深孔鉆削實(shí)驗(yàn)，效果良好，可以推廣到其它小深孔鉆削。該鉆削系統(tǒng)使用內(nèi)排屑深孔鉆鉆削小直徑深孔時(shí)，只要切削用量，振動(dòng)參數(shù)匹配較好都可以很好的控制切削形態(tài)，取得滿意的鉆削效果。試驗(yàn)中使用的振動(dòng)裝置如圖 1.2 所示。通過(guò)皮帶輪直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)中心軸，而中心軸與偏心套 1 為緊配合，偏心套 2 和偏心套 1 為松配合，可以方便調(diào)整兩個(gè)偏心套的相對(duì)位置，然后通過(guò)兩端螺母壓緊(未畫出)，隨著中心軸一起作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。保持架可以把由滾動(dòng)軸承傳來(lái)的偏心套 2 的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)軸向振動(dòng)。鉆桿通過(guò)夾緊螺母固定在保持架上，鉆桿帶動(dòng)鉆頭，隨著保持架做軸向振動(dòng)。振動(dòng)箱安裝在車床大托板上，隨大托板做軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。工件轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆頭軸向進(jìn)給并振動(dòng)，這樣就實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)鉆削。大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 12 頁(yè) 共 45 頁(yè)圖 1.2 雙偏心套振動(dòng)裝置由于振動(dòng)鉆削具有特殊的工藝效果，從 1980 年代末至今國(guó)內(nèi)有更多的學(xué)者開(kāi)始對(duì)振動(dòng)鉆削進(jìn)行研究，并逐漸開(kāi)始向應(yīng)用方向發(fā)展。同時(shí)，各國(guó)學(xué)者對(duì)振動(dòng)鉆削理論的研究推動(dòng)了振動(dòng)鉆削的歷史進(jìn)程，為振動(dòng)鉆削的優(yōu)良工藝效果提供了理論依據(jù)。但理論研究工作還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠全面，深入和系統(tǒng)，對(duì)某些工藝效果還不能做出有說(shuō)服力的解釋，有的理論還具有局限性，尚缺少嚴(yán)密的科學(xué)論證，所以振動(dòng)鉆削理論的研究工作仍是振動(dòng)鉆削新工藝的薄弱環(huán)節(jié)，有待于進(jìn)一步發(fā)展和完善。1．2．2 深孔振動(dòng)鉆削的進(jìn)展1970 年代中期，在人們發(fā)現(xiàn)了振動(dòng)鉆削具有的一些優(yōu)良工藝效果之后，為了尋求科學(xué)的支持，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者開(kāi)始從理論上對(duì)振動(dòng)鉆削的機(jī)理與特性進(jìn)行探索，至今40 年來(lái)，主要對(duì)振動(dòng)鉆削的“鉆頭剛性化效果”理論，動(dòng)態(tài)角度理論，振動(dòng)斷屑理論，脈沖能量和應(yīng)力集中理論等進(jìn)行了分析研究。隈部淳一郎教授在他的著作《精密加工振動(dòng)切削基礎(chǔ)的應(yīng)用》 中，率先提出振??8動(dòng)鉆削的“鉆頭剛性化效果”理論。在他構(gòu)造的鉆頭動(dòng)力學(xué)模型中，把鉆頭抽象為自由端具有集中等效質(zhì)量 M，相互垂直的兩個(gè)方向（ X 向和 Y 向）上的等效剛度為等效阻尼系數(shù)為 的懸臂梁，并受到脈沖寬度為 ，周期為 T，兩個(gè)垂直yk和x yc和x ct大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 13 頁(yè) 共 45 頁(yè)方向的振幅分別為 的脈沖力作用使鉆頭產(chǎn)生橫向位移 X 和 Y，從而構(gòu)造出鉆yh和x頭在兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)微分方程，并進(jìn)行了求解和分析。1984 年開(kāi)始，王立江教授和他的課題組對(duì)高頻和低頻振動(dòng)鉆削都進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，他在研究中還提出了低頻振動(dòng)提高鉆入定位精度的新觀點(diǎn)，指出振動(dòng)鉆入時(shí)雖然由于某種原因產(chǎn)生的橫向力作用使鉆頭產(chǎn)生橫向偏移，但由于振動(dòng)的存在，使鉆頭迅速退回脫離工件，并在再次鉆入前的一段時(shí)間內(nèi)受阻尼力的作用橫向偏移迅速衰減，待衰減近平衡位置時(shí)再次鉆入，故明顯地提高了鉆入定位精度，即具有“鉆入－偏移－退回－恢復(fù)－重新鉆入”的動(dòng)力學(xué)特性 。 這一特性的發(fā)現(xiàn)無(wú)疑豐富了剛性化理論，??9推動(dòng)了振動(dòng)鉆削理論研究的進(jìn)程。1986 年劉華明教授在自制的超聲波振動(dòng)鉆床上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)振動(dòng)鉆削使切削力下降，表面質(zhì)量和孔徑精度提高。并進(jìn)一步探討了鉆頭耐用度與進(jìn)給量之間的關(guān)系，給出了兩者之間的關(guān)系曲線 。??101988 年，楊兆軍教授根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，提出通過(guò)改變進(jìn)給量來(lái)減少入鉆位置誤差的理論。微孔鉆削入鉆時(shí)，鉆頭橫刃連續(xù)刮削工件，由于工件表面的不平整，鉆頭兩切削刃的不對(duì)稱等各種因素，鉆尖受到橫向力的作用而產(chǎn)生偏移，使鉆頭偏移鉆入工件，而產(chǎn)生入鉆定位誤差。振動(dòng)鉆削則改變了微孔鉆削的入鉆過(guò)程。入鉆時(shí)，鉆頭相對(duì)于工件做軸向振動(dòng)，橫刃作脈沖式旋轉(zhuǎn)楔入工件，與工件表面時(shí)切時(shí)離。楔入時(shí)，鉆尖因橫向力作用而產(chǎn)生偏移，設(shè)偏移量 但進(jìn)入工件表面分離后，鉆頭將做以?為初始位移激勵(lì)的偏移衰減振動(dòng)，其動(dòng)力學(xué)模型可簡(jiǎn)化為單自由度振動(dòng)系統(tǒng) 。