钻削加工

钻削加工（精选5篇）

钻削加工 篇1

1 引言

超高强度钢 (如40CrNi2Si2MoVA) 具有抗拉强度高、韧性好等优良特点, 因此被广泛用于飞机起落架上, 但其切削性能较差, 属难加工材料, 并且对应力集中 (缺陷) 敏感和氢脆较敏感, 故常采用整体件。在需要加工深孔时, 通常我们采用“钻初孔-多次扩孔-热处理-磨孔”的加工方式, 但对粗糙度Ra1.6的深长盲孔 (孔底为型面) 的加工是生产中的一大难题。本文通过对超高强度钢材料的切削性能分析和具体零件的加工试验, 进行了一系列钻削试验表明, 其工艺效果良好, 有效地解决了超高强度钢 (孔底有型面) 粗糙度Ra1.6的深长盲孔的高精度钻削加工问题。

2 超高强度钢材料的特性及加工性能

2.1 超高强度钢材料特性

超高强度钢 (如40CrNi2Si2MoVA) 具有高淬透性、超高强度、优良的横向塑性、断裂韧度、抗疲劳性能等良好的综合机械性能。但切削性能较差, 并且对应力集中 (缺陷) 敏感和氢脆较敏感。

2.2 超高强度钢切削性能

超高强度钢模锻件经正火+高温回火处理后, 其硬度大约为HBS270, 强度σb≥1100MPa, σs≥1000MPa。在深孔加工中, 不易断屑, 刀具磨损快, 最容易产生月牙洼磨损, 随着月牙洼磨损的扩大, 刀刃将产生崩缺或烧损, 切削抗力大, 切削振动大, 增加了深长盲孔的加工难度。

3 深孔钻削系统和深孔钻头的设计

深孔钻按排屑方式分为外排屑 (枪钻) 、内排屑 (BTA深孔钻、DF系统深孔钻和喷吸钻) 。BTA内排屑错齿深孔钻削系统的工作原理如图1所示, 它加工精度好, 生产率较高, 比外排屑高3倍以上。

超高强度钢深长盲孔钻头的结构如图2所示, 采用多刃错齿内排屑深孔钻结构, 该钻头在设计上有以下特点:

(1) 将过去的焊接式深孔钻头改为机夹式可转位深孔钻头。焊接式只适合于单件生产及低尺寸精度要求的零件孔加工。一旦刀片磨损严重, 整个刀具就必须报废。机夹式可转位深孔刀具就克服了上述缺点。

(2) 刀齿结构采用外齿、中间齿和中心齿在同一锥面上的分布形式, 其锥角范围为140°～150°。切削超高强度钢材料锥角取大值, 其优点是中间齿与中心齿的轴向间距小, 中心齿的切削条件有所改善, 钻削轻快, 分屑效果明显, 振动减小, 可进行大进给量加工。

(3) 刀片径向分布按图3所示, 由周边刀片、中间刀片、中心刀片组成, 并根据切削条件的不同选择不同的硬质合金牌号, 一般外齿和中间齿选耐磨性好的YW1、YW2、YT15, 而中心齿由于切削速度低, 挤压严重, 切削条件恶劣, 可采用耐冲击性好的YT5。同时选用涂层硬质合金刀片, 其涂层结构见图4。

(4) 为了改善刀具的散热条件和增强刀刃的强度, 采用较小的前角, 一般取0°～5°;加工超高强度钢材料, 由于材料强度及硬度都较高, 加工中所受到的切削抗力较大, 易产生切削振动。为提高刀刃强度, 选用较小的后角, 外刃后角取8°～12°, 内刃取12°～15°。

(5) 导向块的前端尽量和外刃最高点平齐, 滞后量为1～2mm, 这样可避免刀片磨损后导向块超前切削的可能性, 减小轴向力。导向块的倒锥量较大, 为减小导向块对孔壁的挤压, 应将导向块及外缘副切削刃磨成倒锥, 倒锥量为0.2mm/100mm。

4 工艺装备要求

(1) 在设备上, 卡盘跳动量不得大于0.03mm, 主轴与刀杆的同轴度必须保证在ɸ0.05mm;泵的供油压力大于3.5MPa, 流量大于520L/Min。设备精度不高, 油压太低会导致加工过程不稳定、孔尺寸的一致性差、刀具磨损速度加快、降低深长孔加工表面质量等不良结果。

(2) 对于刀杆, 根据被加工产品及设备的实际情况, 尽量设计最短的刀杆, 提高刀杆的刚性。将刀杆与刀体联接螺纹由单头改为多头 (与刀体匹配) , 以增强联结的稳定性和可靠性。

