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深孔加工振動斷屑裝（zhuāng）置設計

2018-5-4 來源：中北大學;山西（xī）省深孔加工工程技術研究中心作者（zhě）：馬騰，沈興全，吳竹兵，胡寬輝

摘要: 針對深孔加工過程中切屑形態不穩定所形成（chéng）的排屑不暢問題，基於振動鑽削理論，設計振動斷屑裝（zhuāng）置，有（yǒu）效控製切削形態，保證順利排屑。通過給刀具施加軸向周期振動，振動斷屑裝置（zhì）可實現變切厚鑽削和鑽頭軸向振動（dòng），使切（qiē）屑易斷，並在一定程度上提高了表麵加工質量。通過實（shí）驗探究了切屑形態與切削參數的（de）關係，分析了振動斷屑裝置的最佳工作參數。

關鍵詞（cí）: 深孔加工（gōng）; 振動鑽削; BTA 係統

1 、引言

深孔（kǒng）加工在封閉（bì）或半封閉的空間內進行，產（chǎn）生大量切屑在一定的空間內易形成（chéng）堵塞，切削熱不易傳遞出（chū）去，其加工難度高、排（pái）屑難且工作量大。BTA 深孔鑽（zuàn）排屑的主（zhǔ）要動（dòng）力是由高壓油提供的壓力，如果（guǒ）切（qiē）屑過（guò）長，即使（shǐ）在（zài）高（gāo）壓油的作（zuò）用下仍然難以（yǐ）排出。為解（jiě）決深孔加工過程中排屑難的（de）問題，通過分（fèn）析振（zhèn）動切削原理、設計振動斷屑裝置、給刀具施加（jiā）軸向周期振動，實現鑽頭瞬時切削（xuē）厚（hòu）度的改變和鑽頭軸向振動，從而有效控製（zhì）切屑的形態，使切屑順利（lì）排出，提高（gāo）高（gāo）速深孔加工的效率。

2 、振動鑽削機理分析

振動鑽削的基本原理是通過振動裝置施加給刀具或工件一定方向、一定頻率和一定振幅的可控振動，使鑽（zuàn）頭和工件之間產生規律性的接觸和分離，從而使普通鑽削（xuē）變成間歇式（shì）鑽削。針（zhēn）對不同的振動方向將振動鑽削分為三類(見圖1) ，其中，軸向振動方向與鑽頭的軸線方向一致，扭轉振動方向與鑽頭的旋轉方向（xiàng）一致，複（fù）合振動是軸向振動與扭轉振動的相互疊加（jiā）。由於軸向振動比較容易實現且加工（gōng）效果較好，因（yīn）此應（yīng）用最廣，其鑽削機理見圖2。

圖（tú）1 振動鑽削類別

圖2 軸向振動鑽削機（jī）理

振動（dòng）鑽削是間歇性切削，鑽削過程中鑽頭在極短（duǎn）的時間進行切削，其餘時間鑽頭與工件都處於分離狀態; 鑽頭間歇式（shì）的切削使之（zhī）獲得極大的瞬時速度和瞬時加（jiā）速度，對被加工（gōng）工件形成衝（chōng）擊，使塑性金屬脆性化，同時降低摩擦係數和切削（xuē）力，進而提高鑽頭的相對剛度。在振動鑽削過程中，由於鑽頭和工件間的接觸是間歇式的，因（yīn）此振動鑽削產生的切削熱少且（qiě）散熱快; 振動鑽削（xuē）可（kě）以使切削力降低，並在一定程度上避免刀（dāo）瘤的產生，提高加工（gōng）工件的表麵質量。

3、振動裝置建模及（jí）分析

在設計機械式振動鑽削的振動裝置時，一般采用偏心機構、四連杆機構和曲（qǔ）柄滑塊機（jī）構等，綜合分析深孔加工（gōng）的（de）特點，擬采用（yòng）偏心凸輪結構來建立（lì）模（mó）型。偏（piān）心式振動機構（gòu）建模（mó）的基本原（yuán）理見圖3。

