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內排屑深孔振動鉆削系統(tǒng)的設計
王明陽1 廖結安2
（塔里木大學機械電氣化工程學院， 阿拉爾 843300）
（塔里木大學機械電氣化工程學院， 阿拉爾 843300）
摘要 機械制造業(yè)是國民經濟的支柱，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。本課題對深孔振動鉆削的斷屑機理進行分析，并分析了實現(xiàn)可靠幾何斷屑的條件和影響力學斷屑的因素；對振動參數(shù)的選取進行了分析，在理論分析的基礎上，結合實際，提出振動鉆削參數(shù)選取原則；以現(xiàn)有理論為基礎，利用了現(xiàn)有的頻率、振幅可調的機械式雙偏心輪振動發(fā)生器和DF負壓抽屑系統(tǒng)進行了組合；并對DF內排屑負壓抽屑裝置的油路系統(tǒng)進行了改進；利用現(xiàn)有的深孔振動鉆削系統(tǒng)的新型小直徑內排屑深孔鉆頭，組合設計出了具有振動斷屑負壓內排屑功能的新型深孔加工系統(tǒng)。
關鍵詞 振動切削；偏心凸輪結構；振動模型；穩(wěn)定性；參數(shù)選擇
中圖分類號：TH162 文獻標識碼：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
機械制造業(yè)是國民經濟的支柱，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鉆削機理的基礎上，分析了軸向振動鉆削斷屑完全幾何斷屑機理，提出了軸向振動鉆削參數(shù)選擇原則。用雙偏心凸輪機構作為振動鉆削系統(tǒng)發(fā)生器使產生的軸向振動和鉆頭的進給運動復合在一起，使得振動頻率調節(jié)實現(xiàn)無級調節(jié)。
1 振動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勻速的進給運動，致使斷屑厚薄均勻一致如圖1（a），如果給一變化的運動，到切屑兩側出現(xiàn)波浪形，如圖1（b）中因波形在兩側面之頻率·振幅·相位點會一致，切屑厚度沒有變化，因而也不會實現(xiàn)完全斷屑，在圖1（c）中雖然切屑兩側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 雙偏心凸輪式振動發(fā)生器振動方程
圖2 偏心結構（） 圖3 偏心結構（）
圖2是偏心凸輪結構，該位置凸輪轉角，從動位移。圖3凸輪轉過，從動件位移，令v是凸輪每秒鐘轉速，則，則偏心凸輪式振動發(fā)生器的振動方程是：
（1）
這樣A是振動方程之振幅，v是振動頻率。這種振動發(fā)生器的優(yōu)點是振動方程能精確地反映機構的振動情況，而有些振動發(fā)生器由于機構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方面的結論，也只能近似地符合發(fā)生器振動情況。
3 振幅可調振動鉆削裝置的理論分析
(a) (b) (c)
圖4振動裝置工作情形圖
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和回轉中心就是，偏心套2繞偏心輪1轉動時，實際是繞轉動，那么整體形成的偏心距就是到的距離。設偏心套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=
兩個極限位置：
當時，和重合。如圖4（b）所示：
振幅=
當時，，和成直線。如4（c）所示：
振幅=
這樣只要調節(jié)的值就能調節(jié)振幅，而偏心套1和偏心套2為松配合，可以方便調節(jié)的值，而可調最大振幅為2e，可調最小振幅為0e取0.25mm，可調振幅范圍0∽0.5mm。
由上所知，振幅隨兩偏心套間的轉過的角度而變化，如圖5所示
圖5 振幅隨轉角變化曲線
當e=0.25mm由表1可得到所需振幅：
表1 e=0.25時部分振幅表 （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 影響深孔振動鉆削穩(wěn)定性的軸向振動和扭轉振動
假設軸向力，扭矩和主切削力隨軸向切削厚度而線性變化，實際上對于不完全幾何斷屑，瞬時進給量安按正弦規(guī)律變化時，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，假設所有的激振力都是時間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，建立圖6所示的模型，刀柄處的振動為，圖6中為鉆頭的瞬時位移，為鉆頭的質量。
圖6 軸向振動模型
當m=2時得瞬時軸向進給量為
（2）
由于進給量的變化而產生的瞬時軸向力為
（3）
式中 ---激振力的力幅
--- 相鄰兩轉刀刃軌跡波形間的相位差。
故，可得出動力學方程
（4）
式中 ---鉆頭的瞬時位移；
---鉆頭的瞬時加速度；
---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；是由刀柄的振動引起的。
令 ，， 一般
即 （6）
其中
（7）
