【正文】 力的產(chǎn)生，進而在工件的加工表面上留下明顯的振紋，此現(xiàn)象的振動稱為自激振動，簡稱顫振。所以本章主要討論金屬切削過程中的自激振動。強迫振動是外部激勵源或機床內(nèi)部的周期性振源所誘發(fā)的振動，強迫振動的存在必定是由于存在某個或某些激振源，要想抑制系統(tǒng)的強迫振動，消除這些激振源是必須的。(3) 自激振動：系統(tǒng)在不存在外部激振力的條件下，而由系統(tǒng)本身產(chǎn)生的交變力激發(fā)和維持的一種穩(wěn)定的周期性振動，振動的頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率。在阻尼系統(tǒng)中，振動過程中由于只存在能量消耗，系統(tǒng)振動幅值將會逐漸衰減，自由振動的頻率即為系統(tǒng)的固有頻率。因此，研究機床中的各種振動的特性、規(guī)律和產(chǎn)生機理是提高機床動態(tài)性的主要途徑，進而尋找相應(yīng)的措施預(yù)防產(chǎn)生各種振動。這種交變的動態(tài)切削力會導(dǎo)致刀具切削部分疲勞，進而引起崩刃、打刀等，而且加速機床和夾具相關(guān)部位的磨損、松動、喪失精度。首先，工件和刀具之間的切削振動不僅使工件和刀具的相對位置以及速度發(fā)生變化，導(dǎo)致切削過程惡化，而且切削振動對切削效率和深孔鉆削質(zhì)量至關(guān)重要；其次，切削振動將會導(dǎo)致刀具的瞬時切削厚度在名義切削厚度附近產(chǎn)生波動，進而導(dǎo)致機床和刀具工作在動載荷下，加速了刀具的磨損并喪失了切削精度，最終降低了機床的使用壽命和刀具的耐用度，而且如果出現(xiàn)嚴重振動，刀刃可能會跳離工件，切削厚度突然降至零，或者刀刃又會深深地扎入工件，其瞬時切削厚度是名義切削厚度的好幾倍；此外切削振動還使得刀具的實際前角和后角產(chǎn)生周期性的變化。深孔鉆削過程中刀具的切削刃與工件的被切削表面之間存在著切削運動和周期性的相對運動—切削振動。(5) 切屑的形成、變形以及折斷引起的動態(tài)鉆削力使深孔鉆削處于復(fù)雜的動態(tài)變化之中。(3) 刀具在加工過程中切割硬質(zhì)點會產(chǎn)生動態(tài)鉆削力，由于不均勻分布的工件材料金相組織，會造成硬度在材料內(nèi)部各空間位置上分布不一致，使得作用在刀刃上的力在加工過程中不斷變化，進而引起動態(tài)鉆削力。由于深孔的加工過程可以視為一個閉環(huán)的系統(tǒng)，在加工過程中會產(chǎn)生振動，甚至在某些條件下會產(chǎn)生自激振動，由此產(chǎn)生的動態(tài)鉆削力和刀具磨損關(guān)系密切，刀具磨損比影響切削剛度和切削過程阻尼比，這將使動態(tài)鉆削力處于不斷變化之中。第四章 深孔鉆削加工穩(wěn)定性分析 深孔鉆削加工的動態(tài)鉆削力 第三章中的深孔鉆削加工的力學(xué)特性分析是在深孔加工處于穩(wěn)定的鉆削狀態(tài)下進行的。θ2=180。 本章小結(jié)本章以BTA錯齒內(nèi)排屑深孔鉆為例，分析了BTA深孔鉆的力學(xué)特性，在測得總軸向力和扭矩的條件下，分解深孔鉆削刀刃上的作用力，提出了測量總的軸向力和扭矩的方法，并且給出了求解各切削力分量的方程，為深孔鉆削加工的進一步研究，提供了力學(xué)分析的依據(jù)；關(guān)于深孔鉆削加工受導(dǎo)向塊位置角的影響，研究了合理分布的導(dǎo)向塊位置，并且最終確定出：θ1=80。θ2=180。通過分析，可確定導(dǎo)向塊較為合理的分布為：θ1=80。~90。~65。~50。的范圍以內(nèi)變化。此時，導(dǎo)向塊的合力F1，F(xiàn)2分別為： 315由前面的分析可知，θ1θ2的值一般不會超過180。