通? ??1過(guò)計(jì)算和分析得出主切削刃全部鉆入工件之前，楔入次數(shù)越多，修正次數(shù)就越多，入鉆位置誤差就越小的結(jié)論。顯然，減小鉆頭的進(jìn)給量，就增加修正次數(shù)，但降低加工效率。若控制機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)，在入鉆階段施以較小的進(jìn)給量，而在鉆削階段再轉(zhuǎn)變成正常的進(jìn)給量，則在保證加工效率的前提下可減少微孔鉆削的入鉆定位誤差。1999 年池龍珠等人提出改變進(jìn)給量能降低出口毛刺高度的理論 ，指出進(jìn)給量越??12小，出口毛刺也越小，與恒進(jìn)給量相比可降低出口毛刺的 43.5%——59.8%。2000 年 1 月，趙宏偉，李自軍等人又利用電控式微孔振動(dòng)鉆床對(duì)多層復(fù)合材料的微孔振動(dòng)鉆削進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對(duì)不同材料層的加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而提出多層復(fù)合材料階躍式三參數(shù)振動(dòng)鉆削新工藝 。試驗(yàn)表明，階躍式三參數(shù)振動(dòng)鉆削的入鉆定??13大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 14 頁(yè) 共 45 頁(yè)位誤差 r，孔擴(kuò)量 ，出口毛刺高度 H 值比普通鉆削的相應(yīng)值顯著降低。D?2000 年 10 月，楊兆軍教授，王立平教授提出了三區(qū)段變參數(shù)振動(dòng)鉆削微孔的新工藝 ，探討并研究了用非線性回歸求取各區(qū)段最佳振動(dòng)參數(shù)的方法，驗(yàn)證了以三區(qū)段??14最佳振動(dòng)參數(shù)作變參數(shù)時(shí)，可以全面降低微孔加工誤差的工藝效果。由于振動(dòng)鉆削具有特殊的工藝效果，從 1980 年代末至今國(guó)內(nèi)有更多的學(xué)者開(kāi)始對(duì)振動(dòng)鉆削進(jìn)行研究，并逐漸開(kāi)始向應(yīng)用方向發(fā)展。同時(shí)，各國(guó)學(xué)者對(duì)振動(dòng)鉆削理論的研究推動(dòng)了振動(dòng)鉆削的歷史進(jìn)程，為振動(dòng)鉆削的優(yōu)良工藝效果提供了理論依據(jù)。 但理論研究工作還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠全面，深入和系統(tǒng)，對(duì)某些工藝效果還不能做出有說(shuō)服力的解釋，有的理論還具有局限性，尚缺少嚴(yán)密的科學(xué)論證，所以振動(dòng)鉆削理論的研究工作仍是振動(dòng)鉆削新工藝的薄弱環(huán)節(jié) ，有待于進(jìn)一步發(fā)展和完善。??151．3 低頻深孔振動(dòng)鉆削存在的主要問(wèn)題振動(dòng)鉆削在各國(guó)科技人員的努力下，已取得了很大的發(fā)展，但是要實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的高可靠性和自動(dòng)化，還存在以下問(wèn)題：１）振動(dòng)鉆削的參數(shù)匹配現(xiàn)在仍然停留在加工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，需要加大對(duì)這方面問(wèn)題的分析與研究，以便建立可供加工過(guò)程中選用的參數(shù)匹配工程表格，對(duì)推廣振動(dòng)鉆削有重要意義。２）國(guó)內(nèi)外振動(dòng)鉆削所使用的鉆頭，基本上是以麻花鉆和槍鉆為主，而對(duì)于具有廣闊前景的內(nèi)排屑深孔鉆頭的研究卻很少。我國(guó)所使用的槍鉆基本上都是由國(guó)外購(gòu)買，鉆削成本高，麻花鉆由于其先天性的缺陷，難以在超深孔加工中發(fā)揮作用。內(nèi)排屑深孔鉆不但設(shè)計(jì)制造成本低，而且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超深孔的加工，所以設(shè)計(jì)制造內(nèi)排屑深孔鉆進(jìn)行振動(dòng)鉆削能帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。３）振動(dòng)鉆削的優(yōu)良工藝效果己得到國(guó)內(nèi)外很多專家學(xué)者的肯定，但其推廣使用速度卻很慢。這主要是由于目前振動(dòng)鉆削的激振裝置還很不穩(wěn)定，如超聲振動(dòng)系統(tǒng)往往存在結(jié)合面松動(dòng)，發(fā)熱疲勞以及振幅波動(dòng)等缺點(diǎn)而限制了在生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用；而機(jī)械激振系統(tǒng)的頻率受負(fù)載影響較大，一般在加工過(guò)程中難以控制，振幅因系統(tǒng)彈性也會(huì)與預(yù)先的設(shè)定值相差甚遠(yuǎn)；電磁激振系統(tǒng)也存在著類似的問(wèn)題。激振裝置的穩(wěn)定性已成為振動(dòng)鉆削技術(shù)應(yīng)用和推廣最主要的制約因素，研究和制造穩(wěn)定的激振裝置成了從事振動(dòng)鉆削加工科技人員的一個(gè)重要課題。1．4 本課題的來(lái)源及主要研究?jī)?nèi)容大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 15 頁(yè) 共 45 頁(yè)（1）課題的來(lái)源中北大學(xué)深孔加工實(shí)驗(yàn)室多年來(lái)一直從事孔加工技術(shù)方面的研究和開(kāi)發(fā)，在深孔加工刀具和加工工藝方面的研究己取得很大成就，同時(shí)在深孔振動(dòng)鉆削方面也有很大進(jìn)展。為了對(duì)深孔振動(dòng)鉆削進(jìn)行進(jìn)一步的研究，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目需要，設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的激振裝置，并使該技術(shù)能盡快投入生產(chǎn)應(yīng)用，于是實(shí)驗(yàn)室將“深孔振動(dòng)鉆削裝置的設(shè)計(jì)”項(xiàng)目作為本科生的論文題目。（2）本課題要研究的問(wèn)題1.機(jī)械型振動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置分析及選擇。2.深孔加工排屑裝置的確定。3.