基于深孔鉆削穩定性研究及應用

段樹軍等

摘 要：為了反映小深孔鉆削機床加工過程中槍鉆的穩定情況，對高速運轉下的槍鉆系統以及其不規則體的轉子進行研究。基于機床顫振的非線性理論、深孔加工系統的非線性動力學、轉子系統動力學建立槍鉆加工小深孔的動力學模型，從而得到槍鉆系統的動力學方程。

關鍵詞：深孔鉆削；穩定性；應用實例

0 引言

深孔鉆削加工技術是機械加工生產中被廣泛應用的一種加工技術，深孔鉆削加工技術的應用促進了我國機械加工行業的發展，在許多的機床、設備、工具、零件的生產加工時，都需要使用深孔鉆削加工技術，使其在需要加工的產品上鉆削出符合人們需要的、與設計圖紙大小、深度相符的孔洞，從而更加方便的將各種零件組裝起來，供人們使用。但是，目前深孔鉆削加工技術在使用中仍然存在許多的問題，其中最主要的問題就是深孔鉆削加工技術中使用的鉆頭的穩定性不足，由于在機械加工中使用的都是高硬度的金屬或者合金材料，才能夠保證生產出來的產品的質量，但是，也因此導致了深孔鉆削加工的難度的增大，如果鉆頭的強度低于機械設備或者與機械設備的材料的硬度相同，那么，在深孔鉆削加工的鉆頭就會非常容易斷裂，從而影響機械加工的質量，因此，本文主要對深孔鉆削加工技術的穩定性進行研究，希望能夠解決在深孔鉆削加工技術中存在的問題，提高機械加工的質量。

1 深孔加工現狀及發展

深孔鉆削加工技術在十八世紀時就已經被人們發明出來并逐漸在機械加工中得到越來越多的應用，而深孔鉆削加工技術被發明的最初目的是應用于武器的生產，自從火藥被發明以來，人們一直致力于對大規模殺傷性武器的研究，希望人們能夠依靠武器的力量讓自己變得更加的強大，而隨著越來越多的武器被研發出來，且人們對槍炮的需求量的逐漸的增大，以前的人工生產武器的技術已經不能夠滿足人們的需求，為了提高機械的生產效率，人們發明了深孔鉆削加工技術。在機械生產中，人們不可能將體積巨大、形狀復雜的機械一次性的生產出來，因此，人們將機械分為多個零件，等到零件生產出來后，經過適當的加工組裝后就能夠得到人們想要的產品，深孔鉆削技術就是零件加工中的必要的技術之一。

深孔鉆削加工技術最初使用的鉆頭是扁鉆，但是扁鉆的可變性較低，不能夠達到人們的要求，因此，麻花鉆代替了扁鉆，相比于扁鉆來說，麻花鉆擁有兩種鉆頭，結構簡單，制造方便，切削液也容易導入，適宜加工大尺寸范圍的孔洞。但是，麻花鉆也有一定的缺點，比如說當加工深孔時，麻花鉆不利于冷卻和廢屑的排出，剛性也很低，不適宜大量的加工，因此生產效率較低。為了提高機械加工的生產效率，人們一直在不斷的對深孔鉆削加工技術進行研究，進而發明了槍鉆、內排屑深孔鉆、單管內排屑噴吸鉆等更加適合當前機械加工生產的深孔鉆削加工技術的鉆頭，鉆頭的研究的最主要的目的就是提高鉆頭的穩定性，提高鉆頭的剛度，提高深孔鉆削加工的生產效率，才能夠更好的促進深孔鉆削加工技術的發展。

2 機床切削顫振控制的研究現狀

切削顫振是機械加工過程中機床、工件和刀具之間發生的是一種復雜的動態不穩定現象。在進行機床切削時產生的顫振會加大機床的磨損程度，縮短機床的使用壽命，因此，人們一直在對機床切削進行研究，希望能夠減少甚至消除顫振，但是，在目前的機械加工中還沒有可以徹底消除機床切削顫振的方法，只能夠通過采取一定的措施來控制機床切削顫振，而控制措施主要可以分為主動控制、被動控制、半主動控制、調整切削參數控制等。主動控制就是采用反饋控制的原理，檢測出系統的某一狀態量的變動，然后把與狀態量同頻率和幅度但反相的控制量加到這個狀態量本身或作相應變動后加在其它狀態量上去。目前的機械加工所采用的機床設備大都已經實現了計算機化，甚至一些技術先進的企業已經實現了智能化，因此，機床在工作時各個部分的具體的情況都會在計算機上進行顯示，人們可以根據計算機所輸出的機床的工作時的數據，查找出具體的產生顫振的部位，以及顫振的頻率和幅度，再根據這些信息采取相應的解決措施，這種由人們主動的對機床切削顫振進行干預控制的措施為主動控制。

