基于深孔鉆削穩(wěn)定性研究及應(yīng)用

段樹軍,游 娜,姜 然,唐 霄,王 蘭（寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司,陜西 寶雞 721002）

基于深孔鉆削穩(wěn)定性研究及應(yīng)用

段樹軍,游 娜,姜 然,唐 霄,王 蘭
（寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司,陜西 寶雞 721002）

摘 要：為了反映小深孔鉆削機(jī)床加工過程中槍鉆的穩(wěn)定情況，對(duì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的槍鉆系統(tǒng)以及其不規(guī)則體的轉(zhuǎn)子進(jìn)行研究?；跈C(jī)床顫振的非線性理論、深孔加工系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建立槍鉆加工小深孔的動(dòng)力學(xué)模型，從而得到槍鉆系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程。

關(guān)鍵詞：深孔鉆削；穩(wěn)定性；應(yīng)用實(shí)例

0 引言

深孔鉆削加工技術(shù)是機(jī)械加工生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用的一種加工技術(shù)，深孔鉆削加工技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)了我國(guó)機(jī)械加工行業(yè)的發(fā)展，在許多的機(jī)床、設(shè)備、工具、零件的生產(chǎn)加工時(shí)，都需要使用深孔鉆削加工技術(shù)，使其在需要加工的產(chǎn)品上鉆削出符合人們需要的、與設(shè)計(jì)圖紙大小、深度相符的孔洞，從而更加方便的將各種零件組裝起來，供人們使用。但是，目前深孔鉆削加工技術(shù)在使用中仍然存在許多的問題，其中最主要的問題就是深孔鉆削加工技術(shù)中使用的鉆頭的穩(wěn)定性不足，由于在機(jī)械加工中使用的都是高硬度的金屬或者合金材料，才能夠保證生產(chǎn)出來的產(chǎn)品的質(zhì)量，但是，也因此導(dǎo)致了深孔鉆削加工的難度的增大，如果鉆頭的強(qiáng)度低于機(jī)械設(shè)備或者與機(jī)械設(shè)備的材料的硬度相同，那么，在深孔鉆削加工的鉆頭就會(huì)非常容易斷裂，從而影響機(jī)械加工的質(zhì)量，因此，本文主要對(duì)深孔鉆削加工技術(shù)的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，希望能夠解決在深孔鉆削加工技術(shù)中存在的問題，提高機(jī)械加工的質(zhì)量。

1　深孔加工現(xiàn)狀及發(fā)展

深孔鉆削加工技術(shù)在十八世紀(jì)時(shí)就已經(jīng)被人們發(fā)明出來并逐漸在機(jī)械加工中得到越來越多的應(yīng)用，而深孔鉆削加工技術(shù)被發(fā)明的最初目的是應(yīng)用于武器的生產(chǎn)，自從火藥被發(fā)明以來，人們一直致力于對(duì)大規(guī)模殺傷性武器的研究，希望人們能夠依靠武器的力量讓自己變得更加的強(qiáng)大，而隨著越來越多的武器被研發(fā)出來，且人們對(duì)槍炮的需求量的逐漸的增大，以前的人工生產(chǎn)武器的技術(shù)已經(jīng)不能夠滿足人們的需求，為了提高機(jī)械的生產(chǎn)效率，人們發(fā)明了深孔鉆削加工技術(shù)。在機(jī)械生產(chǎn)中，人們不可能將體積巨大、形狀復(fù)雜的機(jī)械一次性的生產(chǎn)出來，因此，人們將機(jī)械分為多個(gè)零件，等到零件生產(chǎn)出來后，經(jīng)過適當(dāng)?shù)募庸そM裝后就能夠得到人們想要的產(chǎn)品，深孔鉆削技術(shù)就是零件加工中的必要的技術(shù)之一。