(3) 在零件结构上, 如果零件偏心, 必须增加配重使零件达到动态平衡, 以减小振动, 消除可能的引偏。

(4) 切削液的选择, 对于超高强度钢材料, 可选择机械油加极压添加剂。注意:极压添加剂中最好不含硫化物或氯化物, 如果含有这些成分, 则该切削液中一定不能含有水分。

5 深长盲孔钻削试验分析

试验件毛坯结构为超高强度钢整体模锻件 (具体结构见图5) , 状态:正火和高温回火, 钻削加工ɸ56±0.25mm深长盲孔并锪孔底型面, 长径比≈20∶1, 内孔及型面粗糙度均为Ra1.6;试验使用设备型号为DZ050;钻削系统为图1所示的BTA多刃错齿内排屑深孔钻;刀具 (见图6) 为 ɸ56多刃错齿内排屑深孔钻、可转位刀片型面粗锪钻、整体合金刀片型面精锪钻, 刀片为涂层合金刀片;切削液为机械油加极压添加剂。

试验过程中, 主轴转速50～745r/min, 切削速度为3～65mm/min, 通过大量试验表明 (参数见表1) :

(1) 当转速为330r/min, 切削速度为15mm/min时, 钻孔效果最为理想, 可得到光亮的C型切屑, 同时切削过程平稳, 刀具耐用度较好;而过小的进给量易形成连续的长卷硬屑, 会造成堵屑现象, 降低刀具的耐用度。当切削速度大于20mm/min时, 切削过程不稳定, 振动加剧, 切屑呈挤压长条状硬屑, 刀具磨损加剧, 加工表面粗糙。

(2) 在合理的工艺参数下, 钻削过程平稳, 振动较小, 钻削时轴向力较大。但当刀具出现磨损时, 钻削过程容易振动, 影响产品加工的表面质量。大量试验证明, 在合理的切削用量下, 钻头一次转位可以加工3～8个工件, 总深度达5000～8000mm。因此在刀片磨损时要及时将刀片转位或更换。

(3) 孔径尺寸稳定、变化较小, 精度可达IT7～8, 被加工表面粗糙度可达Ra1.6, 满足产品要求。

6 结论

通过该深孔钻削工艺, 成功解决了超高强度钢材料粗糙度为Ra1.6的深长盲孔的钻削精加工, 改变了传统需要热处理后磨削的加工方案, 同时避免出现因热处理后磨削造成超高强度钢烧伤等问题, 降低了产品超差率, 加快了生产流程, 同时极大地提高了生产率, 降低了生产成本。

摘要：介绍了超高强度钢零件深长盲孔的钻削精加工, 并对某转包产品进行试验验证。试验结果表明, 通过钻削加工能够达到超高强度钢深长盲孔高表面质量的要求, 实现高效加工。

关键词：超高强度钢,深长盲孔,高精度钻削加工,钻削试验

钻削加工 篇2

辊压机机架剪力销孔是轴向上下面分体结合的长孔,表面粗糙度Ra3.2,尺寸精度为ϕ110H7。通常多采用镗床钻孔-扩孔-铰孔的加工方法,由于孔深大,普通镗杆变形较大,轴向结合面产生切削振动,刀具磨损严重,孔加工后出现颤纹及锥度,表面粗糙度达不到要求,而且加工工序多,加工效率低。因此大型辊压机机架剪力销孔的加工成为一道困难工序,为了解决这一问题,我们在加工TRP140×140辊压机ϕ110mm×700mm剪力销孔时,在TK6922A数控镗床上采用了HTS钻削系统,先钻孔后铰孔,不但保证了剪力销孔的加工精度和粗糙度要求,而且加工效率大大提高。

2 刀具结构及使用情况

HTS钻削系统为先进的钻、扩孔为一体的钻削系统,该钻为内冷设计,钻尖及刀体上共有四个喷水孔,由于我公司的数控镗铣床未接通冷却液及冷却系统,因此采用外接高压水泵、自制水槽的方法冷却。

下面具体介绍一下HTS钻在我公司加工TRp140×140辊压机ϕ110mm×700mm剪力销的使用情况:

HTS钻尖(图1),型号B510S20000/AS3钻削头上钻尖下部有顶丝,使用时安装好两侧面6块刀片后,调整钻尖与其余刀尖高度为8.7mm,或是钻尖圆柱端高于其余刀尖1~2mm。

强力铣夹头C42/20/QM(图2),夹头的意义在于精度较高,因此打出的中心孔较正,定位较准。打中心孔应注意,钻尖圆柱端进去0.8mm,尺寸误差0.02mm以内。工艺块与轴承座体有间隙,首先加工R80深50mm凹台,然后打定位中心孔,防止HTS钻加工时的颤动、定位不稳等问题发生(图3)。

