1、I 目录 目录 . I 摘要 . III ABSTRACT .IV 第一章 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 深孔加工技术国内外现状 . 1 1.2.1 国外深孔加工技术发展现状 . 1 1.2.2 国内深孔加工技术发展现状 . 3 1.3 深孔加工的特点 . 4 1.4 课题研究的背景、意义以及发展趋势 . 5 1.5 课题的研究内容 . 6 第二章 深孔加工方法及问题分析 . 7 2.1 深孔加工方法 . 7 2.1.1 扁钻 . 7 2.1.2 枪钻 . 8 2.1.3 BTA深孔加工 系统 . 9 2.1.4 双管喷吸钻系统 .10 2.1.5 DF(Double Feede
2、r system)系统 . 11 2.1.6 单管内排屑深孔喷吸加工技术 (SIED 技术 ).12 2.1.7 深孔扩钻 (Counterboring)技术 .12 2.2 常用深孔加工方法对比分析 .13 2.3 深孔加工注意事项与问题分 析 .14 2.3.1 加工时应注意的问题 .14 2.3.2 深孔钻常见问题及产生原因 .14 2.4 深孔加工系统的选用 .15 2.5 本章小结 .15 第三章 深孔钻削的力学特性分析 .15 3.1 深孔钻削刀具的力学模型 .16 3.1.1 BTA 内排屑深孔钻的力学模型 .16 3.2 深孔钻削各切削力的求解 .18 3.2.1 钻削力的测量
3、 .18 3. 2. 2 钻削力分量求解 .19 3. 3 导向块位置角的分布分析 .20 3.4 本章小结 .22 4.1 深孔钻削加工的动态钻削力 .22 4.2 机床振动理论 .23 4.2.1 金属切削过程的自激振动 .24 4.2.2 强迫再生颤振 .31 4.2.3 提高机床切削稳定性的基本途径 .33 II 4.3 深孔钻削过程中的振动分析 .34 4.3.1 深孔钻削加工过程的动力学模型 .34 4.3.2 瞬时动态钻削力的计算 .36 4.3.3 深孔钻削加工过程的振动分析 .37 4.4 本章小结 .38 第五章 深孔钻削仿真分析 .38 5.1 深孔钻削加工仿真分析 .3
4、9 5.2 本章小结 .47 第六章 结论 .47 参考文献 .49 致谢 .52 III 摘要 随着科学 技术的进步，产品的更新换代周期越来越短，新型的高硬度、高强度、高精度零件不断涌现，无论是对深孔加工的效率、加工的质量，还是加工成本都提出了更高的要求。由于深孔加工难度高、加工工作量大等特点，目前仅有为数不多的国外公司保持着对深孔加工的技术垄断。相对于国外，国内对于深孔加工技术、加工工艺以及深孔加工刀具和装备的基础研究仍相对匮乏，距离国外技术差距巨大，深孔加工技术己成为国内科研工作者亟待解决的问题。 本课题 针对深孔加工系统的特点， 介绍了几种比较典型的深孔加工方法，分析了深孔钻削加工 的
5、力学特性 以及深孔加工 金属切 削过程中由于速度反馈和位移延时反馈所引起的颤振现象，并讨论了稳定切削的临界条件 ， 建立了深孔钻削加工两自由度颤振动力学模型 ；使用 Matlab Simulink 对深孔钻削加工过程进行了仿真研究，结果表明： 在稳态钻削时 ，由于 刀刃断续切削， 进而产生强迫振动，其 振动 频率为刀刃通过率的整数倍，其 振动 幅值与切削深度、主轴转速的变化趋势一致 ； 临界切削厚度值并不随主轴转速的增加而增大，而是有一定 周期性 的变化 ；适当的 减小切削厚度 ，调整主轴转速可以 提高 系统钻削的稳定性，抑制颤振现象 。本课题的研究有助于 今后深孔钻削加工中改善深孔钻 削性能
6、，提高加工效率，优化切削参数。 关键词 ： 深孔加工 ；钻削； 颤振 ； 速度反馈 ； 位移延时反馈 IV ABSTRACT With the advancement of science and technology, product life cycles are increasingly shorter, the new high hardness, high strength, high precision parts are emerging, both for deep hole machining efficiency, the quality of processing, or
