BTA鉆頭受力分析

摘要：BTA深孔鉆削是金屬切削中一種較為復(fù)雜的加工方式。本文對首先對鉆削過程中鉆削力的來源進(jìn)行了闡述，進(jìn)而對BTA鉆頭的在加工過程中的受力進(jìn)行了簡化，從而獲得了BTA深孔鉆頭的受力分析，為后續(xù)BTA鉆頭的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：BTA鉆頭；鉆削力；深孔加工

0.引言：

BTA深孔鉆削是深孔加工中常用的一種加工方法，由于其加工效率高產(chǎn)品質(zhì)量好，目前廣泛的應(yīng)用于各種加工領(lǐng)域當(dāng)中。由于BTA深孔鉆削屬于內(nèi)排屑自導(dǎo)向加工模式，所以鉆頭的受力對鉆頭在加工過程中的穩(wěn)定性與自導(dǎo)性有著十分重要的影響。

1.鉆削力的來源

鉆削過程是由刀具通過旋轉(zhuǎn)加軸向進(jìn)給，在待加工工件上加工出所需要的深孔，由于材料具有一定的韌性和硬度，材料在被加工過程中發(fā)生一系列的彈塑性變形，對鉆頭產(chǎn)生阻力，在切屑與工件分離的過程中切屑沿著前刀面流出，和前刀面接觸并產(chǎn)生摩擦阻力。隨著刀具向前移動(dòng)，工件已加工表面會有一定彈性恢復(fù)，繼而與后刀面進(jìn)行接觸，然后產(chǎn)生摩擦力。

由此，鉆削力的來源主要由以下三個(gè)方面組成[1]：

（1）鉆削過程中，被加工材料發(fā)生彈性變形所產(chǎn)生的阻力。

（2）鉆削過程中，被加工材料發(fā)生塑性變形所產(chǎn)生的阻力。

（3）鉆削過程中，切屑流出時(shí)對刀具前刀面產(chǎn)生的摩擦力和刀具向前移動(dòng)時(shí)工件過渡表面和已加工表面對刀具后刀面擠壓所產(chǎn)生摩擦力。

2.錯(cuò)齒BTA鉆頭鉆削力分析

BTA深孔鉆削的過程中，除了刀具切削刃與工件接觸以外，還有導(dǎo)向塊與工件接觸，致使加工過程中刀具的的受力分為三個(gè)部分，分別為切削刃所受的切削力、導(dǎo)向塊所受的正壓力和導(dǎo)向塊與工件之間的摩擦力，這樣一來使得刀具的受力相當(dāng)復(fù)雜。

在一般的切削加工中，例如在車削加工中，只存在著工件、刀具、床身之間的正常力系，所以只需將車刀裝在三向測力儀上，就可以測量出車刀所受的三向力。而在深孔鉆削的過程中，由于存在著導(dǎo)向塊與工件之間的正壓力和摩擦力，使工件與刀具切削刃和導(dǎo)向塊之間構(gòu)成封閉力系，所以就不能直接測量出切削刃所受的三向分力，只能測出刀具所受的軸向力與扭矩。因此目前的許多研究者為了獲得刀具切削刃的三向分力，都是通過測量和分析相結(jié)合的方法，先測出鉆頭總的軸向力和扭矩，再將總軸向力和扭矩進(jìn)行分解，得出切削刃的分力。在分解的過程中，為了將受力進(jìn)行簡化，突出鉆削力的主要影響因素，一般做出如下的假設(shè)[2]：

（1）由于鉆頭、鉆桿、切屑、切削液各部分的重力與切削液的壓力對鉆削力的影響較小，所以忽略不計(jì)。

（2）因?yàn)殂@頭切削刃的軸向尺寸較小，認(rèn)為除了切削過程的走刀抗力和導(dǎo)向塊所受的軸向摩擦力以外，其余受力均分布一個(gè)平面內(nèi)。