水槽设计:(1)要多层过滤,防止铁屑进入高压水泵(QBV/935-385功率3kW,流量3m3/h),导致钻头磨损。(2)避免冷却液循环污染及水的浪费。

刚进刀时注意转速及进给要小,S=80r/min,F=6mm/min,待进入一小段以后进给及转速可以适当调到S=115r/min,F=8mm/min。在加工过程中切忌停车,若停车后再启动办法如下:主轴退回0.2mm给转数、进给继续加工。切忌加工中断冷却液,通孔出刀时转速进给也要和进刀时一样。

光洁度可以达到Ra3.2,粗加工没问题,但是要作为精加工(不留量)还是有些风险的。

钻头的止动装置,长螺栓固定在划枕上,优点是简单、方便,缺点是Z方向只能移动划枕加工(划枕伸长后误差很大向下弯曲最大0.5mm左右)。

3 两种加工方法效率对比

(1)普通方法打销孔ϕ110mm,700mm长。

aϕ70mm加长钻头打底孔S≤80r/min、F12-16mm/min、T=700mm∕12mm/min=58min,时间约为1h。

b用ϕ60mm,700mm长镗杆扩孔,单边5mm,S=60r/min、F=12mm/min,扩两刀尺寸为ϕ90mm、T=700mm/12mm/min=58min,两刀时间约为2h。

c用扁圆形ϕ80m,镗杆700mm长,吃刀深度单边5mm,S=60r/min、F=12mm/min,两刀加工到ϕ109、t=700/12=58min,两刀时间约2h。

d半精加工(白钢刀)。单边留0.05mm,S=40~70r/min、F=6mm/min,镗700长,时间约2h。

e精加工(浮动镗刀)。S=15r/min、F=10~20mm/min,用时约1h。

打一个ϕ110mm孔粗加工孔用时为5h,加上磨刀、上刀时间共6h。

()用钻打一个长700mm、ϕ110mm孔,粗加工(直径留量1mm)时,S=115~130s/min、F=15mm/min,用时约1h。

使用HTS钻粗加工长700mm、ϕ110mm销孔,每个约节省5h,16个销孔共节约80h。

按我厂实际情况保守估算,TK6922A镗床每小时耗费600元(电费+机床损耗+耗油费)。

打一个销孔节省费用:5h×600/h

5h×600元/h(每小时数控机床耗费)=3000元

加工一台辊压机16个销孔节省费用:

80×600元/h(每小时机床耗费)=48000元

加工一台辊压机销孔节省时间:

80h/16h(每天开两班)=5d

4结语

钻削系统效率高,利用钻削系统进行粗加工结合白钢刀半精加工及浮动镗刀精加工的方法,在辊压机剪力销孔的加工中具有较高的实用价值。

在使用时要注意:(1)工件要装夹牢固;(2)水槽中的冷却液一定要充足,不能断续;(3)正确掌握机床刀具的切削用量和切削速度。

参考文献

[1]王先逵,机械加工工艺手册[K].第2卷,北京:机械工业出版社.

钻削加工 篇3

碳纤维复合材料 ( CFRP) 由于其质轻、模量高、比强度大等一系列优良性能, 广泛应用于各行业。在实际应用中, 一次成型制备工艺, 往往无法满足装配要求, 因而需要对其进行二次机械加工。特别是与其他零件装配时, 需要对CFRP进行大量的孔加工。复合材料碳纤维的各向异性和层间强度低, 使其在加工过程中易出现分层、撕裂、毛刺以及加工表面粗糙。CFRP属于难加工材料, 所加工零件的表面质量和加工精度, 影响整体零件的安全性能以及使用寿命[1,2]。影响加工表面质量的因素主要有钻削力、钻削过程产生的切削热、钻削工艺等, 在加工过程中, 主轴的振动会直接影响复合材料加工零件的表面质量, 降低加工精度[3]。当切削频率达到机床固有频率时, 会出现共振现象, 刀具剧烈磨损, 严重时会使机床整体折断, 严重影响机床使用寿命。因而需要对复合材料钻削加工过程中, 出现的振动现象进行测试与分析, 找出振动源, 控制主轴振动幅值, 提高加工零件的表面质量和刀具使用寿命[4]。

1 主轴振动信号测量方案设计

主轴振动信号源的准确分析, 取决于所提取的信号能否反映实际加工中主轴的振动。主轴处于高速旋转状态下, 在线测量振动信号, 在试验中选用非接触的加速度传感器。

1.1 振动来源

机床在加工过程中的振动按性质的不同主要分为强迫振动和自激振动。强迫振动是指加工过程中来自机床内部或外部的振动源产生的振动。机床内部振动源主要有切削产生的切削力、主轴旋转不平衡力和进给机构的爬行。机床的自激振动也被称为颤振, 当颤振频率近似的等于机床某阶模态的固有频率时, 则出现共振现象。在这些振动中对切削加工影响最大, 严重损坏机床的是共振的发生, 而无法消除只能有效控制的是由切削力产生的振动[5]。碳纤维复合材料加工过程中首先要避免振动频率等于机床固有频率, 在此基础上, 再通过调整切削参数如: 主轴转速、进给量、切削深度、刀具参数等, 来抑制强迫振动。

