蓋同錫

摘 要：深孔加工是在封閉的條件下進(jìn)行的高難加工工序，振動(dòng)問(wèn)題是深孔加工中比較難解決的問(wèn)題。文中闡述了深孔加工中振動(dòng)的類(lèi)型；分析了深孔加工中振動(dòng)問(wèn)題產(chǎn)生的原因，對(duì)鉆桿彈性變形引起的振動(dòng)這一主要原因進(jìn)行了分析；結(jié)合一臺(tái)深孔鉆床和鉆具研制過(guò)程，提出了深孔加工中消除振動(dòng)的方法。

關(guān)鍵詞：深孔加工 振動(dòng) 切削 彈性變形

中圖分類(lèi)號(hào)：TG523 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）04（b）-0048-02

Reasons and Suppression Methods of Vibration

Machining Procedures of Deep Hole

GAI Tongxi

（Design Institute， Dalian Huarui Heavy Industry Group Co.， Ltd， Dalian， Liaoning， China）

Abstract： The machining of the deep hole is the most difficult machining procedure under a certain closed condition. And the vibration caused in the machining of the deep hole is one of the more difficult problems need to be solved. This paper illustrates the vibration types in the machining of the deep hole. Then the reasons which cause vibration in this machining have been analyzed， especially for the main factor of the vibration caused by the elastic deformation of the drill rod. Finally， through the research procedures of the drilling machine and drilling tools for the deep holes， this paper presents vibration suppression methods in the machining of the deep hole.

Keywords： Deep hole machining Vibration Cutting Elastic deformation

深孔加工是機(jī)械加工中的一項(xiàng)高難工序，其中深孔加工振動(dòng)問(wèn)題就是一個(gè)難題。 在研制鉆床和鉆具加工一種34CrNi1Mo材料，鉆孔直徑120 mm，鉆孔深度1800 mm的軸時(shí)，遇到了深孔加工的振動(dòng)問(wèn)題。

深孔加工是在封閉的條件下進(jìn)行切削，加工難度高、切削量大，已成為機(jī)械加工中的高難工序。深孔加工具有以下特點(diǎn)：①不能直接觀察到刀具的切削情況。目前只能憑經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)聽(tīng)聲音、看切屑、觀察電機(jī)電流表、振動(dòng)等現(xiàn)象來(lái)判斷切削過(guò)程是否正常。②切削熱不易散失。刀具切削熱擴(kuò)散慢、易過(guò)熱，必須采用強(qiáng)制冷卻方式。③切屑不易排出。由于孔深，排屑通道狹小，切屑經(jīng)過(guò)的路線長(zhǎng)，容易發(fā)生阻塞，造成鉆頭損壞。因此，切屑的長(zhǎng)短和形狀要加以控制，要進(jìn)行強(qiáng)制性排屑。④鉆具系統(tǒng)剛性差。因受孔徑尺寸限制，孔的長(zhǎng)徑比較大，因而鉆桿細(xì)而長(zhǎng)，剛性差，鉆削時(shí)易產(chǎn)生振動(dòng)。目前排屑多采用高壓將切削液通過(guò)鉆桿的外部或內(nèi)部直接送到切削區(qū)，起到冷卻、潤(rùn)滑作用后，將切屑由鉆桿內(nèi)部或外部排出，達(dá)到強(qiáng)制冷卻和排屑的目的。[1]

1 深孔加工中振動(dòng)的類(lèi)型

金屬切削中的振動(dòng)可分為受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)。

受迫振動(dòng)是在外界周期性干擾力作用下引起的振動(dòng)。由于周期性干擾力作的功，補(bǔ)充了阻尼所消耗的能量，故振動(dòng)不會(huì)衰減[2]。受迫振動(dòng)具有以下特點(diǎn)：（1）受迫振動(dòng)是外界周期性干擾力作用下產(chǎn)生的，振動(dòng)本身不能引起干擾力的變化。即使振動(dòng)停止，干擾力仍然存在。（2）受迫振動(dòng)的頻率總是和外界干擾力的頻率相同，一般干擾力的頻率為十幾到一百赫茲。（3）干擾力的頻率與系統(tǒng)的固有頻率的比值等于或接近于1時(shí)，會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，振幅達(dá)最大值。（4）受迫振動(dòng)的振幅與干擾力、系統(tǒng)的剛度及阻尼大小有關(guān)。干擾力越大、剛度及阻尼越小，則振幅越大。

