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微量潤滑條件下 BTA 鑽杆振動特性分析

2018-5-16 來源：轉載作者：李（lǐ）波，苗鴻賓，沈興全

摘要（yào）: 研究了（le）深孔加工微量潤滑條件下（xià），BTA 鑽杆的振動機理。結合理（lǐ）論分析，建立了鑽杆振動有限元模型，利用 ANSYA 軟件對微量潤滑條件下深孔鑽杆振動特性（xìng）進行數值模擬。所得結論對BTA深孔加工的動態穩定（dìng）性研究與深孔（kǒng）加工工藝（yì）的優化具有（yǒu）理論和實際意義。

關鍵（jiàn）詞: 微量潤滑; BTA 鑽杆; 深（shēn）孔加工; 振動

0、引言

BTA 深孔鑽是一種內排（pái）屑的鑽削係統（tǒng），鑽孔過程中鑽杆深入工件內部，切削（xuē）液通過鑽杆與（yǔ）工件間隙進入（rù）切（qiē）削部位，通過鑽頭的排屑口進入鑽杆內孔，最終通過鑽杆的排屑孔（kǒng）排到外（wài）部。隨著綠色（sè）製造技術的（de）發（fā）展，加工過程中關於（yú）質量、費用和環境（jìng）的問題引起了人（rén）們的關注。微（wēi）量潤滑是利用空氣和液體的混（hún）合物（wù）來代替傳統的油液潤滑和冷卻，利用微量潤滑（huá）技術（shù）可以有效降低費用（yòng）且綠色（sè）環（huán）保。研究微（wēi）量潤滑代替傳統的油（yóu）潤滑（huá）成為目前的熱（rè）點，閆魯濤（tāo）等研究了微量潤滑對銑（xǐ）削力及刀具磨損的影響。石（shí）世發等研究了微量附水（shuǐ）滴潤滑在深孔加工中的應用。Bruce 等對微量（liàng）潤滑技術（shù）在自動化加工中的應用優勢及所麵臨的關鍵技（jì）術問題進行了分析。Kishawy 等（děng）通過普通油液潤滑、幹式切削（xuē）、微量潤滑切削的實驗對比驗證了微量潤滑的加工優越性。在深孔特殊的加（jiā）工環境（jìng）下，由於所采取的流體介質不同，在鑽削過程中對鑽（zuàn）杆的（de）振動特（tè）性產生不同的影（yǐng）響。鑽杆的振動將對工件的（de）加工精度及（jí）刀具壽命產生直接的影響，周建東等通過在曲軸深孔加工過程中運用微量潤滑技術，驗證了這種綠（lǜ）色加工方法的可行性和實用性。Gessesse 等通（tōng）過實驗研究了在深（shēn）孔加工過程中（zhōng）鑽杆的振動與孔螺旋的關係。Ahmadi 等分析了鑽削過程中（zhōng）不同形式的振動對刀具磨損（sǔn）的影響。筆者針對微量潤滑條件下的鑽杆振動問（wèn）題，建立（lì）了有限元模型，分（fèn）別以鑽杆長度和切（qiē）削液阻尼對鑽杆振動（dòng）的影響進行了分析。

1 、鑽杆有限元模型

1． 1 模型（xíng）建立

由於深孔加工過程中鑽杆處於複雜的工作環境中，為了便於對其進行數（shù）值分析（xī），進行了相應的簡（jiǎn）化，假設: 鑽杆簡化（huà）為均（jun1）質彈性梁; 將鑽杆看作一端（duān）簡支，另一端承受鑽削壓力並滑動; 工件內孔為鑽杆橫向運動的約束邊界，且鑽杆軸線與工件內孔軸線重合; 相對於較長的鑽杆部分，鑽頭處理為具有（yǒu）轉動慣量的質量點。鑽杆振動模型如圖 1 所示。

圖 1 鑽杆振動模型

1． 2 計算單元

利用 ANSYS 有（yǒu）限元分析軟件對鑽（zuàn）杆進（jìn）行實體建模，選取 PIPE59 單元模擬鑽杆。PIPE59 單（dān）元可（kě）承（chéng）受拉、壓、彎及流體動力作用，可以有效分析在切削液作用條件下鑽（zuàn）杆的真實受力（lì）狀（zhuàng）況。並可以通過對鑽杆內外流體密度進行設定，通過定（dìng）義（yì）附加質量（liàng）係數來（lái）考慮內外流體對鑽杆振動的影響。采用自由網格劃分方（fāng）法，定義單元大小為 2mm，單（dān）元的剛度矩陣和質量矩陣與梁模型（xíng）單元的剛度矩陣和質量矩陣相似。

