高速深孔BTA鉆削系統(tǒng)的高效排屑設(shè)計(jì)與研究*

(中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西省深孔加工工程技術(shù)研究中心，山西太原 030051)

深孔是指長(zhǎng)徑比大于等于5(L/D≥5)的孔。深孔加工過(guò)程存在排屑難的問(wèn)題，因?yàn)槠溥^(guò)程是在封閉或半封閉狀態(tài)下完成的，刀具的切削條件惡劣，切屑不易排出。一旦切屑堵塞，油壓會(huì)急劇升高，導(dǎo)致切削過(guò)程中斷，需要重新對(duì)刀，影響切削效果，甚至深孔鉆崩壞扭斷。隨著高速高效深孔加工技術(shù)的研究，單位時(shí)間內(nèi)切屑量將會(huì)增加，排屑障礙成為制約深孔加工發(fā)展的最大難題之一。尤其是BTA深孔鉆，目前主要靠高壓油強(qiáng)制排屑，但如果切屑太長(zhǎng)，即使在高壓油作用下仍無(wú)法解決排屑問(wèn)題[1]。

為了提高加工效率，解決高速深孔加工過(guò)程中的排屑障礙，整體提高切削效率，引入振動(dòng)鉆削，對(duì)切屑的尺寸形狀進(jìn)行控制，再配合改進(jìn)后的負(fù)壓抽屑裝置，順利實(shí)現(xiàn)高效排屑。

1 振動(dòng)鉆削機(jī)理

振動(dòng)鉆削就是在鉆削過(guò)程中給鉆頭(或工件)附加一個(gè)有規(guī)律的振動(dòng)，使鉆頭和工件之間發(fā)生間斷性接觸，切削參數(shù)按某種規(guī)律呈現(xiàn)周期性變化，使傳統(tǒng)切削模式發(fā)生根本性的變化，切削力及扭矩得以改善，以達(dá)到優(yōu)化切削效能的目的[2]。振動(dòng)鉆削按振動(dòng)方向可分為軸向振動(dòng)鉆削、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)鉆削及混合式振動(dòng)鉆削，深孔振動(dòng)鉆削一般采用軸向振動(dòng)鉆削，使切屑的厚度呈現(xiàn)周期性變化，實(shí)現(xiàn)變切厚鉆削，順利控制切屑的尺寸形狀，其次高壓油將切屑在其最薄弱的地方折斷，使排屑效果更佳。其鉆削機(jī)理如圖1所示。

2 振動(dòng)鉆削裝置的分類(lèi)及特點(diǎn)

振動(dòng)鉆削裝置按照其振動(dòng)動(dòng)力來(lái)源不同，分為超聲波、液壓、機(jī)械、電磁等幾種裝置。超聲波振動(dòng)鉆削裝置的振動(dòng)系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿和切削刀具等幾部分組成，通過(guò)改變超聲波發(fā)生器的功率可以方便地調(diào)整振幅，但這種裝置的振動(dòng)頻率一般不能改變，且振動(dòng)系統(tǒng)各部件的結(jié)合部在超聲激勵(lì)下極易松動(dòng)發(fā)熱。液壓振動(dòng)鉆削裝置的輸出功率較大，負(fù)載能力較強(qiáng)，但液壓系統(tǒng)成本高，液壓油的體積彈性模量較小，反應(yīng)遲鈍，所以頻率不高，一般不超過(guò)200 Hz。電磁式振動(dòng)鉆削裝置包括電磁鐵以及永磁鐵等，通過(guò)調(diào)整電壓的大小來(lái)控制振幅，但是裝置剛度低，受負(fù)載的影響大，當(dāng)?shù)毒呓佑|工件后，由于負(fù)載急劇增大，振幅明顯減小，所以負(fù)載能力小，效率低。機(jī)械式振動(dòng)鉆削裝置一般采用凸輪結(jié)構(gòu)，功率大，負(fù)載強(qiáng)，便于調(diào)整參數(shù)，但由于存在偏心質(zhì)量，頻率一般不超過(guò)200 Hz。綜合以上幾種振動(dòng)裝置，一般采取機(jī)械式振動(dòng)方式。

