深孔加工振動(dòng)斷屑裝置設(shè)計(jì)
2018-5-4 來源：中北大學(xué);山西省深孔加工工程技術(shù)研究中心 作者：馬騰，沈興全，吳竹兵，胡寬輝
摘要: 針對(duì)深孔加工過程中切屑形態(tài)不穩(wěn)定所形成的排屑不暢問題，基于振動(dòng)鉆削理論，設(shè)計(jì)振動(dòng)斷屑裝置，有效控制切削形態(tài)，保證順利排屑。通過給刀具施加軸向周期振動(dòng)，振動(dòng)斷屑裝置可實(shí)現(xiàn)變切厚鉆削和鉆頭軸向振動(dòng)，使切屑易斷，并在一定程度上提高了表面加工質(zhì)量。通過實(shí)驗(yàn)探究了切屑形態(tài)與切削參數(shù)的關(guān)系，分析了振動(dòng)斷屑裝置的最佳工作參數(shù)。
關(guān)鍵詞: 深孔加工; 振動(dòng)鉆削; BTA 系統(tǒng)
1 、引言
深孔加工在封閉或半封閉的空間內(nèi)進(jìn)行，產(chǎn)生大量切屑在一定的空間內(nèi)易形成堵塞，切削熱不易傳遞出去，其加工難度高、排屑難且工作量大。BTA 深孔鉆排屑的主要?jiǎng)恿κ怯筛邏河吞峁┑膲毫Γ绻行歼^長，即使在高壓油的作用下仍然難以排出。為解決深孔加工過程中排屑難的問題，通過分析振動(dòng)切削原理、設(shè)計(jì)振動(dòng)斷屑裝置、給刀具施加軸向周期振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鉆頭瞬時(shí)切削厚度的改變和鉆頭軸向振動(dòng)，從而有效控制切屑的形態(tài)，使切屑順利排出，提高高速深孔加工的效率。
2 、振動(dòng)鉆削機(jī)理分析
振動(dòng)鉆削的基本原理是通過振動(dòng)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(dòng)，使鉆頭和工件之間產(chǎn)生規(guī)律性的接觸和分離，從而使普通鉆削變成間歇式鉆削。針對(duì)不同的振動(dòng)方向?qū)⒄駝?dòng)鉆削分為三類(見圖1) ，其中，軸向振動(dòng)方向與鉆頭的軸線方向一致，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)方向與鉆頭的旋轉(zhuǎn)方向一致，復(fù)合振動(dòng)是軸向振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的相互疊加。由于軸向振動(dòng)比較容易實(shí)現(xiàn)且加工效果較好，因此應(yīng)用最廣，其鉆削機(jī)理見圖2。
圖1 振動(dòng)鉆削類別
圖2 軸向振動(dòng)鉆削機(jī)理
振動(dòng)鉆削是間歇性切削，鉆削過程中鉆頭在極短的時(shí)間進(jìn)行切削，其余時(shí)間鉆頭與工件都處于分離狀態(tài); 鉆頭間歇式的切削使之獲得極大的瞬時(shí)速度和瞬時(shí)加速度，對(duì)被加工工件形成沖擊，使塑性金屬脆性化，同時(shí)降低摩擦系數(shù)和切削力，進(jìn)而提高鉆頭的相對(duì)剛度。在振動(dòng)鉆削過程中，由于鉆頭和工件間的接觸是間歇式的，因此振動(dòng)鉆削產(chǎn)生的切削熱少且散熱快; 振動(dòng)鉆削可以使切削力降低，并在一定程度上避免刀瘤的產(chǎn)生，提高加工工件的表面質(zhì)量。
3、 振動(dòng)裝置建模及分析
在設(shè)計(jì)機(jī)械式振動(dòng)鉆削的振動(dòng)裝置時(shí)，一般采用偏心機(jī)構(gòu)、四連桿機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)等，綜合分析深孔加工的特點(diǎn)，擬采用偏心凸輪結(jié)構(gòu)來建立模型。偏心式振動(dòng)機(jī)構(gòu)建模的基本原理見圖3。
圖3 偏心凸輪機(jī)構(gòu)
根據(jù)式( 6) 繪出如圖 4 所示的斷屑區(qū)域圖。
圖4 切削區(qū)域圖
4 、振動(dòng)斷屑裝置設(shè)計(jì)
4. 1 振動(dòng)發(fā)生裝置設(shè)計(jì)