自激振動(dòng)是一種不衰減的振動(dòng)。維持振動(dòng)的交變力是由振動(dòng)系統(tǒng)本身在振動(dòng)過(guò)程中激發(fā)產(chǎn)生的。因此，即使不受到任何周期性的干擾力的作用，振動(dòng)也會(huì)發(fā)生[2]。自激振動(dòng)具有以下特點(diǎn)：（1）自激振動(dòng)的頻率等于或接近于系統(tǒng)的固有頻率。按頻率高低，自激振動(dòng)分高頻自激振動(dòng)（頻率一般為500～5000 Hz）和低頻自激振動(dòng)（頻率一般為50～300 Hz），一般后者的振幅較大。（2）自激振動(dòng)的振幅大小及振動(dòng)之能否產(chǎn)生，決定于每一振動(dòng)周期內(nèi)系統(tǒng)所獲得的能量與阻尼消耗能量的對(duì)比情況。（3）由于維持自激振動(dòng)的交變力是由振動(dòng)過(guò)程本身激發(fā)的，故振動(dòng)一停止，這種作用力的周期性交變和能量補(bǔ)充過(guò)程也都立即跟著消失。

在深孔加工中，引起受迫振動(dòng)的主要因素有：（1）機(jī)床電機(jī)、主軸、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等機(jī)床系統(tǒng)的振動(dòng)。（2）工件旋轉(zhuǎn)不平衡。（3）切削力的交替變化。（4）切削液在鉆頭部位的壓力分布不平衡。引起自激振動(dòng)的主要因素有：（1）刀具幾何因素。（2）加工過(guò)程中的切削用量。（3）工件材質(zhì)不均勻和其因切削熱的變形。（4）鉆桿的裝夾及其彈性變形。（5）刀具、導(dǎo)向塊與工件之間的摩擦力變化。[3]

2 深孔加工中振動(dòng)的產(chǎn)生原因

深孔加工中，鉆桿振動(dòng)的振幅和頻率在一定范圍內(nèi)時(shí)，切削的厚度不均勻，有利于切屑從厚度較小的部位實(shí)現(xiàn)斷屑，這對(duì)于深孔加工是有利的。若是振幅過(guò)大或者振動(dòng)頻率與鉆桿和刀具固有頻率相近時(shí)，將會(huì)影響刀具的正常切削，加劇刀具的磨損；對(duì)正常加工會(huì)有較大影響。深孔加工振動(dòng)的產(chǎn)生，主要有以下原因：endprint

一是摩擦力不均勻引起的振動(dòng)。

由于刀具、導(dǎo)向塊和工件之間摩擦力變化引起的振動(dòng)。當(dāng)鉆頭進(jìn)行鉆削時(shí)，被切削材料受到刀具的切削，刀刃各處產(chǎn)生的壓力也各不相同，而導(dǎo)致幾個(gè)刀片受到的摩擦力不同，導(dǎo)向塊和已加工表面的摩擦力也是不對(duì)稱的。這些不對(duì)稱的力都作用在鉆頭上，會(huì)使鉆具受到一個(gè)脈動(dòng)變化的力的作用。這個(gè)力會(huì)和切削力一起作用而產(chǎn)生振動(dòng)。

二是鉆桿彈性變形引起的振動(dòng)。

切削過(guò)程中，刀片和被切削材料接觸后，刀片將受材料的阻力和摩擦力的共同作用而處于一個(gè)瞬時(shí)的停止，切削刃處的材料當(dāng)受力達(dá)到材料的極限強(qiáng)度值時(shí)，導(dǎo)向塊和刀片處的摩擦力也處于了最大值，這時(shí)的鉆桿承受了最大的扭矩。由于鉆桿比較細(xì)長(zhǎng)（長(zhǎng)徑比大于10∶1），所以鉆桿會(huì)在最大扭矩作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)彈性變形。當(dāng)在繼續(xù)加力時(shí)，被切削的材料受力將突破極限強(qiáng)度值而被切開(kāi)。在材料被切開(kāi)的一瞬間，靜摩擦力變成了動(dòng)摩擦力，切削力也會(huì)隨著切削速度的增加而減小[4]。鉆桿中儲(chǔ)存的能量快速放出，形成一個(gè)超過(guò)鉆孔旋轉(zhuǎn)速度的速度。這一速度將隨著鉆桿彈性力的釋放而逐漸減小到速度為零。再開(kāi)始新一周期的：靜止一啟動(dòng)一加速一減速一靜止的循環(huán)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。在這種力的交替變化中，鉆具發(fā)生振動(dòng)。

