一種變參數(shù)螺旋槽深孔麻花鉆及其鉆削實(shí)驗(yàn)研究 要 深孔加工在通用機(jī)械、汽車制造、航空航天、國防、石油、礦山、農(nóng)業(yè)機(jī)械和工程機(jī)械等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。深孔加工是一種半封閉的加工方式，具有切削熱難以散發(fā)，排屑困難，工藝系統(tǒng)剛性差，切削效果不理想等特點(diǎn)，被認(rèn)為是最難的金屬切削問題之一。由于深孔鉆削技術(shù)難度大，在低端市場，國內(nèi)用戶一般使用拋物線型深孔麻花鉆，而且采用分級進(jìn)給方式進(jìn)行加工，效率很低；而深孔加工領(lǐng)域的高端市場一直被國外廠商占領(lǐng)。隨著國內(nèi)機(jī)械制造業(yè)的不斷發(fā)展，刀具技術(shù)的不斷成熟，一些關(guān)系到國家經(jīng)濟(jì)命脈的關(guān)鍵性領(lǐng)域，特別是汽車制造業(yè)，對自主開發(fā)國產(chǎn)高檔深孔麻花鉆的呼聲越來越高。本文通過理論研究、數(shù)值仿真以及試驗(yàn)研究等手段，對深孔加工麻花鉆的螺旋槽槽型及鉆尖型式進(jìn)行優(yōu)化，提出了變參數(shù)螺旋槽平面后刀面型深孔麻花鉆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路，并對新型深孔鉆的失效機(jī)理和切削力模型進(jìn)行了研究。本文的主要研究內(nèi)容有： （ 1）對變參數(shù)螺旋槽深孔麻花鉆的數(shù)學(xué)模型及精確三維建模方法進(jìn)行了研究。通過對深孔鉆削機(jī)理的研究，提出了變參數(shù)螺旋槽結(jié)構(gòu)型式。應(yīng)用無瞬心包絡(luò)原理，分析了砂輪加工變參數(shù)螺旋槽的運(yùn)動過程，推導(dǎo)出了變參數(shù)螺旋槽深孔麻花鉆的數(shù)學(xué)模型，并從理論上證明了新型深孔麻花鉆的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)?；?證了模型的精確性。 （ 2）對變參數(shù)螺旋槽深孔麻花鉆進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。基于變參數(shù)螺旋槽的特性，設(shè)計(jì)了螺旋槽的橫截面形狀。將正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法與數(shù)值仿真手段相結(jié)合，對鉆尖關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)選和改進(jìn)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定了變參數(shù)螺旋槽結(jié)構(gòu)深孔麻花鉆的關(guān)鍵鉆尖結(jié)構(gòu)參數(shù)。 （ 3）從鉆削力、被加工孔表面質(zhì)量及刀具失效形式三方面探討了深孔鉆削機(jī)理。通過切削力對比實(shí)驗(yàn)論證了新型深孔麻花鉆的變參數(shù)螺旋槽結(jié)構(gòu)，有助于減小深孔加工的鉆削力，提高麻花鉆鉆削穩(wěn)定性。通過孔粗糙度和孔徑擴(kuò)大量測試，討論了切削參數(shù)和芯厚增量對兩者的影響。通過灰口鑄鐵、球磨鑄鐵和合金鋼等材料的耐磨損實(shí)驗(yàn)研究，初步探討新型深孔麻花鉆的失效機(jī)理。 （ 4）通過正交鉆削實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，采集了不同鉆削實(shí)驗(yàn)方案的鉆削力數(shù)據(jù)，建立了變參數(shù)螺旋槽深孔麻花鉆鉆削 45 鋼和 合金的鉆削力數(shù)學(xué)模型，試驗(yàn)驗(yàn)證了切削力數(shù)學(xué)模型的可靠性。通過修正系數(shù)的方法建立了 合金基于 45 鋼的鉆博士學(xué)位論文 驗(yàn)證了修正系數(shù)方法的可靠性。用同樣的方法推導(dǎo)出了 42于 45 鋼的切削力數(shù)學(xué)模型，分析了加工不同材料時鉆削力相對于加工 45鋼鉆削力的差異。 