7、 processing costs have raised the higher requirements. Because the characteristics of high difficulty processing and workload, currently, only a small number of foreign companies monopoly the technology of deep-hole processing. Compared to foreign technology, the basic research about the deep-hole m
8、achining, processing and deep processing tools and equipments, is still relatively scarce, there is a huge gap between foreign and domestic, deep processing technology has been an urgent problem what must be solved. Aiming at the characteristics of deep-hole drilling system, this paper firstly analy
9、zes the forces characteristics of deep-hole drilling. On the basic of it chatter of cutting processes is analyzed by speed feedback and displacement delaying feedback and curial condition of stability cutting is discussed. Secondly, dynamic model of deep-hole drilling system with the two degrees of
10、freedom are established in the light of principles of machining chatter in cutting processes. At the steady state of drilling, due to the intermittent cutting, then the forced vibration is excited, the vibration frequency is an integer multiple of the blade passing rate, the trend of the vibration a
11、mplitude, the cutting depth, and the spindle speed is non-different. The critical cutting thickness does not increase with the spindle speed, but a certain periodic changes; Adjusting the cutting thickness and spindle speed can improve the drilling systems stability, and suppress the chatter. All of
12、 this provides help for bettering ability and efficiency of deep-hole drilling， optimizing of cutting parameters. Key word： Deep-hole machining； Drilling； Chatter； Speed feedback； Displacement delaying feed-back1 第一章 绪论 1.1 引言 深孔加工技术作为 工业生产制造的重要技术， 由 于 第 二 次世界大 战 对 枪支火炮的精度和生产效率的需求，在生产制造枪炮管的过程中，逐渐发展形
13、成的一种重要技术 。 第二次世界大 战 以后 ，深孔加工技术 由于 高成本、高难度 的特点，使其发展和应用限制在 相对保密的军工领域 。 上世纪 80年代后期 ，随着 世界经济 的快速发展，各行业 迫切需要先进的 深孔加工技术和深孔加工装备 来改变现有的深孔加工水平 ，对深孔加工提出了更高的技术要求 1。随着 人们对产品的技术要求不断提高 ，不断 的 涌现 出 新型的高硬度、高强度、高精度零件，产品的更新换代 速度 越来越 快 ， 这要求更高的 深孔加工效率、加工的质量 和较低的 加工 成本。由于深孔 加工存在着 加工难度高、加工工作量大等特点，目前仅有为数不多的国外公司保持着对深孔加工的技术
14、垄断。相对于国外，国内对于深孔加工技术、加工工艺以及深孔加工刀具和装备的基础研究仍相对匮乏，距离国外技术差距巨大，深孔加工技术己成为国内科研工作者亟待解决的问题。 1.2 深孔加工技术国内外现状 1.2.1 国外深孔加工技术发展现状 18 世纪后期，由于枪管和炮管要求有较深且精密的孔，枪匠们 开始发展并使用 深孔钻削加工技术 ，早起的深孔加工使用 扁钻。 直 到 1860 年美国人发明了麻花钻， 虽然 麻花钻 存在着 扁钻和麻花 钻不能连续排屑、润滑和冷却，钻头自导性不好，很容易走偏，工件报废率大而加工效率极低 ，但麻花钻的发明使得深孔加工领域中迈出了重要的一步。 19 世纪末至 20 世纪初
15、，为了 提高枪管的加工效率和加工精度，在麻花钻的基础上发明了枪 钻 深孔 加工方法 ： 枪钻的 钻头外径加有 导向套 ， 高压 切削液由 钻杆 的内孔送入 刀头，带走切屑和热量 。枪钻是深孔加工技术的一次 技术性 飞跃 ， 它解决了麻花钻在深孔加工中钻头的排屑 困难，不易冷却及 加工不连续等 问题， 但它仍属于外排屑加工方式 ，仍存在 排屑不够通畅，且已加工的 表面 易 被铁屑 划伤 等问题 2。 1930 年， 随着刀具材料的发展， 枪炮管 的加工开始广泛采用高速钢制枪钻 。 在 1943 年 ，德国的 Heller 公司研制出Beisher 加工系统，即我国常称的 内排屑 深孔钻削系统 。
16、二战后，国际上 为了 交2 换德国 的 Heller 公司和瑞典卡尔斯德特公司的 深孔加工技术 ， 德 国 、瑞典、英 国 、法国为主要 成员国联合组成了 国际孔加工协会 (Boring and Trepanning Association)，在 Beisher 加工系统的基础上开发 了一种自导向、单边刃 、 高压切削液的内排屑深孔钻 BTA 钻 （ Beisher 内排屑深孔钻 ） 3。 BTA 钻具有切削 力分布均匀，分屑，断屑性能好，钻削平稳可靠，钻削出的深孔直线性好等优点。并在枪钻的基础上 改善了排屑条件 ，增加了钻杆的刚性 ，提高了孔 的加工精度和效率 。 BTA 深孔加工 技术因
17、对 密封 要求 极为 严格 ，限制了该 项 技术的推广 与 应用。 20 世纪 60 年代初， 瑞典 SANDVIK 公司推出了基于 BTA 技术的双管喷吸式深孔钻 (Double-bube Ejector Drills)，它 是一种新型的实心深孔加工技术。 其工作 原理是当高压 切削液通 过一个狭小的通道 (喷嘴 )高速喷射时，在这股喷射流的周围 产生一个 低压区， 形成负压， 加速切削液带动切屑通 过内管通道排出。 它 从根本上 的解决了 BTA 系统 密封 结构复杂的 问题 ，它 不需要专用的 机床设备 ，只要求普通机床具有足够的功率，必要的切速与机床结构的稳定性就能使用。 20世纪 7