這一過(guò)程可以用計(jì)算和實(shí)踐來(lái)證明。一次成型鉆削直徑120孔，鉆桿外徑115，鉆桿內(nèi)孔65，鉆桿長(zhǎng)2000，鉆削速度240 rpm，切削量0.05 mm/r，加工材料34CrNi1Mo。

鉆孔切削扭矩（簡(jiǎn)易計(jì)算）：

M = Cm .Dxm.Sym.Km [4]

式中：M — 鉆孔切削扭矩

Cm — 鉆孔切削系數(shù)，Cm = 345

D — 鉆孔直徑 ， D = 120

xm — 鉆孔直徑系數(shù)， xm = 2

S — 進(jìn)給量 ， S = 0.05

ym — 鉆孔進(jìn)給系數(shù)， ym = 0.8

Km — 修正系數(shù)，

Km = （σb/750）0.75 =（813/750） 0.75 = 1.06

∴鉆孔切削扭矩

M = Cm .Dxm.Sym.Km =345×1202×0.050.8×1.06

= 479361（N.mm）

在這樣大的扭矩下，可以產(chǎn)生多大的扭轉(zhuǎn)角？

扭轉(zhuǎn)角 φ=（5.84×108）M / {G（d4-d4）L} [5]

式中：φ — 扭轉(zhuǎn)角

G — 材料切變模量， G = 8.1×104

d — 鉆桿外徑， d = 115

do — 鉆桿內(nèi)徑，do = 65

L — 鉆桿長(zhǎng)度。 L = 2000

∴φ= （5.84×108）M / {G（d4-d4）L}

= （5.84×108）479361 / {8.1×104

（1154-654）2000}

= 0.096 （度）

鉆頭的扭轉(zhuǎn)量 Δ= tgφ×2000 = 3.4 mm

從鉆孔的端面振紋看，振紋間距約4 mm，這和計(jì)算的振動(dòng)量基本相同。

三是材料切削振紋引起的振動(dòng)。

在深孔鉆頭中各齒切削寬度之間有一定的重合量，切削刃會(huì)有一部分重復(fù)切削前一次或前一個(gè)切削刃切削過(guò)的表面。如果由于某種原因在已加工表面上殘留有振紋，則當(dāng)?shù)毒咴僖淮吻邢鬟@些表面時(shí)，切削厚度就會(huì)發(fā)生變化。切削厚度的變化引起切削力波動(dòng)，又激起刀具與工件的相對(duì)振動(dòng)，使系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)位移，并再次殘留下振紋。如此重復(fù)循環(huán)。

四是加工孔（工件） 軸線和刀具的旋轉(zhuǎn)軸線不同心引起的振動(dòng)（工件旋轉(zhuǎn)）。

用深孔鉆鉆頭直接定位鉆孔時(shí)，加工孔（工件） 軸線和刀具轉(zhuǎn)軸線很難不出現(xiàn)偏心現(xiàn)象，都會(huì)有一定的不同軸度誤差，由于這個(gè)誤差的存在，就會(huì)在工件旋轉(zhuǎn)的深孔加工過(guò)程中出現(xiàn)和旋轉(zhuǎn)速度相同周期的振動(dòng)現(xiàn)象。

3 深孔加工中振動(dòng)的消除方法

深孔加工中消除振動(dòng)的方法主要有以下幾個(gè)方面：

（1）加強(qiáng)機(jī)床剛度。機(jī)床剛度的影響主要體現(xiàn)在機(jī)床上各部件之間的連接上，床身等部件的剛度和鉆桿相比要大很多。所以，只要把機(jī)床各部件之間的連接間隙消除并連接緊密，深孔加工中機(jī)床的剛度的影響就很小。

