深孔單刃剛性鉸刀工藝試驗(yàn)研究?

沈興全,孟慶義,李耀明

(1.中北大學(xué)山西省深孔加工工程技術(shù)研究中心,山西太原 030051;2.北京衛(wèi)星制造廠,北京 100190)

單刃剛性鉸削加工是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新的孔加工方法,具有高速切削、自動(dòng)導(dǎo)向、加工表面粗糙度低等一系列優(yōu)點(diǎn)[1-2].目前作為一種精密加工技術(shù)出現(xiàn)于孔的加工中,并顯示出了其加工的優(yōu)越性.由于單刃剛性鉸刀加工機(jī)理的特殊性,即導(dǎo)向塊對(duì)孔加工表面的擠壓作用在加工中應(yīng)起主導(dǎo)地位,因此研究導(dǎo)向塊在孔壁上產(chǎn)生的擠壓力的大小及孔壁表面產(chǎn)生塑性變形的條件就顯得十分重要[3-5].

1 導(dǎo)向塊對(duì)孔壁的擠壓力分析

根據(jù)導(dǎo)向塊對(duì)孔壁擠壓所產(chǎn)生塑性變形的條件,可以將單刃剛性鉸刀的加工分為兩種狀態(tài).當(dāng)導(dǎo)向塊上產(chǎn)生的擠壓力小于孔壁表面發(fā)生塑性變形的極限力時(shí),稱為切削加工狀態(tài);當(dāng)導(dǎo)向塊上產(chǎn)生的擠壓力使孔壁表面發(fā)生塑性變形時(shí)的加工狀態(tài),稱為擠壓加工狀態(tài)[6-8].為了獲得低表面粗糙度的表面,要求單刃剛性鉸削加工處于擠壓加工狀態(tài),這樣就有必要找到處于擠壓加工狀態(tài)的條件,也即孔壁產(chǎn)生塑性變形的條件.此外,如果擠壓力過(guò)大,扭矩增大,孔收縮量也大,就容易造成刀具的快速磨損.因此,有必要控制擠壓力的大小.當(dāng)以高效率加工為主,且對(duì)表面粗糙程度要求不高時(shí),可以采用切削加工狀態(tài),既有利于刀具的壽命,又可以提高生產(chǎn)效率[9].在深孔單刃剛性鉸削加工中,存在上述兩種工作狀態(tài),目標(biāo)是希望找出這兩種狀態(tài)的分界點(diǎn).

1.1 孔壁的受力狀態(tài)

由于工件的高速旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生摩擦力,所以導(dǎo)向塊處于三維動(dòng)態(tài)空間,其接觸屬于空間動(dòng)態(tài)彈塑性力學(xué)問(wèn)題.在導(dǎo)向塊任一徑向截面內(nèi),其孔壁的受力狀態(tài)如圖 1所示.圖 1中,假設(shè)正壓力N1=N2=N,且連續(xù)分布在導(dǎo)向塊上.

由圖 1可見(jiàn),孔壁受力是不連續(xù)的,即每轉(zhuǎn)一圈,孔壁表面上某一點(diǎn)承受兩次導(dǎo)向塊擠壓并有一次校準(zhǔn)部擠壓.在導(dǎo)向塊的長(zhǎng)度范圍內(nèi),孔壁某點(diǎn)被導(dǎo)向塊擠壓 2 b/f次.又由圖 1可知,連導(dǎo)向塊的作用面上,孔壁受到正壓力 p的作用,故知在靜態(tài)下由 p引起的孔壁表面發(fā)生塑性變形時(shí),在動(dòng)態(tài)下由于摩擦力 fp的作用,也會(huì)使孔表面產(chǎn)生塑性變形.為了簡(jiǎn)便計(jì)算,所以研究靜態(tài)力下孔壁產(chǎn)生塑性變形的條件,定性說(shuō)明孔壁擠壓力的作用.

圖1 孔壁受力圖Fig.1 Force of hole wall

1.2 孔壁產(chǎn)生塑性變形的相似計(jì)算

為了分析問(wèn)題方便,先假設(shè)孔壁在靜態(tài)下處于平面應(yīng)變狀態(tài);再假想導(dǎo)向塊為一個(gè)圓,即正壓力集度 p均勻作用在孔的表面上,使孔表面均勻受壓,并忽略摩擦力的影響.在上述假定條件下,可以應(yīng)用柱型容器的彈塑性分析及其解答.