1.2 传感器和测点的选择

主轴振动信号, 可由振动位移、速度、加速度3 种特征值来反映振动量的大小。不同的频率段选用不同的特征值表征振动强度。针对主轴振动频率属于高频域, 采用加速度作为测试标准。依据测量机理, 传感器又可分为压电式、电涡流、光电声压等形式, 实验中选用的压电式加速度非接触传感器具有: 质量轻、体积小便于安装、频率响应范围宽、灵敏度高等优点[5]。

机床主轴振动主要为径向方向上的振动, 分别为x、y两进给方向上的振动, 以及轴线方向上的z轴振动。加速度传感器通过磁力座粘附于主轴表面上。传感器的质量虽小, 但是附加于主轴上的质量, 一定程度上会影响主轴质量的平衡, 引入不必要的外来振动。因而需要合理安排振动测量点, x、y轴传感器分别布置在x、y进给方向, z轴传感器安装在两质量合力线上, 实际安装图如图1 所示。

1.3 测试流程

机床主轴振动信号的测试与分析, 在搭建好实验平台后, 还需运用虚拟仪器开发相应的软件测试系统, 正确处理振动信号, 找到振动源并加以控制。主轴振动信号的实时监测流程图如图2 所示。

2 振动信号测量系统的设计

振动信号需要在加工过程中, 在线采集与实时分析信号, 高采样频率和采集的数据量大。采用Labview虚拟软件具有开发时间短、可扩展性强、高效灵活等优点, 能满足对大型数据在线采集与实时分析。针对碳纤维复合材料钻削过程主轴振动测试实验, 软件的开发主要围绕以下几点进行: 振动信号时域分析、计算振动信号均方根值以及频域分析、对振动信号进行频谱分析、计算振动信号的功率谱密度函数[6]。

2.1 信号采集程序

3 个单方向压电式加速度传感器将所采集的x、y、z轴振动信号, 传送至采集仪PXI, 而后进行处理。3 方向同时采集属于多通道采集, 借助Labview中的数据采集助手 ( DAQ assistant) 实现。DAQmx采用AI加速计多通道测量, 设置为连续采集。有耐亏斯特采样理论: 采样频率必须是最高频率的2 倍, 针对主轴振动信号为高频振动, 因而将采样率定为20 480 Hz。采集数据量大, 需要对数据进行缓存, 因而采用队列操作进行同一子VI中和不同子VI间数据的通信。信号采集程序框图如图3 所示。

2.2 信号处理程序

在碳纤维复合材料钻削加工过程中, 由于材料的难加工性, 以及外界不可控制因素的存在, 会产生较大的噪声, 干扰振动信号。因此首先需要对信号进行滤波处理, 采用butterworth滤波器。主轴最高转速为15 000 r / min, 其转动频率为250 Hz, 切削力频率为500 Hz, 分析其5 倍频以下, 故将滤波器的高截止频率设定为3 000 Hz以上频率为加工噪声引起的干扰信号。局限信号纪录产生的不相符特征, 会造成谱信息的泄露, 采用窗函数可以改善该现象。通常采用汉宁窗 ( hanning window) , 良好的频率分辨率可有效抑制谱泄露。

对滤波后的信号进行时域分析, 计算有效值, 即对加工过程的加速度信号计算其均方根值, 以观测振动幅值的变化曲线。但是时域信号并不能反映其异常振动点, 因此需要对加速度信号进行频谱变换, 得到频域上的振动频率分量, 由频率分量分析振动源。以减小振动频率分量的幅值为目标, 合理选择切削参数, 从而有效控制主轴振动。对所采集的离散信号进行FFT快速傅里叶变换, 选用功率谱密度函数 ( PSD) , 计算时间信号的平均自功率谱。振动信号处理程序框图如图4 所示。

2.3 总体程序设计

主轴振动信号的采集为3 通道同时采集, 对采集后的信号分别进行原始信号显示、时域信号分析、频域信号分析, 并导出处理后的数据进行分析。处理后的信号均以波形图显示出来, 结构较为复杂, 因而需采用条件结构, 控制多个子程序框图的执行。不同子VI间的数据传递通过全局变量实现。设计的系统交互界面如图5、图6所示。