（2）增強(qiáng)鉆桿的剛度。鉆桿剛度不足是深孔加工中振動(dòng)的主要原因。深孔鉆桿外徑是一定的，不能有多少改變。要增強(qiáng)鉆桿剛度，只有盡量減小內(nèi)孔直徑，選用更高強(qiáng)度的材料和采用合理的熱處理方法。

（3）改善刀具切削角度。增大前角可以減小切削力，但是增大了前角同時(shí)又會(huì)降低了刀具強(qiáng)度和散熱條件。在考慮切削角度的同時(shí)，合適的斷屑槽對(duì)順利排屑非常重要?，F(xiàn)在深孔加工刀片已有專用產(chǎn)品，可以根據(jù)加工材料進(jìn)行選用。

（4）改善刀具潤(rùn)滑條件。切削液在鉆削加工中，具有降低切削區(qū)溫度，排出切屑的重要功能。同時(shí)對(duì)減少刀具磨損，提高加工效率和加工精度也非常重要。不同種類(lèi)的切削液對(duì)減少工件、刀具、切屑之間的摩擦力效果是不同的。油性越強(qiáng)的切削液越有利于減小工件、刀具、切屑之間的摩擦力，對(duì)減小切削振動(dòng)越有利。

（5）提高加工孔（工件）和刀具旋轉(zhuǎn)軸線的同軸度。要提高加工孔（工件）和刀具旋轉(zhuǎn)軸線的同軸度，最主要的方法是要提高機(jī)床夾持的旋轉(zhuǎn)工件和刀具的同軸度精度。不同軸度誤差對(duì)工件固定刀具旋轉(zhuǎn)和刀具固定工件旋轉(zhuǎn)兩種方式的影響是不一樣的。如果兩條軸線有不同軸度誤差，對(duì)工件固定刀具旋轉(zhuǎn)這種加工方式，加工孔（工件） 軸線和刀具的旋轉(zhuǎn)軸線不同心引起的振動(dòng)這種問(wèn)題幾乎沒(méi)有影響；而對(duì)刀具固定工件旋轉(zhuǎn)，則會(huì)造成加工孔（工件） 軸線和刀具的旋轉(zhuǎn)軸線不同心引起的振動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

在深孔鉆床和鉆具的研制過(guò)程中，通過(guò)分析研究，反復(fù)實(shí)踐，并通過(guò)采用專用深孔鉆刀片，將表面活性劑切削液換成機(jī)械油潤(rùn)滑劑，最后又將鉆桿由20鋼管換成內(nèi)徑60的20CrMn鋼管，其屈服強(qiáng)度（σ0.2/Mpa）提高了（235提高到930）近四倍。通過(guò)這些改進(jìn)之后，鉆孔加工的振動(dòng)現(xiàn)象明顯減小，滿足了使用要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 席衛(wèi)峰.亞干式深孔加工切削機(jī)理研究[D].機(jī)械制造及其自動(dòng)化，2010.

[2] 屈維德.機(jī)械工程手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[3] 廖結(jié)安.亞干式深孔加工切削機(jī)理研究 [J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（12）.

[4] 武文革.金屬切削原理與刀具[M].國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

[5] 吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)[M].下冊(cè)機(jī)械工業(yè)出版社，2003.endprint

一是摩擦力不均勻引起的振動(dòng)。

由于刀具、導(dǎo)向塊和工件之間摩擦力變化引起的振動(dòng)。當(dāng)鉆頭進(jìn)行鉆削時(shí)，被切削材料受到刀具的切削，刀刃各處產(chǎn)生的壓力也各不相同，而導(dǎo)致幾個(gè)刀片受到的摩擦力不同，導(dǎo)向塊和已加工表面的摩擦力也是不對(duì)稱的。這些不對(duì)稱的力都作用在鉆頭上，會(huì)使鉆具受到一個(gè)脈動(dòng)變化的力的作用。這個(gè)力會(huì)和切削力一起作用而產(chǎn)生振動(dòng)。