1． 3 計算條件

以深孔加工中心的 BTA 深孔鑽杆（gǎn）為研究對象，由實際參數對其進行有限元模型建立（lì）。鑽杆（gǎn）與切削（xuē）液的參數如表 1、表 2 所示。

表 1 鑽杆參數（shù）

不可壓縮的流體通過空心鑽杆，流體的運動特性取決於的雷諾數的值:

將表 1 與表 2 相應參數代入公式( 3) 和公式( 2)中（zhōng）分別求（qiú）得切削（xuē）液體截麵積與切削液流速，將所求結果代入公（gōng）式( 1) 中（zhōng）所得雷諾（nuò）數 Re 範圍遠小於 2300，切削液在鑽杆內部為層流流動。根據鑽杆長度（dù），切削液密（mì）度對鑽杆（gǎn）縱向、扭轉和橫向振動特性進（jìn）行分析。

2 、計算結果及分析

2．1 鑽杆（gǎn）縱向振動（dòng）

在鑽削過程中鑽杆沿其縱向的伸縮運動（dòng）稱為縱向振（zhèn）動。鑽頭與工件接觸產生的垂直振動頻率為鑽杆固有頻率的（de）整數倍時（shí），鑽杆將處於共振狀態，產生鑽削時鑽杆的縱向振動。根據所給模型分別探討鑽杆長度和切削液密度對鑽杆縱向振動的影響。

2．1．1 鑽杆長度對縱向振動（dòng）的影響

圖 2 為鑽杆前 3 階固有（yǒu）頻率計算結果，由圖中可以看出，鑽杆縱向振動（dòng）受鑽杆長度變化影響較大。根據（jù）數據，鑽（zuàn）杆長（zhǎng）度由1500mm增加到 2500mm時，第3階固有頻率由（yóu） 22． 6Hz 變化到16．2Hz，轉換為鑽杆（gǎn）轉速為 216 ～ 155 r /min，微量（liàng）潤（rùn）滑鑽削時（shí）鑽杆鑽速（sù）一般（bān）位於 160 ～ 210 r /min，位（wèi）於 155 ～ 216 r /min轉之間（jiān），鑽杆極易產生縱向振動。

圖 2 鑽杆長（zhǎng）度對鑽杆縱向振動（dòng）影響

在深孔加工中心進行鑽削加工時，當鑽杆轉（zhuǎn）速為190 ～ 210 r / min時，位於 155 ～ 216 r / min的臨界轉速範圍內。由現場的加工（gōng）情況來看，鑽杆（gǎn）振動加劇，所加（jiā）工工件精度降低，這正是由於鑽杆產生縱向共（gòng）振引起的。

2．1．2 切（qiē）削液密度對（duì）縱向振動的影響

圖 3 顯示了切削液對鑽杆振動的影響，圖中可以看出普通切削油液潤滑時，縱向振動的固有頻率比微量潤滑時頻率低很多。分析可知，切削液密度為 1． 0g / cm3時，第（dì） 1 ～ 3 階固有頻率比微（wēi）量潤滑（huá）時（shí）降低了15% 左右，且切削液（yè）密（mì）度越高，鑽杆的固有頻率越低。

圖 3 切削液密度對鑽杆縱向振動影響

鑽杆（gǎn）在進行軸向進給鑽削的時候，鑽杆（gǎn）將受到切削液的粘滯作用。根據液體流變原理，密度越高粘度越大，對軸向鑽削產生的阻礙會隨（suí）之增大。鑽杆縱向振動固有頻率受到切削液的影響，進而對鑽杆的縱向振動臨界轉速產生影響。所以在微量潤滑深孔加工（gōng）時，這種影響需要引起足夠的（de）重視。