由彈塑性力學(xué)知[10-11],對(duì)于內(nèi)半徑為 c,外半徑為 d的柱型厚壁容器,在僅受內(nèi)壓 p的作用時(shí),若壓力較小,容器處于彈性狀態(tài),其應(yīng)力分量表達(dá)式為

由式(1)可知,在內(nèi)壓 p的作用下,eθ＞ 0,er＜0,且滿足 eθ＞ ez＞ er,屈雷斯卡屈服條件為

由于在內(nèi)壁處 eθ最大,er的絕對(duì)值最大,所以(eθ-er)的值在內(nèi)壁處為最大值,筒壁的屈服由筒體內(nèi)壁開始,若此時(shí)的壓力為 pe,則由式(1)求得在 r=c處的應(yīng)力值為

在 r=c處應(yīng)力分量滿足式(2)所示的屈雷卡斯屈服條件,因此有

所以求得彈性極限壓力

當(dāng) p＞pe時(shí),則在管壁內(nèi)側(cè)出現(xiàn)塑性區(qū),因此 pe就是要求的最小極限壓力.

由式(3)還可以看出,當(dāng)孔壁越厚時(shí),所需的屈服變形壓力就越大.

根據(jù)對(duì)厚壁容器殘余應(yīng)力的分析,可以得出不產(chǎn)生反向塑性變形的最大壓力為

當(dāng) p＞pmax時(shí),結(jié)構(gòu)處于不安定狀態(tài),這也就是導(dǎo)向塊對(duì)孔壁擠壓力的上限值.不過(guò)鉸削加工與厚壁容器變形是不相同的,但有一點(diǎn)是可以肯定的,即變形機(jī)理有相同的地方.

由于導(dǎo)向塊對(duì)孔壁有最小擠壓力的要求,所以導(dǎo)向塊的接觸面積在鉸削加工中不是越大越好,在鉸削余量小的情況下,導(dǎo)向塊的接觸面積就不能過(guò)大,否則很難達(dá)到擠壓力的要求,所以針對(duì)不同的加工狀態(tài),應(yīng)選用不同的導(dǎo)向塊尺寸.

通過(guò)上述分析可知,單刃剛性鉸刀在深孔加工中要達(dá)到理想的表面質(zhì)量和最佳效率,是要尋找一些最佳工藝參數(shù)的.當(dāng)單刃剛性鏜鉸刀在擠壓工作狀態(tài)時(shí),可以獲得最理想的表面粗糙度,因?yàn)閷?dǎo)向塊與孔壁的擠壓不僅穩(wěn)定了刀具,而且還起擠光作用.為了達(dá)到單刃鉸刀在擠壓狀態(tài)下加工這一目的,必須通過(guò)切削用量的適當(dāng)取配,導(dǎo)向塊尺寸的正確選擇,及刀具幾何參數(shù)的選配來(lái)調(diào)整加工狀態(tài),并獲得最佳的切削參數(shù).

導(dǎo)向塊的尺寸不能太大,否則擠壓力達(dá)不到要求,在滿足導(dǎo)向、支撐的前提下,導(dǎo)向塊尺寸要盡量取小.導(dǎo)向塊的寬度也不能太大,因?yàn)閷?dǎo)向塊前部承受擠壓力要大.所以,減小寬度比減小長(zhǎng)度對(duì)擠壓力效果要好.如果切削參數(shù)選取滿足上述要求,獲得理想的表面粗造度和最佳效率是完全可能的.

2 工藝試驗(yàn)研究

試驗(yàn)在 T2120深孔鉆鏜床上完成,鉆鏜孔最大深度 3000 mm,鏜孔最大直徑 200 mm.測(cè)試儀器采用 YD-15動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀,實(shí)驗(yàn)工件材料選用 45#圓鋼和 45#無(wú)縫鋼管.實(shí)驗(yàn)采用工件旋轉(zhuǎn)、刀具進(jìn)給的加工方式.這種加工方式,在刀具系統(tǒng)剛度低的情況下,所加工的孔易形成喇叭口,但由于工件的回轉(zhuǎn)直線性好,故所產(chǎn)生的形狀誤差可以得到糾正.刀具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)既可采用從鏜桿內(nèi)部輸油的方式,也可采用從鏜桿與孔加工表面之間輸油的方式.本實(shí)驗(yàn)采用從外部輸油,即從鏜桿與孔加工表面之間輸油的方式.這種方式可以增加刀桿的剛度,減小鉆桿的振動(dòng).但隨著加工孔的深度的增加,切削部的油壓下降.在加工中低直徑較深的孔時(shí),可從鏜桿內(nèi)部輸油,使切削液直接輸向切削區(qū),增加冷卻、潤(rùn)滑和強(qiáng)制排屑作用.在有條件的情況下,最好這二者并用,效果最好.