振動(dòng)鉆削裝置中必不可少的是振動(dòng)發(fā)生器，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖 5 所示。由圖可知，內(nèi)凸輪與轉(zhuǎn)軸采用緊配合的方式連接在一起，當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)凸輪隨之轉(zhuǎn)動(dòng); 為了實(shí)現(xiàn)振動(dòng)振幅的調(diào)節(jié)，需要使內(nèi)凸輪和外凸輪之間可以轉(zhuǎn)動(dòng)，則外凸輪與內(nèi)凸輪之間的配合方式為可動(dòng)連接; 螺母可用來控制外凸輪與內(nèi)凸輪之間何時(shí)可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，即當(dāng)螺母松開時(shí)，外凸輪與內(nèi)凸輪可以相互轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖 5 振動(dòng)發(fā)生器簡圖
圖6 相對(duì)位置關(guān)系簡圖
4. 2 振動(dòng)斷屑裝置整體設(shè)計(jì)
振動(dòng)斷屑裝置整體結(jié)構(gòu)見圖 7。由于鉆桿的不穩(wěn)定性，振動(dòng)發(fā)生裝置不容易固定，可將振動(dòng)直接加載到聯(lián)結(jié)器上。為了使聯(lián)結(jié)器沿直線運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)安裝小導(dǎo)軌，其配合結(jié)構(gòu)見圖 8。
圖7 振動(dòng)斷削裝置原理圖
圖8 小導(dǎo)軌與聯(lián)結(jié)器配合關(guān)系圖
為防止聯(lián)結(jié)器與小導(dǎo)軌脫離，設(shè)計(jì)安裝導(dǎo)軌擋于小導(dǎo)軌后端，可避免聯(lián)軸器掉落; 通過彈簧支柱把彈簧固定在彈簧擋板與聯(lián)結(jié)器之間，且彈簧處于壓縮狀態(tài)，其彈力足以推動(dòng)聯(lián)結(jié)器移動(dòng)。振動(dòng)發(fā)生器的兩端支撐在拖板上，當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，便會(huì)推動(dòng)聯(lián)結(jié)器與鉆桿一起移動(dòng)。振動(dòng)斷屑裝置的特點(diǎn)包括: ①振動(dòng)發(fā)生器可通過電機(jī)直接控制，則其振動(dòng)頻率可通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)控制; ②通過調(diào)節(jié)內(nèi)外偏心輪的相對(duì)位置，可連續(xù)調(diào)節(jié)振幅大小，適應(yīng)性強(qiáng);③應(yīng)用小導(dǎo)軌可保證鉆桿沿直線運(yùn)動(dòng)，從而保證了直線度; ④結(jié)構(gòu)緊湊，易于安裝與操作，壽命長，性能穩(wěn)定。
5 、振動(dòng)斷屑裝置實(shí)驗(yàn)分析
通過實(shí)驗(yàn)探究振動(dòng)參數(shù)與深孔加工中切削參數(shù)的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括: Z8Q16 臥式深孔鉆床、冷卻系統(tǒng)、振 動(dòng) 裝 置、授 油 器、內(nèi) 排 屑 深 孔 鉆 ( 8 ×500mm) 。實(shí)驗(yàn)工件為 EA4T 車軸鋼，尺寸 30 ×300mm。實(shí)驗(yàn)參數(shù): 振動(dòng)裝置振幅 A = 0． 08mm，機(jī)床轉(zhuǎn)速 n = 785r/min，油壓 3MPa。5. 1 斷屑實(shí)驗(yàn)分析通過分析斷屑情況可知，振動(dòng)鉆削產(chǎn)生的切屑與普通鉆削產(chǎn)生的切屑不同，普通鉆削所產(chǎn)生的切屑是厚度一致的帶狀切屑，而振動(dòng)切屑所產(chǎn)生的切削的形態(tài)是隨振動(dòng)頻率變化而變化。不同切削條件下振動(dòng)斷屑的情況見表 1。
表 1 不同條件下切削斷屑情況