3 钻削加工实验分析

碳纤维复合材料钻削加工实验中, 通过测量机床主轴振动信号, 分析不同切削阶段主轴的振动特性, 确定振动源, 实现对振动量的有效控制, 便是实验的目的。

3.1 实验平台搭建

实验材料选用碳纤维树脂基增强复合材料, 复合材料为0°、90° 纤维方向交叉铺设。实验刀具采用直径为6 mm、8 mm、10 mm整体硬质合金麻花钻。为减小工件振动对机床主轴振动产生的耦合作用, 设计了一个工件夹具, 碳纤维加工成15 mm×15 mm的矩形件, 由三爪卡盘固定在机床上。

实验测试系统由3 个单向的加速度传感器实现信号的采集, 采集后的信号传入NI-PXI-4492 振动采集仪, 后经所开发的Labview振动信号分析程序进行处理。

3.2空转与空转+进给实验 ( 不同加工阶段实验)

判断振动是否由主轴不平衡力或进给运动所引起, 可通过分析机床空转和空转+空进给阶段。空转阶段, 设置主轴转速为3 000 r/min, 主轴旋转频率SF=n/60 ( n为主轴转速) , SF = 50 Hz。观察主轴振动幅频曲线如图7 所示, 由图中可知主轴旋转频率分量的幅值不大, 其中z方向的幅值最小。3个方向的振动均对主轴的影响较小, 可以忽略。设置进给速度为0.1 mm/r, 结合空转运动, 由测量所得的幅频曲线可以看出, 进给运动对主轴振动的影响很小。

3.3 变切削参数实验

碳纤维钻削实验中, 通过改变切削参数: 主轴转速、进给量、刀具直径。研究不同切削条件下, 参数对主轴振动的影响规律, 优化碳纤维加工钻削参数, 提高零件加工表面质量。试验参数如表1 所示。

分析主轴转速为3 000 r/min, 进给量为0.1 mm/r, 刀具直径为8 mm切削条件下, 机床主轴振动信号曲线。由y方向功率谱密度曲线图中可知, 频率为46.7 Hz和97 Hz为频率异常值。46.7 Hz频率与主轴旋转频率3 000/60 =50 Hz接近, 出现的偏差, 是由于实际运转中实际转速达不到理论转速。频率为97 Hz的峰值则为刀齿切入频率TPF ( TPF = Zn / 60, Z为钻头刃数) , TPF = 2 × 3 000 / 60 =100 Hz。对比两频率值的峰值可知, 由主轴不平衡力引起的振动值远远小于刀齿切入频率, 因而主轴振动是由切削力所引起, 该振动为强迫振动。

观察变转速时见图8, 图8 中振动频谱曲线, 可知随着转速升高, 主轴振动主频幅值减小。 在转速3 000 r / min、6 000 r / min、11 000 r / min处, 主频幅值出现异常值, 突然剧增。由模态实验测试结果可知, 主轴前三阶模态频率分别为97 Hz、197 Hz以及360 Hz, 所对应的转速与异常点值接近。因而幅频曲线中出现的异常值是由于机床共振现象所引起的。

改变进给速度, 观察振动频谱曲线幅值变化见图9。图中除了TPF频率分量, 还出现了2TPF、3TPF等, 但峰值最大的依然是TPF频率分量。因此对比改变进给量时, TPF处峰值的变化曲线, 由图中可知, 随着进给量的增大, 振动幅值也逐渐增大。改变刀具直径, 加工参数相同, 由频谱曲线可知, 随着刀具直径的增大, 主轴振动幅值增大, 如图10 可示。

4 结论

测试了碳纤维复合材料钻削过程中, 机床主轴的振动信号, 基于Labview软件, 开发振动测试分析系统。对主轴振动信号进行时域分析和频谱分析, 由实验结果可知: 机床振动原因是由于钻削力所引起, 属于强迫振动。改变切削条件, 绘制规律曲线, 随着主轴转速的升高, 振动幅值逐渐减小。主轴转速为3 000 r/min、6 000 r/min、11 000 r / min时幅值出现异常点, 为共振现象所引起。随着进给量的增大, 主轴振动幅值变大, 同时刀具直径的增大, 也将使主轴振动幅值增大。

摘要：复合材料钻削过程中, 由于材料的难加工性, 机床主轴产生的振动对加工零件的表面精度和刀具寿命影响较大。需要对机床振动进行实时监测和控制, 基于Labview软件开发了一套机床主轴振动测试分析系统。以雕铣机DK6050为研究对象, 进行碳纤维复合材料钻削试验, 由压电式加速度传感器采集主轴振动信号, 进行频谱分析。实验结果表明该方法可准确找出振动源, 得出不同切削参数对主轴振动的影响规律, 为优化加工参数, 提高表面质量提供实验依据。

关键词：碳纤维复合材料,钻削,主轴振动,振动测试系统,频谱分析

参考文献

[1]Davim J P, Reis P.Drilling carbon fiber reinforced plastics manufactured by autoclave-experimental and statistical study[J].Materials&design, 2003, 24 (5) :315-324.

