1、I目录目录 I摘要 IIIABSTRACT.IV第一章 绪论 11.1 引言 11.2 深孔加工技术国内外现状 11.2.1 国外深孔加工技术发展现状 .11.2.2 国内深孔加工技术发展现状 .31.3 深孔加工的特点 .41.4 课题研究的背景、意义以及发展趋势 51.5 课题的研究内容 .6第二章 深孔加工方法及问题分析 72.1 深孔加工方法 .72.1.1 扁钻 72.1.2 枪钻 82.1.3 BTA 深孔加工系统 92.1.4 双管喷吸钻系统 102.1.5 DF(Double Feeder system)系统 .112.1.6 单管内排屑深孔喷吸加工技术(SIED 技术) .1
2、22.1.7 深孔扩钻(Counterboring)技术 122.2 常用深孔加工方法对比分析 .132.3 深孔加工注意事项与问题分析 .142.3.1 加工时应注意的问题 .142.3.2 深孔钻常见问题及产生原因 .142.4 深孔加工系统的选用 152.5 本章小结 15第三章 深孔钻削的力学特性分析 153.1 深孔钻削刀具的力学模型 163.1.1 BTA 内排屑深孔钻的力学模型 163.2 深孔钻削各切削力的求解 183.2.1 钻削力的测量 .183. 2. 2 钻削力分量求解 .193. 3 导向块位置角的分布分析 .203.4 本章小结 .224.1 深孔钻削加工的动态钻削
3、力 .224.2 机床振动理论 234.2.1 金属切削过程的自激振动 .244.2.2 强迫再生颤振 .314.2.3 提高机床切削稳定性的基本途径 .33II4.3 深孔钻削过程中的振动分析 344.3.1 深孔钻削加工过程的动力学模型 .344.3.2 瞬时动态钻削力的计算 .364.3.3 深孔钻削加工过程的振动分析 .374.4 本章小结 .38第五章 深孔钻削仿真分析 385.1 深孔钻削加工仿真分析 .395.2 本章小结 47第六章 结论 47参考文献 49致谢 52III摘要随着科学技术的进步，产品的更新换代周期越来越短，新型的高硬度、高强度、高精度零件不断涌现，无论是对深孔
4、加工的效率、加工的质量，还是加工成本都提出了更高的要求。由于深孔加工难度高、加工工作量大等特点，目前仅有为数不多的国外公司保持着对深孔加工的技术垄断。相对于国外，国内对于深孔加工技术、加工工艺以及深孔加工刀具和装备的基础研究仍相对匮乏，距离国外技术差距巨大，深孔加工技术己成为国内科研工作者亟待解决的问题。本课题针对深孔加工系统的特点，介绍了几种比较典型的深孔加工方法，分析了深孔钻削加工的力学特性以及深孔加工金属切削过程中由于速度反馈和位移延时反馈所引起的颤振现象，并讨论了稳定切削的临界条件，建立了深孔钻削加工两自由度颤振动力学模型；使用 Matlab Simulink 对深孔钻削加工过程进行了
5、仿真研究，结果表明：在稳态钻削时，由于刀刃断续切削，进而产生强迫振动，其振动频率为刀刃通过率的整数倍，其振动幅值与切削深度、主轴转速的变化趋势一致；临界切削厚度值并不随主轴转速的增加而增大，而是有一定周期性的变化；适当的减小切削厚度，调整主轴转速可以提高系统钻削的稳定性，抑制颤振现象。本课题的研究有助于今后深孔钻削加工中改善深孔钻削性能，提高加工效率，优化切削参数。关键词：深孔加工；钻削；颤振；速度反馈；位移延时反馈IVABSTRACTWith the advancement of science and technology, product life cycles are increasi
6、ngly shorter, the new high hardness, high strength, high precision parts are emerging, both for deep hole machining efficiency, the quality of processing, or processing costs have raised the higher requirements. Because the characteristics of high difficulty processing and workload, currently, only
7、a small number of foreign companies monopoly the technology of deep-hole processing. Compared to foreign technology, the basic research about the deep-hole machining, processing and deep processing tools and equipments, is still relatively scarce, there is a huge gap between foreign and domestic, de
8、ep processing technology has been an urgent problem what must be solved.Aiming at the characteristics of deep-hole drilling system, this paper firstly analyzes the forces characteristics of deep-hole drilling. On the basic of it chatter of cutting processes is analyzed by speed feedback and displace
