30000字硕士毕业论文基于准干深孔加工的刀具特性研究

论文类型：硕士毕业论文

论文字数：30000字

论点：刀具,加工,切削

论文概述：

通过 Solidworks2011 三维建模平台，利用 Visual Basie6.0 编程语言及可视化界面设计开发出 BTA 深孔钻参数化建模系统，分别实现了焊接式的单刃和三刃 BTA 深孔钻、机夹可转位的三刃、五刃及七刃

论文正文：

单线程理论

1.1 引言在机械制造行业中，深孔加工技术就是指孔全长与孔径之比大于 5，为通用机床及工具所不能实现的加工工艺[1]。作为机械制造加工中的重要分支领域，深孔加工从原来的枪、炮管加工逐渐扩展到煤炭、石油开采与加工、航空航天、重型机械、汽车制造、发动机制造、冶金以及仪器仪表等加工行业中，与其他加工工艺互为补充。但是，在近现代的深孔加工中，世界各国尤其是中国应用的技术主要是湿式深孔加工。根据美国等西方国家相关企业的不完全统计，切削液在机械加工中的耗费大约占总生产成本的14%～17%，刀具成本占 2%～4%。一些学者在对切削加工过程的研究中发现：切削液在传统湿式加工（应用切削液对刀具和工件进行冷却、润滑以及排屑的加工）中的使用率比较低，大多切削液不能循环使用且含有害物质。在其背景下，干式切削（少用或不使用切削液对工件进行加工）便被广大学者得以提倡。但在深孔加工中刀具的定心和导向是靠导向块来完成的，若在导向块和孔壁之间不添加任何润滑剂使之形成一层油膜，势必会加速导向块的磨损和撕裂，引起切削振动或打刀。因此，起润滑作用的切削液在导向块与孔壁之间形成一层油膜是必不可少的。基于以上所述的深孔钻削特点，采用完全干式切削（完全不使用切削液）在实际的深孔加工中是难以实现的，而选择采用高压雾化切削液进行排屑、冷却和润滑的准干式深孔加工是比较符合实际情况的加工方法。准干式切削(Near-dry Cutting)的原理是使用最小量润滑（MQL）技术将少量的润滑剂与压缩空气进行混合使之形成汽化的微米级汽雾喷向切削区。与干式加工方式相比，避免了工件的划伤及减少了刀具的磨损；与湿式加工方式相比，切削液的用量可以忽略不计，很大程度降低了生产成本及对环境的破坏。
 1.2 深孔加工刀具的种类及特点1.2.1 外排屑单双刃深孔钻（枪钻）枪钻由头部、钻杆和钻柄三部分组成，如图 1.1 所示，分单刃钻和双刃钻两种类型。其工作原理是由钻杆后部中空注入的高压油，经钻杆内部的腰型孔到达切削区带动切屑从 V 型槽与工件孔壁之间排出，故称为外排屑。一般钻头前角为 0o，无横刃，钻尖偏离轴线，以便于制造。其最小加工直径为φ1mm；最大长径比超过 100，甚至可达到 250；加工孔的表面粗糙度为 Ra0.4~Ra3.2；加工精度可达到 IT7~IT9。但是在外排屑深孔钻削中，由于切屑直接与孔壁接触，导致加工孔表面易被切屑划伤；另外，带有 V 型槽的钻体造成了钻杆结构的不对称，使得刀具整体刚度降低。
 1.2.2 单管内排屑深孔钻（BTA 钻）
BTA（Boring and Trepanning Association 意为钻镗孔与套料加工协会）内排屑深孔钻在深孔加工刀具的工作原理与外排屑不同的是：切削液是从钻杆和孔壁间隙处到达切削区，而切屑是从钻杆的内孔中和切削液一起排出的。内排屑深孔钻从结构形式上可分为单刃内排屑深孔钻和多刃内排屑深孔钻，目前后者应用最广。（1）BTA 单刃内排屑深孔钻如图 1.2 所示，BTA 单刃钻的切削部分主要由钻尖、导向块、两个外刃、内刃及排屑口组成。在前刀面上磨有断屑台且在外刃一般磨有两个或更多分屑台阶以便形成 C 形屑。其缺点就是：所受径向力及扭矩较大，导向块磨损严重，一般只适用于中、小直径（6~65mm）深孔加工。加工精度达 IT8~IT10 级，表面粗糙度为 Ra0.8~Ra3.2。（2）BTA 多刃错齿内排屑深孔钻图 1.3 为多刃错齿内排屑深孔钻的结构图。错齿钻可以简单理解为把单齿钻的中间齿转位 180o 而衍生的结构，并在原出屑口对方相应的地方开辟出第二个出屑口，这样就形成了双出屑口。依据钻头直径的大小，其径向排列有 3～7 个刀齿不等(小直径钻头取小值)。这种结构减少了各支切屑的相互干扰，增大了排屑通道面积，尤其改善了整个钻头和导向块的受力情况。对于直径为 20 ~50mm 的深孔工件，一般采用焊接式进行加工，而直径大于 50mm 的深孔工件，可有效地采用机夹式结构进行加工。
 2 BTA 深孔刀具的几何参数特性研究
 2.1 深孔加工 BTA 钻的切削几何参数分析2.1.1 单刃内排屑深孔钻单刃内排屑深孔钻的标注角度如图 2.1 所示，其几何角度是在正交平面参考系下进行标注的。下面对内排屑深孔钻主要的几何参数特性作具体分析。