3 振動(dòng)鉆削數(shù)學(xué)模型

設(shè)振動(dòng)裝置的軸向振動(dòng)頻率為f(Hz)，振幅為a(mm)，刀具的進(jìn)給量為fr(mm/r)，機(jī)床轉(zhuǎn)速為n(r/min)，則刀尖的軸向位移x(t)為

(1)

而軸向切削厚度△fr為

Δfr=x(t+t0)-x(t)

(2)

式中，t0=1/(n/60)=60/n，為刀尖相對(duì)工件轉(zhuǎn)動(dòng)的周期。將t0代入式(2)并與式(1)整理得

(3)

其中0≤i≤1，k為前后兩刀波紋的重迭系數(shù)，N為其整數(shù)部分，i為其小數(shù)部分，則式(3)變?yōu)?/p>

Δfr=fr+2asin(iπ)cos(2πft+iπ)

(4)

可見(jiàn)，切削厚度是周期變化的，其變化范圍為

(5)

顯然要實(shí)現(xiàn)幾何斷屑，只要△frmin≤0，即相鄰波發(fā)生干涉，則

fr2asin(iπ)

(6)

即

(7)

由式(7)可以繪出如圖2所示的斷屑區(qū)域圖。

即使不能滿(mǎn)足完全幾何斷屑的條件，也能夠?qū)崿F(xiàn)可靠斷屑，通常把這種斷屑條件稱(chēng)為不完全斷屑。在不完全幾何斷屑的加工過(guò)程中，切屑的厚度也是呈周期性變化的，雖然不能直接斷屑，但在其最薄弱的地方，強(qiáng)度必然最低，高壓油的不斷沖擊也能順利實(shí)現(xiàn)斷屑。

由于所施加的軸向振動(dòng)的影響，實(shí)際切削參數(shù)就會(huì)隨之發(fā)生變化，從而造成切削角度的變化。將圓周運(yùn)動(dòng)展開(kāi)，則其前、后角的變化規(guī)律如圖3所示，呈現(xiàn)周期性變化。由圖3可以看出，在振動(dòng)鉆削的過(guò)程中，鉆頭實(shí)際工作前、后角與進(jìn)給量fr、振動(dòng)頻率f、振幅a、主偏角Kr、機(jī)床轉(zhuǎn)速n以及刀刃的切削半徑r有關(guān)[3]。由于在正常切削過(guò)程中，不允許出現(xiàn)負(fù)后角的情況，否則會(huì)導(dǎo)致鉆頭嚴(yán)重磨損和鉆桿沖擊振動(dòng)，甚至崩刃，而當(dāng)工作前角變?yōu)樨?fù)值時(shí)，工件塑性變形加大，且刀具切削力急劇增大[4]，所以必須控制其振動(dòng)及切削參數(shù)，確保最小工作后角minα0e>0，盡可能使最小工作前角minγ0e>0。

在一個(gè)周期內(nèi)，與圖3對(duì)應(yīng)的工作后角α0e、工作前角γ0e的變化規(guī)律如圖4所示，在刀具軌跡與直線(xiàn)AA'的交點(diǎn)B處，其工作后角α0e達(dá)到最小值，在交點(diǎn)C處，工作前角γ0e達(dá)到最小值。

設(shè)刀具的標(biāo)注前角為γ0，標(biāo)注后角為α0，為確保最小工作后角minα0e>0，盡可能使最小工作前角minγ0e>0，應(yīng)滿(mǎn)足以下條件：

(8)