關(guān)鍵詞：深孔麻花鉆、變參數(shù)螺旋槽、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、鉆削試驗(yàn)、數(shù)值仿真 一種變參數(shù)螺旋槽深孔麻花鉆及其鉆削實(shí)驗(yàn)研究 in as is in or of as in in of to of in so is by of of is in of of in In of of a of by of of is as (1) of a of D of of of of of of of of on of -D of by G, -D 博士學(xué)位論文 V (2) of a of on of of of of by (3) of of by of of of on on of of in (4) By of in of of 5 C4 By of C4 on 5 of of 2in in 5 種變參數(shù)螺旋槽深孔麻花鉆及其鉆削實(shí)驗(yàn)研究 錄 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 . I 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 . I 摘 要 . . 錄 . 圖索引 . 表索引 . 要符號表 . 1 章 緒論 . 1 題的研究背景及意義 . 1 孔鉆削工藝技術(shù)的研究現(xiàn)狀 . 2 孔鉆削的工藝特點(diǎn) . 2 孔鉆削方法的研究 . 3 孔鉆削工藝裝備的研究 . 4 孔麻花鉆的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀 . 6 花鉆鉆尖結(jié)構(gòu)的研究 . 7 花鉆螺旋槽結(jié)構(gòu)的研究 . 8 花鉆橫刃修磨的研究 . 9 孔麻花鉆結(jié)構(gòu)的研究 . 10 孔鉆削機(jī)理的研究現(xiàn)狀 . 深孔鉆削力的研究 . 深孔鉆削質(zhì)量的研究 . 13 于數(shù)值仿真的麻花鉆切削性能研究 . 13 課題來源及研究的主要內(nèi)容 . 15 體深孔麻花鉆研究存在的主要問題 . 15 題的主要研究內(nèi)容 . 16 第 2 章 新型深孔麻花鉆數(shù)學(xué)模型及其三維建模 . 18 參數(shù)螺旋槽的數(shù)學(xué)模型研究 . 18 絡(luò)原理的數(shù)學(xué)模型 . 18 旋運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型 . 19 輪輪廓的數(shù)學(xué)模型 . 20 旋槽曲面的數(shù)學(xué)模型 . 21 博士學(xué)位論文 芯厚和刃瓣寬的求解 . 22 尖后刀面及橫刃數(shù)學(xué)模型 . 24 刀面數(shù)學(xué)模型 . 26 刃數(shù)學(xué)模型 . 26 尖坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換 . 27 刃及內(nèi)刃前刀面數(shù)學(xué)模型 . 28 刃修磨的數(shù)學(xué)模型 . 28 刃前刀面的數(shù)學(xué)模型 . 32 參數(shù)螺旋槽三維建模方法研究 . 34 樣條曲面插值方法 . 34 于 X 的三維建模 . 35 維建模方法的精度驗(yàn)證 . 35 章小結(jié) . 37 第 3 章 基于數(shù)值仿真的新型深孔麻花鉆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 38 花鉆鉆尖設(shè)計(jì)參數(shù) . 38 旋槽截形設(shè)計(jì) . 39 旋槽截形參數(shù) . 39 旋槽槽型系列化技術(shù) . 41 尖幾何參數(shù)優(yōu)化有限元仿真正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) . 42 孔麻花鉆鉆削過程數(shù)值仿真 . 43 值仿真條件 . 44 值仿真結(jié)果分析 . 44 型深孔麻花鉆的靜力學(xué)分析 . 49 限元模型 . 49 花鉆的等效應(yīng)力和變形 . 50 驗(yàn)結(jié)果的極差分析與方案優(yōu)選 . 55 差分析 . 55 計(jì)方案的優(yōu)選 . 57 選方案的試驗(yàn)驗(yàn)證 . 58 章小結(jié) . 62 第 4 章 新型深孔麻花鉆鉆削機(jī)理相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究 . 