依據(jù)導(dǎo)向塊設(shè)計原則，導(dǎo)向塊起著支撐的作用，即合力的方向應(yīng)在兩個導(dǎo)向塊之間，這樣才不致偏移和翻轉(zhuǎn)，通常在設(shè)計時，應(yīng)使兩個導(dǎo)向塊面積相等，導(dǎo)向塊1，2上作用的正壓力N1，N2相等，也就是F1等于 F2，即： 313由于摩擦角β很?。ㄒ话悴怀^5。之間時，F(xiàn)F2為正值，切削處于平衡狀態(tài)，同時，如將角λ大于90。假定徑向切削力分量Fy和主切削力分量Fz的合力(Fyz)的夾角為λ，孔壁與導(dǎo)向塊的摩擦角為β，導(dǎo)向塊1，2所受的正壓力和周向摩擦力的合力分別為F1和F2，則有： 310切削力對導(dǎo)向塊的作用簡圖見圖34所示：圖34 導(dǎo)向塊的受力簡圖從圖34中可以得到： 311解方程組得： 312 通過分析式3—12可知：當(dāng)θ1—θ2介于90。從式3—9可以看到導(dǎo)向塊的位置角對這些力有影響，不同分布的導(dǎo)向塊對深孔加工過程的力學(xué)特性有著十分重要的影響，因此，分析導(dǎo)向塊的分布情況是很有必要的。應(yīng)變片電阻的相對變化量，則B、D之間的電壓U的表達式為： 37式37中，Kp—應(yīng)變片的靈敏系數(shù)；V—橋路所加的電壓。以這種方式布片可以達到只測量出扭矩而排除軸向力的目的。同時，依據(jù)Dortmund大學(xué)的U. weker和Stuttgart大學(xué)的Franz Pflegh博士用不同的實驗方法測量出的深孔鉆削時主切削力力臂L的計算公式[28]： 34通過試驗的方法找到一個Fx、Fy、Fz之間或者它們?nèi)我鈨蓚€量之間的函數(shù)關(guān)系，試驗表明：通常主切削力分量Fz約為軸向切削力分量Fx的2倍，即可得到補充方程： 35 由前面的分析可知，為求解各切削力的分量，必須首先測得總軸向力和扭矩M，在測量總軸向力和扭矩時，使用直接承受軸向力和扭矩的鉆桿，將其作為測量鉆削力的彈性體，同時測得總的軸向力和扭矩[27]。BTA深孔刀具力學(xué)模型如圖31所示：圖31 BTA深孔刀具力學(xué)模型由上圖的力學(xué)關(guān)系方程式，寫出其力學(xué)方程式見式3—1： 31—總軸向力；Fz—主切削力分量；Fy—徑向削力分量；Fx—軸向削力分量；M—總扭矩；L—主切削分量力的作用力臂；NN2—導(dǎo)向塊2上的正壓力；FfFf2—導(dǎo)向塊2上的周向摩擦力；FfxFfx2—導(dǎo)向塊2上的軸向摩擦力；θθ2—導(dǎo)向塊2上的位置角；μμ2—導(dǎo)向塊2與孔壁之間的摩擦系數(shù)。深孔加工刀具種類繁多，常見鉆頭有BTA鉆、噴吸鉆、DF系統(tǒng)和槍鉆等，從力學(xué)的分析來講，上述幾種鉆頭的結(jié)構(gòu)特點和受力情況均是一致的，即副切削刃與兩個導(dǎo)向塊在圓周三點布置，導(dǎo)向、切削分離，切削時，主切削力和徑向力把導(dǎo)向塊壓向孔壁，導(dǎo)向塊和副切削刃還受到孔壁的摩擦力矩，所以，在簡化各種深孔刀具的作用力后，可表示為相同的力學(xué)模型，下面以BTA錯齒內(nèi)排屑深孔鉆為例，建立BTA鉆的力學(xué)模型[2729]。為了研究鉆頭上各個切削力的分量，支持深孔加工的力學(xué)分析，可從測量的總的扭矩和軸向力出發(fā)，同時結(jié)合測量與計算的方法，對其所受的力進行分析，分解得到作用在鉆頭上的各個切削力的分力。深孔鉆削加工是在復(fù)雜工況下進行的，它利用導(dǎo)向塊在已加工孔表面上的定位和支承進行孔的鉆削[2325]，其特點是工件與刀具不僅是刀刃的單一接觸，還有刀具附加導(dǎo)向塊與工件的接觸，最終起作用的有導(dǎo)向塊上的正壓力與摩擦力、總的切削力。深孔鉆削的經(jīng)濟性主要包括刀具耐用度、切削效率及加工狀態(tài)等因素，而影響深孔鉆削加工質(zhì)量和經(jīng)濟性的眾多因素都可以使用作用在工件上的力來加以描述。