深孔鉆削加工技術(shù)最初使用的鉆頭是扁鉆，但是扁鉆的可變性較低，不能夠達(dá)到人們的要求，因此，麻花鉆代替了扁鉆，相比于扁鉆來說，麻花鉆擁有兩種鉆頭，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，切削液也容易導(dǎo)入，適宜加工大尺寸范圍的孔洞。但是，麻花鉆也有一定的缺點(diǎn)，比如說當(dāng)加工深孔時(shí)，麻花鉆不利于冷卻和廢屑的排出，剛性也很低，不適宜大量的加工，因此生產(chǎn)效率較低。為了提高機(jī)械加工的生產(chǎn)效率，人們一直在不斷的對(duì)深孔鉆削加工技術(shù)進(jìn)行研究，進(jìn)而發(fā)明了槍鉆、內(nèi)排屑深孔鉆、單管內(nèi)排屑噴吸鉆等更加適合當(dāng)前機(jī)械加工生產(chǎn)的深孔鉆削加工技術(shù)的鉆頭，鉆頭的研究的最主要的目的就是提高鉆頭的穩(wěn)定性，提高鉆頭的剛度，提高深孔鉆削加工的生產(chǎn)效率，才能夠更好的促進(jìn)深孔鉆削加工技術(shù)的發(fā)展。

2　機(jī)床切削顫振控制的研究現(xiàn)狀

切削顫振是機(jī)械加工過程中機(jī)床、工件和刀具之間發(fā)生的是一種復(fù)雜的動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定現(xiàn)象。在進(jìn)行機(jī)床切削時(shí)產(chǎn)生的顫振會(huì)加大機(jī)床的磨損程度，縮短機(jī)床的使用壽命，因此，人們一直在對(duì)機(jī)床切削進(jìn)行研究，希望能夠減少甚至消除顫振，但是，在目前的機(jī)械加工中還沒有可以徹底消除機(jī)床切削顫振的方法，只能夠通過采取一定的措施來控制機(jī)床切削顫振，而控制措施主要可以分為主動(dòng)控制、被動(dòng)控制、半主動(dòng)控制、調(diào)整切削參數(shù)控制等。主動(dòng)控制就是采用反饋控制的原理，檢測(cè)出系統(tǒng)的某一狀態(tài)量的變動(dòng)，然后把與狀態(tài)量同頻率和幅度但反相的控制量加到這個(gè)狀態(tài)量本身或作相應(yīng)變動(dòng)后加在其它狀態(tài)量上去。目前的機(jī)械加工所采用的機(jī)床設(shè)備大都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)化，甚至一些技術(shù)先進(jìn)的企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了智能化，因此，機(jī)床在工作時(shí)各個(gè)部分的具體的情況都會(huì)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行顯示，人們可以根據(jù)計(jì)算機(jī)所輸出的機(jī)床的工作時(shí)的數(shù)據(jù)，查找出具體的產(chǎn)生顫振的部位，以及顫振的頻率和幅度，再根據(jù)這些信息采取相應(yīng)的解決措施，這種由人們主動(dòng)的對(duì)機(jī)床切削顫振進(jìn)行干預(yù)控制的措施為主動(dòng)控制。

而被動(dòng)控制主要是在機(jī)床的制造時(shí)添加吸振部件，在機(jī)床工作時(shí)，吸振部件會(huì)對(duì)機(jī)床切削時(shí)產(chǎn)生的顫振產(chǎn)生消弱的作用，但是，吸振部件所能夠起到的作用較小，而且不同的機(jī)床需要在不同部位安裝不同強(qiáng)度的吸振部件，所以，被動(dòng)控制在機(jī)床切削顫振控制中取得的效果不是很理想。半自動(dòng)控制結(jié)合了主動(dòng)控制和被動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)，是在機(jī)床內(nèi)安裝了可控制調(diào)節(jié)的、響應(yīng)速度快的介質(zhì)，從而達(dá)到更好的對(duì)顫振進(jìn)行控制的目的，因此在當(dāng)前的機(jī)械加工中的應(yīng)用較為廣泛。但是，目前的機(jī)床切削顫振控制仍然存在許多的問題，需要人們繼續(xù)的研究，才能夠更好的對(duì)機(jī)床切削顫振進(jìn)行控制[1]。