63 型深孔麻花鉆切削力對比實(shí)驗(yàn)研究 . 63 參數(shù)螺旋槽與普通深孔麻花鉆切削力對比 . 63 型深孔麻花鉆與 孔麻花鉆切削力對比 . 65 型深孔麻花鉆鉆削質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)研究 . 66 一種變參數(shù)螺旋槽深孔麻花鉆及其鉆削實(shí)驗(yàn)研究 孔軸線偏斜的原因和預(yù)防 . 67 加工孔表面粗糙度研究 . 67 加工孔孔徑擴(kuò)大量研究 . 71 型深孔麻花鉆失效機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究 . 75 孔麻花鉆的一般失效形式 . 75 型深孔麻花鉆耐磨損系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) . 76 型深孔麻花鉆的主要失效形式 . 86 章小結(jié) . 87 第 5 章 新型深孔麻花鉆鉆削力模型的實(shí)驗(yàn)研究 . 89 孔麻花鉆通用鉆削力數(shù)學(xué)模型 . 89 工 45 鋼的鉆削力數(shù)學(xué)模型 . 90 交試驗(yàn)設(shè)計(jì) . 90 驗(yàn)刀具與儀器設(shè)備 . 90 削力數(shù)據(jù) . 91 驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析 . 93 工 45 鋼鉆削力數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證 . 97 它材料基于 45 鋼的鉆削力數(shù)學(xué)模型 . 101 于 45 鋼的鉆削力修正系數(shù) . 102 42于 45 鋼的鉆削力修正系數(shù) . 106 章小結(jié) . 106 結(jié)論與展望 . 107 參考文獻(xiàn) . 110 致 謝 . 119 附錄 A 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文 . 120 附錄 B 攻讀學(xué)位期間參與的科研項(xiàng)目和申請的專利 . 121 博士學(xué)位論文 圖 同加工方式分別占比 (左 )及每種加工方式的消耗時間占比 (右 ) . 1 圖 鉆 . 4 圖 鉆 . 4 圖 統(tǒng) . 5 圖 吸鉆 . 5 圖 F 系統(tǒng) . 5 圖 花鉆橫刃的修磨型式 . 9 圖 物線型深孔麻花鉆 . 10 圖 國京特兩合公司芯厚變化深孔麻花鉆 . 觸點(diǎn)三向量示意圖 . 19 圖 輪坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系 . 20 圖 型深孔麻花鉆螺旋槽加工用砂輪截形 . 25 圖 向刃瓣寬與軸向角度的關(guān)系 . 25 圖 面型鉆尖 . 25 圖 尖坐標(biāo)系 . 25 圖 尖后刀面及其交線示意圖 . 26 圖 尖坐標(biāo)系與螺旋槽坐標(biāo)系 . 27 圖 刃修磨砂輪走刀軌跡示意圖 . 28 圖 刀軌跡曲線法向量及起止點(diǎn)示意圖 . 29 圖 標(biāo)系示意圖 . 32 圖 模精度測試所使用的砂輪截形 . 36 圖 孔鉆的前、中、后段槽型截形圖 . 37 圖 面型鉆尖 . 37 圖 旋槽截形 . 40 圖 型深孔麻花鉆的主切削刃型 . 40 圖 圓錐蝌蚪型切屑（材料： 4230m/f=r） . 41 圖 型系列化 . 41 圖 型的三維模型（ 實(shí)物照片（ 15#方案） . 44 圖 型的工件 切屑的狀態(tài)（ 12#方案） . 45 圖 型的工件 12#方案） . 46 圖 型的工件 切屑的溫度分布（ 12#方案） . 47 圖 驗(yàn)方案 1 的鉆削力和扭矩的動態(tài)仿真曲線 . 48 一種變參數(shù)螺旋槽深孔麻花鉆及其鉆削實(shí)驗(yàn)研究 X 圖 花鉆的有限元模型 . 49 圖 同鉆尖結(jié)構(gòu)麻花鉆在平穩(wěn)鉆削中的等效應(yīng)力和變形云圖 . 55 圖 軸加工中心 . 58 圖 2類圓錐形切屑 . 59 圖 案 1 加工 911 孔后的鉆尖磨損情況 . 59 圖 案 2 鉆頭鉆尖磨損情況 . 59 圖 案 2 加工 804 孔后的鉆尖磨損情況 . 60 圖 案 2