在其他條件都已確定的情況下，可以參考式(8)選取振動(dòng)頻率f和振幅a。

4 振動(dòng)鉆削工藝參數(shù)的選擇

振動(dòng)鉆削的工藝參數(shù)包括鉆削參數(shù)(機(jī)床轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給量fr)和振動(dòng)參數(shù)(振幅a、振動(dòng)頻率f)。振動(dòng)鉆削工藝參數(shù)的選擇，不僅要考慮幾何斷屑條件，最重要的是要考慮實(shí)際加工情況，因此選取振動(dòng)鉆削工藝參數(shù)時(shí)必須綜合考慮各項(xiàng)因素，仔細(xì)分析，進(jìn)行選取[5]。

(1)機(jī)床轉(zhuǎn)速n

轉(zhuǎn)速將直接影響切削速度，高速切削不僅能提高切削效率，同時(shí)能提高加工表面的質(zhì)量。根據(jù)不同被加工材料對(duì)高速范圍的不同要求，可以選擇對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速n，但同時(shí)要考慮頻轉(zhuǎn)比60f/n。

(2)進(jìn)給量fr

根據(jù)被加工材料的材質(zhì)、孔的直徑和加工精度要求，考慮與振幅a的匹配以及機(jī)床的實(shí)際情況(特別是機(jī)床轉(zhuǎn)速n)，選取適當(dāng)?shù)闹怠?/p>

(3)振幅a

一般來(lái)說(shuō)，振幅a越大，切削厚度越厚，切削力越大，鉆頭所受的沖擊也就越大，使鉆頭的磨損加快。因此，在滿(mǎn)足斷屑的前提下，盡量選擇較小的振幅a，以減小切削力的波動(dòng)，避免出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)而影響加工質(zhì)量。

(4)振動(dòng)頻率f

現(xiàn)有振動(dòng)裝置都不太成熟，過(guò)高的頻率f將導(dǎo)致鉆削系統(tǒng)的不穩(wěn)定，切削效果將大打折扣。因此在保證斷屑和考慮排屑空間對(duì)切屑尺寸的制約作用的基礎(chǔ)上，選取較低的振動(dòng)頻率f值，這樣加工過(guò)程中的穩(wěn)定性將會(huì)提高，加工孔的表面質(zhì)量也會(huì)提高。

5 振動(dòng)鉆削的有益效果

大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，振動(dòng)鉆削有良好的斷屑效果，可以使切屑變得碎小，同時(shí)還能提高加工內(nèi)孔表面的質(zhì)量，改善表面粗糙度[6-8]。

(1)變切厚加工有利于斷屑

振動(dòng)鉆削能夠控制切屑的尺寸形狀，使其達(dá)到BTA喉部面積為0.09D2(D為鉆頭直徑)的空腔要求，順利排屑。如果不能實(shí)現(xiàn)完全幾何斷屑，振動(dòng)鉆削產(chǎn)生的變切厚切屑也能在高壓油的作用下，從較薄弱(強(qiáng)度低)的地方折斷，達(dá)到斷屑效果。

(2)切削力和切削扭矩減小

振動(dòng)鉆削是在一段極短的時(shí)間內(nèi)完成微量切削的過(guò)程，減小了單位時(shí)間內(nèi)需要去擠壓切屑的力，減小了切屑變形，使切削力和切削扭矩減小，加工時(shí)的切削強(qiáng)度相應(yīng)降低，有利于提高表面加工質(zhì)量。

(3)良好的斷屑效果

振動(dòng)鉆削可以使切屑變得碎小，這碎小的切屑在高壓油的作用下易被帶出，從而減小切屑對(duì)已加工表面的不利影響，而且避免打刀，提高刀具壽命。因此，有利于提高表面加工質(zhì)量。

