深孔加工（gōng）刀具的切削力和孔圓（yuán）度試驗研究-數控機床市場網

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深孔加工刀具的切削（xuē）力和孔圓（yuán）度試驗研究

2019-1-24 來源：中北大學（xué）; 山西省深孔加工工程（chéng）技術中心（xīn）作者：王麗鵬（péng）沈（shěn）興全（quán）陳振亞郝黎旭高琳

摘要（yào）: 深（shēn）孔加工是一種封閉狀態（tài）下的加工方式，加工過程（chéng）中會發生很多影響加工正常進行的問題。所以，深孔加工過程中存在切削力不穩定和孔的形狀精度差等問題。為了研究槍鑽加工工藝參數對切削力和孔圓度的影響。本文采用硬質（zhì）合（hé）金槍鑽作為深孔加工刀具，通過對深孔鑽削的切削力和孔（kǒng）圓度的試驗研究，得到了鑽削工藝參數和切削（xuē）力、孔圓度之間的關係，經過分析（xī）得出了影響加工孔圓度的原因。這（zhè）一研究對深孔加工過程（chéng）中工藝（yì）參（cān）數的選擇具有十分重要的作用。

關鍵詞: 槍鑽; 工藝參數; 切削力; 圓（yuán）度

1 、引言

據有關資料顯示，孔加工大約占整個機械加工體係的 30% ，深孔加工在孔加工（gōng）工（gōng）序中所占的（de）比例是 40% ，製造行業中這一現象最為明顯，深孔加工工藝變得越來越重要。與此同時，隨著產品需求多樣化，複（fù）雜結構的小直徑深孔零件的需求也越來（lái）越大，同時對孔的形狀精度要求也越來越高。例如模具類零件，此類零件上的孔的數量多，精度要求高。小（xiǎo）直徑深孔加工常用槍鑽進行切削，槍鑽鑽削加工是（shì）一種封閉或者半封閉的、加（jiā）工過（guò）程多變的加工狀（zhuàng）態。

加工過程中沒有辦法觀察到工件的加工（gōng）情況，加工（gōng）過程很不穩定，比一般的孔加工困難和複雜，經常產（chǎn）生各種故障和問題，影響到最終孔的形（xíng）狀精度和質（zhì）量（liàng）。近年來，研究人員關於鑽孔方麵的問題（tí）做了很多的研究。張秋麗建立了平麵型後刀麵槍鑽鑽削力的數學模（mó）型，求出了鑽削（xuē）力與進給量切削工藝參數之間的影響關係曲線。進一步確定出（chū）這些參數的合理（lǐ）取值範圍。李保國等從槍（qiāng）鑽鑽削過程中（zhōng）工藝參數的選擇、不同規格槍鑽切削參數的優化等方麵，介紹了槍鑽加工深孔的方法。Cho N．和 TuJ．分析了零件圓度建模公差。

表明主軸的運（yùn）動誤差（chà）可能會導致類似的圓度輪廓。Mehrabadi I． M．等構建了刀具係統動力學模型（xíng）。

討論了刀具動（dòng）態運動（dòng）軌跡，並且分析了這種（zhǒng）情況下所產生的（de）孔圓度形貌特征，最後運用實驗證明了所（suǒ）提出的模型的正確性。Bierman D．研究了主軸轉速與 BTA 鑽所加（jiā）工的孔的圓度誤差之間的關係。從近幾年的研究來看，國內外學者對鑽削加工係統的研究不是很多，其中深孔鑽削集中於對麻花鑽和 BTA 鑽的研究（jiū），關於槍鑽（zuàn）加工工藝（yì）參數對切削力、