9、ment delaying feedback and curial condition of stability cutting is discussed. Secondly, dynamic model of deep-hole drilling system with the two degrees of freedom are established in the light of principles of machining chatter in cutting processes. At the steady state of drilling, due to the interm
10、ittent cutting, then the forced vibration is excited, the vibration frequency is an integer multiple of the blade passing rate, the trend of the vibration amplitude, the cutting depth, and the spindle speed is non-different. The critical cutting thickness does not increase with the spindle speed, bu
11、t a certain periodic changes; Adjusting the cutting thickness and spindle speed can improve the drilling systems stability, and suppress the chatter. All of this provides help for bettering ability and efficiency of deep-hole drilling，optimizing of cutting parameters.Key word：Deep-hole machining；Dri
12、lling；Chatter；Speed feedback；Displacement delaying feed-back1第一章 绪论1.1 引言深孔加工技术作为工业生产制造的重要技术，由于第二次世界大战对枪支火炮的精度和生产效率的需求，在生产制造枪炮管的过程中，逐渐发展形成的一种重要技术。第二次世界大战以后，深孔加工技术由于高成本、高难度的特点，使其发展和应用限制在相对保密的军工领域。上世纪80年代后期，随着世界经济的快速发展，各行业迫切需要先进的深孔加工技术和深孔加工装备来改变现有的深孔加工水平，对深孔加工提出了更高的技术要求1。随着人们对产品的技术要求不断提高，不断的涌现出新型的高硬度、
13、高强度、高精度零件，产品的更新换代速度越来越快，这要求更高的深孔加工效率、加工的质量和较低的加工成本。由于深孔加工存在着加工难度高、加工工作量大等特点，目前仅有为数不多的国外公司保持着对深孔加工的技术垄断。相对于国外，国内对于深孔加工技术、加工工艺以及深孔加工刀具和装备的基础研究仍相对匮乏，距离国外技术差距巨大，深孔加工技术己成为国内科研工作者亟待解决的问题。1.2 深孔加工技术国内外现状1.2.1 国外深孔加工技术发展现状18 世纪后期，由于枪管和炮管要求有较深且精密的孔，枪匠们开始发展并使用深孔钻削加工技术，早起的深孔加工使用扁钻。直到 1860 年美国人发明了麻花钻，虽然麻花钻存在着扁钻
14、和麻花钻不能连续排屑、润滑和冷却，钻头自导性不好，很容易走偏，工件报废率大而加工效率极低，但麻花钻的发明使得深孔加工领域中迈出了重要的一步。19 世纪末至 20 世纪初，为了提高枪管的加工效率和加工精度，在麻花钻的基础上发明了枪钻深孔加工方法：枪钻的钻头外径加有导向套，高压切削液由钻杆的内孔送入刀头，带走切屑和热量。枪钻是深孔加工技术的一次技术性飞跃，它解决了麻花钻在深孔加工中钻头的排屑困难，不易冷却及加工不连续等问题，但它仍属于外排屑加工方式，仍存在排屑不够通畅，且已加工的表面易被铁屑划伤等问题 2。1930 年，随着刀具材料的发展，枪炮管的加工开始广泛采用高速钢制枪钻。在 1943 年，德
15、国的2Heller 公司研制出 Beisher 加工系统，即我国常称的内排屑深孔钻削系统。二战后，国际上为了交换德国的 Heller 公司和瑞典卡尔斯德特公司的深孔加工技术，德国、瑞典、英国、法国为主要成员国联合组成了国际孔加工协会(Boring and Trepanning Association)，在 Beisher 加工系统的基础上开发了一种自导向、单边刃、高压切削液的内排屑深孔钻BTA 钻（Beisher 内排屑深孔钻）3。BTA钻具有切削力分布均匀，分屑，断屑性能好，钻削平稳可靠，钻削出的深孔直线性好等优点。并在枪钻的基础上改善了排屑条件，增加了钻杆的刚性，提高了孔的加工精度和效率。
