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; 山西省深孔加工工程技術中心 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下的加工方式，加工過程中會發生很多影響加工正常進行的問題。所以，深孔加工過程中存在切削力不穩定和孔的形狀精度差等問題。為了研究槍鉆加工工藝參數對切削力和孔圓度的影響。本文采用硬質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和切削力、孔圓度之間的關系，經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的選擇具有十分重要的作用。
關鍵詞: 槍鉆; 工藝參數; 切削力; 圓度
1 、引言
據有關資料顯示，孔加工大約占整個機械加工體系的 30% ，深孔加工在孔加工工序中所占的比例是 40% ，制造行業中這一現象最為明顯，深孔加工工藝變得越來越重要。與此同時，隨著產品需求多樣化，復雜結構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量多，精度要求高。小直徑深孔加工常用槍鉆進行切削，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。
加工過程中沒有辦法觀察到工件的加工情況，加工過程很不穩定，比一般的孔加工困難和復雜，經常產生各種故障和問題，影響到最終孔的形狀精度和質量。近年來，研究人員關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學模型，求出了鉆削力與進給量切削工藝參數之間的影響關系曲線。進一步確定出這些參數的合理取值范圍。李保國等從槍鉆鉆削過程中工藝參數的選擇、不同規格槍鉆切削參數的優化等方面，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致類似的圓度輪廓。Mehrabadi I． M．等構建了刀具系統動力學模型。
討論了刀具動態運動軌跡，并且分析了這種情況下所產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．研究了主軸轉速與 BTA 鉆所加工的孔的圓度誤差之間的關系。從近幾年的研究來看，國內外學者對鉆削加工系統的研究不是很多，其中深孔鉆削集中于對麻花鉆和 BTA 鉆的研究，關于槍鉆加工工藝參數對切削力、
孔圓度的影響很少有文獻給出規律。本文通過試驗，研究了槍鉆加工工藝參數對切削力和孔圓度的影響。
2 、試驗條件和方案
2. 1 試驗設備
試驗是在高效深孔鉆鏜床上進行的。機床的型號是 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; 槍鉆的結構如圖 1 所示，本文實驗中使用的槍鉆材料是硬質合金，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。采用三坐標測量儀測量圓度，測量基準須和加工基準一致，取多點進行測量，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向套進行導向。并且工件重量偏大，所以采用刀具旋轉并進給的加工方式進行鉆削加工。
2. 2 試驗方法與內容
根據文獻中的研究，選取轉速范圍為 2500－ 3500r / min，進給速度范圍為 35 － 45mm / min，鉆桿的剛度通過中間支撐架的個數來表示，支撐架的個數設置為 0、1、2。本次試驗對每一個影響因素逐一進行試驗，為了確保試驗的準確性，對每一個影響因素進行 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，切削速度和進給速度應逐漸增大至規定速度。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行加工。
試驗中研究主軸轉速對切削力和圓度的影響時，進給速度為 40mm/min，轉速分別為 2500r/min、3000r/min、3500r / min 進行試驗，采集到的數據見表 1。試驗中研究進給速度對切削力和圓度的影響時，轉速為3000r / min，進給速度分別為 35mm / min、40mm / min、45mm / min 進行試驗，采集到的數據見表 2; 試驗中研究鉆 桿 剛 度 對 切 削力和圓影響時，轉速3000r / min，進給速度 40mm / min，支撐架的個數分別為 0、1、2 進行試驗，采集到的數據見表 3。
3、 實驗結果分析
3. 1 槍鉆加工工藝參數對切削力的影響
由表 1、表 2 和表 3 繪制出槍鉆轉速和切削力的關系如圖 2 所示。圖 3 顯示的是進給速度和切削力的關系。圖 4 顯示的是不同支撐架個數和切削力的關系。
從圖 2 中可以看出，切削力隨著轉速的增大而減小。在 3000r/min 以后切削力的波動很小，基本趨于穩定。進給速度很大的情況下，轉速的變化對切削力的影響很大。從圖 3 中可以看出，隨著進給速度的不斷增大，切削力也在不斷增大。隨著進給速度的不斷增大，切削力增大的幅度增加。轉速較低的情況下，進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，支撐架個數大于1 后，切削力減小的幅度明顯增大。說明支撐架的個數對切削力的大小具有重要影響。
3. 2 槍鉆加工工藝參數對孔圓度的影響
由表 1、表 2 和表 3 繪制出槍鉆轉速和孔圓度的關系見圖 5。進給速度和孔圓度的關系見圖 6。不同支撐架個數和孔圓度的關系見圖 7。
從圖 5 中可以看出，開始時隨著轉速的增加圓度不是很好，轉速繼續增加圓度逐漸提高。3000r/min 是圓度變化的轉折點，轉速大于 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，圓度隨進給速度的增大變化波動很大，進給速度越大，圓度越差，進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，圓度隨支撐架個數的增加而提高，并隨著支撐架個數的增加，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( 內切圓和外接圓) 之間的區域。
4 、結語
( 1) 本次試驗說明，切削力隨著轉速的增大而減小，隨著進給速度的增大而增大，隨著支撐架個數的增加切削力逐漸減小; 進給速度很大的情況下，轉速是影響切削力的主要因素; 低轉速時，進給速度是影響切削力的主要因素; 增加支撐架的個數對減小切削力具有重要的作用; 支撐架的個數直接影響槍鉆鉆桿的剛度，支撐架的個數增加，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，孔圓度隨轉速的變化而變化，轉速大于 3000r/min 時孔圓度隨轉速的增大而減小，鉆削加工時要恰當的選擇轉速; 孔圓度隨進給速度的增大而增大，加工孔時要選擇低進給速度。孔圓度隨支撐架個數的增加而減小，增加支撐架的個數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。切削力的變化導致加工過程中發生振動，導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，降低進給速度，適當增大轉速，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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