孔圓度的影響很少有文獻給出規律。本文通過試（shì）驗，研究（jiū）了槍鑽加工工藝參（cān）數對（duì）切削力和孔圓（yuán）度的影（yǐng）響。

2 、試驗條件和方案

2. 1 試驗設備

試驗是在高效（xiào）深孔鑽鏜（táng）床上進行的。機床的型（xíng）號是 ZWKA － 2108，最大加工直徑 80mm，最大加工深度 3000mm; 工件采用 45 #圓鋼棒料，尺寸（cùn）為20mm × 300mm，加（jiā）工深度 175mm; 槍鑽的結構如圖 1 所示，本文（wén）實（shí）驗中使（shǐ）用的槍鑽（zuàn）材（cái）料是硬質（zhì）合金，直徑 D = 6mm。鑽杆的長度 l =200mm，其彈性模量 E = 6． 1e5MPa。試驗中采用 Kistler 9257B 測量切（qiē）削力。

采集的頻率是 1000Hz，采集（jí）到（dào）的平均值作為（wéi）此次試（shì）驗中切削力（lì）的大小。采用三坐標（biāo）測量儀測量圓度，測量基準須和加工基準一致，取多點進（jìn）行測量，由（yóu）軟件直接計算（suàn）出圓度

。本次試驗中由於加工深度較大，需（xū）在鑽頭頭部采用導（dǎo）向套進行導向。並且工件重量偏大，所以采用刀具旋轉並進給的（de）加工方式進行鑽削加工。

2. 2 試驗方法與內容

根據文（wén）獻（xiàn）中的研究，選取轉速範圍（wéi）為 2500－ 3500r / min，進（jìn）給速度範圍為 35 － 45mm / min，鑽杆的剛度通過中間支撐架的個數來表示，支撐架的（de）個數設置為 0、1、2。本（běn）次試驗對（duì）每（měi）一（yī）個影響因素逐一進行（háng）試驗，為了確保試驗的準確性，對每一個影響（xiǎng）因素進行 2 次（cì）試驗，並取平（píng）均值。在試驗中，由於槍鑽（zuàn）長徑比大，剛（gāng）性較差，切削速度和（hé）進給速度應逐漸增大至規定速度。於槍鑽（zuàn）加工屬於定（dìng）直徑加工，試驗采（cǎi）用（yòng）6mm 的槍鑽（zuàn）在高效（xiào）深孔鑽鏜床上進行（háng）加工。

試驗中（zhōng）研究主軸轉（zhuǎn）速對切削力和圓度的影響時，進給速度為 40mm/min，轉速分別為 2500r/min、3000r/min、3500r / min 進行試驗，采（cǎi）集到的數據見表 1。試驗中研究進給速度對切削力和圓度的影響時，轉速為3000r / min，進給速（sù）度分別為 35mm / min、40mm / min、45mm / min 進（jìn）行試驗，采集（jí）到的數據見表 2; 試驗中（zhōng）研究鑽杆剛度對切削力和圓影響時，轉速3000r / min，進給速度 40mm / min，支撐（chēng）架的個數分（fèn）別為 0、1、2 進行試驗，采集到的數據見表 3。

3、實驗結果分析

3. 1 槍鑽加工工（gōng）藝參數（shù）對切削力的（de）影響

由表 1、表 2 和表（biǎo） 3 繪製出槍鑽（zuàn）轉速和切削力的關係如圖（tú） 2 所示。圖 3 顯示的是進給速度和切削（xuē）力的關係。圖 4 顯示的是不同支撐架個（gè）數和切削力的關係。

從圖 2 中可以看出，切削（xuē）力隨著轉速（sù）的增（zēng）大而減小。在 3000r/min 以後切（qiē）削力的波動很小，基本趨於穩定。進給速度很大的情況下，轉速的變化對切削力的（de）影響很大（dà）。從圖 3 中可以看出，隨著進給速度的不斷（duàn）增大，切削力也（yě）在不斷（duàn）增大。隨著進給速度的不斷增大，切削力增大的幅度增加。轉速較低的情況下，進給（gěi）速度的變化對切（qiē）削力的影響很明顯。由圖 4 可知，隨著支撐（chēng）架個數的（de）增加切削（xuē）力逐漸減小，剛開始時減（jiǎn）小的幅度不大，支撐架個數大於1 後（hòu），切削力減小的（de）幅度明（míng）顯（xiǎn）增大。說明支撐架（jià）的個數對（duì）切削力的大小具有重要影響。

