基于有限元分析槍鉆加工軸線偏移研究

■ 東方汽輪機(jī)有限公司 （四川 618000） 李松林 廖 靜 劉家順

槍鉆是20世紀(jì)30年代初最早用于槍管制造的具有單切削刃、自動排屑、冷卻潤滑及自導(dǎo)向功能的現(xiàn)代深孔刀具。國內(nèi)外研究人員對深孔加工的理論基礎(chǔ)、加工方法及其裝備等進(jìn)行了積極的探索研究，取得了眾多研究成果。但由于深孔加工的特殊性，使得深孔加工中孔軸線偏移問題變得難以解決，并且在一般情況下是無法預(yù)測和控制的，嚴(yán)重影響了深孔零件加工精度及其使用性能。而且，槍鉆在鉆削過程中的受力遠(yuǎn)比雙刃鉆復(fù)雜，在線實(shí)測切削力實(shí)施困難，槍鉆的切削參數(shù)、幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)及工件材料等均會影響槍鉆的受力情況，從而對孔軸線偏移量有較大影響。

本文致力于建立槍鉆的力學(xué)模型，計算槍鉆在進(jìn)給過程中的受力大小，建立φ10×1 600mm槍鉆的三維模型，采用有限元分析軟件ANSYS Workbench，仿真計算初始狀態(tài)（槍鉆未鉆入工件）的槍鉆軸線偏移量，旨在得到孔的初始偏移量；對鉆削不同深度孔的槍鉆進(jìn)行了分析研究，旨在得到進(jìn)給方向上的孔軸線偏移量；分析研究了孔軸線偏移量的影響因素，為實(shí)際深孔鉆削中減小孔軸線的偏移量提供了一定的理論依據(jù)。

1. 槍鉆的力學(xué)模型

槍鉆由鉆頭、鉆桿和鉆柄三個部分構(gòu)成，鉆頭切削刃被鉆尖分為外刃和內(nèi)刃，本文研究的槍鉆結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，圖中鉆尖結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1所示。

圖1 槍鉆結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 鉆尖結(jié)構(gòu)示意圖

表1 槍鉆的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 槍鉆設(shè)備加工圖

圖4 槍鉆的受力簡圖

根據(jù)槍鉆在鉆床上的加工狀態(tài)（見圖3），將槍鉆的受力狀態(tài)簡化為重力軸剖面內(nèi)的情況，如圖4所示。圖中，支撐O表示進(jìn)給箱夾持，A、B、C、D、E分別代表中心架支承、導(dǎo)向套支承和鉆桿在孔中的支承，δ表示鉆頭相對于機(jī)床軸線的偏移量，也稱為孔軸線偏移量，F(xiàn)表示槍鉆受力，G表示槍鉆的重力。圖4所示的受力簡圖是超靜定問題，本文借助于ANSYS軟件對槍鉆進(jìn)行靜力學(xué)分析，從而求解出孔軸線偏移量δ。

2. 槍鉆靜力學(xué)仿真模型

（1）有限元模型及網(wǎng)格劃分。本文建立德國TBTφ10×1 600槍鉆的三維有限元分析模型，材料參數(shù)見表2。對槍鉆進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，得到網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)103 995，單元個數(shù)42 549。

（2）模型的邊界條件和加載。為了求解圖4中槍鉆的受力F，本文做出如下假設(shè)：①切削刃上的切削力、導(dǎo)向面上的摩擦力和正壓力等均勻分布，簡化為集中力。②由于槍鉆長徑比大，可認(rèn)為各力均作用在同一個平面上。③忽略切屑、切削液各部分的重力及中心架支撐處的反力、摩擦力。④不考慮隨機(jī)因素（工件材料的硬度不均勻、鑄造及熱處理產(chǎn)生的殘余應(yīng)力及外部干擾產(chǎn)生的隨機(jī)振動等）的影響。

如圖5所示，給出了槍鉆切削刃和導(dǎo)向面受力情況繪出的槍鉆受力解析圖。圖中z軸過原點(diǎn)沿槍鉆軸線指向鉆尖，x軸過中心軸線，與鉆尖共面且垂直于前刀面向外，y軸與x、z軸形成右手坐標(biāo)系；鉆頭的內(nèi)外刃切削力分為切向力、徑向力和軸向力，分別表示為Frw、Frn、Ftw、Ftn、Faw、Fan；作用于兩個導(dǎo)向面上的正壓力F1、F2，與切削刃的夾角分別為59°、180°；由于導(dǎo)向面的材料為硬質(zhì)合金，本文采用滑動摩擦系數(shù)μ來近似計算導(dǎo)向面的軸向摩擦力和周向摩擦力。