由于客觀條件所限,因此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不能過(guò)多,所以只能針對(duì)幾個(gè)重點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn),具體實(shí)驗(yàn)方案如下：實(shí)驗(yàn)切削用量 f,ap,v對(duì)切削力以及摩擦、切削扭矩的影響;實(shí)驗(yàn)刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)軸向力、切削及摩擦扭矩的影響.

2.1 切削用量對(duì)切削力影響的試驗(yàn)分析

切削深度 ap和進(jìn)給量 f決定著切削面積的大小,因此是影響切削力的重要因素.切削參數(shù) v=85 m/m,f=0.136 mm/r;刀具幾何參數(shù)為 kr=30°,krX=3°,l=0.8-1.1 m,T1=6°-8°,T=10°;試件材料為 45#無(wú)縫鋼管.表 1是由于切削深度ap的變化引起切削力變化的試驗(yàn)值.

表1 切削力隨 ap變化的試驗(yàn)值Tab.1 Ex perimential value of cutting force changing with ap

圖2 ap對(duì)切削力影響的曲線圖Fig.2 Curve of apv s.cutting fo rce

圖2 是根據(jù)切削試驗(yàn)的數(shù)據(jù)繪制的曲線圖.從圖2可知,當(dāng)切削深度 ap增大時(shí),軸向力和扭轉(zhuǎn)都增大了,這說(shuō)明增加切削深度,使切削面積增加,必然使被切除的金屬材料增加,因此切削力增大.值得注意的是,在這種小切削深度的情況下,軸向力P和扭矩M的增加都是不明顯的.因而要使作用于導(dǎo)向塊上的力有所增加,就有必要加大切削深度.表 1的數(shù)據(jù)是在鉸削加工處于切削狀態(tài)下測(cè)出的,導(dǎo)向塊對(duì)孔壁的擠壓摩擦作用看不出來(lái);表 2是改變進(jìn)給量對(duì)切削力影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

表2 進(jìn)給量對(duì)切削力的影響Tab.2 Effect of feed on cutting force

圖3是在上述兩種情況下,根據(jù)表 2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的曲線.表 1所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是鉸削加工處于擠壓狀態(tài)下測(cè)得的,也即導(dǎo)向塊對(duì)孔壁產(chǎn)生了擠壓力.從圖 3可以看出,在該狀態(tài)下,軸向力與扭矩也是隨進(jìn)給量 f的增大而增加的.原因也在于金屬切除量增加,導(dǎo)致切削力增加.在小切深的情況下,進(jìn)給量 f的增加,對(duì)擠壓應(yīng)該沒(méi)有什么明顯的影響,這樣就可在不影響表面粗糙度的前提下,增加進(jìn)給量,提高加工效率.

在切削深度 ap為 0.35 mm時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 2所示,這是鉸削加工處于切削加工狀態(tài),從孔加工表面看不到擠壓的痕跡.由圖 3可見(jiàn),由于切深 ap較大,隨著進(jìn)給量的增加,扭矩和軸向力增加的幅度都較大.

比較在兩種切深、兩種加工狀態(tài)下的切削力變化曲線,可以發(fā)現(xiàn)在切削深度 ap達(dá)到一定的數(shù)值以后,切削力隨進(jìn)給量的變化將發(fā)生較大的變化,因而增加切削深度對(duì)切削力的影響將大于走刀量對(duì)切削力的影響.從上述分析可知,當(dāng)作用于孔壁上的擠壓力不夠時(shí),可以以增加切削深度為主,再選配恰當(dāng)?shù)倪M(jìn)給量,即可獲得理想的加工效果.

