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內(nèi)排屑深孔振動(dòng)鉆削系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
王明陽1 廖結(jié)安2
（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 阿拉爾 843300）
（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 阿拉爾 843300）
摘要 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，而且捧屑困難、工藝系統(tǒng)剛性差，切削效果不理想。本課題對(duì)深孔振動(dòng)鉆削的斷屑機(jī)理進(jìn)行分析，并分析了實(shí)現(xiàn)可靠幾何斷屑的條件和影響力學(xué)斷屑的因素；對(duì)振動(dòng)參數(shù)的選取進(jìn)行了分析，在理論分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際，提出振動(dòng)鉆削參數(shù)選取原則；以現(xiàn)有理論為基礎(chǔ)，利用了現(xiàn)有的頻率、振幅可調(diào)的機(jī)械式雙偏心輪振動(dòng)發(fā)生器和DF負(fù)壓抽屑系統(tǒng)進(jìn)行了組合；并對(duì)DF內(nèi)排屑負(fù)壓抽屑裝置的油路系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)；利用現(xiàn)有的深孔振動(dòng)鉆削系統(tǒng)的新型小直徑內(nèi)排屑深孔鉆頭，組合設(shè)計(jì)出了具有振動(dòng)斷屑負(fù)壓內(nèi)排屑功能的新型深孔加工系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞 振動(dòng)切削；偏心凸輪結(jié)構(gòu)；振動(dòng)模型；穩(wěn)定性；參數(shù)選擇
中圖分類號(hào)：TH162 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
Scraps discharge in deep hole vibration drilling system design
WangMingYang1 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
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。本課題在研究軸向振動(dòng)鉆削機(jī)理的基礎(chǔ)上，分析了軸向振動(dòng)鉆削斷屑完全幾何斷屑機(jī)理，提出了軸向振動(dòng)鉆削參數(shù)選擇原則。用雙偏心凸輪機(jī)構(gòu)作為振動(dòng)鉆削系統(tǒng)發(fā)生器使產(chǎn)生的軸向振動(dòng)和鉆頭的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)復(fù)合在一起，使得振動(dòng)頻率調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)。
1 振動(dòng)切削斷屑的必要條件
（a） （b） （c）
圖1 切屑形狀圖
韌性材料不斷屑之原因在于切削是有一個(gè)勻速的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，致使斷屑厚薄均勻一致如圖1（a），如果給一變化的運(yùn)動(dòng)，到切屑兩側(cè)出現(xiàn)波浪形，如圖1（b）中因波形在兩側(cè)面之頻率·振幅·相位點(diǎn)會(huì)一致，切屑厚度沒有變化，因而也不會(huì)實(shí)現(xiàn)完全斷屑，在圖1（c）中雖然切屑兩側(cè)腰形在頻率和振幅是相同的，切屑厚度且形成周期性變化。當(dāng)選擇好合理的振幅可以使，這是完全斷屑的必要條件。
2 雙偏心凸輪式振動(dòng)發(fā)生器振動(dòng)方程
圖2 偏心結(jié)構(gòu)（） 圖3 偏心結(jié)構(gòu)（）
圖2是偏心凸輪結(jié)構(gòu)，該位置凸輪轉(zhuǎn)角，從動(dòng)位移。圖3凸輪轉(zhuǎn)過，從動(dòng)件位移，令v是凸輪每秒鐘轉(zhuǎn)速，則，則偏心凸輪式振動(dòng)發(fā)生器的振動(dòng)方程是：
（1）
這樣A是振動(dòng)方程之振幅，v是振動(dòng)頻率。這種振動(dòng)發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)是振動(dòng)方程能精確地反映機(jī)構(gòu)的振動(dòng)情況，而有些振動(dòng)發(fā)生器由于機(jī)構(gòu)上的原因近似地符合正弦波曲線從而按正弦波推出來的一些振動(dòng)方面的結(jié)論，也只能近似地符合發(fā)生器振動(dòng)情況。
3 振幅可調(diào)振動(dòng)鉆削裝置的理論分析
(a) (b) (c)
圖4振動(dòng)裝置工作情形圖