3　深孔鉆削穩(wěn)定性研究

3.1 機(jī)床結(jié)構(gòu)分析

目前在機(jī)械加工中使用的機(jī)床根據(jù)其加工的產(chǎn)品的不同其組成結(jié)構(gòu)也有所不同，但是其主體的結(jié)構(gòu)組成卻大同小異，因此，本文主要對(duì)機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，并以應(yīng)用較為廣泛的槍鉆為鉆頭。機(jī)床系統(tǒng)總體為工件固定、高速主軸動(dòng)力頭進(jìn)給的槍鉆加工形式。其高速主軸自動(dòng)進(jìn)給動(dòng)力頭由可調(diào)速變頻電機(jī)帶動(dòng)高速主軸實(shí)現(xiàn)，以滿足槍鉆加工時(shí)鉆頭所需的轉(zhuǎn)速要求；動(dòng)力頭的進(jìn)給由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠茲杠完成，可達(dá)到進(jìn)給自動(dòng)，穩(wěn)定和持續(xù)；動(dòng)力頭前端聯(lián)接槍鉆鉆柄，傳遞鉆頭的旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；動(dòng)力頭后端聯(lián)接高壓授油器[2]。

3.2 槍鉆系統(tǒng)鉆削中的穩(wěn)定分析

提高槍鉆系統(tǒng)鉆削穩(wěn)定性是深孔鉆削加工技術(shù)研究的最主要的目的，只有槍鉆系統(tǒng)鉆削的穩(wěn)定性足夠才能夠保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量，減少產(chǎn)品表面因?yàn)闃屻@系統(tǒng)鉆削穩(wěn)定性不足而出現(xiàn)的劃痕。由于槍鉆系統(tǒng)切削加工時(shí)處在半封閉或者全封閉的狀態(tài)下，因此加工運(yùn)動(dòng)的方式較為多變，只有穩(wěn)定性足夠才能夠提高加工的質(zhì)量。所以，人們?yōu)榱颂岣邩屻@系統(tǒng)鉆削的穩(wěn)定性，對(duì)其在運(yùn)動(dòng)時(shí)的各個(gè)受力情況進(jìn)行了分析，每一種力都有可能改變槍鉆的運(yùn)行的軌跡，而掌握受力方向并使各個(gè)力之間達(dá)到穩(wěn)定的平衡，就能夠提高槍鉆鉆削的穩(wěn)定性。因此動(dòng)力學(xué)方程的建立，對(duì)于提高槍鉆系統(tǒng)鉆削穩(wěn)定性有重要的意義[3]。

4　槍鉆系統(tǒng)鉆削模型實(shí)例

槍鉆系統(tǒng)鉆削模型的建立主要分為兩個(gè)部分，分別為切削力分析和槍鉆系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的選擇，而切削力分析主要分為切削力均量、切削力動(dòng)態(tài)波動(dòng)成分，其中切削力動(dòng)態(tài)波動(dòng)成分對(duì)于槍鉆系統(tǒng)的振動(dòng)及穩(wěn)定性有很大的影響，因此，在建立槍鉆系統(tǒng)鉆削模型時(shí)，需要對(duì)切削力動(dòng)態(tài)波動(dòng)成分進(jìn)行全面的分析，并根據(jù)分析結(jié)果采取相應(yīng)的措施，保證鉆桿的受力平衡。其次就是槍鉆系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的選擇，選擇轉(zhuǎn)速的時(shí)候要充分考慮加工零件時(shí)系統(tǒng)鉆削的穩(wěn)定性。由于建立模型前都需要先建立動(dòng)力學(xué)方程，而動(dòng)力學(xué)方程的運(yùn)算會(huì)得出最適合的轉(zhuǎn)速的范圍，以此來作為模型選擇轉(zhuǎn)速的依據(jù)[4]。

5　結(jié)語(yǔ)

綜上所述，深孔鉆削加工的穩(wěn)定性對(duì)于提高機(jī)械加工的質(zhì)量有很大的作用，但是，在目前的深孔鉆削加工中仍然存在許多的問題，只有通過建立鉆削模型、運(yùn)用動(dòng)力學(xué)方程的方法，計(jì)算出最適合的機(jī)床結(jié)構(gòu)，并對(duì)原有的機(jī)床進(jìn)行改造，才能夠很好的提高深孔鉆削加工的穩(wěn)定性。

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