16、BTA 深孔加工技术因对密封要求极为严格，限制了该项技术的推广与应用。20 世纪 60 年代初，瑞典 SANDVIK 公司推出了基于BTA 技术的双管喷吸式深孔钻(Double-bube Ejector Drills)，它是一种新型的实心深孔加工技术。其工作原理是当高压切削液通过一个狭小的通道(喷嘴)高速喷射时，在这股喷射流的周围产生一个低压区，形成负压，加速切削液带动切屑通过内管通道排出。它从根本上的解决了 BTA 系统密封结构复杂的问题，它不需要专用的机床设备，只要求普通机床具有足够的功率，必要的切速与机床结构的稳定性就能使用。20 世纪 70 年代，日本冶金株式会社利用双管喷吸钻的负压抽
17、屑机理，发明了 DF(Double Feeder)单管喷吸钻，双管喷吸钻，这类钻在钻杆末端的输油器空腔中设置产生负压作用的喷嘴，改善了 BTA 钻中 14 mm20 mm 一段最容易发生堵屑故障的区间，改原双管系统为单管系统，增加了一个专起吸效应的油压头，进一步提高了钻杆系统的强度和刚性以及排屑和加工效率4。DF 系统由于深孔钻的切削液易达到切削区，且具有推，吸双重的作用，可充分发挥切削液的排屑、冷却，润滑的功能，是一种高效的深孔加工方法。近几年来，深孔加工领域发展相对低迷，在深孔常规加工方面，国内外未出现更加先进的加工系统。深孔加工刀具市场上依然是瑞典的Sandvi 公司占有大部分的份额，其
18、中主要以BTA钻为主；在深孔非常规加工方面，由于深孔零件大多用于航空航天、武器装备等方面，国外投入了大量的人力和财力进行研究，但出于技术保密的原因，国内对其关键技术及研究进展还不了解。深孔钻削中的孔轴线偏斜问题是现代深孔加工技术面临的一个重要的技术问题5 ，国外非常重视该问题， Sandvi 公司、德国的Guhring公司以及日本的机械技术研究所进行了大量的研究与试验，但均未取提突破性的进展，仅仅提出了一些减小孔轴线偏斜的途径，如：提高机床、工装和刀具的精度和刚度等，该方法一定程度上降低了孔轴线偏斜以及废品率，但由于孔轴线的偏斜是一个复杂的问题，随着钻头钻进深度的增加偏斜量逐渐增大，对于高精度
19、、较大长径比的深孔钻削加工，难以保证加工出来的孔的偏斜量在公差范围之内，所以3目前还无法完全解决孔轴线的偏斜问题。1.2.2 国内深孔加工技术发展现状20世纪70年代以前，我国军工制造业主要采用枪钻和内排屑深孔钻的途径加工深孔，其技术相当于苏联50年代初期的水平。70年代末逐渐开始建立专门制造硬质合金枪钻、枪铰刀的军工厂，但因尺寸规格有限，产品质量与进口刀具差距较大。80年代后，开始生产硬质合金枪钻，以弥补市场需求的空缺，但由于技术和生产方式的落后，在产品质量和规格品种方面始终无法与进口刀具分庭抗礼，深孔加工技术依旧落后6。20世纪80年代，在兵器工业和大型装备制造业仍普遍应用整体高速钢内排屑
20、深孔钻、麻花钻，甚至扁钻。我国于70年代末引进BTA钻技术，但由于BTA钻存在断屑台重磨困难和堵屑等问题，且BTA钻的制造未能形成专业化、规模化生产体系，使企业无法接受其刀具的使用成本和加工效率，因此限制了在企业的推广7。 80年代初，我国少数企业引进了双管喷吸钻和DF系统，由于这两种深孔钻削系统各自的局限性，至今未能得到广泛的应用3。80年代以来，国内机床工业水平发展较快，而深孔机床发展相对滞后，在设计水平、精度、品种和专业化程度等方面与欧、美、日本等国家差距相当大，直至80年代末才出现数控深孔钻床。其实，早在80年代初，以深孔加工技术为关键制造技术的工程机械，石油钻采，矿山机械，航空航天，
21、军工等领域，已经感到我国深孔加工装备与技术严重落后严重制约了这些领域的发展。80年代初在不少工科院校和企业中兴起了深孔加工技术研究的热潮，而这股热潮为我国深孔加工技术走向现代化打下了基础。西安石油大学对普通的内排屑深孔钻头的刃型和结构进行了改进和创新，开发出多尖齿内折线刃深孔钻头，钻头包含不在相同圆锥面上的一个外齿、一个中心齿、一个中间平齿和两个中间尖齿；在轴向方向上，两个中间尖齿为尖齿型且其锥面高出中心齿和外齿的锥面(0.51)f，可实现钻削时自动定心和完全分屑的作用；除外齿外缘一侧为尖角，其余刀齿带有倒角且有6 。 12 。 的侧后角，增强了刀齿强度，加快了刀齿冷却速度，使刀具寿命得到提高
22、；并把中心齿的内刃加工成两条折线刃，使钻尖高度降低，减少了钻头入钻和出钻的时间；在钻头体后端增设了减振块在外齿切削刃上方并与之呈90 。 ，即减小了钻头振动，起到保护切削刃的作用，又提高了孔的加工精度；内刃采取较大的余偏角，有助于钻头的定心以及提高钻削的稳定性。这种深孔钻的切削力分布均匀，定心和钻削稳定性好，在深孔加工应用中取得了令人满意的效果，进一步扩大了深孔加工的深度与孔径范围，推进了我国深孔加工技术的发展。广西4工学院研制出了高效数控深孔钻床，这种数控深孔钻床的钻头的顶角为120 。 ，前角为02 。 ，后角为12 。 ，以及120 。 V型的排屑槽，为小直径的深孔 (0，从而总的阻尼cc+ 0，即为正阻尼；如果 Vo 处于图 4-2b 的下降部分，则 0，即为负阻尼。c 如果这种阻尼大于系统本身的阻尼，总的阻尼 c+ 0，这样不但不能抑制系统的振动，反而增加了系统的振动。令 2,2ookcm则式 4-4 可表示为：4-520oxxAA式 4-5 中， 为总的阻尼率。式 4-5 的通解为：()()otdxte三、位移延时反馈引起的切削颤振系统位移反馈框图如图 4-3 所示，系统运动方程见式 4-6：4-6()mxckFxA
