深孔加工刀具的切削力和孔圓度試驗研究
2019-1-24 來源：中北大學(xué); 山西省深孔加工工程技術(shù)中心 作者：王麗鵬 沈興全 陳振亞 郝黎旭 高琳
摘要: 深孔加工是一種封閉狀態(tài)下的加工方式，加工過程中會發(fā)生很多影響加工正常進(jìn)行的問題。所以，深孔加工過程中存在切削力不穩(wěn)定和孔的形狀精度差等問題。為了研究槍鉆加工工藝參數(shù)對切削力和孔圓度的影響。本文采用硬質(zhì)合金槍鉆作為深孔加工刀具，通過對深孔鉆削的切削力和孔圓度的試驗研究，得到了鉆削工藝參數(shù)和切削力、孔圓度之間的關(guān)系，經(jīng)過分析得出了影響加工孔圓度的原因。這一研究對深孔加工過程中工藝參數(shù)的選擇具有十分重要的作用。
關(guān)鍵詞: 槍鉆; 工藝參數(shù); 切削力; 圓度
1 、引言
據(jù)有關(guān)資料顯示，孔加工大約占整個機(jī)械加工體系的 30% ，深孔加工在孔加工工序中所占的比例是 40% ，制造行業(yè)中這一現(xiàn)象最為明顯，深孔加工工藝變得越來越重要。與此同時，隨著產(chǎn)品需求多樣化，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的小直徑深孔零件的需求也越來越大，同時對孔的形狀精度要求也越來越高。例如模具類零件，此類零件上的孔的數(shù)量多，精度要求高。小直徑深孔加工常用槍鉆進(jìn)行切削，槍鉆鉆削加工是一種封閉或者半封閉的、加工過程多變的加工狀態(tài)。
加工過程中沒有辦法觀察到工件的加工情況，加工過程很不穩(wěn)定，比一般的孔加工困難和復(fù)雜，經(jīng)常產(chǎn)生各種故障和問題，影響到最終孔的形狀精度和質(zhì)量。近年來，研究人員關(guān)于鉆孔方面的問題做了很多的研究。張秋麗建立了平面型后刀面槍鉆鉆削力的數(shù)學(xué)模型，求出了鉆削力與進(jìn)給量切削工藝參數(shù)之間的影響關(guān)系曲線。進(jìn)一步確定出這些參數(shù)的合理取值范圍。李保國等從槍鉆鉆削過程中工藝參數(shù)的選擇、不同規(guī)格槍鉆切削參數(shù)的優(yōu)化等方面，介紹了槍鉆加工深孔的方法。Cho N． 和 TuJ．分析了零件圓度建模公差。
表明主軸的運動誤差可能會導(dǎo)致類似的圓度輪廓。Mehrabadi I． M．等構(gòu)建了刀具系統(tǒng)動力學(xué)模型。
討論了刀具動態(tài)運動軌跡，并且分析了這種情況下所產(chǎn)生的孔圓度形貌特征，最后運用實驗證明了所提出的模型的正確性。Bierman D．研究了主軸轉(zhuǎn)速與 BTA 鉆所加工的孔的圓度誤差之間的關(guān)系。從近幾年的研究來看，國內(nèi)外學(xué)者對鉆削加工系統(tǒng)的研究不是很多，其中深孔鉆削集中于對麻花鉆和 BTA 鉆的研究，關(guān)于槍鉆加工工藝參數(shù)對切削力、
孔圓度的影響很少有文獻(xiàn)給出規(guī)律。本文通過試驗，研究了槍鉆加工工藝參數(shù)對切削力和孔圓度的影響。
2 、試驗條件和方案
2. 1 試驗設(shè)備
試驗是在高效深孔鉆鏜床上進(jìn)行的。機(jī)床的型號是 ZWKA － 2108，最大加工直徑 80mm，最大加工深度 3000mm; 工件采用 45 #圓鋼棒料，尺寸為20mm × 300mm，加工深度 175mm; 槍鉆的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，本文實驗中使用的槍鉆材料是硬質(zhì)合金，直徑 D = 6mm。鉆桿的長度 l =200mm，其彈性模量 E = 6． 1e5MPa。試驗中采用 Kistler 9257B 測量切削力。
采集的頻率是 1000Hz，采集到的平均值作為此次試驗中切削力的大小。采用三坐標(biāo)測量儀測量圓度，測量基準(zhǔn)須和加工基準(zhǔn)一致，取多點進(jìn)行測量，由軟件直接計算出圓度
。本次試驗中由于加工深度較大，需在鉆頭頭部采用導(dǎo)向套進(jìn)行導(dǎo)向。并且工件重量偏大，所以采用刀具旋轉(zhuǎn)并進(jìn)給的加工方式進(jìn)行鉆削加工。
2. 2 試驗方法與內(nèi)容
根據(jù)文獻(xiàn)中的研究，選取轉(zhuǎn)速范圍為 2500－ 3500r / min，進(jìn)給速度范圍為 35 － 45mm / min，鉆桿的剛度通過中間支撐架的個數(shù)來表示，支撐架的個數(shù)設(shè)置為 0、1、2。本次試驗對每一個影響因素逐一進(jìn)行試驗，為了確保試驗的準(zhǔn)確性，對每一個影響因素進(jìn)行 2 次試驗，并取平均值。在試驗中，由于槍鉆長徑比大，剛性較差，切削速度和進(jìn)給速度應(yīng)逐漸增大至規(guī)定速度。于槍鉆加工屬于定直徑加工，試驗采用6mm 的槍鉆在高效深孔鉆鏜床上進(jìn)行加工。