二是鉆桿彈性變形引起的振動(dòng)。

切削過(guò)程中，刀片和被切削材料接觸后，刀片將受材料的阻力和摩擦力的共同作用而處于一個(gè)瞬時(shí)的停止，切削刃處的材料當(dāng)受力達(dá)到材料的極限強(qiáng)度值時(shí)，導(dǎo)向塊和刀片處的摩擦力也處于了最大值，這時(shí)的鉆桿承受了最大的扭矩。由于鉆桿比較細(xì)長(zhǎng)（長(zhǎng)徑比大于10∶1），所以鉆桿會(huì)在最大扭矩作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)彈性變形。當(dāng)在繼續(xù)加力時(shí)，被切削的材料受力將突破極限強(qiáng)度值而被切開(kāi)。在材料被切開(kāi)的一瞬間，靜摩擦力變成了動(dòng)摩擦力，切削力也會(huì)隨著切削速度的增加而減小[4]。鉆桿中儲(chǔ)存的能量快速放出，形成一個(gè)超過(guò)鉆孔旋轉(zhuǎn)速度的速度。這一速度將隨著鉆桿彈性力的釋放而逐漸減小到速度為零。再開(kāi)始新一周期的：靜止一啟動(dòng)一加速一減速一靜止的循環(huán)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。在這種力的交替變化中，鉆具發(fā)生振動(dòng)。

這一過(guò)程可以用計(jì)算和實(shí)踐來(lái)證明。一次成型鉆削直徑120孔，鉆桿外徑115，鉆桿內(nèi)孔65，鉆桿長(zhǎng)2000，鉆削速度240 rpm，切削量0.05 mm/r，加工材料34CrNi1Mo。

鉆孔切削扭矩（簡(jiǎn)易計(jì)算）：

M = Cm .Dxm.Sym.Km [4]

式中：M — 鉆孔切削扭矩

Cm — 鉆孔切削系數(shù)，Cm = 345

D — 鉆孔直徑 ， D = 120

xm — 鉆孔直徑系數(shù)， xm = 2

S — 進(jìn)給量 ， S = 0.05

ym — 鉆孔進(jìn)給系數(shù)， ym = 0.8

Km — 修正系數(shù)，

Km = （σb/750）0.75 =（813/750） 0.75 = 1.06

∴鉆孔切削扭矩

M = Cm .Dxm.Sym.Km =345×1202×0.050.8×1.06

= 479361（N.mm）

在這樣大的扭矩下，可以產(chǎn)生多大的扭轉(zhuǎn)角？

扭轉(zhuǎn)角 φ=（5.84×108）M / {G（d4-d4）L} [5]

式中：φ — 扭轉(zhuǎn)角

G — 材料切變模量， G = 8.1×104

d — 鉆桿外徑， d = 115

do — 鉆桿內(nèi)徑，do = 65

L — 鉆桿長(zhǎng)度。 L = 2000

∴φ= （5.84×108）M / {G（d4-d4）L}

= （5.84×108）479361 / {8.1×104

（1154-654）2000}

= 0.096 （度）

鉆頭的扭轉(zhuǎn)量 Δ= tgφ×2000 = 3.4 mm

從鉆孔的端面振紋看，振紋間距約4 mm，這和計(jì)算的振動(dòng)量基本相同。

三是材料切削振紋引起的振動(dòng)。

在深孔鉆頭中各齒切削寬度之間有一定的重合量，切削刃會(huì)有一部分重復(fù)切削前一次或前一個(gè)切削刃切削過(guò)的表面。如果由于某種原因在已加工表面上殘留有振紋，則當(dāng)?shù)毒咴僖淮吻邢鬟@些表面時(shí)，切削厚度就會(huì)發(fā)生變化。切削厚度的變化引起切削力波動(dòng)，又激起刀具與工件的相對(duì)振動(dòng)，使系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)位移，并再次殘留下振紋。如此重復(fù)循環(huán)。

四是加工孔（工件） 軸線和刀具的旋轉(zhuǎn)軸線不同心引起的振動(dòng)（工件旋轉(zhuǎn)）。

用深孔鉆鉆頭直接定位鉆孔時(shí)，加工孔（工件） 軸線和刀具轉(zhuǎn)軸線很難不出現(xiàn)偏心現(xiàn)象，都會(huì)有一定的不同軸度誤差，由于這個(gè)誤差的存在，就會(huì)在工件旋轉(zhuǎn)的深孔加工過(guò)程中出現(xiàn)和旋轉(zhuǎn)速度相同周期的振動(dòng)現(xiàn)象。

