深孔加工孔線索的影響因素分析

1深孔加工孔軸線偏轉(zhuǎn)深孔加工是在封閉或半封閉條件下進(jìn)行的一項工作效率。由于孔軸向移動時間不穩(wěn)定，鉆頭通常會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致孔軸向移動。研究表明,工件加工到長徑比大于50時,孔軸線偏斜一般無法預(yù)知和控制。若鉆頭走偏到一定程度,被加工孔的直線度將會嚴(yán)重超差,進(jìn)而導(dǎo)致工件報廢。深孔加工過程的復(fù)雜性,使深孔加工孔軸線偏斜成為深孔加工領(lǐng)域的一個難題。為解決鉆頭走偏問題,國內(nèi)外專家學(xué)者都進(jìn)行過許多研究。研究結(jié)果表明,通過采用提高機床、工裝、鉆頭等重要部件剛度和精度的方法,可以在一定程度上減小深孔加工孔軸線偏斜的程度,但是這些研究結(jié)果并不能完全解決或控制加工過程中發(fā)生的孔軸線偏斜問題。深孔加工也在重型機械加工技術(shù)中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。新型高強度、高硬度的難加工零件不斷出現(xiàn),也對深孔加工的質(zhì)量、加工效率提出了更高的要求。因此,研究深孔加工中孔軸線偏斜問題,為鉆頭走偏抑制技術(shù)提供理論依據(jù),提高深孔加工技術(shù)水平,具有現(xiàn)實意義。2旋轉(zhuǎn)方式對孔軸線的影響深孔加工過程中,由于鉆頭切削時受到諸如棒料內(nèi)部硬質(zhì)點、刀桿顫振等外界因素的影響,從而造成鉆頭側(cè)偏。在生產(chǎn)實際中,可選的深孔加工方式通常有三種:鉆頭旋轉(zhuǎn)、工件旋轉(zhuǎn)以及鉆頭工件同時反向旋轉(zhuǎn)。根據(jù)加工條件的變化,選擇不同的加工方式。同時,不同的加工方式,對孔軸線偏斜的影響也各不相同。采用鉆頭旋轉(zhuǎn)的加工方式時,工件處于水平靜止?fàn)顟B(tài)。若鉆頭有一傾斜角,加工過程中,鉆頭回轉(zhuǎn)軸線相對于工件軸線的偏斜角不會隨切削的進(jìn)行發(fā)生變化,而是在鉆頭進(jìn)給方向上繼續(xù)向前切削,最終導(dǎo)致工件孔軸線偏斜。用鉆頭旋轉(zhuǎn)的加工方式打出的孔,直線度很差,工件報廢率高,如圖1(a)所示。采用工件旋轉(zhuǎn)的加工方式時,鉆頭做進(jìn)給運動。加工時,若鉆頭傾斜一個角度,由于工件做繞主軸軸線回轉(zhuǎn)的運動,當(dāng)工件轉(zhuǎn)過180°時,鉆頭傾斜方向也轉(zhuǎn)過180°。隨著鉆頭的進(jìn)給,孔徑有輕微擴大的傾向,因此,用這種方式加工出的孔實際為一個錐面孔,如圖1(b)所示。但是,由于傾斜方向具有旋轉(zhuǎn)對稱性,并不會導(dǎo)致孔軸線出現(xiàn)大的偏差。相對鉆頭旋轉(zhuǎn)的加工方式而言,采用工件旋轉(zhuǎn)方式得到的孔軸線直線度更好。采用工件和鉆頭同時反向旋轉(zhuǎn)的加工方式時,二者相對旋轉(zhuǎn)速度較大,使得鉆桿運動剛度提高,撓度減小,易于實現(xiàn)高精度加工。因而,這種方式加工出的孔軸線偏斜最小,即孔直線度為三種加工方式中最好的,如圖1(c)所示。第二種加工方式雖然加工出的內(nèi)孔面呈微小錐面,但是可以輕易控制,并且通過在珩磨機上進(jìn)行往復(fù)磨削,即可得到高質(zhì)量的深孔零件。第三種加工方式,運動形式和工藝裝備復(fù)雜,人工監(jiān)視困難,且要求鉆頭回轉(zhuǎn)精度較高,經(jīng)濟性差。3導(dǎo)向套與鉆頭配合間隙的影響分析深孔加工使用的鉆頭不同于普通鉆頭,其鉆尖不與鉆頭軸線重合,而是偏離軸線一定距離,因此,深孔加工實質(zhì)為偏心切削。加工過程中,徑向切削力通過嵌在鉆頭外壁上的導(dǎo)向塊壓向孔壁。但是,在預(yù)鉆孔階段,即開始切削但導(dǎo)向塊并未進(jìn)入孔內(nèi)前,鉆頭切削部分必須完全依靠導(dǎo)向套的導(dǎo)向和支撐作用來保證徑向受力平衡。導(dǎo)向套兼有工件后頂尖作用,可以對工件定心和實行軸向夾緊。導(dǎo)向套在深孔床上的安裝位置,如圖2所示。預(yù)鉆孔時,鉆頭經(jīng)歷四個階段:O-A區(qū)間為鉆頭切入階段,此時扭矩與鉆孔深度成正比增大。A-B區(qū)間為鉆頭外轉(zhuǎn)角完全切入而內(nèi)棱帶端部還未切入的階段,扭矩幾乎沒有變化。B-C區(qū)間為內(nèi)棱帶端部完全切入階段,此時扭矩急劇增大。在C-D區(qū)間,扭矩與刃帶長度呈正比增加,如圖3所示。顯然,B-C段時鉆削狀態(tài)最不穩(wěn)定,對預(yù)鉆孔質(zhì)量的影響最大。