而被動控制主要是在機床的制造時添加吸振部件，在機床工作時，吸振部件會對機床切削時產生的顫振產生消弱的作用，但是，吸振部件所能夠起到的作用較小，而且不同的機床需要在不同部位安裝不同強度的吸振部件，所以，被動控制在機床切削顫振控制中取得的效果不是很理想。半自動控制結合了主動控制和被動控制的優點，是在機床內安裝了可控制調節的、響應速度快的介質，從而達到更好的對顫振進行控制的目的，因此在當前的機械加工中的應用較為廣泛。但是，目前的機床切削顫振控制仍然存在許多的問題，需要人們繼續的研究，才能夠更好的對機床切削顫振進行控制[1]。

3 深孔鉆削穩定性研究

3.1 機床結構分析

目前在機械加工中使用的機床根據其加工的產品的不同其組成結構也有所不同，但是其主體的結構組成卻大同小異，因此，本文主要對機床的總體結構進行介紹，并以應用較為廣泛的槍鉆為鉆頭。機床系統總體為工件固定、高速主軸動力頭進給的槍鉆加工形式。其高速主軸自動進給動力頭由可調速變頻電機帶動高速主軸實現，以滿足槍鉆加工時鉆頭所需的轉速要求；動力頭的進給由伺服電機驅動滾珠茲杠完成，可達到進給自動，穩定和持續；動力頭前端聯接槍鉆鉆柄，傳遞鉆頭的旋轉和進給運動；動力頭后端聯接高壓授油器[2]。

3.2 槍鉆系統鉆削中的穩定分析

提高槍鉆系統鉆削穩定性是深孔鉆削加工技術研究的最主要的目的，只有槍鉆系統鉆削的穩定性足夠才能夠保證產品的加工質量，減少產品表面因為槍鉆系統鉆削穩定性不足而出現的劃痕。由于槍鉆系統切削加工時處在半封閉或者全封閉的狀態下，因此加工運動的方式較為多變，只有穩定性足夠才能夠提高加工的質量。所以，人們為了提高槍鉆系統鉆削的穩定性，對其在運動時的各個受力情況進行了分析，每一種力都有可能改變槍鉆的運行的軌跡，而掌握受力方向并使各個力之間達到穩定的平衡，就能夠提高槍鉆鉆削的穩定性。因此動力學方程的建立，對于提高槍鉆系統鉆削穩定性有重要的意義[3]。

4 槍鉆系統鉆削模型實例

槍鉆系統鉆削模型的建立主要分為兩個部分，分別為切削力分析和槍鉆系統轉速的選擇，而切削力分析主要分為切削力均量、切削力動態波動成分，其中切削力動態波動成分對于槍鉆系統的振動及穩定性有很大的影響，因此，在建立槍鉆系統鉆削模型時，需要對切削力動態波動成分進行全面的分析，并根據分析結果采取相應的措施，保證鉆桿的受力平衡。其次就是槍鉆系統轉速的選擇，選擇轉速的時候要充分考慮加工零件時系統鉆削的穩定性。由于建立模型前都需要先建立動力學方程，而動力學方程的運算會得出最適合的轉速的范圍，以此來作為模型選擇轉速的依據[4]。

5 結語

綜上所述，深孔鉆削加工的穩定性對于提高機械加工的質量有很大的作用，但是，在目前的深孔鉆削加工中仍然存在許多的問題，只有通過建立鉆削模型、運用動力學方程的方法，計算出最適合的機床結構，并對原有的機床進行改造，才能夠很好的提高深孔鉆削加工的穩定性。

參考文獻：

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[3]曹小榮，田真真，馮夏陽，賈實林，沈偉，徐金根.全液壓履帶深孔鉆車在任樓煤礦瓦斯鉆孔施工中的應用[A].2010年安徽省科協年會——煤炭工業可持續發展專題研討會論文集[C].2010.

[4]何建國，吉方，蒲潔，連克難，張平寬，王慧霖.軸向振動鉆削參數的調整研究[A].面向制造業的自動化與信息化技術創新設計的基礎技術——2011年中國機械工程學會年會暨第九屆全國特種加工學術年會論文集[C].2011.endprint