2．2 鑽（zuàn）杆扭（niǔ）轉振動

鑽杆（gǎn）的扭轉振動主要表現為在（zài） BTA 鑽頭切削過程中（zhōng），切（qiē）削刃與工（gōng）件（jiàn）作用下切削力扭矩產生的交變剪（jiǎn）切力經鑽頭傳遞到鑽杆。當鑽杆轉速達到某一臨界值時，鑽杆可能出現（xiàn）扭轉共振現象。鑽杆扭轉共振時，若交變的剪切應力達到較大的數（shù）值時，會造成鑽杆的（de）疲勞破壞。利用計算（suàn）模型，從鑽杆長度和切削液密度方麵考慮對鑽杆扭轉（zhuǎn）振動的影響。

2．2．1 鑽杆（gǎn）長度對扭轉振動的影響

圖 4 為計算結果，圖中鑽杆扭轉振動固有頻率隨鑽杆長度的增加而逐漸減小。圖 4 中出現了 22Hz 的扭轉振動固有頻率，轉換為鑽杆的臨（lín）界轉速為 210r / min，與實際微量（liàng）潤滑鑽（zuàn）削加工過程（chéng）鑽杆鑽（zuàn）速十分相近，易導致鑽杆（gǎn）共振。則在實（shí）際鑽削加工過程中，根據不同鑽杆長（zhǎng）度，選擇合適的（de）轉速，避免扭（niǔ）轉共振（zhèn）的發生。

圖 4 鑽杆長度對鑽杆扭（niǔ）轉振動影響

2．2．2 切削液密度對扭轉振動的影（yǐng）響

考慮微量潤滑和不同切削液密度的條件下鑽（zuàn）杆扭轉振動，其計算結果如圖 5。由圖中可以看出隨切削液密度（dù）的變化，鑽杆扭轉振動的固有頻率保持（chí）不變。

圖 5 切削液密度對鑽杆扭轉振動影響

2．3 鑽杆橫向（xiàng）振動特性分析

橫向振動是指垂直於鑽杆軸線（xiàn）方向的振動，在切削液作用下發生橫向振動時，由於切削液的遲滯作用，增加了鑽杆的橫振（zhèn）慣性質量，與鑽杆發生耦合（hé）振（zhèn）動。由實（shí）驗統計數據可知橫向振動是導致鑽削過程失穩，甚至（zhì）導致工（gōng）件報廢的主要原因。橫向共振可以導（dǎo）致共振段鑽杆在自轉的同時以一定（dìng）速度繞工件（jiàn）孔軸（zhóu）線進行公（gōng）轉，由此產（chǎn）生的彎曲應（yīng）力（lì）將破壞鑽削穩定性。鑽杆與工件內（nèi）壁的周期（qī）性碰（pèng）磨，也將降低被加工工件的精度並加速鑽杆（gǎn）的疲勞破壞。選擇合（hé）適的加工切削參數，避開橫向共振頻率，是減小鑽（zuàn）杆橫（héng）向振動的關（guān）鍵（jiàn）。采用計算模型，主要考慮鑽杆長度和切削液密度對鑽（zuàn）杆橫向振動的（de）影響。

2．3．1 鑽杆長（zhǎng）度（dù）對橫向振動的影響

取其 5 ～ 10 階時的固有頻率（lǜ）值（zhí）進行比較，振（zhèn）動受鑽杆長度的影響如圖 6 所示。鑽（zuàn）杆固有（yǒu）頻率隨著長度的增加而明顯降低。鑽（zuàn）杆長（zhǎng）度的變化對橫向振動特（tè）性影響十分明（míng）顯。根據計算結果將固有頻率轉化為鑽杆對應的轉速，在（zài）鑽杆鑽速（sù）為 150 ～ 250 r /min，鑽杆長度為 1000mm 時有 5 階; 鑽杆長度為 1500mm 時有 8 階，鑽杆長度為 2000mm 時有 13 階（jiē），鑽杆長度為 2500mm時，有 15 階之多。

圖 6 鑽杆長度對鑽杆橫（héng）向振動影響

鑽杆橫向振（zhèn）動的低（dī）階固有頻率數值（zhí）較小，其固有頻率間隔很小，在相（xiàng）同的鑽削工況條件下鑽杆橫向振動特性受其長度變化影響程（chéng）度較大。采用不（bú）同鑽杆長度，將引起橫向振動固（gù）有頻率的變化。鑽杆越長，橫向振動固有頻率數值越小，各階頻率間隔也越小，在臨界鑽速範圍內的階（jiē）數就（jiù）會相應增加，鑽杆發生橫向共（gòng）振的概率（lǜ）也（yě）就越大。這也說明了，在（zài）實際深孔（kǒng）鑽削加工過程（chéng）中，鑽杆的橫向振（zhèn）動是難以完全避免的。