第三章 深孔鉆削的力學(xué)特性分析為了提高深孔鉆削的質(zhì)量和經(jīng)濟性對深孔鉆削進行研究是必不可少的。雖然采取一些措施解決了一些深孔加工的問題，但由于工件材料、加工條件等多方面因素的改變，使深孔加工的一些歷史性問題仍未得到徹底解決，使得鉆削過程并不能穩(wěn)定進行，因而適用范圍仍就有限。它們用于自身的一些加工優(yōu)點和缺點，在不同的程度上改善了深孔加工中存在的難題。 （1）孔徑直線性差：主軸、刀具導(dǎo)向套、鉆桿支撐套，共建支撐套等中心線不同軸度超差；刀具導(dǎo)向套孔徑過大；進給量過大引起較大的鉆桿變形；（2）孔不圓度大：主軸、刀具導(dǎo)向套、鉆桿支撐套，共建支撐套等中心線不同軸度超差；切削刃幾何形狀不當(dāng)；夾緊力不均勻引起工件變形；（3）孔徑尺寸差：切削刃幾何形狀或位置不當(dāng)?shù)毒邔?dǎo)向套磨損出現(xiàn)喇叭口，進給量大；（4）表面粗糙度較差：刀具的振動過大、切削速度過低，進給量過大或不均勻；主軸、刀具導(dǎo)向套、鉆桿支撐套，共建支撐套等中心線不同軸度超差；導(dǎo)向支撐塊幾何形狀不當(dāng)；刀具導(dǎo)向套孔徑過大；切削液種類不當(dāng)；切削液壓力不當(dāng)或過濾不好。如必須停車，應(yīng)先停止進給，并將刀具退回一段距離，然后停止油泵和主運動的旋轉(zhuǎn)，以防止刀具在孔中產(chǎn)生“咬死”現(xiàn)象。表2—1 常用深孔加工方法加工方法加工刀具加工孔徑（mm）尺寸精度圓度誤差μm表面粗超度Ra/μm深孔鉆削扁鉆25~450IT11~IT14≥4010~深孔麻花鉆1~75IT11~IT1410~槍鉆2~50IT7~IT105~105~DF鉆6~65IT7~IT105~15~BTA鉆6~80IT7~IT105~155~噴吸鉆18~65IT9~IT105~405~BTA套料鉆47~500IT9~IT12≥205~BTA擴鉆20~240IT7~IT95~15~深孔鏜削外排屑深孔鏜刀2~50IT8~IT1110~805~BTA鏜刀≥20IT8~IT1110~805~浮動鏜刀≥50IT8~IT1110~405~組合鏜刀20~220IT8~IT1110~40~深孔鉸削多刃鉸刀10~60IT8~IT1110~40~單刃鉸刀10~60IT8~IT105~10~金剛鉸刀3~100IT7~IT105~10~深孔磨削深孔磨削大、中直徑IT8~IT1010~40~深孔衍磨2~1200IT6~IT95~30~滾壓滾壓頭≥6IT5~IT95~30~表2—2常用深孔加工方法的特點加工方法長徑比特點扁鉆小于10制造簡單,鉆削不平穩(wěn),一般只用于粗加工,生產(chǎn)效率低麻花鉆小于50剛性差,進給量小,生產(chǎn)效率低,冷卻困難鉆頭耐用度低,重磨次數(shù)多槍鉆可達250單位長度走偏值遠小于麻花鉆,效率高BTA鉆可達250密封要求高,壓力高,效率比槍鉆高3倍噴吸鉆大于100密封要求低,壓力低,效率比槍鉆高3倍DF系統(tǒng)可達100效率比槍鉆高3~6倍,比BTA高3倍SIED系統(tǒng)可達200孔徑范圍基本不受限制,排屑能力不受鉆頭直徑影響 深孔加工注意事項與問題分析（1）主軸、刀具導(dǎo)向套、刀桿支承套，工件中心架等中心線的不同軸度應(yīng)符合要求；（2）檢查切削液系統(tǒng)是否則暢通和正常工作；（3）工件的加工端面上不應(yīng)有中心孔，并避免在斜面上加工鉆孔；（4）采用較高速度加工通孔，當(dāng)鉆頭即將鉆通時，最好停車或降速。因此，其經(jīng)濟加工精度可達IT8~IT9級，孔的直線度和偏移量均好于實體鉆，其加工直徑范圍Φ20~Φ124mm，擴孔余量3~6mm[20,21]。BTA擴孔鉆使用與BTA實體鉆相同的設(shè)備、鉆桿、導(dǎo)向套，操作方法基本相同。（2） 用于工件上已有原始孔的加工。