根據(jù)“槍鉆微刀具三元切削模型”，通過內(nèi)外刃切削力公式1.1、1.2可計算出內(nèi)外刃的切削力。工件材料選用合金鋼12C r2M o1，刀具與工件的動摩擦系數(shù)μ=0.05，工件屈服強(qiáng)度σb=515M P a，材料硬度≤201HBW，剪應(yīng)力τc=167MPa。

式中，f為進(jìn)給量；VB為后刀面磨損帶寬，取值0.4mm；r′為刀具圓弧半徑，取值0.4mm；TC為前刀面的平均摩擦應(yīng)力，TC=0.8τc；UC為切除單位面積所消耗的能量，UC=HB。

表2 槍鉆的材料參數(shù)

圖5 鉆頭受力解析圖

槍鉆在鉆出導(dǎo)向套時，其導(dǎo)向面緊貼工件內(nèi)壁，此時其自動向功能通過受力平衡實(shí)現(xiàn)。忽略切削油、切屑的影響，導(dǎo)向面受到的正壓力、軸向摩擦力與切削刃切向、徑向切削力在坐標(biāo)xyO平面上合力為零，如圖5所示，通過力平衡公式1.3計算可得正壓力F1、F2。

綜上所述，槍鉆仿真模型的邊界條件和加載如圖6所示。圖中，槍鉆鉆柄與機(jī)床主軸固定連接，施加固定約束G；中心架、軸承限制了槍鉆沿x、y方向的移動，施加約束H、I、J、K；機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)帶動槍鉆以固定轉(zhuǎn)速運(yùn)動，施加角速度載荷、重力載荷L，其余為切削載荷，其中切削液的作用力為76.44N。

3. 仿真計算結(jié)果與分析

（1）槍鉆孔軸線偏移量。槍鉆受力變形，其軸線偏離機(jī)床軸線，深孔的孔軸線偏移現(xiàn)象隨之產(chǎn)生。本文在三維模型上沿著z軸由鉆柄指向鉆頭的方向建立路徑12，如圖7所示。將槍鉆未鉆入工件設(shè)為初始狀態(tài)，該狀態(tài)下的路徑12可作為槍鉆的軸線變形量，通過與機(jī)床軸線的對比，可計算得到槍鉆鉆頭的初始偏移量；槍鉆沿著進(jìn)給方向鉆入工件，鉆入的這部分路徑可近似作為深孔的孔軸線偏移量，如圖8、圖9所示，給出了這兩種狀態(tài)下，路徑12在x、y和總方向的偏移曲線。

圖8表示槍鉆未鉆入工件時路徑12的偏移曲線。此時槍鉆鉆頭的導(dǎo)向面緊貼導(dǎo)向套，起到保證鉆頭進(jìn)給方向的作用。從圖中可以看出槍鉆存在初始偏移量0.014 1mm，這是由于導(dǎo)向套的內(nèi)徑與鉆頭直徑存在一個微小的直徑間隙Δ=0.01~0.02mm。初始偏移量隨著鉆頭的進(jìn)給，使得孔軸線的偏移量增大。在實(shí)際加工中可采用鉆引導(dǎo)孔的方式消除初始偏移量。

圖6 槍鉆的載荷與約束

圖7 路徑12示意圖

圖8 初始狀態(tài)下的槍鉆軸線偏移量

圖9 表示槍鉆鉆削200mm、400mm、600mm及800mm孔深時孔軸線偏移曲線。此時鉆桿與導(dǎo)向套、深孔存在間隙0.2mm，鉆頭導(dǎo)向面與孔內(nèi)壁貼緊，鉆頭受切削力、切削液、切屑及導(dǎo)向面的影響，在徑向和切向達(dá)到受力平衡，從而產(chǎn)生自導(dǎo)向作用。