3. 2 槍鑽加工工藝參數對孔圓度的影響

由表 1、表 2 和表 3 繪（huì）製出槍鑽轉速和孔圓度的關係見（jiàn）圖 5。進給速度和孔圓度的關係見圖 6。不同（tóng）支撐架個數和孔圓度的關係見圖 7。

從圖 5 中（zhōng）可以看出，開始時隨著（zhe）轉速的增加圓度不是很好，轉速繼續（xù）增加圓度逐漸提高。3000r/min 是圓度變（biàn）化的轉折點，轉速大於 3000r / min 後孔的圓度提高（gāo）的幅度明顯（xiǎn）加快，說明此時所加工的孔明顯更接近理（lǐ）論圓。從圖 6 中可以看出，圓度隨進給速度（dù）的增大變化波動很大，進給速度越大，圓（yuán）度越差，進給速度低（dī）時孔具有較好的圓度，與（yǔ）理論圓更接近。從（cóng）圖 7 可知，圓度隨支撐架個數的（de）增加而提高，並隨著支撐架（jià）個數的增加，圓度變化的趨勢較快，接近線型變化，說明孔的形狀（zhuàng）變得更圓。如圖 8 所示，圓度是指孔的（de）橫截麵形狀接近理論圓的程度，也就是實際輪廓的（de）兩同（tóng）心圓( 內切圓（yuán）和外（wài）接圓) 之間的區域（yù）。

4 、結語

( 1) 本次試驗說（shuō）明，切削力隨著（zhe）轉速的增大（dà）而減小，隨著進給速度的（de）增大而增大，隨著支撐架個（gè）數的增（zēng）加切削力逐（zhú）漸減小; 進給速度很大（dà）的情況下（xià），轉（zhuǎn）速是影響切削力的主要因素; 低轉速時（shí），進給速度是影響切削（xuē）力的主要因（yīn）素; 增加支撐架的個數對減小切削力具有（yǒu）重要的作用; 支撐架的個數直接影響槍鑽鑽杆的剛度，支撐架的個數增加，鑽（zuàn）杆的剛度將得到提高。因此，提高鑽杆剛度可以減小切削力。

( 2) 本次試驗說明，孔圓度隨轉速的變化而變化，轉速大於 3000r/min 時孔圓度隨轉速的增大而減小，鑽削加工時要恰當的（de）選擇轉速; 孔圓度隨進給速度的增大而增大，加工孔時（shí）要選擇低進給速（sù）度。孔圓度隨支撐架個（gè）數（shù）的增加而減小，增加支撐架的個（gè）數可以提高槍鑽鑽杆的剛度，說明提高鑽杆剛（gāng）度可以提高鑽孔的圓度。

( 3) 本次試驗說明，影響切削力的因素同樣可（kě）以影響孔的圓度。切削力的（de）變化導致加工過程中發生振（zhèn）動（dòng），導致加工刀具中心的位（wèi）置變化，使（shǐ）最後加工出的孔的截麵形狀與理論圓的形狀相差較大。說明加工過程中發生的振動、切削力的變化是影響孔圓度的重要因素。

( 4) 通過（guò）試驗分析加工過程中（zhōng）切削力變化的特點得出，加工（gōng）過（guò）程中切削力變化小，振動發生的振幅也將減小; 刀具中心（xīn）位置的變化減小，最（zuì）終使加工出（chū）的孔圓度得到提高。

說明降低加工中的振動、減小切削力的變化都將會提（tí）高孔的圓度。

( 5) 通過試驗可知（zhī），降低進給速度，適當增大轉速，提高鑽杆的剛度，不僅（jǐn）可以降低加工（gōng）過程中的切削力，也可以提高（gāo）孔的（de）圓度。

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