3 深孔加工中振動(dòng)的消除方法

深孔加工中消除振動(dòng)的方法主要有以下幾個(gè)方面：

（1）加強(qiáng)機(jī)床剛度。機(jī)床剛度的影響主要體現(xiàn)在機(jī)床上各部件之間的連接上，床身等部件的剛度和鉆桿相比要大很多。所以，只要把機(jī)床各部件之間的連接間隙消除并連接緊密，深孔加工中機(jī)床的剛度的影響就很小。

（2）增強(qiáng)鉆桿的剛度。鉆桿剛度不足是深孔加工中振動(dòng)的主要原因。深孔鉆桿外徑是一定的，不能有多少改變。要增強(qiáng)鉆桿剛度，只有盡量減小內(nèi)孔直徑，選用更高強(qiáng)度的材料和采用合理的熱處理方法。

（3）改善刀具切削角度。增大前角可以減小切削力，但是增大了前角同時(shí)又會(huì)降低了刀具強(qiáng)度和散熱條件。在考慮切削角度的同時(shí)，合適的斷屑槽對(duì)順利排屑非常重要?，F(xiàn)在深孔加工刀片已有專用產(chǎn)品，可以根據(jù)加工材料進(jìn)行選用。

（4）改善刀具潤(rùn)滑條件。切削液在鉆削加工中，具有降低切削區(qū)溫度，排出切屑的重要功能。同時(shí)對(duì)減少刀具磨損，提高加工效率和加工精度也非常重要。不同種類(lèi)的切削液對(duì)減少工件、刀具、切屑之間的摩擦力效果是不同的。油性越強(qiáng)的切削液越有利于減小工件、刀具、切屑之間的摩擦力，對(duì)減小切削振動(dòng)越有利。

（5）提高加工孔（工件）和刀具旋轉(zhuǎn)軸線的同軸度。要提高加工孔（工件）和刀具旋轉(zhuǎn)軸線的同軸度，最主要的方法是要提高機(jī)床夾持的旋轉(zhuǎn)工件和刀具的同軸度精度。不同軸度誤差對(duì)工件固定刀具旋轉(zhuǎn)和刀具固定工件旋轉(zhuǎn)兩種方式的影響是不一樣的。如果兩條軸線有不同軸度誤差，對(duì)工件固定刀具旋轉(zhuǎn)這種加工方式，加工孔（工件） 軸線和刀具的旋轉(zhuǎn)軸線不同心引起的振動(dòng)這種問(wèn)題幾乎沒(méi)有影響；而對(duì)刀具固定工件旋轉(zhuǎn)，則會(huì)造成加工孔（工件） 軸線和刀具的旋轉(zhuǎn)軸線不同心引起的振動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

在深孔鉆床和鉆具的研制過(guò)程中，通過(guò)分析研究，反復(fù)實(shí)踐，并通過(guò)采用專用深孔鉆刀片，將表面活性劑切削液換成機(jī)械油潤(rùn)滑劑，最后又將鉆桿由20鋼管換成內(nèi)徑60的20CrMn鋼管，其屈服強(qiáng)度（σ0.2/Mpa）提高了（235提高到930）近四倍。通過(guò)這些改進(jìn)之后，鉆孔加工的振動(dòng)現(xiàn)象明顯減小，滿足了使用要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 席衛(wèi)峰.亞干式深孔加工切削機(jī)理研究[D].機(jī)械制造及其自動(dòng)化，2010.

[2] 屈維德.機(jī)械工程手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[3] 廖結(jié)安.亞干式深孔加工切削機(jī)理研究 [J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（12）.

[4] 武文革.金屬切削原理與刀具[M].國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

[5] 吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)[M].下冊(cè)機(jī)械工業(yè)出版社，2003.endprint

一是摩擦力不均勻引起的振動(dòng)。

由于刀具、導(dǎo)向塊和工件之間摩擦力變化引起的振動(dòng)。當(dāng)鉆頭進(jìn)行鉆削時(shí)，被切削材料受到刀具的切削，刀刃各處產(chǎn)生的壓力也各不相同，而導(dǎo)致幾個(gè)刀片受到的摩擦力不同，導(dǎo)向塊和已加工表面的摩擦力也是不對(duì)稱的。這些不對(duì)稱的力都作用在鉆頭上，會(huì)使鉆具受到一個(gè)脈動(dòng)變化的力的作用。這個(gè)力會(huì)和切削力一起作用而產(chǎn)生振動(dòng)。