試驗中研究主軸轉(zhuǎn)速對切削力和圓度的影響時，進(jìn)給速度為 40mm/min，轉(zhuǎn)速分別為 2500r/min、3000r/min、3500r / min 進(jìn)行試驗，采集到的數(shù)據(jù)見表 1。試驗中研究進(jìn)給速度對切削力和圓度的影響時，轉(zhuǎn)速為3000r / min，進(jìn)給速度分別為 35mm / min、40mm / min、45mm / min 進(jìn)行試驗，采集到的數(shù)據(jù)見表 2; 試驗中研究鉆 桿 剛 度 對 切 削力和圓影響時，轉(zhuǎn)速3000r / min，進(jìn)給速度 40mm / min，支撐架的個數(shù)分別為 0、1、2 進(jìn)行試驗，采集到的數(shù)據(jù)見表 3。
3、 實驗結(jié)果分析
3. 1 槍鉆加工工藝參數(shù)對切削力的影響
由表 1、表 2 和表 3 繪制出槍鉆轉(zhuǎn)速和切削力的關(guān)系如圖 2 所示。圖 3 顯示的是進(jìn)給速度和切削力的關(guān)系。圖 4 顯示的是不同支撐架個數(shù)和切削力的關(guān)系。
從圖 2 中可以看出，切削力隨著轉(zhuǎn)速的增大而減小。在 3000r/min 以后切削力的波動很小，基本趨于穩(wěn)定。進(jìn)給速度很大的情況下，轉(zhuǎn)速的變化對切削力的影響很大。從圖 3 中可以看出，隨著進(jìn)給速度的不斷增大，切削力也在不斷增大。隨著進(jìn)給速度的不斷增大，切削力增大的幅度增加。轉(zhuǎn)速較低的情況下，進(jìn)給速度的變化對切削力的影響很明顯。由圖 4 可知，隨著支撐架個數(shù)的增加切削力逐漸減小，剛開始時減小的幅度不大，支撐架個數(shù)大于1 后，切削力減小的幅度明顯增大。說明支撐架的個數(shù)對切削力的大小具有重要影響。
3. 2 槍鉆加工工藝參數(shù)對孔圓度的影響
由表 1、表 2 和表 3 繪制出槍鉆轉(zhuǎn)速和孔圓度的關(guān)系見圖 5。進(jìn)給速度和孔圓度的關(guān)系見圖 6。不同支撐架個數(shù)和孔圓度的關(guān)系見圖 7。
從圖 5 中可以看出，開始時隨著轉(zhuǎn)速的增加圓度不是很好，轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加圓度逐漸提高。3000r/min 是圓度變化的轉(zhuǎn)折點，轉(zhuǎn)速大于 3000r / min 后孔的圓度提高的幅度明顯加快，說明此時所加工的孔明顯更接近理論圓。從圖 6 中可以看出，圓度隨進(jìn)給速度的增大變化波動很大，進(jìn)給速度越大，圓度越差，進(jìn)給速度低時孔具有較好的圓度，與理論圓更接近。從圖 7 可知，圓度隨支撐架個數(shù)的增加而提高，并隨著支撐架個數(shù)的增加，圓度變化的趨勢較快，接近線型變化，說明孔的形狀變得更圓。如圖 8 所示，圓度是指孔的橫截面形狀接近理論圓的程度，也就是實際輪廓的兩同心圓( 內(nèi)切圓和外接圓) 之間的區(qū)域。
4 、結(jié)語
( 1) 本次試驗說明，切削力隨著轉(zhuǎn)速的增大而減小，隨著進(jìn)給速度的增大而增大，隨著支撐架個數(shù)的增加切削力逐漸減小; 進(jìn)給速度很大的情況下，轉(zhuǎn)速是影響切削力的主要因素; 低轉(zhuǎn)速時，進(jìn)給速度是影響切削力的主要因素; 增加支撐架的個數(shù)對減小切削力具有重要的作用; 支撐架的個數(shù)直接影響槍鉆鉆桿的剛度，支撐架的個數(shù)增加，鉆桿的剛度將得到提高。因此，提高鉆桿剛度可以減小切削力。
( 2) 本次試驗說明，孔圓度隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，轉(zhuǎn)速大于 3000r/min 時孔圓度隨轉(zhuǎn)速的增大而減小，鉆削加工時要恰當(dāng)?shù)倪x擇轉(zhuǎn)速; 孔圓度隨進(jìn)給速度的增大而增大，加工孔時要選擇低進(jìn)給速度。孔圓度隨支撐架個數(shù)的增加而減小，增加支撐架的個數(shù)可以提高槍鉆鉆桿的剛度，說明提高鉆桿剛度可以提高鉆孔的圓度。
( 3) 本次試驗說明，影響切削力的因素同樣可以影響孔的圓度。切削力的變化導(dǎo)致加工過程中發(fā)生振動，導(dǎo)致加工刀具中心的位置變化，使最后加工出的孔的截面形狀與理論圓的形狀相差較大。說明加工過程中發(fā)生的振動、切削力的變化是影響孔圓度的重要因素。
( 4) 通過試驗分析加工過程中切削力變化的特點得出，加工過程中切削力變化小，振動發(fā)生的振幅也將減小; 刀具中心位置的變化減小，最終使加工出的孔圓度得到提高。
說明降低加工中的振動、減小切削力的變化都將會提高孔的圓度。
( 5) 通過試驗可知，降低進(jìn)給速度，適當(dāng)增大轉(zhuǎn)速，提高鉆桿的剛度，不僅可以降低加工過程中的切削力，也可以提高孔的圓度。
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