深孔加工鉆頭的選用。（3）擬采用的解決途徑1.機(jī)械型振動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置分析及選擇。本設(shè)計(jì)擬采用低頻振動(dòng)切削。低頻振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)形式有電磁振動(dòng)型、電氣一液壓型、機(jī)械－液壓型和機(jī)械型幾種，振動(dòng)頻率為 20——200Hz。一般來(lái)說(shuō)，低頻振動(dòng)切削的振動(dòng)主要是靠機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)，機(jī)械振動(dòng)切削裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、使用維護(hù)都比較方便，振動(dòng)參數(shù)受負(fù)載影響較小，所以應(yīng)用比較廣泛。機(jī)械振動(dòng)切削裝置可形成獨(dú)立機(jī)床部件，原機(jī)床不需要進(jìn)行大的改裝就可以與其配套，多用于鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、鏗孔和螺紋加工中。機(jī)械型振動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)用較多的是曲柄滑塊式，四連桿機(jī)構(gòu)及偏心輪式。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單造，低廉，工作可靠，有向機(jī)床通用附件方向發(fā)展的趨勢(shì)，在原來(lái)機(jī)床不經(jīng)改裝或較少改裝的情況下，就能配套使用。對(duì)于原已具備深孔加工系統(tǒng)的機(jī)床，只要將原來(lái)進(jìn)給改機(jī)構(gòu)成振動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)，配上相應(yīng)的電控系統(tǒng)，就能實(shí)現(xiàn)振動(dòng)深孔加工。本設(shè)計(jì)擬采用普通車床 C6140 配用一種電磁式振動(dòng)裝置，電磁式振動(dòng)裝置是針對(duì)上述不足,設(shè)計(jì)的一種振動(dòng)鉆削裝置,克服了傳統(tǒng)的振動(dòng)裝置的不足。其主要特點(diǎn)是：1)電磁力比較大，可承受較大負(fù)載。2)通過(guò)調(diào)節(jié)交流電的頻率和大小，使鉆桿的振幅和頻率連續(xù)可調(diào)，適應(yīng)性強(qiáng)。3)用電磁式振動(dòng)裝置取代了傳統(tǒng)機(jī)械振動(dòng)裝置,摩擦力小，噪聲小，發(fā)熱少。4)結(jié)構(gòu)更加緊湊,易于在機(jī)床上安裝,操作；便于維修和調(diào)整；整個(gè)裝置使用壽命長(zhǎng),性能穩(wěn)定,可靠。如圖１.３所示，工作時(shí)電磁式振動(dòng)裝置通電，各磁極之間相互吸引或排斥，從而使鉆頭沿軸向往復(fù)振動(dòng)；并且可按加工需要隨意調(diào)整振動(dòng)大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 16 頁(yè) 共 45 頁(yè)參數(shù)，以達(dá)到理想的振動(dòng)切削效果。利用這種振動(dòng)裝置，配合使用負(fù)壓抽血系統(tǒng)，可靠地解決了各種材料上加工深孔時(shí)的斷屑問(wèn)題，從而為各種內(nèi)排屑鉆頭的應(yīng)用提供了較好的排屑條件，可以在比傳統(tǒng)加工方法更小的直徑范圍使用內(nèi)排屑系統(tǒng)。圖１.３ 振動(dòng)裝置和排屑裝置2.深孔加工中如何排屑。在深孔加工中切屑排除困難，不僅會(huì)劃傷已加工表面，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起刀具的崩刃至折斷，所以排屑系統(tǒng)的好壞對(duì)加工質(zhì)量影響很大 。本設(shè)計(jì)擬采用 DF 系統(tǒng)，DF??16的意思是雙向供油系統(tǒng)，20 世紀(jì) 70 年代中期由日本冶金株式會(huì)社研制，它是 BTA 系統(tǒng)和噴吸鉆系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物。其工作原理是：如圖１－３所示，在 DF 系統(tǒng)的前端放置有一個(gè)提供切削液的高壓輸油器，以便利用壓力推出切屑與送進(jìn)切削液，尾端置有一個(gè)產(chǎn)生負(fù)壓效應(yīng)裝置，可起到抽吸切屑的作用。DF 系統(tǒng)這種推、吸雙重作用的發(fā)揮，可加快切削液的流速，增加單位時(shí)間的排屑量，提高生產(chǎn)效率，是一種高效、高質(zhì)量的深孔加工系統(tǒng)。抽屑器負(fù)壓效應(yīng)的大小，首先取決于液體通過(guò)錐形噴嘴間隙后產(chǎn)生的軸向液體動(dòng)量。由于對(duì)負(fù)壓抽屑效應(yīng)的影響因素繁多，事前準(zhǔn)確的計(jì)算出最佳的噴射間隙顯然是困難且無(wú)必要的。最簡(jiǎn)辦法是做成一個(gè)可調(diào)的“封閉環(huán)” ，通過(guò)調(diào)試達(dá)到最佳的抽屑效大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 17 頁(yè) 共 45 頁(yè)果。原則上，適用于某種鉆孔直徑的抽屑器，其抽屑力也足以適用于更小直徑的鉆頭，但是不一定適用于更大的鉆頭。這種“小貓可以鉆大洞”的效應(yīng)可以為抽屑器的規(guī)范設(shè)計(jì)制造帶來(lái)巨大的方便，但是實(shí)踐中也會(huì)造成“大馬拉小車”的弊端，功率過(guò)大的抽屑器會(huì)不必要的浪費(fèi)資源，且使抽屑器的造型與機(jī)床不相協(xié)調(diào)，因此產(chǎn)生了其規(guī)范化設(shè)計(jì)的問(wèn)題，可以通過(guò)同一抽屑器有兩個(gè)以上的噴嘴快速更換來(lái)解決。3.深孔加工鉆頭的選用。深孔鉆頭的缺點(diǎn)主要是排屑困難，鉆頭剛度不夠大，磨損嚴(yán)重，冷卻效果差等 。??17本設(shè)計(jì)擬采用英國(guó)羅太克斯公司設(shè)計(jì)的具有半圓形出屑口的內(nèi)排屑深孔鉆。鉆頭與鉆桿采用方牙螺紋連接，外刃分屑并有斷屑臺(tái)，內(nèi)刃磨出 的正刃傾角。其特點(diǎn)是切'302?削刃和第二導(dǎo)向條采用兩塊硬質(zhì)合金，因而出屑口面積加大，呈半圓形。