（3）各切削刃所受的三向分力沿半徑方向均勻分布。

（4）將切削刃的切削力，導(dǎo)向塊的正壓力與摩擦力均簡化為集中力。

錯(cuò)齒BTA鉆頭計(jì)簡化后的受力分析如圖1所示：

在圖1中分別做以下設(shè)定：

PMA、PMB、PMC—各切削刃所受的主切削力；

PRA、PRB、PRC—各切削刃所受的徑向力；

PTA、PTB、PTC—各切削刃所受的軸向力；

PG0、PG1、PG2—韌帶上的垂直力、第一導(dǎo)向條上的垂直力、第二導(dǎo)向條上的垂直力；

μPG0、μPG1、μPG2—韌帶上的摩擦力、第一導(dǎo)向條上的摩擦力、第二導(dǎo)向條上摩擦力；

Fx，F(xiàn)y—x，y方向上各齒鉆削力的合力；

Fc—軸向切削力的合力；

θA、θB、θC—各刀齒刃偏角；

α、β—導(dǎo)向塊位置角；

a、b、c—中心刃、中間刃、外刃長度；

在試驗(yàn)過程中測量的錯(cuò)齒BTA深孔鉆的受力有兩個(gè)部分：扭矩與軸向力[3]。

a.扭矩

鉆頭所受到的扭矩由以下三個(gè)部分組成：

（1）切削扭矩MC

切削扭矩MC為鉆頭三個(gè)切削刃所受到的主切削力的合力，它的大小與鉆頭的直徑，切削刃的分布，及工件的材料均有關(guān)。

（2）摩擦扭矩

摩擦扭矩由鉆頭導(dǎo)向塊的表面與所加工孔的孔壁之間所產(chǎn)生的摩擦力構(gòu)成，其大小在總得扭矩中所占的比例很小，所以一般忽略不計(jì)。

（3）擠光扭矩MB

擠光扭矩MB是在刀具的三個(gè)切削刃完全進(jìn)入工件后定徑刃與工件進(jìn)行接觸后開始產(chǎn)生，此時(shí)定徑刃進(jìn)入孔內(nèi)，與導(dǎo)向塊進(jìn)行平衡，把被加工孔擴(kuò)大到與鉆頭直徑相等，由于定徑刃有一個(gè)寬度較小的圓柱面刃帶與孔壁進(jìn)行擠壓，使得孔壁發(fā)生彈性變形，同時(shí)也對孔壁有著修光的作用，在這個(gè)過程中鉆頭所受到的扭矩就是擠光扭矩。

b.軸向推力

鉆頭所受到的軸向力也有三個(gè)部分組成：切削力的軸向分力、擠光力的軸向分力及切削液的壓力。

由圖1中可以看出，在主切削力的方向，錯(cuò)齒鉆齒寬分別為a、c兩個(gè)刃的主切削力PMA、PMC指向第一導(dǎo)向條，而齒寬為b的齒的主切削力PMB則相反，抵消了齒寬分別為a、c的兩個(gè)齒主切削力合力的一部分，從而使第一導(dǎo)向條的支反力PG1也相應(yīng)減小，在徑向力的方向，錯(cuò)齒鉆因齒寬為c的齒所受徑向切削分力FRC與FRB和FRD方向相反，所以相應(yīng)減小了第二導(dǎo)向條所受支反力。

結(jié)語：

通過以上對BTA深孔鉆頭的受力進(jìn)行簡化與分析為后續(xù)BTA深孔鉆頭的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]白萬民，賈培剛，白震平.深孔鉆削時(shí)的力學(xué)特性分析[J].新技術(shù)新工藝，2000，（6）：18-20.

[2]關(guān)世璽，范國勇.三切削刃BTA深孔鉆鉆削過程研究[J].新技術(shù)新工藝，2008，（12）：79-80.

[3]楊順田，侯忠坤.深孔鉆削中受力分析與切削參數(shù)定量分析[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2013，（1）：118-122.

作者簡介：師毓華（1987—），女，助教。研究方向：制造過程建模仿真與狀態(tài)監(jiān)測。