如圖4中，中心軸圓心為,偏心套1外圓圓心為，偏心套2外圓圓心為，由于偏心套1和中心軸為緊配合，偏心套1和回轉(zhuǎn)中心就是，偏心套2繞偏心輪1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，實(shí)際是繞轉(zhuǎn)動(dòng)，那么整體形成的偏心距就是到的距離。設(shè)偏心套1與偏心套 2的偏心距都為e，與的夾角為。
如圖4（a）所示：
振幅=
兩個(gè)極限位置：
當(dāng)時(shí)，和重合。如圖4（b）所示：
振幅=
當(dāng)時(shí)，，和成直線。如4（c）所示：
振幅=
這樣只要調(diào)節(jié)的值就能調(diào)節(jié)振幅，而偏心套1和偏心套2為松配合，可以方便調(diào)節(jié)的值，而可調(diào)最大振幅為2e，可調(diào)最小振幅為0e取0.25mm，可調(diào)振幅范圍0∽0.5mm。
由上所知，振幅隨兩偏心套間的轉(zhuǎn)過的角度而變化，如圖5所示
圖5 振幅隨轉(zhuǎn)角變化曲線
當(dāng)e=0.25mm由表1可得到所需振幅：
表1 e=0.25時(shí)部分振幅表 （mm）
角度
振幅
角度
振幅
角度
振幅
0°
0.000
21°
0.091
42°
0.179
3°
0.013
24°
0.104
45°
0.191
6°
0.026
27°
0.117
48°
0.203
9°
0.039
30°
0.129
51°
0.212
12°
0.052
33°
0.142
54°
0.227
15°
0.065
36°
0.155
57°
0.239
18°
0.078
39°
0.167
60°
0.250
4 影響深孔振動(dòng)鉆削穩(wěn)定性的軸向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)
假設(shè)軸向力，扭矩和主切削力隨軸向切削厚度而線性變化，實(shí)際上對(duì)于不完全幾何斷屑，瞬時(shí)進(jìn)給量安按正弦規(guī)律變化時(shí)，鉆削扭矩和主切削力也是按正弦規(guī)律變化的，軸向力的變化近似于正弦規(guī)律。所以，假設(shè)所有的激振力都是時(shí)間t的正弦函數(shù)，各激振力，扭矩的變化和切削厚度的變化之間沒有相位差。
為研究軸向振動(dòng)，建立圖6所示的模型，刀柄處的振動(dòng)為，圖6中為鉆頭的瞬時(shí)位移，為鉆頭的質(zhì)量。
圖6 軸向振動(dòng)模型
當(dāng)m=2時(shí)得瞬時(shí)軸向進(jìn)給量為
（2）
由于進(jìn)給量的變化而產(chǎn)生的瞬時(shí)軸向力為
（3）
式中 ---激振力的力幅
--- 相鄰兩轉(zhuǎn)刀刃軌跡波形間的相位差。
故，可得出動(dòng)力學(xué)方程
（4）
式中 ---鉆頭的瞬時(shí)位移；
---鉆頭的瞬時(shí)加速度；
---系統(tǒng)的彈性系數(shù)；
---系統(tǒng)的固有頻率，
--激振力頻率；
---模型的質(zhì)量。
解方程可得：
（5）
其中，是由軸向切削力周期性變化而引起的；是由刀柄的振動(dòng)引起的。
令 ，， 一般
即 （6）
其中
（7）
其中 ---振動(dòng)鉆削時(shí)鉆頭的振幅。
可以看出：當(dāng)，時(shí)，
（8）
總體分析：當(dāng)時(shí)，鉆頭的軸向激振力的幅值最大，所受沖擊最大；當(dāng)時(shí)，鉆頭軸向激振力的幅值最小，所受振動(dòng)沖擊最小；當(dāng)時(shí)，鉆頭振幅將無限大，即系統(tǒng)達(dá)到共振，要設(shè)法避開；刀柄的振幅越大，鉆頭的振幅越大。
5 影響深孔振動(dòng)鉆削穩(wěn)定性的橫向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)
（一）橫向振動(dòng)
由于徑向力以及主切削力的周期性變化，使得壓向塊的合力及導(dǎo)向套上的支反力也周期性變化。導(dǎo)向塊在軸向位置上滯后于切削刃，這樣主切削力與導(dǎo)向塊所受的支反力形成一力偶（見圖7），也隨瞬時(shí)軸向切削厚度周期性的變化。又由于導(dǎo)向塊的倒錐量，導(dǎo)向塊后部與孔壁間存在間隙，使得周期變化的力偶引起鉆桿產(chǎn)生橫向振動(dòng)。導(dǎo)向塊與主切削刃軸向距離很小，產(chǎn)生的力偶也很小，所以橫向振動(dòng)一般不是很嚴(yán)重，但是如果振動(dòng)頻率接近橫向振動(dòng)的固有頻率就會(huì)發(fā)生共振，這是應(yīng)該避免的。
圖7 鉆頭受到周期性的力偶 圖8 軸向力不過鉆頭軸心
（二）鉆桿的彎曲振動(dòng)
一方面，由于周期性力偶的存在，必然會(huì)使鉆桿發(fā)生彎曲振動(dòng)；另一方面，當(dāng)采用了單刃刀具時(shí)，切削時(shí)軸向力的合力不是作用在鉆頭中心（如圖8），偏置的軸向力必然引起鉆桿的彎曲，由于軸向力的周期性變化，同時(shí)也會(huì)引起鉆桿的彎曲振動(dòng)。鉆桿的彎曲振動(dòng)是這兩種振動(dòng)的合成。當(dāng)振動(dòng)頻率接近系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，同樣產(chǎn)生共振，也應(yīng)該避免。
6 振幅損失