當(dāng)深孔直徑大于設(shè)備加工范圍或功率限度時，可以先在實體上鉆較小的孔，通過擴孔，獲得所需的尺寸，不必重新購置大規(guī)格的機床，從而節(jié)約成本。BTA擴孔鉆具有導(dǎo)向作用，能修正原有孔的尺寸和形位誤差，但其本質(zhì)仍是鉆孔。兩支油路各設(shè)獨立的調(diào)壓閥，可以將油壓及流量分別調(diào)整至最佳狀態(tài)。SIED系統(tǒng)的工作原理如圖2—8所示，切削液經(jīng)液壓泵輸出后，一部分流入輸油器經(jīng)鉆桿與鉆套、己加工孔壁之間的間隙流入切削區(qū)，推動切屑進入出屑口。 9—前噴嘴。 7—夾頭。 5—輸油器。 3—BTA 鉆。1—工件。由于DF系統(tǒng)的局限性，它僅填補了BTA系統(tǒng)未覆蓋的加工范圍。DF系統(tǒng)比BTA系統(tǒng)適應(yīng)性更大，對油泵排油量、油箱容積和機床密封的要求低于同直徑的BTA鉆，而DF系統(tǒng)加工效率、加工質(zhì)量和經(jīng)濟性均高于BTA鉆。它吸收了BTA系統(tǒng)和噴吸系統(tǒng)的優(yōu)點，用一根鉆桿完成推、吸作用。DF系統(tǒng)的工作原理如圖2—7所示，其抽屑機理與雙管噴吸鉆相同。 DF系統(tǒng)需在單管BTA鉆桿后增加一套抽屑器，屬于單管噴吸鉆系統(tǒng)的改進型。圖26 噴吸鉆的工作原理 DF(Double Feeder system)系統(tǒng) 70年代日本冶金公司推出了結(jié)構(gòu)更為簡單的雙向供油噴吸鉆系統(tǒng)—DF(Double Feeder)系統(tǒng)。內(nèi)管的設(shè)置及負壓作用，使排屑狀況明顯改善，所需的油壓和流量僅為BTA系統(tǒng)的二分之一，降低了密封要求，同時因省去了輸油器而代之以結(jié)構(gòu)尺寸較小的鉆套，鉆桿的懸伸長度減短，扭曲變形量降低。20世紀(jì)60年代初，SANDVIK公司推出了基于BTA技術(shù)的雙管噴吸鉆，它首次將負壓抽吸效應(yīng)用于深孔加工，簡化了機床結(jié)構(gòu)，將已有的設(shè)備改裝后即可用于深孔加工系統(tǒng)[18]。~，加工精度IT8~IT10級[1719]。3—硬質(zhì)合金刀片；5—導(dǎo)向條圖25 BTA深孔鉆的結(jié)構(gòu)簡圖BTA深孔鉆的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2—5所示，為滿足快速裝卸和準(zhǔn)確定位的要求，鉆桿和鉆頭柄部均采用了“雙止口圓柱面定位”及方牙螺紋聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)，其切削部分是由若干個(圖中為三個)硬質(zhì)合金刀片(l，2，3)交錯地焊接在刀體上，切削刃在切削時可布滿整個孔徑，并起到分屑的作用；采用了導(dǎo)向條進而增大了切削過程的穩(wěn)定性，圖中4，5即為導(dǎo)向條，其位置可根據(jù)鉆頭的受力情況重新調(diào)整。具有錯齒結(jié)構(gòu)的BTA實體鉆，切削力的平衡和錯齒的分工更合理，其結(jié)構(gòu)更加具有優(yōu)越性，成為現(xiàn)代深孔鉆進一步發(fā)展的基礎(chǔ)。其加工精度可達IT10—IT7級， ~，圓度誤差一般為5~10μm[1216]。在切削過程中，高壓切削油通過鉆頭體內(nèi)的油孔進入切屑區(qū)，加工形成的切屑被具有一定壓力和速度的切削液沖走，經(jīng)鉆桿的”V”形槽排入排屑箱。槍鉆是目前應(yīng)用最多的外排屑實體深孔鉆，直徑范圍一般Φlmm—Φ35mm，鉆桿可分級接長。扁鉆只適用于臥式深孔機床或銼床加工，鉆片采用機夾式結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)范圍寬，在使用此類鉆頭進行深孔鉆削的過程中，切屑在一定壓力的冷卻