據(jù)報(bào)道，該鉆頭用于加 S80 合金鋼時(shí) V=82m/min，f=0.19mm/r，不但工效高而且排屑通暢。1．5 對(duì)深孔振動(dòng)鉆削技術(shù)的展望近年來(lái)，由于材料科學(xué)的飛速發(fā)展，具有優(yōu)良機(jī)械和物理性能的新型材料不斷涌現(xiàn)，并逐漸在各個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。高強(qiáng)度、高硬度金屬材料、正交纖維束增強(qiáng)復(fù)合材料及涂層材料等的應(yīng)用日益廣泛，尤其是正交纖維束增強(qiáng)復(fù)合材料以其優(yōu)良的比強(qiáng)度、比剛度和加工性能被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，然而其主要弱點(diǎn)之一是層間剪切強(qiáng)度低，采用普通鉆削加工時(shí)因軸向力較大，使層間容易產(chǎn)生脫層現(xiàn)象，尤其鉆出時(shí)脫層更為嚴(yán)重。針對(duì)這一問(wèn)題，采用振動(dòng)鉆削工藝，并在鉆入和鉆出時(shí)采用不同的加工參數(shù)(振幅 A、振動(dòng)頻率 v、進(jìn)給量 f、主軸轉(zhuǎn)速 n 等)以減小軸向力，無(wú)疑可顯著提高孔的加工質(zhì)量。由多種材料(如欽合金、鋁合金及復(fù)合材料)組合構(gòu)成的疊層材料己逐漸應(yīng)用于新型飛機(jī)的制造中，其應(yīng)用前景十分廣闊，但由于其切削性能很差，成為推廣應(yīng)用的主要障礙，因此迫切需要解決其切削加工難的問(wèn)題。對(duì)于這種材料采用定參數(shù)振動(dòng)鉆削的加工方法難以奏效，必須在鉆削不同材料層時(shí)相應(yīng)改變加工參數(shù)，才能在性能差別懸殊的不同材料層上鉆出高質(zhì)量的孔。極有發(fā)展前途的金屬基(主要是鋁基)非連續(xù)增強(qiáng)復(fù)合材料以及最近出現(xiàn)的一些具有晶須、短纖維和陶瓷顆粒結(jié)構(gòu)的材料，不僅性能優(yōu)異，而且價(jià)格也可與傳統(tǒng)金屬材料競(jìng)爭(zhēng)，國(guó)外已在導(dǎo)航系統(tǒng)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車連桿、活塞、汽缸體、工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)齒輪上投入應(yīng)用。但是這類材料中的增強(qiáng)相(纖維、晶須或顆粒)硬度很高，且在材料中隨機(jī)分布，故鉆削加工中刀具磨損嚴(yán)重，加工表面質(zhì)量差，且隨鉆削深度的增加大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 18 頁(yè) 共 45 頁(yè)而加劇。所以，必須采用變參數(shù)振動(dòng)鉆削工藝才能較好解決其加工問(wèn)題。上述新型材料有可能在下世紀(jì)初被大量廣泛應(yīng)用，而其加工難題還遠(yuǎn)未很好解決，目前僅在車削加工領(lǐng)域有極少的研究和報(bào)道。針對(duì)上述材料的加工難題，振動(dòng)鉆削應(yīng)根據(jù)加工孔的材料組合特性、孔的長(zhǎng)徑比和技術(shù)要求等靈活選擇參數(shù)變量(A, v, f,n)，并將參數(shù)變量作為鉆削深度的函數(shù)，即 A(x), v(x), f(x)，n (x)，最終目的是使整個(gè)鉆削過(guò)程處于優(yōu)化狀態(tài)，全面提高孔的加工質(zhì)量。因此，對(duì)振動(dòng)鉆削的研究主要應(yīng)從以下幾方面進(jìn)行:(1)在充分考慮各種復(fù)雜因素尤其是非線性因素的基礎(chǔ)上，構(gòu)造能夠真實(shí)反映鉆削過(guò)程機(jī)理的動(dòng)力學(xué)模型，深入進(jìn)行振動(dòng)鉆削動(dòng)力學(xué)特性的研究 :??18①由于振動(dòng)鉆削系統(tǒng)是一個(gè)包含非線性因素的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)諸如分叉、混沌等方面的動(dòng)力學(xué)特性，這方面內(nèi)容在以往的振動(dòng)鉆削研究中很少涉及。②鉆頭的結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)比較復(fù)雜，以往國(guó)內(nèi)外對(duì)振動(dòng)鉆削進(jìn)行理論研究時(shí)都是把鉆頭近似看作具有兩自由度且自由端具有集中質(zhì)量(或均勻分布質(zhì)量)的懸臂梁來(lái)建立動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)這種模型進(jìn)行理論分析，求出的解只能是近似解，不能完全、真實(shí)地反映鉆頭結(jié)構(gòu)及切削過(guò)程的動(dòng)力學(xué)特性，因此需要從振動(dòng)理論上進(jìn)一步深入分析振動(dòng)鉆削的動(dòng)力學(xué)特性，尋找更為有效的求解方法，為振動(dòng)鉆削技術(shù)在現(xiàn)代加工條件下的完善和發(fā)展提供更充分、更精確的理論依據(jù)。(2)從切削力學(xué)角度看，振動(dòng)鉆削的實(shí)質(zhì)是變厚切削、變角切削、變速切削和沖擊切削，要搞清各參數(shù)變量對(duì)切削過(guò)程的多維影響關(guān)系、分離型與不分離型振動(dòng)鉆削的分界、零相位差振動(dòng)斷屑機(jī)理、尤其是在廣域內(nèi)確定鉆頭各個(gè)切削刃的負(fù)后角禁區(qū)及切削厚度的變化對(duì)動(dòng)態(tài)切削力的影響，必須對(duì)動(dòng)態(tài)切削過(guò)程進(jìn)行深入研究，從而為今后的實(shí)驗(yàn)研究奠定基礎(chǔ)。(3)開(kāi)發(fā)先進(jìn)的振動(dòng)鉆削設(shè)備。振動(dòng)鉆削是一種先進(jìn)的加工工藝，振動(dòng)參數(shù)對(duì)孔加工質(zhì)量的影響非常大，而且需要根據(jù)不同的加工對(duì)象和鉆削區(qū)段作相應(yīng)變化。因此，依靠傳統(tǒng)的鉆削設(shè)備很難實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須配置能進(jìn)行變參數(shù)振動(dòng)鉆削的自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)鉆削的自動(dòng)化和智能化。(4)開(kāi)拓新的分析方法。