振幅對(duì)斷屑和控制斷屑尺寸有很重要的作用，從振動(dòng)裝置傳遞出的振幅值A(chǔ)到達(dá)切削刃時(shí)，由于工藝系統(tǒng)本身固有的缺陷，必然產(chǎn)生損失，這種損失給人為控制振動(dòng)鉆削加工過程帶來了極大的困難。
在低頻軸向振動(dòng)鉆削加工的凸輪-鉆桿（刀具）-工件系統(tǒng)中，影響振幅損失因數(shù)主要有三種：
（1）凸輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，從動(dòng)件的慣性力較大，整個(gè)機(jī)構(gòu)會(huì)發(fā)生彈性變形，使得鉆桿工作端的實(shí)際位移小于凸輪機(jī)構(gòu)預(yù)設(shè)的振幅值；
（2）由于鉆桿剛性較差，鉆桿受壓后發(fā)生彎曲變形；
（3）工件收到周期性的沖擊后，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)，出現(xiàn)一定振幅的振動(dòng)，該振動(dòng)與激振存在相位差，產(chǎn)生振幅損失。
在小直徑深孔振動(dòng)鉆削中，當(dāng)工藝系統(tǒng)各部分都可靠連接的情況下，振幅損失主要是由鉆桿的剛性不足引起的。在如圖4-7所示的模型中，振幅的損失率
（9）
當(dāng)，時(shí)，達(dá)到最小，振幅損失最小；
當(dāng)，時(shí)，達(dá)到最大，振幅損失最大。
通過以上分析可以得出減小振幅損失的途徑有：
（1）在保證斷屑的前提下，減小相位差。
（2）適當(dāng)加大振幅A，但不能太大，否則增大會(huì)使鉆頭承受的周期切削力幅值太大，沖擊增大，影響鉆頭壽命。
（3）增大彈性系數(shù)K，即增大鉆桿的剛度。
7 深孔振動(dòng)鉆削的工藝參數(shù)選取原則
振動(dòng)鉆削工藝參數(shù)包括振動(dòng)參數(shù)（振幅A，振動(dòng)頻率V）和切削參數(shù)（機(jī)床轉(zhuǎn)速n，進(jìn)給量f）兩部分，該參數(shù)對(duì)小直徑深孔鉆削至關(guān)重要。
因此，選取振動(dòng)參數(shù)時(shí)必須根據(jù)加工情況，仔細(xì)分析，綜合考慮各項(xiàng)因數(shù)選擇。
（1） 進(jìn)給量f的選取原則
根據(jù)被加工材料的材質(zhì)，孔的直徑和加工精度要求，考慮與振幅A的匹配以及機(jī)床的實(shí)際情況，選取適當(dāng)?shù)闹怠?
（2） 轉(zhuǎn)速n的選取原則
轉(zhuǎn)速直接影響切削速度，小直徑孔鉆削時(shí)，由于孔徑小，切削速度不會(huì)很高，所以根據(jù)材質(zhì)，考慮加工效率，初步確定轉(zhuǎn)速范圍，一般轉(zhuǎn)速可以取較大的值，同時(shí)要考慮頻轉(zhuǎn)比。
（3） 振動(dòng)頻率V的選取原則
選取振動(dòng)頻率V時(shí)，應(yīng)首先使加工過程穩(wěn)定良好，使用中，在保證斷屑和考慮排屑空間對(duì)切屑尺寸的制約作用的基礎(chǔ)上，選取較低的V值，這樣加工過程中穩(wěn)定性更好一些，同時(shí)適合長(zhǎng)度的切屑對(duì)加工質(zhì)量的提高也有利。
（4） 振幅A的選取原則
一般來說，加工中的振幅越大，鉆頭所受的沖擊也就越大，使鉆頭的磨損加快。所以選擇A值時(shí)，在滿足斷屑的情況下，選較小值，以減小切削力的波動(dòng)，避免出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)而影響加工質(zhì)量。同時(shí)配合i的取值，確保最小瞬時(shí)實(shí)際進(jìn)給量不要過小，一般實(shí)際中。對(duì)于小直徑深孔鉆削，要考慮振幅損失，給定的值可以取得較大。
8 總結(jié)
本課題針對(duì)小直徑深孔鉆削難題，采用低頻軸向振動(dòng)鉆削和DF原理結(jié)合的方法，從理論上進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：
1.振動(dòng)鉆削通過切削參數(shù)和振動(dòng)參數(shù)的匹配改變了切削層參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)幾何斷屑。這樣一來，從本質(zhì)上改變了斷屑機(jī)理，鉆頭上就可以不再采用斷屑槽，刀具結(jié)構(gòu)極其制造工藝都可以簡(jiǎn)化，并給實(shí)際操作帶來很大的方便。
2.對(duì)振動(dòng)鉆削斷屑條件，鉆削過程運(yùn)動(dòng)，穩(wěn)定性和振幅損失進(jìn)行了綜合分析，得出切削參數(shù)和振動(dòng)參數(shù)粗略選取原則。
3.選擇了雙偏心凸輪作為振動(dòng)裝置，使得振動(dòng)頻率和振幅調(diào)節(jié)非常方便，準(zhǔn)確。振動(dòng)裝置合理，操作簡(jiǎn)便。
4.將振動(dòng)鉆削加工技術(shù)與DF深孔鉆削技術(shù)結(jié)合。整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)實(shí)用，工藝成本低，有效解決了生產(chǎn)中小直徑深孔鉆削難題，具有較高的實(shí)用價(jià)值，應(yīng)用前景良好。
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