因此,導(dǎo)向套與鉆頭的配合間隙,對預(yù)鉆孔切入階段的正常工作有重大影響。預(yù)鉆階段,導(dǎo)向套與鉆頭配合間隙對深孔軸線偏斜的影響分析,如圖4所示。假設(shè)導(dǎo)向套內(nèi)徑為D,與鉆頭之間的間隙為Δ,二者作用長度為L0。切削時,鉆頭外刃的徑向切削分力大于內(nèi)刃,導(dǎo)致鉆頭被推向內(nèi)刃一側(cè),使得鉆頭軸線m′相對于導(dǎo)向套軸線m轉(zhuǎn)過θ角度,如圖4(b)所示。實際上,間隙Δ只是很小的量,鉆頭偏斜時AB取值范圍為(0,Δ)。所以:由于θ∈(0,π/2),根據(jù)反正切函數(shù)的單調(diào)遞增特性,可知,預(yù)鉆階段鉆頭傾斜角隨著導(dǎo)向套與鉆頭間隙Δ的增大而增大。若間隙Δ過大而不予以矯正,將使鉆頭沿此角度方向加工,直至工件孔的直線度超差。4基于anasas的深孔鉆桿鉆頭動態(tài)特性導(dǎo)向套裝配偏差也對孔軸線偏斜有一定程度的影響。先假設(shè)導(dǎo)向套裝配無偏差,且鉆桿鉆頭系統(tǒng)材料均勻連續(xù)。加工時,鉆桿鉆頭系統(tǒng)軸向力的作用線與理想軸線完全重合,系統(tǒng)中點撓度δ與軸向力F關(guān)系,如圖5所示。當(dāng)軸向力F小于臨界力Fcr時,系統(tǒng)一直保持直線平衡,F和δ關(guān)系為直線OA;當(dāng)F達(dá)到臨界力Fcr時,軸向力和中點撓度關(guān)系為直線AB。實際上,由于導(dǎo)向套與鉆頭間隙、導(dǎo)向套裝配偏心或材料不均勻等難以避免的因素存在,導(dǎo)致軸向力F作用時必然存在一定偏心,使得系統(tǒng)在較小的載荷作用下就開始彎曲,此時,F和δ關(guān)系變?yōu)榍€OC所示。當(dāng)系統(tǒng)越接近理想狀況,OC曲線越接近理想曲線OAB。因此,作用方向偏心過大,勢必在剛加工時就造成鉆頭傾斜,并隨著鉆頭的軸線進(jìn)給而有規(guī)律地延伸。剛開始鉆孔時,可將深孔機床上輔助支撐視為固定端,導(dǎo)向套視為鉸支端,對深孔鉆桿鉆頭系統(tǒng)建立模型,如圖6所示。加工時,鉆桿鉆頭系統(tǒng)在鉸支端受到水平軸向力Fx和支反力Fy的共同作用,系統(tǒng)呈現(xiàn)下凹特征。根據(jù)材料力學(xué)知識,用截面法得到距原點x處的p-p截面彎矩方程為:將其代入方程,得到任意截面的撓度與轉(zhuǎn)角如下:由于B端同樣滿足上述方程。因此,存在關(guān)系:對θB與es求比值,得到:等式兩邊同乘以es,求得:式中,k=es/L,m=Fy/Fx;E—鉆桿材料的彈性模量;I—鉆桿的截面慣性矩;θB—鉆頭預(yù)鉆傾角;L—A、B間的鉆桿鉆頭系統(tǒng)夾持長度。導(dǎo)向套裝配偏差一般很小,使得導(dǎo)向套支反力不會太大,而水平軸向力大小接近鉆頭軸向力,因此,式中:m為接近于零的數(shù)值。從式中可看出,入鉆傾角θB隨著k的增大而增大。導(dǎo)向套裝配偏差es與夾持長度L對鉆頭入鉆傾角的影響結(jié)果,如表1所示。以采用直徑為30mm的鉆頭對工件深孔加工為例。鉆桿外徑D1=28.5mm,壁厚t=0.12D0,內(nèi)徑D2=D1-2t=21.3mm。采用文獻(xiàn)切削參數(shù),直徑為30mm的鉆頭在切削速度為0.8m/s和進(jìn)給速度為0.16mm/r條件下,軸向力F=3700N。通過ANSYS軟件,對鉆頭鉆桿系統(tǒng)彎曲情況分析。鉆桿材料為高強度合金鋼,彈性模量為220GPa,泊松比為0.3,選擇BEAM3單元類型建立梁模型,對模型劃分網(wǎng)格并施加約束。定義四組鉆桿夾持長度和導(dǎo)向套裝配偏差值:(1)L=1m,es=0.12mm;(2)L=1m,es=0.15mm;(3)L=3m,es=0.12mm;(4)L=3m,es=0.15mm,分析結(jié)果,如圖7所示。從圖7中可以看出,四種情形中,模型最大變形量分別為0.216mm,0.234mm,0.134mm,0.161mm。通過對最大變形量比較得出,預(yù)鉆傾角大小關(guān)系為:(2)>(1)>(4)>(3)。四種情形的ANSYS分析結(jié)果與預(yù)鉆傾角θB隨比值k增大而增大的結(jié)論一致?？梢?導(dǎo)向套裝配偏差的存在,使鉆頭在預(yù)鉆階段發(fā)生傾斜,偏差越大,傾斜越大;增加鉆桿夾持長度有利于減小預(yù)鉆傾斜角。5導(dǎo)向套裝精度的控制研究和分析了影響深孔軸線直線度的幾種常見因素,得出以下幾點結(jié)論:(1)采用工件旋轉(zhuǎn)、鉆頭進(jìn)給的加工方式,并配合珩磨機往復(fù)磨削加工,可