其中 ---振動鉆削時鉆頭的振幅。
可以看出：當，時，
（8）
總體分析：當時，鉆頭的軸向激振力的幅值最大，所受沖擊最大；當時，鉆頭軸向激振力的幅值最小，所受振動沖擊最?。划敃r，鉆頭振幅將無限大，即系統(tǒng)達到共振，要設法避開；刀柄的振幅越大，鉆頭的振幅越大。
5 影響深孔振動鉆削穩(wěn)定性的橫向振動和彎曲振動
（一）橫向振動
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向套上的支反力也周期性變化。導向塊在軸向位置上滯后于切削刃，這樣主切削力與導向塊所受的支反力形成一力偶（見圖7），也隨瞬時軸向切削厚度周期性的變化。又由于導向塊的倒錐量，導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生橫向振動。導向塊與主切削刃軸向距離很小，產生的力偶也很小，所以橫向振動一般不是很嚴重，但是如果振動頻率接近橫向振動的固有頻率就會發(fā)生共振，這是應該避免的。
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
一方面，由于周期性力偶的存在，必然會使鉆桿發(fā)生彎曲振動；另一方面，當采用了單刃刀具時，切削時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，同時也會引起鉆桿的彎曲振動。鉆桿的彎曲振動是這兩種振動的合成。當振動頻率接近系統(tǒng)的固有頻率時，同樣產生共振，也應該避免。
6 振幅損失
振幅對斷屑和控制斷屑尺寸有很重要的作用，從振動裝置傳遞出的振幅值A到達切削刃時，由于工藝系統(tǒng)本身固有的缺陷，必然產生損失，這種損失給人為控制振動鉆削加工過程帶來了極大的困難。
在低頻軸向振動鉆削加工的凸輪-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）凸輪高速旋轉時，從動件的慣性力較大，整個機構會發(fā)生彈性變形，使得鉆桿工作端的實際位移小于凸輪機構預設的振幅值；
（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，會產生振動響應，出現(xiàn)一定振幅的振動，該振動與激振存在相位差，產生振幅損失。
在小直徑深孔振動鉆削中，當工藝系統(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，時，達到最小，振幅損失最?。?
當，時，達到最大，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）適當加大振幅A，但不能太大，否則增大會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 深孔振動鉆削的工藝參數(shù)選取原則
振動鉆削工藝參數(shù)包括振動參數(shù)（振幅A，振動頻率V）和切削參數(shù)（機床轉速n，進給量f）兩部分，該參數(shù)對小直徑深孔鉆削至關重要。
因此，選取振動參數(shù)時必須根據(jù)加工情況，仔細分析，綜合考慮各項因數(shù)選擇。
（1） 進給量f的選取原則
根據(jù)被加工材料的材質，孔的直徑和加工精度要求，考慮與振幅A的匹配以及機床的實際情況，選取適當?shù)闹怠?
（2） 轉速n的選取原則
轉速直接影響切削速度，小直徑孔鉆削時，由于孔徑小，切削速度不會很高，所以根據(jù)材質，考慮加工效率，初步確定轉速范圍，一般轉速可以取較大的值，同時要考慮頻轉比。
（3） 振動頻率V的選取原則
選取振動頻率V時，應首先使加工過程穩(wěn)定良好，使用中，在保證斷屑和考慮排屑空間對切屑尺寸的制約作用的基礎上，選取較低的V值，這樣加工過程中穩(wěn)定性更好一些，同時適合長度的切屑對加工質量的提高也有利。
（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，在滿足斷屑的情況下，選較小值，以減小切削力的波動，避免出現(xiàn)強烈振動而影響加工質量。同時配合i的取值，確保最小瞬時實際進給量不要過小，一般實際中。對于小直徑深孔鉆削，要考慮振幅損失，給定的值可以取得較大。
8 總結
本課題針對小直徑深孔鉆削難題，采用低頻軸向振動鉆削和DF原理結合的方法，從理論上進行了研究，得出以下結論：
1.振動鉆削通過切削參數(shù)和振動參數(shù)的匹配改變了切削層參數(shù)，從而實現(xiàn)幾何斷屑。這樣一來，從本質上改變了斷屑機理，鉆頭上就可以不再采用斷屑槽，刀具結構極其制造工藝都可以簡化，并給實際操作帶來很大的方便。
2.對振動鉆削斷屑條件，鉆削過程運動，穩(wěn)定性和振幅損失進行了綜合分析，得出切削參數(shù)和振動參數(shù)粗略選取原則。
3.選擇了雙偏心凸輪作為振動裝置，使得振動頻率和振幅調節(jié)非常方便，準確。振動裝置合理，操作簡便。
4.將振動鉆削加工技術與DF深孔鉆削技術結合。整個系統(tǒng)經濟實用，工藝成本低，有效解決了生產中小直徑深孔鉆削難題，具有較高的實用價值，應用前景良好。
參考文獻
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