18、0 年代，日本冶金株式会社 利用 双管喷吸钻的负压抽屑机理，发明了DF(Double Feeder)单管喷吸钻，双管喷吸钻 ，这类钻 在钻杆末端的输油器空腔中设置产生负压作用的喷嘴 ， 改善了 BTA 钻中 14 mm 20 mm一段最容易发生堵屑故障的区间 ， 改原双管系统为单管系统，增加了一个专起吸效应的油压头，进一步提高 了 钻杆系统的强度和刚性 以及 排屑和加工效 率 4。 DF 系统 由于 深孔钻的切削液易达到切削区，且具有推，吸双重的作用，可充分发挥切削液的排屑 、冷却，润滑的功能，是 一种 高效 的 深孔加工方法。 近几年来， 深孔加工领域发展相对低迷， 在深孔常规加工方面，国内
19、外 未出现更加先进的加工系统 。 深孔加工刀具市场上依然是瑞典的 Sandvi 公司占有大部分的份额，其中主要以 BTA钻为主；在深孔 非常规加工方面，由于深孔零件大多用于航空航天、武器装备 等 方面，国外 投入了 大量 的人力和财力进行 研究，但出于技术保密 的原因 ，国内对其关键技术及研究进展还不了解。 深孔钻削中的 孔轴线偏斜问题 是现代深孔加工技术面临的一个重要的技术问题 5，国外 非常重视该问题， Sandvi 公 司、德国的 Guhring公司以及日本的机械技术研究所进行了大量的研究 与试验 ，但均未取提突破性 的 进展， 仅仅 提出了一些减小孔轴线偏斜的途径，如 ： 提高机床、工
20、装和刀具的精度和刚度 等 ， 该 方法 一定程度上 降低了 孔轴线偏斜 以及 废品率，但由于孔轴线的偏斜是一个复杂的问题， 随着钻头 钻进深度的增加偏斜量逐渐 增大 ，对于高 精度 、较 大长径比的深孔钻削加工 ， 难以保证加工出 来 的孔的偏斜量 在 公差范围 之内 ，所以 目前 还无法完全解决孔轴线 的 偏斜问题。 3 1.2.2 国内深孔加工技术发展现状 20世纪 70年代以前，我国军工制造业 主要采用 枪钻和内排屑深孔钻 的途径加工深孔 ，其技术 相当于苏联 50年代初期 的 水平 。 70年代末 逐渐 开始建立专门制造硬质合金枪钻、枪铰刀的军工厂， 但 因尺寸规格有限 ， 产品质量与
21、进口刀具差距较大 。 80年代后， 开始生产硬质合金枪钻，以弥补市场需求的空缺 ， 但由于技术和生产方式的落后，在产品质量和规格品种方面始终无法与进口刀具分庭抗礼 ，深孔加工技术依旧落后 6。 20世纪 80年代， 在兵器工业和大 型 装备 制造业 仍普遍应用 整体高速钢内排屑深孔钻、麻花钻，甚至扁钻。 我国于 70年代末 引进 BTA钻技术 ，但由于 BTA钻存在 断屑台重磨 困难和堵屑等问题，且 BTA钻的制造 未能形成专业化、规模化 生产体系 ， 使 企业 无法接受其刀具的使用成本和加工效率， 因 此限制了在企业的推广7。 80年代初，我国少数企业 引进了 双管喷吸钻和 DF系统 ， 由
22、于 这两种 深孔钻削系统 各 自的 局限性，至今 未能得到广泛的应用 3。 80年代以来，国内机床工业水平 发展 较快，而深孔机床发展相对滞后，在设计水平、精度、品种和专业化程度等方面与欧、美、日本 等国家 差距 相当大 ，直至 80年代末才出现 数控深孔钻床。 其实， 早在 80年代初 ， 以深孔加工技术为关键制造技术的 工程机械，石油钻采，矿山机械，航空航天，军工等领域， 已经 感到我国深孔加工装备与技术严重落后 严重制约了这些领域的发展 。 80年代 初 在不少工科院校和企业 中 兴起 了 深孔加工技术研究的热潮， 而这股 热潮为 我 国深孔加工技术走向现代化打 下 了基础。 西安石油大
23、学 对普通的内排屑深孔钻头的刃型和结构进行了改进和创新，开发出 多尖齿内折线刃深孔钻头， 钻头包含 不在 相同 圆锥面 上的一个 外齿、 一个 中心齿、 一个 中间平齿 和两个中间尖齿 ；在轴向方向上，两个 中间尖齿 为尖齿型且其锥面 高出中心齿和外齿的锥面 (0.5 1)f， 可 实现 钻削 时自动 定心和 完全分屑的作用 ； 除外齿外缘一侧为尖角，其余刀齿 带有 倒角 且 有 6。 12。 的侧 后角， 增强了刀齿强度，加快了刀齿冷却速度，使刀具寿命得到提高； 并 把 中心齿的内刃 加工成 两条折线刃， 使 钻尖高度 降低 ，减少 了 钻头入钻和出钻 的 时间；在 钻头体 后端 增设了 减