(4)抑制積屑瘤和鱗刺的形成

普通切削在切削區(qū)的擠壓力很大，切屑的塑性變形加大，則產(chǎn)生的大量切削熱容易使刀具前刀面靠近切削刃的部位形成積屑瘤。積屑瘤的產(chǎn)生不僅減少了刀具的壽命，而且嚴(yán)重影響加工表面質(zhì)量。而振動(dòng)鉆削破壞了積屑瘤形成的條件，有效地抑制積屑瘤的產(chǎn)生。另一方面，振動(dòng)鉆削可以改善切削時(shí)的潤(rùn)滑和冷卻效果，使切削溫度降低，從而抑制積屑瘤的形成。振動(dòng)鉆削的鉆頭后刀面會(huì)對(duì)已加工孔表面產(chǎn)生往復(fù)熨壓運(yùn)動(dòng)，避免鱗刺的產(chǎn)生。這些都有利于提高表面加工質(zhì)量。

(5)高壓油的充分利用

普通切削時(shí)，切屑總是壓在刀具前刀面上形成一個(gè)高溫高壓區(qū)，切削液難以進(jìn)入切削區(qū)，只能在刀具外圍起到間接冷卻作用。振動(dòng)切削時(shí)，在振動(dòng)的影響下，刀具與工件會(huì)周期性分離，高壓油能夠輕易地進(jìn)入切削區(qū)，降低切削溫度，改善切削部分的工作環(huán)境，降低各接觸面的摩擦，減小切削變形，從而提高表面加工質(zhì)量[9]。

6 高效排屑深孔鉆床結(jié)構(gòu)圖

高速深孔BTA鉆削系統(tǒng)的高效排屑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。工件裝夾在三爪卡盤(pán)2與授油器5之間，高速旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)支撐架4支撐，避免高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力過(guò)大，影響加工孔的質(zhì)量；振動(dòng)裝置8裝在負(fù)壓抽屑裝置9前面，與鏜桿6夾緊，將振動(dòng)效果通過(guò)鏜桿6傳遞給鉆頭。

利用ANSYS FLUENT對(duì)普通BTA鉆削排屑通道進(jìn)行流體的壓力分析，得出其壓力云圖如圖6所示。將其分為幾個(gè)截面，得出其各個(gè)截面的壓力云圖如圖7所示。

BTA鉆削為內(nèi)排屑過(guò)程，由圖6可以看出，沿著排屑通道，其壓力逐漸減小，由圖7可以看出，在單向通道截面內(nèi)，其壓力值基本不變。負(fù)壓抽屑裝置是在機(jī)床尾部加入另一股油壓，通過(guò)噴吸效應(yīng)產(chǎn)生的負(fù)壓來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)的排屑動(dòng)力，優(yōu)化其排屑效果[10]。

在DF系統(tǒng)中，分流比β=Q1/Q2，通常取值為β=2，但是沒(méi)有理論依據(jù)。而且在鉆削過(guò)程中，隨著鉆頭的深入，壓力降會(huì)越來(lái)越大，導(dǎo)致鉆桿不穩(wěn)定，切削質(zhì)量下降。所以，在保證能夠順利排屑的基礎(chǔ)上，可以對(duì)Q1、Q2分別控制，不僅能夠適當(dāng)彌補(bǔ)工作過(guò)程中產(chǎn)生的壓力降，提高鉆削系統(tǒng)穩(wěn)定性，而且使壓力差增大，有利于負(fù)壓抽屑，達(dá)到高效排屑的目的。

7 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)高速深孔BTA鉆削系統(tǒng)加工過(guò)程中的排屑難題，設(shè)計(jì)高效排屑系統(tǒng)(振動(dòng)鉆削系統(tǒng)和DF系統(tǒng))。首先振動(dòng)鉆削的引入不僅能夠有效地?cái)嘈?、排屑，還能提高加工孔的表面質(zhì)量；其次DF系統(tǒng)的優(yōu)化能提高機(jī)床的穩(wěn)定性，增大切削區(qū)與負(fù)壓區(qū)之間的壓力差，大大提高了負(fù)壓抽屑的效果。

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