從圖中可以看出，槍鉆加工孔深越大，其孔軸線的偏移量越大，最大孔軸線偏移量變化了0.166 9mm；孔軸線偏移量在槍鉆的進(jìn)給方向上是逐漸變大的過程，最大孔軸線偏移位置出現(xiàn)在深孔末端，且位于機(jī)床軸線的下方。

（2）孔軸線偏移量的影響因素可以分為幾類：槍鉆自身結(jié)構(gòu)、剛性，工件材料，加工方式及其他隨機(jī)因素。從公式1.1、1.2可以看出，槍鉆的進(jìn)給量，工件材料、槍鉆的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對切削力有直接影響。以進(jìn)給量為例，提高槍鉆的進(jìn)給量，則切削力隨之變大使得槍鉆受力發(fā)生改變，從而影響孔軸線偏移量。

本文針對進(jìn)給量對槍鉆鉆入工件800mm深時的孔軸線偏移進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果如圖10所示。從圖中可以看出：進(jìn)給量的變大不改變孔軸線的變化趨勢，僅使得深孔末端的孔軸線偏移量變大，因此合理的減小進(jìn)給量有利于減小孔軸線偏移量。同理可知，切削不同材料的工件，槍鉆鉆頭重磨后的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)若使得切削力變小，則其孔軸線偏移量隨之減少。

圖9 不同孔深的孔軸線偏移量

圖10 不同進(jìn)給量的孔軸線偏移

4. 結(jié)語

本文從槍鉆在鉆床上的實(shí)際加工狀態(tài)出發(fā)，建立了力學(xué)模型。為求解孔軸線偏移量，建立了三維仿真模型，并采用有限元軟件對槍鉆進(jìn)行了靜力學(xué)分析，計算得到了孔的初始偏移量及不同深孔深度的孔軸線偏移量，并在此基礎(chǔ)上研究了進(jìn)給量對孔軸線偏移量的影響，探討了工件材料、槍鉆幾何結(jié)構(gòu)對孔軸線偏移量的影響。

研究結(jié)果表明：槍鉆在深孔加工中存在初始偏移量；孔的軸線偏移位于機(jī)床軸線的下方，最大孔軸線偏移量位于深孔末端；孔軸線偏移在進(jìn)給方向上是一個逐漸擴(kuò)大的過程，切削深度越長的孔，其孔軸線偏移量越大；在合理范圍內(nèi)改變進(jìn)給量、工件材料及槍鉆幾何結(jié)構(gòu)使得切削力變小，有利于孔軸線偏移量的減小。

本文仿真計算的孔軸線偏移量與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)加工中的偏移量有所差異，這是由于切削力的計算假設(shè)、仿真軟件的模型簡化及隨機(jī)因素的影響，用于定量計算有一定誤差，但本計算方案可以為減小深孔加工的孔軸線偏移量提供理論依據(jù)。

[1] 白萬民，賈培剛，白震平. 深孔鉆削時的力學(xué)特性分析 [J].新技術(shù)新工藝，2000（6）：19-21.

[2] 關(guān)世璽，范國勇，常興. 深孔加工關(guān)鍵技術(shù)研究 [J].新技術(shù)新工藝，2007（8）：29-31.

[3] 王峻. 現(xiàn)代深孔加工技術(shù) [M].黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2005.

[4]李恒揚(yáng). 基于機(jī)械加工的深孔加工技術(shù)探析 [J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（2）：89-90.

[5] Jung J H，Ke F. A Gundrilling Force System [J], International Journal of Machine Tools&Manufacture，2007，47（7-8）：1276-1284.

[6] Obikawa T, Usui E. Computational machining of Titanium Alloy-Finite Element Modeling and a Few Results [J]. ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering，1996，118（2）：208-215.

[7] Li K，Gao X L，Sutherland J W.Finite Element Simulation of the Orthogonal Metal Cutting Process for Qualitative Understanding of the Effects of Crater Wear on the Chip Formation Process [J].Journal of Materials Processing Technology，2002，127（3）：309-324.

[8] 張秋麗. 平面型后刀面槍鉆的鉆削力數(shù)學(xué)模型及有限元分析[D].湖南：湖南大學(xué)，2007.

[9] 白萬民. 深孔鉆削時孔中心線偏移的分析研究 [J].西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報，1992（12）4：48-53.

[10]尹曉霞. 難切削材料的深孔鉆削及糾偏技術(shù)研究 [D].山西：中北大學(xué)，2010.