圖3 偏心凸輪機（jī）構

根據式（shì）( 6) 繪出如圖 4 所示（shì）的斷屑區域圖。

圖4 切削（xuē）區域圖

4 、振動斷屑裝置設計

4. 1 振動發生裝置設計

振動鑽削裝置（zhì）中必不可（kě）少的是振動發生器（qì），其結（jié）構設計如圖 5 所示。由圖可（kě）知，內凸輪與轉軸采用緊配合的方式連接在一起，當轉軸（zhóu）轉（zhuǎn）動時，內凸輪隨之轉動; 為了實現振動振幅的調節，需（xū）要使內（nèi）凸（tū）輪和外凸輪之間可以轉動，則外凸輪與內凸輪之間的配合方式為可動連接; 螺母可用來控製外凸（tū）輪與內凸輪之間何時可相對轉動，即當螺母鬆開時，外凸輪與內凸（tū）輪可以相互轉動。

圖 5 振動發生（shēng）器簡圖

圖6 相對位置關係簡圖

4. 2 振動斷屑裝置整體（tǐ）設（shè）計

振動斷屑（xiè）裝置整體結構見圖 7。由於鑽杆的（de）不（bú）穩定性，振動發生（shēng）裝置不容易固定，可將（jiāng）振動直接加載（zǎi）到聯結器上。為（wéi）了使聯結器沿直線運動，設計安裝小導軌，其配合結（jié）構見（jiàn）圖 8。

圖7 振動斷削裝置原理圖

圖8 小導軌與（yǔ）聯結器配合關係圖

為防止聯結器與小導軌脫離，設計安（ān）裝導軌擋於小導軌後端，可避免聯（lián）軸器（qì）掉落; 通過彈簧支柱把彈簧固定在彈簧擋板與聯結器之間，且彈（dàn）簧處於壓縮狀態，其（qí）彈力足以推動聯結器移動。振（zhèn）動發（fā）生器的兩端支撐在拖板上，當凸輪轉動時，便會推動（dòng）聯結器與鑽（zuàn）杆一（yī）起移動。振動斷屑裝（zhuāng）置的特點包括: ①振動發（fā）生器可通過電機直接控製，則其振動（dòng）頻率可通過調節電機的（de）轉速實現控製; ②通過調節內外偏心輪的相對位置，可連續調節振幅大小（xiǎo），適應性強;③應用小導（dǎo）軌可保證鑽杆沿直線（xiàn）運動，從而保證了直線度; ④結構緊湊，易於安裝與操作，壽命長，性能穩定。

5 、振（zhèn）動斷屑裝置實驗分析

通過實驗探究（jiū）振動參數與深孔加工中切削參數的關（guān）係。實驗設備包括: Z8Q16 臥式深孔鑽（zuàn）床（chuáng）、冷卻係統、振動（dòng）裝置、授油器、內排屑深孔鑽 ( 8 ×500mm) 。實驗工（gōng）件為 EA4T 車軸鋼，尺（chǐ）寸 30 ×300mm。實驗參數: 振動裝置振幅 A = 0． 08mm，機床轉速 n = 785r/min，油壓 3MPa。5. 1 斷屑實驗分（fèn）析通過分析斷屑情況可（kě）知，振動鑽削產生的切屑與普通鑽削產生的切（qiē）屑不同，普（pǔ）通鑽削（xuē）所產生的切屑是厚度（dù）一致的帶狀切屑，而振動切屑所產生的切削（xuē）的形態是隨振動頻率（lǜ）變化而變化。不同切削（xuē）條件下振動斷屑的情況見表 1。

