小直徑鉆削的穩(wěn)態(tài)分析

山西中北大學機電工程院 鄭志群 馬廣軒

引言

隨著現(xiàn)代裝備制造業(yè)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品需求多樣化，一些直徑不大于10mm的小直徑深孔零件，需求量日益增大。特別是加工這種長徑比L/D≥20以上、精度和表面質(zhì)量要求較高的細長深孔零件時,原有麻花鉆切削系統(tǒng)有切削步驟繁多、切削溫度高、排屑困難、刀具磨損嚴重、加工的口徑的限制，現(xiàn)改為槍鉆系統(tǒng)的生產(chǎn)加工。針對這一難題，應用一種高效精密的小直徑槍鉆系統(tǒng)。該槍鉆加工系統(tǒng)直接應用在管件上，其加工方法簡單、快捷、經(jīng)濟實用，在槍鉆加工系統(tǒng)的的精確控制下，可實現(xiàn)小深孔的一次性成型，如圖1所示，極大地拓展了深孔鉆床的功能以及應用。

1 零件結構分析

如圖1所示為管件某特殊零件的結構局部簡圖，其材質(zhì)為超高強度鋼[1-2]，應用的槍鉆加工零件，加工部分總長度為60mm，其長徑比L/D≥20。

由于孔深決定了懸伸，孔徑?jīng)Q定了整個刀體直徑，加工中既要避免加工的零件因加工中的振動影響其粗糙度，又要保證其加工的高效，保證經(jīng)濟效益[3]。

圖1 零件剖面圖

2 槍鉆系統(tǒng)鉆削中的振動分析

深孔鉆削作為金屬切削的一種加工方式，在鉆削中必然存在發(fā)生自激振動的可能，鉆削加工中的振動是影響被加工表面質(zhì)量和限制鉆削加工生產(chǎn)率的一個重要因素[4]。當工件和刀具之間的動態(tài)相互作用，會導致鉆削振動的產(chǎn)生。如果振動嚴重，工件表面質(zhì)量將會下降，刀具過度磨損，甚至導致其刀片崩斷。

2.1 槍鉆鉆削加工過程的動力學模型

一般深孔加工運動方式有：(1)生產(chǎn)中應用最廣的是工件旋轉(zhuǎn)、刀具系統(tǒng)進給的加工方式；(2)工件轉(zhuǎn)動、刀具系統(tǒng)只做進給運動；(3)工件固定、刀具系統(tǒng)做轉(zhuǎn)動和進給的運動。為了保證加工零件的精度，機床采用工件旋轉(zhuǎn)、刀具系統(tǒng)做進給的運動，如圖2所示。

在推導槍鉆鉆削動力學方程時做如下假設：

（1）忽略加工中油壓對槍鉆鉆頭的受力影響。

（2）鉆桿、冷卻液、切屑等部分的重力和導向套、集成排屑器的反力、摩擦力都很小，忽略不計，刀具磨損對切削力的影響也不計。

圖2 槍鉆深孔加工簡圖

（3）忽略各支撐處的質(zhì)量和阻尼的影響，忽略鉆桿旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力。

考慮到鉆削加工中，工件振動在已加工表面產(chǎn)生波紋，并且使切削厚度發(fā)生變化，根據(jù)系統(tǒng)的振動規(guī)律，建立守恒的微分方程組[3-5]：

由動力學方程組可以看出X、Y方向切削振動的阻尼由：（1）、Cx、Cy，這類對槍鉆系統(tǒng)的振動起阻礙作用的阻尼，取正值；這類由進給速度反饋而形成的等效阻尼，大小由r1決定，當?shù)刃ё枘釣檎禃r，切削過程中振動加劇，從而影響正常的切削加工。

振動的剛度也由兩部分組成：

2.2 轉(zhuǎn)速對其振動響應的影響

以φ3mm孔徑長度60mm小深孔為例，采用φ3mm的槍鉆加工，為了便于計算取其質(zhì)量M為0.5Kg、阻尼為0.16×65°、靜態(tài)切削力系數(shù)185、切削力厚度系數(shù)為95，將其值直接代入式中，以此作為模型計算公式。用Matlab的ode45求解振動方程的解，可得到在鉆削過程中刀具切削位置在X和Y軸向振動的動態(tài)響應。

為了分析和比較進給量變化對振動響應的影響，利用表1中的數(shù)據(jù)

表1 切削條件

求解振動方程解，即可得到鉆削零件的振動響應如圖3所示。鉆削速度分別與走刀量有關，需要分析影響移動速度v對加工中槍鉆振動的影響。在切削條件的基礎上，將轉(zhuǎn)速提高至6500r/mm，其余切削條件固定不變，用振動方程計算槍鉆的振動響應如圖3所示。

圖3 6500r/s時 X,Y的振動響應

從圖3看出，增加轉(zhuǎn)速使槍鉆鉆削的振動響應振幅有所增加。

3 結論

通過對不同轉(zhuǎn)速下的研究，得出了不同情況下槍鉆鉆削的X、Y的振動偏移響應。在對小深孔鉆削加工下槍鉆的振動力學模型應用Matlab，對其模型數(shù)值計算，分析工件的轉(zhuǎn)速對刀具系統(tǒng)的振動響應影響。計算結果表明，轉(zhuǎn)速對刀具振動都有影響，轉(zhuǎn)動速度增大時，其振動響應隨之改變。選擇合適的走刀量有助于降低振動幅度，此槍鉆的動力學模型可為深孔鉆削加工過程中出現(xiàn)的振動響應提供數(shù)值方法，用于優(yōu)化加工，減少廢品的產(chǎn)生。

[1]劉黨生.金屬切削原理與刀具[M].北京：北京理工大學出版社，2009.

[2]王俊.現(xiàn)代深孔加工技術[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2005.

[3]師漢民.影響機床顫振的幾個非線性因素及其數(shù)學模型[J].華中科技大學學報：自然科學版，1984.

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