振動(dòng)鉆削研究的最終目的是適應(yīng)新型材料的加工要求，優(yōu)化切削過(guò)程，全面提高孔加工質(zhì)量。但受實(shí)驗(yàn)設(shè)備等客觀條件的限制，不可能在實(shí)驗(yàn)大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 19 頁(yè) 共 45 頁(yè)中大幅度地任意改變參數(shù)，因此采用計(jì)算機(jī)仿真對(duì)切削過(guò)程進(jìn)行全方位的分析和優(yōu)化是必不可少的，這就要求在系統(tǒng)辨識(shí)的基礎(chǔ)上根據(jù)振動(dòng)理論、切削理論、控制理論等對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行形象的描述并構(gòu)造振動(dòng)鉆削的仿真模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)鉆削的動(dòng)態(tài)仿真。綜上所述，振動(dòng)鉆削為了適應(yīng)現(xiàn)代化高科技發(fā)展的需要，要從各方面進(jìn)行不斷地發(fā)展和完善，并發(fā)揮出其先進(jìn)的工藝水平。2 振動(dòng)鉆削的斷屑機(jī)理的研究在切削加工中，如果工件韌性良好，且刀具不設(shè)斷屑槽，通常在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)共同作用下，會(huì)產(chǎn)生厚薄均勻連續(xù)之帶狀切屑，這種長(zhǎng)長(zhǎng)的帶狀切屑在孔加工中，會(huì)聚集在狹窄的已加工好的孔里面，它們極易卷成團(tuán)，這一方面會(huì)劃傷己加工好的孔之表面；另一方面也極易發(fā)生卡鉆甚至斷鉆事故。深孔排屑常常應(yīng)用負(fù)壓排屑系統(tǒng)，而只有斷屑才能使負(fù)壓將切屑順利吸出。關(guān)于斷屑的方法有許多種，但是歸結(jié)起來(lái)按機(jī)理分為兩大類。一種是通過(guò)改變切削層的幾何參數(shù)，使切削面積規(guī)律地變?yōu)榱阒?，?shí)現(xiàn)斷屑，稱為完全幾何斷屑。另一種是通過(guò)改變切屑形成的外部環(huán)境，以產(chǎn)生新的力學(xué)機(jī)制，使切屑內(nèi)部應(yīng)力超過(guò)其應(yīng)力極限，使其產(chǎn)生薄弱環(huán)節(jié)而達(dá)到斷屑的目的，稱為不完全幾何斷屑或力學(xué)斷屑。在振動(dòng)鉆削中，其斷屑方法同時(shí)具有了這兩種斷屑方法的特點(diǎn) 。下面分別討論這兩種??19斷屑方法的原理。2．1 振動(dòng)鉆削的完全幾何斷屑機(jī)理2．1．1 振動(dòng)切削為什么能斷屑及斷屑之充分條件韌性材料不斷屑之原因在于切削時(shí)有一個(gè)勻速的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，致使切屑厚薄均勻一致，如圖 2.1。大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 20 頁(yè) 共 45 頁(yè)圖 2.1 圖 2.2 圖 2.3如果有一個(gè)變化的進(jìn)給速度，會(huì)使切屑兩側(cè)面出現(xiàn)波浪形，但圖 2.2 因波形在兩側(cè)面之頻率、振幅、相位點(diǎn)會(huì)一致，切削厚度 S =S 沒(méi)有改變，因而不會(huì)實(shí)現(xiàn)完全斷12屑。同樣是變化的進(jìn)給速度，在圖 2.3 中，切屑兩側(cè)腰形在頻率和振幅是相同的，但切屑厚度 S S 且形成周期性變化。當(dāng)選擇好合理的振幅可以使 S =0，這就是完全1?2 2斷屑之充分條件。2．1．2 切屑的形成切屑是在兩個(gè)運(yùn)動(dòng)下形成的，一個(gè)是軸向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；另一個(gè)是工件的轉(zhuǎn)動(dòng)。將軸向運(yùn)動(dòng)作為 Y 方向，工件在切削點(diǎn)的速度之反方向即切屑形成方向?yàn)?x 方向，由于軸向進(jìn)給量相對(duì)工件切削速度來(lái)說(shuō)比較小，可以認(rèn)為 Y X，具體來(lái)說(shuō)切屑厚度方向是?Y 方向，切屑長(zhǎng)度方向是 x 方向。切屑寬度是擴(kuò)孔時(shí)的工件內(nèi)外半徑之差，即 z 方向，圖中未畫出。所以圖２－1，２－2，２－3 就是將 Y 軸作為橫坐標(biāo)，x 軸作為縱坐標(biāo)的切屑圖。在一個(gè)旋轉(zhuǎn)時(shí)間內(nèi)，工件轉(zhuǎn) 360 ，刀具完成切屑側(cè)面一周，形成了切屑側(cè)面波浪形，?當(dāng)然我們希望獲得如圖２.４的切屑側(cè)面圖形。圖２.４ 理想切屑側(cè)面2．2 力學(xué)斷屑機(jī)理大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 21 頁(yè) 共 45 頁(yè)大量的實(shí)驗(yàn)證明，即使不滿足(幾何)斷屑條件，也能可靠的斷屑。為探索其機(jī)理，引入了切削厚度相對(duì)變化率的概念:切削厚度變化量對(duì)切削長(zhǎng)度的變化梯度 da /dy cr(y 為理論切削長(zhǎng)度)；單位切削長(zhǎng)度上的切削厚度變化率△acr /△y 即為平均切削厚度相對(duì)變化率 。 ??20根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在切削厚度產(chǎn)生周期性變化時(shí)，如果保持切削厚度的薄弱環(huán)節(jié)不變，亦即最小切厚不變，那么切削厚度的相對(duì)變化率越大，則越有利于斷屑。這就等同于：通過(guò)增大切削厚度的相對(duì)變化率，在保持最小切厚不變的條件下也可以實(shí)現(xiàn)斷屑。這種機(jī)理的簡(jiǎn)化模型如圖 2.5 所示。 圖 2.5 振動(dòng)切削簡(jiǎn)化模型由于切削厚度的變化，致使切削過(guò)程中產(chǎn)生一種新的力學(xué)機(jī)制，宏觀地講，切屑變形不再保持恒定。切削厚度大的部位，切屑變形小，瞬時(shí)卷屑半徑增大。隨著切削厚度的減小，切屑變形增大，瞬時(shí)卷屑半徑減小，加工硬化程度增大，直到切削厚度達(dá)到最小，此時(shí)產(chǎn)生薄而脆的切屑薄弱環(huán)節(jié)。同時(shí)，切屑卷屑半徑的減小，使得切屑卷曲速度加快。這種迅速卷起的切屑，在一定程度上阻礙了高壓切削液的順利通過(guò)，從而受到切削液的沖擊，又一次的附加變形也易使切屑斷裂，實(shí)現(xiàn)斷屑。