二是鉆桿彈性變形引起的振動(dòng)。

切削過(guò)程中，刀片和被切削材料接觸后，刀片將受材料的阻力和摩擦力的共同作用而處于一個(gè)瞬時(shí)的停止，切削刃處的材料當(dāng)受力達(dá)到材料的極限強(qiáng)度值時(shí)，導(dǎo)向塊和刀片處的摩擦力也處于了最大值，這時(shí)的鉆桿承受了最大的扭矩。由于鉆桿比較細(xì)長(zhǎng)（長(zhǎng)徑比大于10∶1），所以鉆桿會(huì)在最大扭矩作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)彈性變形。當(dāng)在繼續(xù)加力時(shí)，被切削的材料受力將突破極限強(qiáng)度值而被切開(kāi)。在材料被切開(kāi)的一瞬間，靜摩擦力變成了動(dòng)摩擦力，切削力也會(huì)隨著切削速度的增加而減小[4]。鉆桿中儲(chǔ)存的能量快速放出，形成一個(gè)超過(guò)鉆孔旋轉(zhuǎn)速度的速度。這一速度將隨著鉆桿彈性力的釋放而逐漸減小到速度為零。再開(kāi)始新一周期的：靜止一啟動(dòng)一加速一減速一靜止的循環(huán)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。在這種力的交替變化中，鉆具發(fā)生振動(dòng)。

這一過(guò)程可以用計(jì)算和實(shí)踐來(lái)證明。一次成型鉆削直徑120孔，鉆桿外徑115，鉆桿內(nèi)孔65，鉆桿長(zhǎng)2000，鉆削速度240 rpm，切削量0.05 mm/r，加工材料34CrNi1Mo。

鉆孔切削扭矩（簡(jiǎn)易計(jì)算）：

M = Cm .Dxm.Sym.Km [4]

式中：M — 鉆孔切削扭矩

Cm — 鉆孔切削系數(shù)，Cm = 345

D — 鉆孔直徑 ， D = 120

xm — 鉆孔直徑系數(shù)， xm = 2

S — 進(jìn)給量 ， S = 0.05

ym — 鉆孔進(jìn)給系數(shù)， ym = 0.8

Km — 修正系數(shù)，

Km = （σb/750）0.75 =（813/750） 0.75 = 1.06

∴鉆孔切削扭矩

M = Cm .Dxm.Sym.Km =345×1202×0.050.8×1.06

= 479361（N.mm）

在這樣大的扭矩下，可以產(chǎn)生多大的扭轉(zhuǎn)角？

扭轉(zhuǎn)角 φ=（5.84×108）M / {G（d4-d4）L} [5]

式中：φ — 扭轉(zhuǎn)角

G — 材料切變模量， G = 8.1×104

d — 鉆桿外徑， d = 115

do — 鉆桿內(nèi)徑，do = 65

L — 鉆桿長(zhǎng)度。 L = 2000

∴φ= （5.84×108）M / {G（d4-d4）L}

= （5.84×108）479361 / {8.1×104

（1154-654）2000}

= 0.096 （度）

鉆頭的扭轉(zhuǎn)量 Δ= tgφ×2000 = 3.4 mm

從鉆孔的端面振紋看，振紋間距約4 mm，這和計(jì)算的振動(dòng)量基本相同。

三是材料切削振紋引起的振動(dòng)。

在深孔鉆頭中各齒切削寬度之間有一定的重合量，切削刃會(huì)有一部分重復(fù)切削前一次或前一個(gè)切削刃切削過(guò)的表面。如果由于某種原因在已加工表面上殘留有振紋，則當(dāng)?shù)毒咴僖淮吻邢鬟@些表面時(shí)，切削厚度就會(huì)發(fā)生變化。切削厚度的變化引起切削力波動(dòng)，又激起刀具與工件的相對(duì)振動(dòng)，使系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)位移，并再次殘留下振紋。如此重復(fù)循環(huán)。