 3 准干式深孔刀具切削力及切削热理论分析...........283.1 准干式深孔刀具切削力的理论分析...........283.1.1 刀具切入阶段的受力分析...........283.1.2 刀具钻孔过程中的切削力计算...........293.2 准干式深孔刀具切削热的理论分析...........333.2.1 热模型的假定...........343.2.2 刀具速度计算...........343.3 本章小结...........414 深孔 BTA 刀具的参数化建模...........424.1 参数化建模系统总体设计...........424.2 深孔 BTA 刀具的参数化设计...........464.3 系统功能及运行实例...........494.4 本章小结...........565 准干式深孔刀具排屑口优化及有限元钻削分析...........575.1 准干式深孔刀具排屑口拓扑优化........... 575.2 准干式深孔 BTA 刀具钻削有限元仿真...........635.3 仿真结果分析...........685.4 本章小结...........72
 结论
 （1）概述了深孔刀具的种类特点、国内外研究状况以及准干式深孔刀具设计所存在的问题，并阐述了本课题研究的意义、目标。（2）分析了湿式加工单刃和多刃 BTA 深孔钻的切削几何参数特性，并对分屑的机理及其尺寸进行了研究分析。为改善断屑台的几何参数对切屑的折断效果和 C 形屑的形成效果，建立了 C 形屑的数学模型，从力学的角度得出断屑判据；为了刀具导向更为合理，利用稳定度概念指定了导向块的位置分布；在对湿式深孔钻的特性分析基础上，使用模糊综合评价方法优化了刀具角度几何参数，并对三刃 BTA 钻各齿几何参数分配及刃倾角起点位置进行了研究。（3）在金属切削原理、传热学原理、热源法及相关文献的基础上，建立了准干式深孔加工刀具的切削力、切削速度的数学模型；依据准干式深孔刀具钻削特性，考虑主要因素，略去次要因素，建立了切削热的计算表达式，并分析了刀具的几何参数以及切削用量对切削力、切削热的影响大小；基于刀具切削热的机理推导出刀具温度场的计算公式，且分析了刀具几何参数、切削用量、刀具及工件材料对温度场的影响大小。（4）通过 Solidworks2011 三维建模平台，利用 Visual Basie6.0 编程语言及可视化界面设计开发出 BTA 深孔钻参数化建模系统，分别实现了焊接式的单刃和三刃 BTA 深孔钻、机夹可转位的三刃、五刃及七刃 BTA 深孔钻实体模型的参数化。在深孔刀具的开发设计领域里，其系统提高了设计效率，由于用户可以任意选择参数，开拓了设计空间，使设计质量得以提高，满足了对深孔刀具智能化的要求，也为深孔加工刀具的规范化、标准化、系列化奠定了基础。（5）利用 Hyperworks 结构优化有限元分析软件以第一阶固有频率最大化作为目标函数对三刃内排屑深孔钻的排屑口做了拓扑优化，扩大了排屑口的空间。并应用 ANSYS有限元分析软件对优化前后的应力做了对比，其结果满足深孔加工要求，改善了准干式深孔加工排屑难的问题；通过利用 Deform-3D 非线性有限元软件对商用及优化后的单刃深孔 BTA 刀具的钻削仿真结果进行分析，验证了仿真结果与理论及试验数据比较靠近，并针对两者刀具切削力、温度场、刀具磨损、形成的切屑形状、断屑效果进行了对比分析，得出经优化的单刃和三刃深孔 BTA 刀具更适合准干式深孔加工。
 参考文献：[1] 周国刚.深孔加工刀具的发展[J].四川兵工学报,2009,30(8):11-13.[2] 王俊.我国深孔加工技术的现代化发展与前景展望[J].太原机械学院学报,1991,12(3):75-80.[3] 刘献礼,文东辉等.硬态干式切削机理及技术研究综述[J].中国机械工程,2002(13):73-76.[4] Sukanta Bhowmick, Michael J. Lukitsch, Ahmet T. Dry and minimum quantity lubricationdrilling of cast magnesium alloy (AM60) [J]. International Journal of Machine Tools &Manufacture, 2010,50:444-457.[5] 王俊.20 世纪深孔加工技术的兴衰及新突破—介绍 SIED 深孔加工集成技术[J].机械管理与开发, 2004,79(4): 1-2.[6] 席卫锋.亚干式深孔加工切削机理研究[D].西安:西安石油大学,2009.[7] 李春蕊.BTA 深孔钻削刀具系统特性研究[D].西安:西安石油大学,2008. 张银东.深孔振动钻削机理及其工艺装备的研究[D].太原:华北工学院,2004． G.Sutter, L.Faure, A.Molinari. An experimental technique for the measurement oftemperature fields for the orthogonal cutting in high speed machining [J]. Internationaljournal of machine tools &manufacture.2003, 43:671-678. 王竣.现代深孔加工技术[M].哈尔滨:哈尔滨工业出版社,2005.

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