切削厚度的相對(duì)變化率越大，這意味著當(dāng)?shù)都膺\(yùn)動(dòng)到切削厚度最小點(diǎn)時(shí)，處于第二變形區(qū)的平均切屑厚度越大，致使此時(shí)切屑所受彎矩越大，剪切角越小，切屑變形越大，加工硬化越嚴(yán)重，所以越易斷屑。要實(shí)現(xiàn)可靠斷屑，增大振幅 A 的值或者 sin的值均有效，只要在加工過(guò)程中合理的選擇 A、n、v 的值，就可以實(shí)現(xiàn)可靠的斷nv?60屑。大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 22 頁(yè) 共 45 頁(yè)2．3 本章小結(jié)綜上所述，振動(dòng)鉆削條件不同斷屑也不同，可分為幾何斷屑和力學(xué)斷屑兩種情況，即使不滿足完全幾何斷屑條件時(shí)，也是可以通過(guò)產(chǎn)生切屑的薄弱環(huán)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)力學(xué)斷屑的。這一點(diǎn)只有在振動(dòng)鉆削中可以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也是振動(dòng)鉆削的最大優(yōu)點(diǎn)之一。3 振動(dòng)裝置3．1 振動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)3．1．1 振動(dòng)鉆削裝置結(jié)構(gòu)圖圖 3.1 電磁振動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖圖 3.1 中鉆桿通過(guò)夾緊螺母與電磁鐵定，給電磁鐵通一定頻率的脈沖電流（本設(shè)計(jì)采用 60Hz 的脈沖電流） ，從而電磁鐵產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，并且與左右兩端的永磁鐵相互作用產(chǎn)生脈沖，這樣的力通過(guò)夾緊螺母帶動(dòng)鉆桿作水平方向上一定頻率與振幅的振動(dòng)。振動(dòng)頻率的大小通過(guò)電流頻率控制，振幅大小通過(guò)電流大小控制，從而實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)頻率與振幅的連續(xù)調(diào)節(jié)控制。鉆桿通過(guò)孔與鉆桿桿的配合固定在箱體上，鉆桿帶動(dòng)鉆頭，隨著電磁鐵做軸向振動(dòng)。振動(dòng)裝置安裝在車床大托板上，隨大托板做軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。工件轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆頭邊軸向進(jìn)給邊振動(dòng)，這樣就實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)鉆削。3．1．2 振幅，頻率連續(xù)可調(diào)的理論分析不同切削條件下的斷屑實(shí)驗(yàn)效果 ??21大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 23 頁(yè) 共 45 頁(yè)所以本設(shè)計(jì)?。侯l率 f=40Hz，振幅 A=0.08mm，工件轉(zhuǎn)速 n=1 500r/min，進(jìn)給量f=0.03mm/r，振動(dòng)裝置（鉆桿，鉆頭，電磁鐵，夾緊螺母，鐵芯）總重 m=8kg，永磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度 B=1T。圖 3.2 脈沖電流因?yàn)?S= at21帶入數(shù)值得：0.08 10 = a （ ）?3?214?02求得：a=4.1m/s 所需電磁力 F=ma=8 4.1=32.8N2大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 24 頁(yè) 共 45 頁(yè)因?yàn)?f 1N，所以設(shè)計(jì)中忽略摩擦力的影響。摩 擦 力 ?3．2 振動(dòng)裝置相關(guān)數(shù)值匯總本設(shè)計(jì)中：振動(dòng)頻率 f=40Hz，振幅 A=0.08mm，工件轉(zhuǎn)速 n=1 500r/min，進(jìn)給量f=0.03mm/r，永磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度 B=1T，導(dǎo)線直徑 =1mm，鐵芯長(zhǎng)度?L =105mm， =80mm，導(dǎo)線匝數(shù) n=100，導(dǎo)線長(zhǎng)度 L =25m，脈沖電流頻率鐵 芯 ?鐵 芯 導(dǎo) 線60Hz。脈沖電流大小 i=0.7A，鉆頭直徑 =25mm。4 排屑系統(tǒng)4．1 排屑系統(tǒng)的選擇20 世紀(jì) 70 年代中期，日本冶金有限公司利用流體噴射所產(chǎn)生的負(fù)壓效應(yīng)，設(shè)計(jì)出一種深孔鉆抽屑裝置，裝設(shè)在 BTA 鉆進(jìn)刀座位置，從鉆桿末端產(chǎn)生負(fù)壓以促進(jìn)排屑。這種系統(tǒng)所用的深孔刀具與 BTA 刀具完全相同，其輸油器與 BTA 鉆也完全相同，只是因?yàn)閷?shí)際工作中影響因素較多且情況復(fù)雜，以下部分為估算，需要在實(shí)際中測(cè)量電磁力的大小，這樣可以簡(jiǎn)單又準(zhǔn)確的獲得電磁力大小。如果條件允許，最好在鉆削的時(shí)候測(cè)量實(shí)時(shí)振幅。取電磁鐵導(dǎo)線直徑 =1 10 m，鐵芯長(zhǎng)度 L =0.1m， =0.08m，??3?鐵 芯 ?鐵 芯導(dǎo)線匝數(shù) n=100，L =n 2 R=100 2 3.14 0.04=25m導(dǎo) 線 ??因?yàn)樽笥覂啥擞型瑯拥挠来盆F，工作的時(shí)候一端產(chǎn)生推力，另一端產(chǎn)生拉力，并且兩端推力拉力不斷交替變化，所以 F = F= 32.8=16.4N。磁 21?由安培定律是得：F=BIL 導(dǎo) 線帶入數(shù)值得：16.4=1 i 25?求得： i=0.7A大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 25 頁(yè) 共 45 頁(yè)將切削液分出另外一支用以產(chǎn)生噴流。因此，與 BTA 鉆的單一油路相比，成為一種與之相區(qū)別的雙向供油系統(tǒng)（Double Feeder System，簡(jiǎn)稱 DF 系統(tǒng)。），因而命名為 DF系統(tǒng)。