[2]张厚江.高速钻削碳纤维复合材料钻削力的研究[J].航空制造技术, 2006 (12) :76-79.

[3]Davim J P, Reis P.Study of delamination in drilling carbon fiber reinforced plastics (CFRP) using design experiments[J].Composite structures, 2003, 59 (4) :481-487.

[4]江浩, 龙新华, 孟光.侧铣加工动力学建模及仿真[J].振动与冲击, 2013, 32 (6) :152-156.

[5]郑鹏.机床加工过程振动特性及对加工表面质量影响的研究[D].武汉:华中科技大学, 2012.

钻削毛刺的形成与分析模型 篇4

钻削是孔加工普遍采用的方法。在通孔钻削加工中,孔出口处边缘通常会形成毛刺,称为出口毛刺。出口毛刺的存在严重地影响着工件的加工质量和使用性能。一般需要额外地增加去毛刺工艺,提高了加工成本、延长了生产周期,制约着自动化加工技术的发展。迫切需要开展对钻削毛刺形成机理的研究,从而为其主动控制提供理论指导和技术支撑。自上世纪60年代以来,切削毛刺问题已引起国内外学者的广泛关注,先后开展了切削毛刺的研究并取得了系列成果,在钻削毛刺上主要具有代表性的成果有:K.L.Gillespie和S.Pande等[[1,2]]试验研究了钻头结构、切削参数和材料特性对毛刺的影响;J.M.Stein[3]在对不锈钢钻削试验中,提出切削速度、进给速度及刀具磨损的增加将增大毛刺尺寸的形成;K.Takazawa[4]提出减小切削力并增加切屑排出的顺畅性将有利减小钻削毛刺的形成;A.Sofronas[5]提出了基于调整和优化钻尖角、螺旋角进给速度、塑性剪切强度及钻头直径从而控制出口毛刺形态尺寸的模型。由于钻头结构及钻削三维受力条件的复杂性,采用传统的数学-力学模型很难建立出工件与刀具相互运动参数、钻头结构参数及材料性能与钻削毛刺形成相互关系的理论分析模型,直接影响着钻削出口毛刺的控制技术的发展,使得去毛刺成本有增无减。随着数值分析与计算软件的发展,有限元分析模型逐步应用于毛刺形成机理的研究中,并证明是一种有效、可行的方法[6—8]。本研究在基于一种新的麻花钻结构建模的基础上,提出了一种基于材料失效模拟工件材料与切屑分离的钻削毛刺形成有限元分析模型,根据钻削过程模拟结果,对钻削出口毛刺的形成过程及力学、材料内部形变特性进行了深入分析,为深入揭示出其形成机理及毛刺的主动控制技术提供理论基础。

1 钻削毛刺形成模型的建立

1.1 麻花钻几何模型

麻花钻的几何结构参数一般由其制造参数确定。钻头的制造过程包括两个主要的磨削过程,即磨削沟槽和后刀面。这些磨削操作的参数确定了麻花钻最终成型的几何参数。如原始锋角,横刃斜角,横刃长度等都直接受麻花钻制造参数的影响锥面后刀面的方程及设计参数和磨参之间的关系,即钻头坐标系中的锥面方程为[9]

式(1)中,θ,β,,d,S为磨削参数。

由此来构建钻头模型必将是一个极其复杂、繁琐的计算过程。本研究前期提出了一种新的基于磨削过程的麻花钻几何结构建模方法[10],并在UG(nx4.0)上实现,钻头三维几何模型及网格划分结果(见图1)。在钻削过程模拟中,钻头具有轴向进给(f)和周向旋转(n)运动。

1.2 工件模型

钻孔的模拟需要耗费很大的计算机资源。如果要完整地模拟整个孔的加工,对计算机的要求比较高,需要的时间也比较长,鉴于模拟深度对所求参数的影响较小,在此只模拟一定深度,即钻削达到稳态即可。工件模型采用在一个圆柱实体上预先凿个近似钻尖形状的孔(见图2),这样可以提高了仿真分析的效率,减少了仿真分析的时间。钻削加工仿真分析时,当工件的尺寸、所用单元数等条件相同时,弹塑性有限元和刚塑性有限元的应力、应变分析结果几乎相同,但弹塑性有限元的数值计算时间却是刚塑性有限元计算时间的3到5倍。为了节省计算时间,在此,工件采用了热刚塑性材料模型,而刀具采用的是考虑温度变化的刚性材料模型。模拟过程中采取了四面体单元网格形式,工件单元类型是绝对网格类型,最大网格单元的尺寸和最小网格单元尺寸的比例是10。在模拟过程中,工件侧面固定约束。