24、 振 块 在外齿切削刃上方并与之呈 90。 ， 即减小了钻头振动，起到保护切削刃的作用，又提高了孔的加工精度； 内刃 采取较大的 余偏 角 ，有 助于钻头的 定心 以及提高钻削的稳定性。 这种深孔钻的切 削力 分布均匀 ，定心 和钻削稳定性 好，在深孔 加工应用中取得了令人满意的效果 ，进一步 扩大 了 深孔加工的深度与孔径范围 ，推进了我国深孔加工技术的发展 。广西工学院 研制 出 了高效 数控深孔钻床， 这种 数控 深孔钻 床的钻头的 顶角为 120。 ，前角为 0 2。 ，后角为 12。 ， 以4 及 120。 V型 的 排屑槽 ， 为 小直径 的深孔 (20， 5L/D32)的加工提供
25、了有效的装备 ， 尤其 是 在加工 材料为 合金结构钢 时效果很好。中北大学 开发了一种具有创新性和实用性的深孔加工技术体系 单管内排屑喷吸钻 (Single-tube Inner chipremoval Ejecfor Drill，简称 SIED)，它是 以单边刃切削，单管内排屑喷吸加 工和刀具自导向为主要特性的 加工体系；它融合了 BTA钻、枪钻的优点，解决 了BTA钻不能 加工 小直径深孔的 难题； 在同一 设备 上，可 实现工件的 钻、扩、绞、镗及绗磨等 多种类型的 加工 方式 ，刀具 结构简单， 可以实现多次重磨，且不同类型的加工类型的刀具具有高度的相似性， 易于 实现系列化， 专业
26、化 的 生产。 SIED系统 具有 加工不同尺寸范围，各种粗、精加工方法，及不同的零件类型的能力，以模块式的部件组装成不同用途的深孔加工设备，以满足 不同用户需 求，增强了SIED加工体系的实用性 。 1.3 深孔加工的特点 深孔加工不同于普通孔的加工， 主要表现为以下几个方面： 一、 切削状况 分析 (1) 深孔加工处于一种封闭或半封闭的加工状态下，不能直接观察刀具的切削和走刀情况。 (2) 切屑在深孔内，排屑路径较长，不便于排屑。 (3) 切削区的 热量不 易 散发。 (4) 由于 在深孔加工中，一般情况下 孔的 长径比 较大，钻杆细长，其刚性差，工作时 钻头 容易 产生振动 和偏斜 ，
27、且长径比越大，振动和偏斜就越严重，所以难以保证 被加工孔的 尺寸 精度和表面 质量 。 (5) 钻头 工作 在近似封闭的 空间下 ， 切削热容易累积 ， 加快了钻头的磨损 。 二、 运动方式 分析 (1) 工件旋转，刀具作反方向 的旋转和进给运动。常用硬质合金刀高速钻头进行切削，加工出孔的直线度好，切削速度高，进给量大 。 (2) 工件转动， 刀具作进给运动，适用于镗孔加工 。 (3) 工件固定，钻杆 (刀具 )做转动和进给运动。 三、 排屑方式 分析 (1) 外排屑式： 切削液 由 钻杆 的内通道 中输入， 通 过切削区带着切屑由钻杆外壁和 孔的内表面 间排出。 (2) 内排屑式： 切削 液
28、由钻杆外壁和 孔的内表面 间 的缝隙 输入， 通 过切削区带着切屑由 钻杆 的内通道 排出。 由于内排屑的切屑不受导向 块的限制 ， 排屑通畅 ， 钻杆刚性高， 不易损 伤己5 加工 表面， 通常优先选择内排屑 。 1.4 课题研究的背景 、 意义 以及发展趋势 随着机械加工范围的不断扩大，零件的复杂程度不断提高，孔加工在机械加工领域中 占有 越来越重要 的 地位 ， 占整个机械加工工作量的 1/4 左右 ，而深孔加工 在孔加工中 又 占有较大 比例，目前深孔加工技术已被广泛应用于国防军工生产、石油化工机械、航空 工业、造船、冶金、发电设备、橡胶机械，木材加工设备等制造部门， 成为制造业不可缺
29、少的一门关键技术。 但 由于 深孔加工的 一些技术问题尚未解决，至今它仍是金属切削加工中的 瓶颈 。深孔加工不同于普通的孔加工方式，深孔加工的难度更大，机理 更加 复杂 ， 能否解决深孔 加工问题将直接影响机器产品的生产进度和产品质量，特别是在国防军品和重型机器制造业中，深孔加工对生产有着决定性的影响 2。 深孔加工技术是深孔刀具、辅具 (输油器、排屑器、刀杆支架等 )和机床 (含液压系统 )的总称，其中深孔刀具及其排屑技术是决定整个深孔加工技术发展的关键。 从深孔加工技术的现有水平来看，深孔加工技术属于新兴技术，尚处于发展阶段。 20世纪 40年代推出的三种 BTA刀具 (实体钻、扩钻、套料