其抽屑機(jī)理與雙管噴吸鉆相同，但只需要在單層 BTA 鉆桿后部增加一套簡(jiǎn)單的抽屑器。這種被稱為單管噴吸系統(tǒng)的改進(jìn)型深孔加工技術(shù)，由于抽屑器改善了排屑條件，可以將 BTA 鉆的應(yīng)用范圍適當(dāng)向下擴(kuò)展，但卻不需要專用的 BTA 機(jī)床。企業(yè)可以利用車床類普通機(jī)床和舊的深孔鉆床改裝后用于中小直徑的深孔鉆，鉆頭和鉆桿完全與 BTA 刀具一致。20 世紀(jì) 80 年代以后，我國(guó)有不少中小企業(yè)將這種技術(shù)用于加工板料上的系列中小直徑深孔，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。由于其裝置結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，刀具成本低于雙管噴吸鉆，將現(xiàn)有內(nèi)，外排屑深孔鉆床或車床類機(jī)床進(jìn)行簡(jiǎn)易的改進(jìn)后即可采用。DF 系統(tǒng)特別適合鉆 16—— 30mm 的深孔，具有比 BTA 鉆排屑狀況好，比槍鉆，雙管噴吸鉆?等投資少，成本低等優(yōu)勢(shì)，因而在我國(guó)應(yīng)用比較廣。因此本設(shè)計(jì)擬采用 DF 系統(tǒng)。4．2 DF 系統(tǒng)與其它深孔加工技術(shù)的比較4．2．1 DF 系統(tǒng)與雙管噴吸鉆的比較迄今為止，在國(guó)際范圍內(nèi)有關(guān)深孔加工技術(shù)研究和應(yīng)用方面的文獻(xiàn)資料中，涉及DF 系統(tǒng)的甚為稀少。關(guān)于 DF 系統(tǒng)的代表性技術(shù)特征，見(jiàn)于刊物并為用戶普遍遵守的設(shè)計(jì)規(guī)范不外乎以下兩點(diǎn) :??2（1）將雙管噴吸鉆的內(nèi)管廢除，使鉆頭恢復(fù) BTA 鉆的原貌，并以兩個(gè)錐形空心噴嘴構(gòu)成的抽屑裝置取代雙管噴吸鉆內(nèi)管的月牙槽，從而在結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)化了雙管噴吸鉆。兩者相對(duì)比，用一臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的抽屑裝置取代了雙管噴吸鉆的一根內(nèi)管和一套連接器，使雙管噴吸鉆的結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化。 （2）繼承了雙管噴吸鉆在負(fù)壓效應(yīng)方面的設(shè)計(jì)思路：第一，噴嘴間隙△取值0.2——0.5 mm；第二，前油路流量取為總流量的 2/3，后油路取為總流量的 1/3。值得注意的是，射流噴射角 是對(duì)負(fù)壓效應(yīng)產(chǎn)生重要影響的一個(gè)參數(shù)。一般說(shuō)，?較小的噴射角能夠產(chǎn)生較大的軸向射流分量，從而產(chǎn)生較大負(fù)壓效應(yīng)。但雙管噴吸鉆的內(nèi)管受到結(jié)構(gòu)和工藝上的局限，實(shí)際上的 取值不小于 。DF 系統(tǒng)的噴嘴則可能加?25工成更小的錐角。根據(jù)現(xiàn)有的研究證明取 是完全可行的，因而能取得比雙?0???管噴吸鉆更好的抽屑效果。大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 26 頁(yè) 共 45 頁(yè)圖 4.1 DF 系統(tǒng)抽屑裝置設(shè)計(jì)參數(shù) 的模擬比較?DF 系統(tǒng)抽屑裝置與雙管噴吸鉆內(nèi)管的另一項(xiàng)差別是，后者的內(nèi)管直徑(包括外徑和內(nèi)徑)是與鉆頭直徑配套設(shè)計(jì)的，鉆頭直徑越大，噴射槽的總面積越大。而對(duì)于 DF 抽屑裝置來(lái)說(shuō)，其噴嘴的內(nèi)徑和噴嘴間隙無(wú)法適用于不同尺寸(特別當(dāng)尺寸相差較大時(shí))的鉆桿 。換言之，為某種鉆頭直徑設(shè)計(jì)的抽屑器，只能用于變動(dòng)很小的鉆頭直徑范??23圍，否則就必須更換新的噴嘴副并進(jìn)行調(diào)整。最后，DF 抽屑器的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，DF 抽屑器噴嘴是一個(gè)完整的圓錐，而不像雙管噴吸鉆內(nèi)管那樣需要加工出兩排相互斷隔的弧形槽。因而，針對(duì)單一鉆頭直徑設(shè)計(jì)出來(lái)的 DF 抽屑器，所產(chǎn)生的射流形態(tài)比雙管噴吸鉆更優(yōu)越，抽屑效果更大。根據(jù)以上分析對(duì)比，可得出以下結(jié)論:（1）DF 系統(tǒng)和雙管噴吸鉆的共同優(yōu)勢(shì)是，由于利用射流負(fù)壓抽屑效應(yīng)，兩種噴吸鉆的排屑功能都比 BTA 鉆有明顯的提高，特別是對(duì) 25mm 以內(nèi)的內(nèi)排屑深孔加工表現(xiàn)?突出。與此相應(yīng)的是，兩種噴吸鉆的油壓和流量都比 BTA 鉆有明顯降低。DF 系統(tǒng)雖然密封要求稍高于雙管噴吸鉆，但比 BTA 鉆低得多。兩種噴吸鉆的共同特點(diǎn)是，它們對(duì)機(jī)床的專用性要求都不高。（2）從鉆孔直徑范圍方面對(duì)比，雙管噴吸鉆的最小鉆孔直徑為 18.4mm，DF 系統(tǒng)?由于不設(shè)內(nèi)管而且負(fù)壓抽屑功能更強(qiáng)，因而最小鉆孔直徑可繼續(xù)向下擴(kuò)展。根據(jù)我們的研究，如以深孔的長(zhǎng)徑比等于 40 及能實(shí)現(xiàn)順利排屑為約束條件，DF 系統(tǒng)用于 8 mm鉆孔具有技術(shù)可行性，但 DF 系統(tǒng)鉆孔的經(jīng)濟(jì)合理限度最小為直徑 12 mm。?（3）DF 系統(tǒng)和雙管噴吸鉆各自適用于不同的生產(chǎn)類型和深孔零件。雙管噴吸鉆由于鉆具(鉆頭、內(nèi)外管和連接器)的裝備投資較高、訂貨期較長(zhǎng)，用于多品種單件小批大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 27 頁(yè) 共 45 頁(yè)生產(chǎn)是不經(jīng)濟(jì)的，其主要用途是長(zhǎng)度在 1 000 mm 以內(nèi)深孔的批量生產(chǎn)。如用于單一鉆孔直徑(或鉆孔直徑相差不多)零件的大批量生產(chǎn)，特別當(dāng)孔深較大時(shí)，DF 系統(tǒng)比 BTA鉆和雙管噴吸鉆更為優(yōu)越。4.2.2 DF 系統(tǒng)與 BTA 技術(shù)的對(duì)比1）在所用機(jī)床設(shè)備方面，DF 系統(tǒng)比 BTA 鉆適應(yīng)性更大。