2．3．2 切削液密度對橫（héng）向振動的影響

考慮微（wēi）量潤滑條件和不同切削液密度條件下鑽杆的（de）橫向振動計算結果如（rú）圖 7 所（suǒ）示。由圖中可以（yǐ）看出在采用常規（guī）切削（xuē）液潤滑時，鑽杆橫向振動固有頻率較（jiào）微量潤滑條件下頻率要低許多。切（qiē）削液密度為 1． 0 g/cm3時，各階頻率比（bǐ）微量潤滑時降低了（le） 18． 63% 左右，且鑽杆固有頻率隨切削液密度升高而降低。因此，切削液性能對鑽（zuàn）杆橫向振動固有頻率影響較大，隨切削液密度的變化，對鑽杆固（gù）有頻率產生不同程（chéng）度的影響。

圖 7 切削液（yè）密度對鑽杆橫（héng）向（xiàng）振動（dòng）影響

2．4 耦合（hé）振動

由於鑽杆動（dòng）態特性表現為非線性，因此在（zài）一定條件下，鑽杆有可（kě）能出現動力失（shī）穩（wěn）現象，發生橫（héng）向、縱向和扭轉的耦合（hé）振動，耦合振動對切削加工的穩定性影響較大，因此有必要對耦合振動的發生（shēng）機理進行（háng）研究。

從圖 8 可以看出: 在微量潤滑鑽削中鑽杆橫向振動 3、5、6 階固有頻率分別等於扭轉（zhuǎn）振動 4、5、6 階（jiē）頻率（lǜ），表明當外界激振（zhèn）頻率達這 3 種頻率時，鑽（zuàn）杆發生橫向與扭轉（zhuǎn）耦合振動。鑽杆的（de）第 3 階（jiē）縱向振動（dòng）和橫向振（zhèn）動固有頻率與 4 階扭轉（zhuǎn）振動頻率相同，表明當外界激振頻率達這 2 種頻率（lǜ）時，鑽杆將發生 3 種振動形式的耦合（hé）振動。因此在設計（jì）鑽杆和選擇切削工藝參數時，要考慮（lǜ）這些參數對鑽杆振動特性的影響，以避免耦合振動的發生。

圖 8 微量潤滑下鑽杆三種（zhǒng）頻率曲（qǔ）線

3、結論

(1) 分析了深孔鑽削（xuē）過程中切削液流體流動（dòng）特性，通過雷諾方程說明了在深孔微（wēi）量潤滑（huá）鑽（zuàn）削（xuē）加過程工中切削液的流（liú）動形式（shì）為層流。

(2) 通過對鑽杆的振動（dòng）特性分析，隨著切削液密度的降低，導致動態鑽削過程中阻尼（ní）作用變小，使鑽杆固有頻率升高振幅增大。

(3) 鑽杆縱向振動和扭轉振動各階固有頻率（lǜ）數值較大，其間隔也較大，安全轉速範圍選擇（zé）較（jiào）寬; 橫向振動低階固有頻率數（shù）值較小，且其間隔也較小，安全轉速範圍較窄。

(4) 鑽杆長度對 3 種振動形式的固（gù）有（yǒu）頻率（lǜ）影響較為明顯，各階固有頻率（lǜ）隨（suí）鑽杆變長而（ér）逐（zhú）漸減小，其間隔也隨之減小（xiǎo），安全轉速選擇的範圍較窄。

(5) 微（wēi）量潤滑時，容（róng）易產生某一個方向的共（gòng）振，或3 種振動形式的耦合振動，共振產生的交變應力將（jiāng）加劇鑽杆的疲勞破壞並影響鑽削過程的穩定性。根據鑽削（xuē）加工條（tiáo）件計算不同振動形式（shì）的臨（lín）界轉速，進而選擇合適的轉速可以避開這 3 種臨界轉速，才能夠減少鑽杆共振，提高深孔加工過程的穩定性。

來源：機械工程與自（zì）動化學院; 山西省深孔加工工程技術研究中心

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