電磁式軸向深孔振動鉆削裝置的設計

1、山西中北大學機電工程學院 張勇 顧強 2、山西中北大學機械工程與自動化學院 馬清艷

電磁式軸向深孔振動鉆削裝置的設計

1、山西中北大學機電工程學院 張勇 顧強 2、山西中北大學機械工程與自動化學院 馬清艷

本文對電磁式軸向振動工作原理進行了分析，并設計了一種電磁振動鉆削裝置。在深孔加工過程中，通過調節交流電的大小與頻率來控制振動切削裝置鉆桿振幅與頻率，與負壓抽屑裝置配合使用，有效地改善深孔加工過程中斷屑、排屑的問題，提高了深孔加工的質量。

深孔；鉆削；電磁式；軸向振動

1 前言

在機械加工中，孔的加工是比較重要的工序。據統計：對于孔的加工，占到金屬切削加工的三分之一以上[1]。對于孔的加工，尤其是深孔、小孔最為困難。科學技術飛速發展的今天，在電子、航空宇航、儀器儀表等行業中，對孔徑要求越來越小，對孔的精度要求也更高了。因此深孔、小孔的加工成為制約加工質量以及生產效率的因素之一[2]。

在深孔加工中，引入振動切削理論之后，通過工藝參數的合理匹配，其加工精度和表面質量均有明顯改善[3]。振動切削是在傳統切削過程中，給刀具或者工件附加某種有規律的振動，使得切削速度、給進量、切削深度按一定規律變化，從而改變切削加工的機理，達到減小切削力和切削熱，并提高加工質量和效率的效果[1]。文章以電磁式振動鉆削為研究對象，設計了一種電磁振動鉆削裝置，以期為孔加工技術，提出了新的工藝。

2 電磁式軸向振動的工作原理

電磁式軸向振動其核心部分是一種能將電能直接轉換為直線運動機械能的電磁震動裝置，其工作原理與常用的旋轉電機相似，即通過改變電流的大小來改變運動速度和力的大小，改變電流的方向來改變運動方向。

電磁震動裝置可視為，一臺旋轉電機被其沿法向剖開，并展成平面，如圖2.1所示。其中，初級對應定子，次級對應轉子。

繞組電流在氣隙中形成行波磁場，電磁震動裝置通過載流導體與氣隙磁場相互作用，以產生電磁推力，從而使動子或次級沿磁場運動，原理圖如圖2.2所示。

圖2.1 電磁震動裝置結構

圖2.2 電磁震動裝置原理

電磁震動裝置的運行原理如圖2.3所示。初級繞組中輸入三相對稱正弦電流時，會產生一個沿直線方向呈正弦形分布的氣隙磁場。當三相電流隨時間變化時，氣隙磁場也將按一定相序沿直線平移，行波磁場由此得名。將次級導體視為無限多導條并列放置，由此以來，在行波磁場切割時，次級可感應電動勢必產生電流，而氣隙磁場與電流相互作用即產生電磁推力。其中，初級與次級間的推力是相互的，而次級是可動部分，其在電磁推力的作用下做直線運動。

圖2.3 電磁震動裝置的運行原理

3 深孔電磁式軸向振動鉆削裝置設計

3.1 主要技術參數分析

在對深孔鉆的斷屑機理進行一系列的研究后發現，BTA深孔鉆要可靠斷屑[4]，需要滿足下式，此時切削過程是間斷的。

其中：A為振幅（mm）；fr為刀具進給量（mm/r）；0≤i≤1；x為刀尖軸向位移。

圖3.1是根據上式繪制的斷屑區域圖[5]。借助此圖，可以初步選擇保證斷屑的比例關系。首先根據進給量fr計算出能夠保證斷屑的最小振幅A，在保證工藝系統穩定的前提下選擇i的值，以確保鉆頭工作條件最佳，這樣便可在鉆孔過程中主動控制切屑的形成了。

圖3.1 斷屑區域圖

3.2 電磁式振動鉆削裝置的總體結構

電磁式振動鉆削裝置的總體裝配圖如圖3.2所示，其主要部分有SIED數控深孔鉆床床身、負壓抽屑裝置、電磁式振動裝置、中心架、輸油器等。

在機床尾端，裝有產生負壓效應的負壓抽屑裝置，用于抽吸切屑；而前端設有高壓輸油器，借助高壓送進切削液，同時沖出切屑；一吸一推，不僅提高了切削液的流速，而且增加了單位時間內的排屑量，生產效率也就大大提高了。工作時，主軸電機帶動工件作主運動，進給電機帶動刀具作進給運動，電磁式振動裝置帶動鉆桿，鉆桿帶動刀具，隨次級做軸向的振動，從而實現工件的振動鉆削。

圖3.2 電磁式振動鉆削裝置總裝圖

3.3 電磁式振動鉆削裝置的工作原理

高壓切削液分為兩條油路：一條油路由X口進入負壓抽屑裝置，產生一定的負壓，將切屑吸出；另一條油路由Y口進入輸油器，高壓油液經由鉆桿的外壁與已加工孔表面之間的空間到達鉆頭的前端，在高壓作用下從鉆桿的內部將切屑推出。

當電磁式振動裝置通電后，會產生行波磁場，此時次級開始做直線運動。當電流方向改變時，鉆頭將沿軸向往復振動。另外根據加工需要，可改變電流大小，來調整振動參數，以達到理想的切削效果。

在該振動裝置上配以負壓抽屑系統，不僅有效地解決了在各種材料上加工深孔時斷屑的問題，而且為各種內排屑鉆頭的應用提供了更廣闊的平臺，使得在比傳統加工方法更小的直徑范圍內，也可以使用內排屑系統。

4 結語

借助電磁式振動裝置能有效改善斷屑問題，利用負壓抽屑裝置可成功解決排屑問題。與機械振動鉆削裝置相比較，電磁式軸向振動裝置結構簡單，易于安裝，操作也比較方便[6-7]。

[1]王世清.深孔加工技術[M].西安：西北工業大學出版社,2003.

[2]米曾榜.小孔加工[M].北京：機械工業出版社,1988,6.

[3]隈部淳一郎,薛萬夫譯.精密加工振動切削（基礎與應用）[M].北京：機械工業出版社,1985.

[4]李英,曹選平.BTA深孔鉆斷屑研究[J].工具技術,2007,41（11）：94-97.

[5]馬清艷,王彪,劉永姜,于大國,王東旭.電磁式軸向深孔振動鉆削裝置的設計與分析[J].機械設計與研究,2011,27(6)：69～71.

[6]徐旭松,劉戰峰,彭海.低頻機械式深孔振動鉆削裝置的設計與應用[J].新技術新工藝,2002,(10)：16～18.

[7]韓旭,吳伏家.振幅可調式深孔振動鉆削裝置的設計與應用[J].機械管理開發,2007,(3)：54～55.

張勇，1989出生，河南平頂山人，在讀碩士，研究方向：機械電子。