圖3 f對(duì)切削力影響的曲線圖Fig.3 Curve of f v s.cutting force

切削速度 v對(duì)切削功率的影響和切削深度走刀量同樣重要,但是切削速度對(duì)切削力的影響沒(méi)有上述二者那么大.由切削原理[1]可知,當(dāng) v＞40～50 m/s時(shí),切削力隨切削速度的增高而減小.這是因?yàn)榍邢魉俣雀邥r(shí),切削動(dòng)能大,加強(qiáng)了刀刃的切割作用,被切除金屬來(lái)不及充分變形;切削溫度較高,刀具前刀面與切屑之間的摩擦系數(shù)也有減小的趨勢(shì),因而減小了切削力.

當(dāng)切削塑性金屬時(shí),在較低的切速范圍內(nèi),由于存在積屑瘤的作用區(qū),因而在切削速度變化時(shí),切削力的變化有一個(gè)極小點(diǎn).單刃剛性鉸刀是工作在高速切削狀態(tài)下,因而在考慮切削速度對(duì)切削力的影響時(shí),只要適當(dāng)考慮切削力的下降就可以了,也可以忽略這種影響.

2.2 刀具幾何參數(shù)對(duì)切削力影響的試驗(yàn)分析

刀具幾何參數(shù)影響著被切金屬的變形和摩擦,也是影響切削力的重要因素,影響著切削力的大小、方向和切削分力之間的比值.

改變主偏角可以改變 Fr/Fy的分配比,即可以改變作用于導(dǎo)向塊Ⅱ 上的正壓力的大小.在鉸削加工中,主偏角 kr是比較重要的參數(shù)之一,表 3和圖 4分別為改變主偏角對(duì)切削力影響的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及由此繪制的曲線.

切削參數(shù)為 v=86.4 m/s,f=0.136 mm/r,ap=0.35 mm,kn=3°.

表3 主偏角變化對(duì)切削力的影響__Tab.3 Effect of cutting edge angle on cutting force

圖4 kr對(duì)切削力的影響Fig.4 Effect of kron cutting fo rce

上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)是在單刃剛性鉸刀處于切削加工狀態(tài)下測(cè)得的.從圖 4可見(jiàn),當(dāng)主偏角 kr增大時(shí),扭矩 M下降,軸向力 P增加.說(shuō)明主切削力和徑向力 Fy引起的扭矩 M下降,則 Fz和 Fy均有下降,但由于主切削力 Fz在加工鋼料時(shí)隨主偏角kr的變化不大,故可認(rèn)為當(dāng)主偏角 kr增大時(shí),徑向分力 Fy減小,軸向力 Fx因而增大,這與理論分析是一致的.從該試驗(yàn)結(jié)果可以得出,若要增大擠壓力,可以減小主偏角.但是由圖 4可知,導(dǎo)向塊Ⅰ 主要承受徑向力 Fy的作用,導(dǎo)向塊Ⅱ 主要承受主切削力 Fz的作用,為了使作用于導(dǎo)向塊上的力盡量相等,切削深度 ap,進(jìn)刀量 f和主偏角 kr之間就應(yīng)該有一個(gè)最佳選定值,既使導(dǎo)向塊同時(shí)對(duì)孔壁產(chǎn)生擠壓屈服,又使這兩個(gè)力大致相等.在這三種因素中,如上所述,切削深度 ap和主偏角可以選為更重要因素.因而,在單刃鉸削加工工藝的制定中,選擇正確的切削深度 ap和主偏角kr是關(guān)鍵的步驟,當(dāng)導(dǎo)向塊的面積一定時(shí),必然有一個(gè) ap與 kr的最佳組合,使加工孔的質(zhì)量達(dá)到最佳狀態(tài).

3 結(jié) 論

通過(guò)試驗(yàn)及結(jié)果分析可以得出如下結(jié)論：在切削參數(shù)中,切削深度 ap,進(jìn)給量 f和主偏角 kr是影響切削力的主要因素,在導(dǎo)向塊面積一定的情況下,適當(dāng)選配上述三參數(shù),可以形成使孔壁產(chǎn)生塑性變形的擠壓力,并且可以使作用在導(dǎo)向塊上的力大致相等.在切削深度 ap小于 0.5 mm的情況下,改變主偏角 kr及走刀量 f對(duì)切削力是有影響的,但不足以產(chǎn)生孔壁表面塑性變形的擠壓力,原因之一是導(dǎo)向塊面積過(guò)大,原因之二就是切削深度 ap過(guò)小.所以,在中低直徑深孔單刃剛性鉸削加工時(shí),切削深度 ap不應(yīng)小于 0.5 mm.

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