1.3 关键技术

1.3.1 工件材料的流动应力模型

在实际切削加工中,工件材料常常在高温、大应变和大应变速率的情况下发生弹塑性流动,综合考虑各因素建立合理的材料流动应力模型是模拟分析的关键。

在建立的模型中,工件定义为塑性材料,主要考虑三个方面,屈服准则、流动准则和强化准则。采用VonMises屈服准则。发生屈服时,应变的发展方向是通过流动准则来描述。采用的是表格式数据形式,经由严格的试验得到。即

式(2)中,σ是流动应力;ε是应变;ε﹒是应变速率;T是温度。式(2)能够描述出材料真实的塑性流动行为,定义材料的本构关系。强化准则描述初始屈服准则随着塑性应变的增加是怎样发展的,选用了等向强化准则。建立的材料流变应力模型(见图3)。

在切削模拟中,选用材料的同时也就决定了切削方程式的形式,也就决定了材料切削行为特点。考虑加工中具有变形强化的特点,采用第了Oxley的加工硬化滑移线场模型[11]:

1.3.2 材料失效准则

切削模拟的一个关键问题如何实现切屑与材料的分离。切屑断裂准则是通过高温拉伸试验计算出断裂性能,并同金属变形断裂所需的能量建立起映射关系,将其作为判断金属材料延性断裂的临界能量值,所以能够有效预测材料的破坏情况,准则描述如式(4)[12]。

式(4)中σ*为最大应力;ε为等效应变;Df为材料发生断裂时的临界值。一般通过实验获得。

1.3.3 接触模型

刀具/切屑与刀具/工件之间的接触控制着摩擦、热转换条件,并且受到刀具与工件之间的主从关系的影响。在钻削中设定刀具为主要的目标,工件设定为从属关系,这意味着工件的变形是依据刀具的运动而产生,工件的网格不允许移动到刀具内部。同时设定了一个工件与其自身的主从关系,使得切屑不允许进入工件内部。刀具和切屑之间摩擦模型由粘性接触区tp和滑移接触区tc两部分组成(见图4)。选用合理的粘性区域长度与摩擦系数μ是保证计算结果正确的关键。

2 模拟条件

模拟条件主要包括钻头结构的几何参数、切削参数、材料特性参数、摩擦及热传导参数等,如表1所示。

3 模拟结果与分析

在不同的切削条件下,模拟结果得到三种不同形态的钻削出口毛刺(见图5)。分别称为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型毛刺。

其中Ⅰ型毛刺凹向工件实体,故又称之为亏缺(负毛刺)。一般情况下,Ⅰ型毛刺尺寸对工件的精度和性能影响不大。但当孔的加工精度要求较高时,也往往成为影响孔的质量及工件的使用性能的原因之一。Ⅱ型毛刺的高度较小,毛刺根部厚度较大。此种进给方向毛刺的断面面积较大,去除较为困难。特殊情况下,需要安排去除毛刺的工序。它将降低生产效率,增大加工成本。Ⅲ型毛刺的尺寸最大,其断面面积最大,此种毛刺亦有翻卷毛刺之称。去除困难,去除作业量也大。试验结果表明,在不同的切削条件下,得到与模拟结果相同的三种形态毛刺(见图6)。为有效控制钻削出口毛刺的形成,必须优化选择切削参数,使之形成I型毛刺。由模拟结果得出:高转速、高进给量的切削条件有利于I型毛刺的形成,并与试验结果取得一致,由此可以表明本模型的可靠性和有效性。

为分析钻削毛刺形成过程中,工件材料的形变和力学特性,可以在工件出口部选取观测点(见图7)。同理,可对工件材料的应变特征进行相应分析,并且,在对模拟结果数据进行后处理的基础上,可对钻削轴向力进行分析与预测,从而深入揭示出钻削毛刺形成的形变和力学机理。

4 结论

利用一种新型基于磨削过程的钻头结构模型,以材料失效准则为切屑-工件分离判据,建立出钻削毛刺形成与分析的有限元模型,模拟结果得到三种不同形态的毛刺与试验结果取得一致,为有效控制钻削出口毛刺的形成,优化选择切削参数,使之生成I型毛刺形态是一种有效的方法,并且,高转速、高进给量有利于I型毛刺的生成。通过在工件材料内部选择合适位置的观测点,可以观测钻削毛刺形成过程中,工件的弹塑性变形及力学变化特征,从而进一步深入分析毛刺形成的力学机理。本模型的建立,为理论分析毛刺的形成机理提供了一条有效的途径。

摘要：钻削过程中在工件的出口处形成的毛刺严重地影响了工件的质量,制约着自动化加工技术的发展。由于在钻削毛刺形成过程中,钻头结构、受力情况非常复杂,采用传统的数学-力学方法很难建立其分析模型。首次提出利用材料失效模型建立钻削毛刺形成模拟的有限元模型,模拟结果得到的三种不同形态的钻削毛刺与试验取得了一致。模型的建立为主动控制毛刺优化选择切削参数及深入分析毛刺形成过程中工件材料内部弹-塑性变形及力学机制提供了一种新的有效途径。