四是加工孔（工件） 軸線和刀具的旋轉(zhuǎn)軸線不同心引起的振動(dòng)（工件旋轉(zhuǎn)）。

用深孔鉆鉆頭直接定位鉆孔時(shí)，加工孔（工件） 軸線和刀具轉(zhuǎn)軸線很難不出現(xiàn)偏心現(xiàn)象，都會(huì)有一定的不同軸度誤差，由于這個(gè)誤差的存在，就會(huì)在工件旋轉(zhuǎn)的深孔加工過(guò)程中出現(xiàn)和旋轉(zhuǎn)速度相同周期的振動(dòng)現(xiàn)象。

3 深孔加工中振動(dòng)的消除方法

深孔加工中消除振動(dòng)的方法主要有以下幾個(gè)方面：

（1）加強(qiáng)機(jī)床剛度。機(jī)床剛度的影響主要體現(xiàn)在機(jī)床上各部件之間的連接上，床身等部件的剛度和鉆桿相比要大很多。所以，只要把機(jī)床各部件之間的連接間隙消除并連接緊密，深孔加工中機(jī)床的剛度的影響就很小。

（2）增強(qiáng)鉆桿的剛度。鉆桿剛度不足是深孔加工中振動(dòng)的主要原因。深孔鉆桿外徑是一定的，不能有多少改變。要增強(qiáng)鉆桿剛度，只有盡量減小內(nèi)孔直徑，選用更高強(qiáng)度的材料和采用合理的熱處理方法。

（3）改善刀具切削角度。增大前角可以減小切削力，但是增大了前角同時(shí)又會(huì)降低了刀具強(qiáng)度和散熱條件。在考慮切削角度的同時(shí)，合適的斷屑槽對(duì)順利排屑非常重要。現(xiàn)在深孔加工刀片已有專用產(chǎn)品，可以根據(jù)加工材料進(jìn)行選用。

（4）改善刀具潤(rùn)滑條件。切削液在鉆削加工中，具有降低切削區(qū)溫度，排出切屑的重要功能。同時(shí)對(duì)減少刀具磨損，提高加工效率和加工精度也非常重要。不同種類(lèi)的切削液對(duì)減少工件、刀具、切屑之間的摩擦力效果是不同的。油性越強(qiáng)的切削液越有利于減小工件、刀具、切屑之間的摩擦力，對(duì)減小切削振動(dòng)越有利。

（5）提高加工孔（工件）和刀具旋轉(zhuǎn)軸線的同軸度。要提高加工孔（工件）和刀具旋轉(zhuǎn)軸線的同軸度，最主要的方法是要提高機(jī)床夾持的旋轉(zhuǎn)工件和刀具的同軸度精度。不同軸度誤差對(duì)工件固定刀具旋轉(zhuǎn)和刀具固定工件旋轉(zhuǎn)兩種方式的影響是不一樣的。如果兩條軸線有不同軸度誤差，對(duì)工件固定刀具旋轉(zhuǎn)這種加工方式，加工孔（工件） 軸線和刀具的旋轉(zhuǎn)軸線不同心引起的振動(dòng)這種問(wèn)題幾乎沒(méi)有影響；而對(duì)刀具固定工件旋轉(zhuǎn)，則會(huì)造成加工孔（工件） 軸線和刀具的旋轉(zhuǎn)軸線不同心引起的振動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

在深孔鉆床和鉆具的研制過(guò)程中，通過(guò)分析研究，反復(fù)實(shí)踐，并通過(guò)采用專用深孔鉆刀片，將表面活性劑切削液換成機(jī)械油潤(rùn)滑劑，最后又將鉆桿由20鋼管換成內(nèi)徑60的20CrMn鋼管，其屈服強(qiáng)度（σ0.2/Mpa）提高了（235提高到930）近四倍。通過(guò)這些改進(jìn)之后，鉆孔加工的振動(dòng)現(xiàn)象明顯減小，滿足了使用要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 席衛(wèi)峰.亞干式深孔加工切削機(jī)理研究[D].機(jī)械制造及其自動(dòng)化，2010.

[2] 屈維德.機(jī)械工程手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[3] 廖結(jié)安.亞干式深孔加工切削機(jī)理研究 [J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（12）.

[4] 武文革.金屬切削原理與刀具[M].國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

[5] 吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)[M].下冊(cè)機(jī)械工業(yè)出版社，2003.endprint