通過實(shí)驗(yàn)分析不同振動(dòng)參數(shù)下的切削形態(tài)，可得頻轉(zhuǎn)比 f/n 與切削形態(tài)關(guān)系如圖 9 所示。由圖可見，振動(dòng)斷屑裝置有良好的斷屑效果，可以有效控制切屑形態(tài)。這種短小的切屑在高壓切削液作用下能夠順利排出，從而有效解決 BTA 深孔系統(tǒng)排屑難的問題。其特點(diǎn)為: ①形成瞬時(shí)切削厚度的改變有利于斷屑。當(dāng)鉆頭振動(dòng)切削時(shí)，由于鉆頭振動(dòng)的作用，切屑受到隨振動(dòng)變化而變化的切削力，表現(xiàn)出切屑厚度變化的特征。在高壓切削液的作用下，厚度不同的切屑在其薄弱處發(fā)生折斷，達(dá)到斷屑的目的。②形成鉆頭軸向的振動(dòng)有利于斷屑。由于鉆頭在切削時(shí)進(jìn)給量很小，所以軸向振動(dòng)的振幅 2A 較易大于進(jìn)給量，此時(shí)可實(shí)現(xiàn)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 加工精度分析
通過實(shí)驗(yàn)分析振動(dòng)裝置對(duì)孔加工質(zhì)量的影響。通過儀器檢測可得普通切削和振動(dòng)切削時(shí)的成孔精度(見表2) 。
表 2 普通切削與振動(dòng)切削成孔精度
通過對(duì)表 2 的分析可知，在其他加工參數(shù)相同時(shí)，振動(dòng)切削能有效提高成孔質(zhì)量，通過調(diào)節(jié)振動(dòng)參數(shù)可以降低孔表面粗糙度，提高孔尺寸精度。分析其原因?yàn)?
(1) 在振動(dòng)鉆削時(shí)，由于鉆頭切削扭矩變小，對(duì)成孔表面質(zhì)量有積極作用。在振動(dòng)切削的過程中，鉆頭在一瞬間內(nèi)完成微量切削，使扭矩和切削強(qiáng)度相應(yīng)降低，從而有利于改善表面加工質(zhì)量。
(2) 在振動(dòng)鉆削時(shí)，由于對(duì)切屑形態(tài)的控制使排屑更加流暢，對(duì)成孔表面質(zhì)量有積極作用。振動(dòng)切削可以使切屑變小，小的切屑在高壓切削液作用下順利排出，從而減小切屑對(duì)已加工表面的影響，避免打刀，提高刀具壽命。因此，振動(dòng)切削可提高加工精度。
(3) 在振動(dòng)鉆削時(shí)，可以對(duì)積屑瘤形成一定的抑制，所以對(duì)成孔表面質(zhì)量有積極作用。普通切削會(huì)在切削區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生很大的擠壓力，在擠壓力作用下，隨著加工材料塑性變形會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱，使切屑與刀具形成積屑瘤。積屑瘤對(duì)加工穩(wěn)定性和刀具壽命都有不利影響，而且不利于保證成孔質(zhì)量。振動(dòng)切削過程中，由于鉆頭的振動(dòng)使切削為間歇性切削，所以會(huì)使加工材料塑性化，使其塑性變形減小，減少積屑瘤的形成，達(dá)到抑制積屑瘤的目的。此外，由于振動(dòng)切削的間歇性作用，切削時(shí)的潤滑和冷卻都會(huì)得到改善，積屑瘤的形成進(jìn)一步得到抑制。
(4) 在振動(dòng)鉆削時(shí)，由于切削液能更好地作用于切削，對(duì)孔表面質(zhì)量有積極作用。在振動(dòng)切削過程中，切削液在切削間隙能迅速進(jìn)入切削區(qū)域，從而改善切削環(huán)境，接觸面之間的摩擦隨之降低，提高成孔表面的質(zhì)量。
6、 結(jié)語
本文研究了振動(dòng)鉆削原理，設(shè)計(jì)了振動(dòng)斷屑裝置應(yīng)用于深孔加工。振動(dòng)斷屑裝置能有效地控制BTA 深孔鉆削加工時(shí)對(duì)切屑的控制，對(duì)深孔加工中切削形態(tài)控制和成孔質(zhì)量具有積極作用。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)分析探討了振動(dòng)鉆削斷屑裝置在深孔加工領(lǐng)域的可行性，為高速高效深孔加工技術(shù)的發(fā)展提供了一種可行性方案。
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