表 1 不同條件下切削斷屑情況

通過實驗分析不同振動參數下的切削形態，可得頻轉比 f/n 與切削形態關係如圖 9 所示。由（yóu）圖可見，振（zhèn）動斷屑裝置有良好的斷屑效果，可以有效控製切（qiē）屑形態。這種短小的切屑在（zài）高壓切削液作用下能夠順利排出，從而有效解決 BTA 深孔係統排屑難的問題。其特點為: ①形成瞬時切（qiē）削厚度（dù）的改（gǎi）變有利於斷屑。當鑽頭振動切削時，由於（yú）鑽頭振動的作（zuò）用，切屑（xiè）受到隨振動變化（huà）而變化的切削力，表現出（chū）切屑厚度變化的特征。在高壓切（qiē）削液（yè）的作用下，厚度不（bú）同的切屑在其薄弱處發（fā）生折斷（duàn），達到（dào）斷屑的目的。②形成鑽頭（tóu）軸向的（de）振動有利於斷屑。由於鑽頭在切削時進給量很小，所以（yǐ）軸向振動的振幅 2A 較易大於進給量，此時可實現分離切削，達（dá）到斷屑的目的。

圖9 2A/fr= 5．5時（shí），不同f/ n的切削形狀

5. 2 加工精（jīng）度分析

通過實驗分析振動裝置對孔加工質量的影響。通過儀器檢（jiǎn）測（cè）可得普通切削（xuē）和振動切（qiē）削時的成孔精度(見表2) 。

表 2 普通切削與振動切削成孔精度

通過對表 2 的分析可知，在其他加工參數（shù）相同時，振動切削能有效提高（gāo）成（chéng）孔（kǒng）質量，通過調（diào）節振動參數可以降低孔表麵粗糙度，提高孔尺（chǐ）寸精度。分析其原因為:

(1) 在振動鑽削時，由於鑽頭切削扭矩變小（xiǎo），對成孔表麵質量有積極（jí）作用。在振動切削的過程中，鑽頭在一瞬間內完成微量切削，使扭矩和切削強度相應降低，從而有利於改善表麵加工質（zhì）量。

(2) 在振動（dòng）鑽削（xuē）時（shí），由於對切屑形態的控製使排屑更加流（liú）暢，對成孔表（biǎo）麵（miàn）質量有積極作用。振（zhèn）動切削可以使切（qiē）屑變小，小的切屑在高壓切削液作用（yòng）下順利排出，從而（ér）減小切屑對（duì）已加工表（biǎo）麵的影響，避免打（dǎ）刀，提高刀具壽命。因此，振動切削可提高加工精度。

(3) 在振動（dòng）鑽削時，可以對積屑瘤形成一定的抑製，所（suǒ）以對成孔表麵質量有（yǒu）積極作用。普通切削會在切削區域內產生很大（dà）的擠（jǐ）壓力，在（zài）擠壓力作（zuò）用下（xià），隨著加工材料塑性變形會產生大量的切削熱，使（shǐ）切屑與（yǔ）刀具（jù）形成積屑瘤（liú）。積（jī）屑瘤對加工穩定性和刀具壽命都有（yǒu）不利影（yǐng）響（xiǎng），而且不利（lì）於保（bǎo）證成孔質量（liàng）。振動切削過程中，由於鑽頭的振動使切（qiē）削為間歇性（xìng）切削，所（suǒ）以會使加（jiā）工材（cái）料塑性化，使其塑性變（biàn）形減小，減少積屑瘤的形成，達到抑製積屑瘤的目的。此外，由（yóu）於振動切削（xuē）的間歇性作用，切削時的潤滑和冷卻都會得（dé）到改善，積屑瘤的形成進一步得到抑製。

(4) 在（zài）振動鑽削時，由於切削液能更好地（dì）作用於切削（xuē），對孔表麵質量有積極作（zuò）用（yòng）。在振動切削過程中，切削液在切（qiē）削間隙能迅速進入切（qiē）削區域，從而改善（shàn）切削環境，接觸麵之（zhī）間的（de）摩擦隨之降低，提（tí）高成（chéng）孔表麵的質量（liàng）。

6、結（jié）語

本文研究了振動鑽削原理，設計了振動斷屑裝置（zhì）應用於深孔加工。振動斷屑裝置能有效地控製BTA 深孔鑽（zuàn）削加工時對切（qiē）屑的控製，對深孔加工中切削形態控製和成孔質量具有積極作用。通過理論分析和實（shí）驗分析探討了振動鑽削斷屑裝置在深孔加工領域的可行性，為高速高效深孔加工技術的發展提供了（le）一種可行性方案。

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