BTA鉆頭受力分析

摘要：BTA深孔鉆削是金屬切削中一種較為復雜的加工方式。本文對首先對鉆削過程中鉆削力的來源進行了闡述，進而對BTA鉆頭的在加工過程中的受力進行了簡化，從而獲得了BTA深孔鉆頭的受力分析，為后續BTA鉆頭的設計與優化提供一定的參考。

關鍵詞：BTA鉆頭；鉆削力；深孔加工

0.引言：

BTA深孔鉆削是深孔加工中常用的一種加工方法，由于其加工效率高產品質量好，目前廣泛的應用于各種加工領域當中。由于BTA深孔鉆削屬于內排屑自導向加工模式，所以鉆頭的受力對鉆頭在加工過程中的穩定性與自導性有著十分重要的影響。

1.鉆削力的來源

鉆削過程是由刀具通過旋轉加軸向進給，在待加工工件上加工出所需要的深孔，由于材料具有一定的韌性和硬度，材料在被加工過程中發生一系列的彈塑性變形，對鉆頭產生阻力，在切屑與工件分離的過程中切屑沿著前刀面流出，和前刀面接觸并產生摩擦阻力。隨著刀具向前移動，工件已加工表面會有一定彈性恢復，繼而與后刀面進行接觸，然后產生摩擦力。

由此，鉆削力的來源主要由以下三個方面組成[1]：

（1）鉆削過程中，被加工材料發生彈性變形所產生的阻力。

（2）鉆削過程中，被加工材料發生塑性變形所產生的阻力。

（3）鉆削過程中，切屑流出時對刀具前刀面產生的摩擦力和刀具向前移動時工件過渡表面和已加工表面對刀具后刀面擠壓所產生摩擦力。

2.錯齒BTA鉆頭鉆削力分析

BTA深孔鉆削的過程中，除了刀具切削刃與工件接觸以外，還有導向塊與工件接觸，致使加工過程中刀具的的受力分為三個部分，分別為切削刃所受的切削力、導向塊所受的正壓力和導向塊與工件之間的摩擦力，這樣一來使得刀具的受力相當復雜。

在一般的切削加工中，例如在車削加工中，只存在著工件、刀具、床身之間的正常力系，所以只需將車刀裝在三向測力儀上，就可以測量出車刀所受的三向力。而在深孔鉆削的過程中，由于存在著導向塊與工件之間的正壓力和摩擦力，使工件與刀具切削刃和導向塊之間構成封閉力系，所以就不能直接測量出切削刃所受的三向分力，只能測出刀具所受的軸向力與扭矩。因此目前的許多研究者為了獲得刀具切削刃的三向分力，都是通過測量和分析相結合的方法，先測出鉆頭總的軸向力和扭矩，再將總軸向力和扭矩進行分解，得出切削刃的分力。在分解的過程中，為了將受力進行簡化，突出鉆削力的主要影響因素，一般做出如下的假設[2]：

（1）由于鉆頭、鉆桿、切屑、切削液各部分的重力與切削液的壓力對鉆削力的影響較小，所以忽略不計。

（2）因為鉆頭切削刃的軸向尺寸較小，認為除了切削過程的走刀抗力和導向塊所受的軸向摩擦力以外，其余受力均分布一個平面內。

（3）各切削刃所受的三向分力沿半徑方向均勻分布。

（4）將切削刃的切削力，導向塊的正壓力與摩擦力均簡化為集中力。

錯齒BTA鉆頭計簡化后的受力分析如圖1所示：

在圖1中分別做以下設定：

PMA、PMB、PMC—各切削刃所受的主切削力；

PRA、PRB、PRC—各切削刃所受的徑向力；

PTA、PTB、PTC—各切削刃所受的軸向力；

PG0、PG1、PG2—韌帶上的垂直力、第一導向條上的垂直力、第二導向條上的垂直力；

μPG0、μPG1、μPG2—韌帶上的摩擦力、第一導向條上的摩擦力、第二導向條上摩擦力；

Fx，Fy—x，y方向上各齒鉆削力的合力；

Fc—軸向切削力的合力；

θA、θB、θC—各刀齒刃偏角；

α、β—導向塊位置角；

a、b、c—中心刃、中間刃、外刃長度；

在試驗過程中測量的錯齒BTA深孔鉆的受力有兩個部分：扭矩與軸向力[3]。

a.扭矩

鉆頭所受到的扭矩由以下三個部分組成：

（1）切削扭矩MC

切削扭矩MC為鉆頭三個切削刃所受到的主切削力的合力，它的大小與鉆頭的直徑，切削刃的分布，及工件的材料均有關。

（2）摩擦扭矩

摩擦扭矩由鉆頭導向塊的表面與所加工孔的孔壁之間所產生的摩擦力構成，其大小在總得扭矩中所占的比例很小，所以一般忽略不計。

（3）擠光扭矩MB

擠光扭矩MB是在刀具的三個切削刃完全進入工件后定徑刃與工件進行接觸后開始產生，此時定徑刃進入孔內，與導向塊進行平衡，把被加工孔擴大到與鉆頭直徑相等，由于定徑刃有一個寬度較小的圓柱面刃帶與孔壁進行擠壓，使得孔壁發生彈性變形，同時也對孔壁有著修光的作用，在這個過程中鉆頭所受到的扭矩就是擠光扭矩。

b.軸向推力

鉆頭所受到的軸向力也有三個部分組成：切削力的軸向分力、擠光力的軸向分力及切削液的壓力。

由圖1中可以看出，在主切削力的方向，錯齒鉆齒寬分別為a、c兩個刃的主切削力PMA、PMC指向第一導向條，而齒寬為b的齒的主切削力PMB則相反，抵消了齒寬分別為a、c的兩個齒主切削力合力的一部分，從而使第一導向條的支反力PG1也相應減小，在徑向力的方向，錯齒鉆因齒寬為c的齒所受徑向切削分力FRC與FRB和FRD方向相反，所以相應減小了第二導向條所受支反力。

結語：

通過以上對BTA深孔鉆頭的受力進行簡化與分析為后續BTA深孔鉆頭的設計與優化提供一定的參考。

參考文獻：

[1]白萬民，賈培剛，白震平.深孔鉆削時的力學特性分析[J].新技術新工藝，2000，（6）：18-20.

[2]關世璽，范國勇.三切削刃BTA深孔鉆鉆削過程研究[J].新技術新工藝，2008，（12）：79-80.

[3]楊順田，侯忠坤.深孔鉆削中受力分析與切削參數定量分析[J].組合機床與自動化加工技術，2013，（1）：118-122.

作者簡介：師毓華（1987—），女，助教。研究方向：制造過程建模仿真與狀態監測。