关键词：毛刺,有限元模型,钻削,形成机理

参考文献

[1]Gillespie L K,Blotter P T.The formation properties of machining burrs.ASME Journal of Engineering for Industry,1976;98:66—74

[2]Pande S,Relekar H.Investigation on reducing burr formation in drilling.Int J Mach Tool Des Res,1986;26:87—93

[3]Stein J M.Burr formation in precision drilling of stainless steel.Ph D Dissertation,Department of Mechanical Engineering,University of California,Berkeley,1995

[4]Takazawa K.The academic challenge of burr technology in Japan.Japanese Society of Deburring and Surface Conditioning Technique,1985

[5]Sofronas A.The formation and control of drilling burrs.Ph D Disser.tation,the University of Detroit,1975

[6]Guo Y,Dornfeld D.Finite element analysis of drilling burr minimiza.tion with a backup material.Transactions of NAMRI/SME,1998;207:207—211

[7]Park I W,Dornfeld D A.A study of burr formation processes using the finite element method:Part I.ASME J ENG Mater Technol,2000;122(4):221—228

[8]Park I W,Dornfeld D A.A study of burr formation processes using the finite element method:Part II.the influences of exit angle,rake angle,and backup material on burr formation processes.ASME J ENG Mater Technol,2000;122(4):229—236

[9]曹正铨,等.钻尖数学模型与钻削试验研究.北京:北京理工大学出版社,1993:10—54

[10]王磊,王贵成等.标准麻花钻三维实体模型的创建.工具技术,2007;41(6):75—78

[11]张幼祯,王贵成,等.标准麻花钻三维实体模型的创建.工具技术,2007;41(6):75—78

主轴箱相交孔的钻削定位设计 篇5

如图1, Z4012型台钻主轴箱的孔系中有一对垂直相交孔, 分别是用于安装进给齿轮轴的孔φ32H7和安装主轴套筒的孔φ50H7。在钻削加工φ32H7孔时, 需要预先在φ50H7孔中嵌入与工件相同材料的圆柱, 以防止钻头钻至两孔相交处时走偏, 以及防止把已加工部分孔径刮大。设计工件的定位时, 将工件的嵌入材料设计为正刀套与夹具的定位元件巧妙结合, 从而实现对工件准确定位和快速装卸, 同时最大限度节省辅助材料。

2 夹具设计

根据工件的形状特征和加工要求, 夹具设计为方体型的翻转式夹具, 如图2。工件以一面两孔定位, 两个定位心轴分别是φ70h6削边心轴和φ50h6短心轴, 满足中心距、平行度以及与底平面 (定位平面) 的垂直度要求, 如图3。加工φ32H7孔分钻、扩、铰三步进行, 选择快换钻套。

1.夹具体2.φ70削边心轴3.主轴箱4.压板5, 6.螺母7.垫圈8.正刀套9.φ50短心轴

3 正刀套

即嵌入在工件已加工孔φ50H7中的圆柱。正刀套压装在夹具上的φ50阶梯心轴上, 起到钻削时的正刀作用 (校正钻头走向) , 如图3。因工件的材质为HT200, 故正刀套材质为HT200或HT150。

图4所示为正刀套的尺寸设计。其尺寸及精度要求首先应保证工件的顺利安装和不影响工件的准确定位;其次作为嵌入材料, 正刀套的壁厚要够用, 能起到正刀作用, 并且要最大限度地节省辅料。所以正刀套的外圆和内孔的尺寸及公差要设计合理, 长度适中。

4 定位误差

主轴箱内孔φ50H7 (0+0.025) 和定位心轴φ50h6 (0-0.016) 配合, 其最大单向基准位移误差为δ= (0.025+0.016) /2≈0.02<0.06mm, 能保证工件尺寸36.490+0.06mm的加工要求。主轴箱内孔φ50H7 (0+0.025) 与正刀套外圆φ50f7 (-0.050-0.025) 配合的最小间隙为0.025mm, 能保证工件的顺利安装且不影响工件的定位。

5 操作要点

(1) 为保证工序尺寸36.490+0.06mm的精度要求, 避免在装配时出现进给齿轮轴与套筒齿条啮合过紧的问题, 工件在夹具中装夹时, 应给工件施加一外力, 使工件向工序尺寸36.490+0.06mm增大的方向产生单向基准位移, 而不是相反。

(2) 每加工完一件后, 应将正刀套转动90°压紧, 然后再加工下一件, 否则正刀套将失去作用。

摘要：在加工主轴箱相交孔时, 将正刀套与夹具的定位元件巧妙结合, 可实现精确定位、快速装卸、满足加工精度要求。