30、钻 )全都是用于深孔的初加工，但 BTA实体钻存在重磨、堵屑、钻孔直径局限性等问题，虽然六七十年代曾先后推出双管喷吸钻、 DF系统两种改进方案，但均未收到预期效果，始终未开发出用于深孔精加工的内排屑深孔刀具。 20世纪 50年代枪钻开始广泛用于民用装备制造，实现了枪钻的硬质合金化与专业化生产，同期实现了枪钻机床的专业化制造，并在 80年代实现了枪钻机床的无级调速，推出了数控枪钻机床和加工中心 8,9。 80年代以来，国外的内排屑深孔刀具和机床的发展也很缓慢，对深孔加工技术的学术研究出现低潮。深孔加工技术一度处于停滞状态，以枪钻、BTA钻为代表的深孔加工技术未出现任何突破性进展，有人认为枪钻、
31、BTA钻已经使 深孔加工达到了技术的顶峰，很 难找到更多的发展余地。目前世界上 外排屑(如枪钻 )深孔 加工 技术可 加工 的 最小 孔径 为 1.8mm，而内排屑深孔 加工技术可加工的最小 孔径 为 2.5mm，且多数采用单管内排屑喷吸式深孔加工技术。 而SIED技术可 对直径在 1.8 300mm范围 内 的深孔进行加工，且 钻削过程平稳 ，排屑 通 畅， 被加工 孔的表面 质量 和尺寸精度均 达到设计要求 10。 目前，深孔加工技术在许多企业中属于 瓶颈 问题，国际深孔加工装备行业又处于垄断状态，国际深孔刀具、深孔机床市场一直为欧洲、日本少数公司所垄断，其价位居高不下。即使在欧美装备市场
32、上， 深孔刀具和机床在机床工具类产品中也属于最昂贵的品种之一。一台枪钻机床的平均价格高达 20万美元以上，一支枪钻、 BTA钻的平均价格也高达上百至数百美元。基于上述原因国内绝大多数6 企业采用相对落后和成本较低的技术手段去应对新装备的开发以节约使用成本。然而，对于一些军工产品 如：枪炮管深孔，枪械的枪机击针孔、活塞筒，火炮制退复进机的活塞筒、液压缸等，这些落后的深孔加工技术显然是无法满足加工要求 ，这就使新型深孔加工技术的开发成为我国制造业高速发展中必须加以克服的一个薄弱环节。 目前，我国仍是深孔 加工 刀具的纯进口国 ，国内 机 床工业基础落后， 需求的枪钻机床一直以进口为 主， BTA刀
33、具的普及情况更差。 深孔加工技术已成为制约国内企业，甚至军工产业发展的主要原因，已到了不能不解决的地步，对于深孔加工技术的研究对于国内深孔加工也由进口到自主生产具有深远的意义。 深孔加工技术经过长期 发展，逐步形成了 实体钻削 的 四种加工体系 1： (1) 外排屑加工系统 ; (2) 内排屑加工系统 ; (3) 喷吸钻加工系统 ; (4) DF 加工系统。 这四种系统在钻杆结构、供油方式、刀具及制造使用成本等方面具有各自的特点，所 适用的加工孔径、加工精度、表面质量不 同，在选用时，应根据具体 工况 而定。 深孔加工技术从非自导式 的 扁钻，麻花钻 发展到自导 式的枪钻 ，又从 外排屑式的
34、枪钻发展到 内排屑深孔钻 BTA 钻 ， 为解决 BTA 钻对密封要求严格的问题，随后又开发的 喷吸钻系统， 最近 在 BTA 钻系统 和喷吸 钻 系统的 基础 上 研制 了单管 内排屑 喷吸钻 系统 。从目前 深孔加工方法来 看，深孔 加工已形成比较 完善 的体系 ，今后 主要是在现有的 各种加工方法的 基础上 ， 不断 提高 现有系统 的 加工质量和 能力 。随着 新型的刀具材料不断涌现 ， 将大幅度提高刀具 的切削 能力和耐用度 。再者 ， 电解 加工技术 在深孔加工中得到了应用 ，这 是 深孔加工 技术上 的一 个 重 大变革 。目前，国外 企业 已 采 用激光技术来 提高 深孔的 加工精度 ，这 将 是深孔 加工技术新 的发展方向 2。 1.5 课题的研究内容 针对深孔加工的特点和主要问题，本课题的主要研究内容有以下几个方面 ： （ 1） 介绍比较典型的 深孔加工方法 ，并 分析 深孔加工常遇 问题 ； （ 2）分析深孔钻削加工时的力学特 性和导向块的合理分布位置 ； （ 3） 分析深孔钻削加工时的颤振现象对深孔钻削稳定性的影响 ； （ 4） 利用 Matla