如 BTA 鉆孔示意圖 4.2 所示，所有的 BTA 鉆床，只需增加一臺(tái)抽屑裝置并對(duì)油路進(jìn)行簡(jiǎn)單改造，均可用于 DF 系統(tǒng)加工。已有的槍鉆機(jī)床、普通車床等，都可以簡(jiǎn)單改造為 DF 深孔鉆床。另外，DF 系統(tǒng)對(duì)油泵排油量、油箱容積和機(jī)床密封的要求也低于同直徑的 BTA 鉆 。??24圖 4.2 BTA 鉆孔示意圖2）凡屬大批量生產(chǎn)的深孔零件，均適于采用 DF 方法加工。在抽屑裝置設(shè)計(jì)正確的條件下，在孔徑、工件材質(zhì)等條件相同時(shí)，采用 DF 系統(tǒng)加工的工效、加工質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性均高于 BTA 技術(shù)。3）對(duì)于加工孔徑是 15.6—— 25mm 的深孔零件 (特別當(dāng)生產(chǎn)批量很大時(shí))，是?BTA 鉆最易產(chǎn)生排屑故障的區(qū)段；對(duì)于孔徑 14—— 15.6mm 這一區(qū)段，則超出了 BTA?鉆的推薦應(yīng)用范圍。但是 BTA 鉆的這一弱勢(shì)區(qū)段，正好被 DF 系統(tǒng)加以填補(bǔ)。4）由于 DF 系統(tǒng)和雙管噴吸鉆各有其局限性，所以對(duì)于多品種、批量各異、材質(zhì)各異的深孔零件生產(chǎn)企業(yè)而言。BTA 加工裝備因具有寬廣的適用范圍而仍能保持其在內(nèi)排屑深孔加工中的主導(dǎo)地位。大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 28 頁(yè) 共 45 頁(yè)4．2．3 DF 系統(tǒng)與槍鉆加工技術(shù)的對(duì)比早在 20 世紀(jì) 80 年代，先后有不少權(quán)威性文獻(xiàn)指出: BTA 鉆的可鉆孔范圍為6(0.236“)—— 100.16(4“)mm。在 DF 系統(tǒng)問(wèn)世后，曾引起我國(guó)制造業(yè)高度重視并對(duì)??DF 系統(tǒng)在我國(guó)的發(fā)展寄予厚望。有人甚至樂(lè)觀地預(yù)言，DF 系統(tǒng)將在 8mm 以上的深孔?鉆削領(lǐng)域內(nèi)取代槍鉆加工技術(shù) 。其根據(jù)是日本冶金有限公司采用 DF 技術(shù)加工小深孔??25的實(shí)際記錄:棒料 SCM-3(相當(dāng)于 35CrMo), HB220，鉆孔尺寸 8 x 300 mm；切削用量：n=3 500 r/min(v=88 m/min), f=0.06 mm/r；切削液壓力為 4MPa，孔粗糙度 Ra 的值為1.6 m。據(jù)此加工實(shí)例，可確認(rèn)采用 DF 技術(shù)所達(dá)到最小鉆孔直徑為 8mm，孔長(zhǎng)徑比? ?為 37.5，進(jìn)給量和工效約比槍鉆高 50%，加工質(zhì)量與槍鉆相當(dāng)。但在時(shí)過(guò) 20 多年后，DF 系統(tǒng)仍未能實(shí)現(xiàn)在深孔加工領(lǐng)域里的重大突破。除了在少數(shù)國(guó)家為部分中小企業(yè)采用外，在國(guó)際范圍內(nèi)既未能取代 BTA 技術(shù)，也未能動(dòng)搖槍鉆在小深孔加工領(lǐng)域里的統(tǒng)治地位。根據(jù)調(diào)查研究和科研實(shí)踐，謹(jǐn)提出以下見(jiàn)解: 1）內(nèi)排屑深孔鉆具有一系列勝于外排屑深孔鉆的優(yōu)勢(shì)(如鉆桿剛度大，鉆頭與鉆桿可快速拆卸，進(jìn)給量大，適于鉆大直徑深孔，可進(jìn)行鉆、擴(kuò)、套料多種方法的加工，質(zhì)心與鉆頭回轉(zhuǎn)軸一致等等)，但致命的先天缺陷是排屑通道不足，且孔徑越小，孔的長(zhǎng)徑比越大，越容易產(chǎn)生堵屑故障。雙管噴吸鉆的優(yōu)勢(shì)主要是針對(duì) BTA 鉆的缺陷，從引人負(fù)壓抽吸功能入手加以改進(jìn)。但雙管噴吸鉆采取的加設(shè)內(nèi)管和連接器的措施遠(yuǎn)非理想，從而導(dǎo)致了種種缺。DF 系統(tǒng)將內(nèi)管取消，把抽屑功能剝離開(kāi)來(lái)，由單獨(dú)的錐形噴嘴來(lái)承擔(dān)，從而使系統(tǒng)簡(jiǎn)化。這一思路既富有創(chuàng)新性，又具有實(shí)踐性。2）DF 系統(tǒng)的最大不足之處是裝備設(shè)計(jì)上的不成熟和理論上的不成熟。其理論方面的不成熟表現(xiàn)在照搬雙管噴吸鉆的數(shù)據(jù)，對(duì)影響負(fù)壓抽屑效應(yīng)的主要參數(shù)缺乏研究，更談不上優(yōu)化。在裝備設(shè)計(jì)上的不足是未能設(shè)計(jì)出功能完善，通用性更大的抽屑器，使 DF 裝備的通用性和性價(jià)比優(yōu)于雙管噴吸鉆并實(shí)現(xiàn)專業(yè)化商品生產(chǎn)。3）關(guān)于 DF 系統(tǒng)能否取代槍鉆以及可能在多大程度上取代槍鉆的問(wèn)題，必須從技術(shù)，經(jīng)濟(jì)諸方面的可行性進(jìn)行科學(xué)論證并進(jìn)行實(shí)際評(píng)估，僅僅籠統(tǒng)地做出結(jié)論是沒(méi)有意義的。4．3 負(fù)壓排屑系統(tǒng)關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)影響 DF 系統(tǒng)加工效果的兩個(gè)關(guān)鍵部件是負(fù)壓抽屑裝置和授油器。本設(shè)計(jì)根據(jù) DF大學(xué) 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第 29 頁(yè) 共 45 頁(yè)內(nèi)排屑原理設(shè)計(jì)了可調(diào)間隙負(fù)壓抽屑裝置，把它結(jié)合振動(dòng)裝置用于振動(dòng)深孔加工試驗(yàn)中。圖 4.3 是負(fù)壓排屑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖與整體布局圖。其中除排屑裝置外，其余的要素(工件、輸油器、鉆頭和鉆桿)與 BTA 鉆完全相同。其進(jìn)給箱與排屑裝置合為一體，由箱體8、鉆桿夾頭 7、前噴嘴 8、后噴嘴 9,密封件、進(jìn)油管、出屑管等為數(shù)不多的零件和標(biāo)準(zhǔn)件組成。由油泵輸送的切削液分為前后兩支:前一支液流進(jìn)人輸油器后，經(jīng)過(guò)鉆套、已加工孔壁與鉆桿、鉆頭體上的通油間隙流向切削刃，將切屑推人鉆頭喉部，經(jīng)鉆頭內(nèi)腔進(jìn)人鉆桿，再進(jìn)人抽屑器。后一支液流進(jìn)人抽屑裝置箱體，經(jīng)前、后噴嘴之間喇叭口狀的窄狹