電磁式軸向深孔振動鉆削裝置的設(shè)計

1、山西中北大學(xué)機電工程學(xué)院 張勇 顧強 2、山西中北大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院 馬清艷

電磁式軸向深孔振動鉆削裝置的設(shè)計

1、山西中北大學(xué)機電工程學(xué)院 張勇 顧強 2、山西中北大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院 馬清艷

本文對電磁式軸向振動工作原理進行了分析，并設(shè)計了一種電磁振動鉆削裝置。在深孔加工過程中，通過調(diào)節(jié)交流電的大小與頻率來控制振動切削裝置鉆桿振幅與頻率，與負(fù)壓抽屑裝置配合使用，有效地改善深孔加工過程中斷屑、排屑的問題，提高了深孔加工的質(zhì)量。

深孔；鉆削；電磁式；軸向振動

1 前言

在機械加工中，孔的加工是比較重要的工序。據(jù)統(tǒng)計：對于孔的加工，占到金屬切削加工的三分之一以上[1]。對于孔的加工，尤其是深孔、小孔最為困難?？茖W(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，在電子、航空宇航、儀器儀表等行業(yè)中，對孔徑要求越來越小，對孔的精度要求也更高了。因此深孔、小孔的加工成為制約加工質(zhì)量以及生產(chǎn)效率的因素之一[2]。

在深孔加工中，引入振動切削理論之后，通過工藝參數(shù)的合理匹配，其加工精度和表面質(zhì)量均有明顯改善[3]。振動切削是在傳統(tǒng)切削過程中，給刀具或者工件附加某種有規(guī)律的振動，使得切削速度、給進量、切削深度按一定規(guī)律變化，從而改變切削加工的機理，達到減小切削力和切削熱，并提高加工質(zhì)量和效率的效果[1]。文章以電磁式振動鉆削為研究對象，設(shè)計了一種電磁振動鉆削裝置，以期為孔加工技術(shù)，提出了新的工藝。

2 電磁式軸向振動的工作原理

電磁式軸向振動其核心部分是一種能將電能直接轉(zhuǎn)換為直線運動機械能的電磁震動裝置，其工作原理與常用的旋轉(zhuǎn)電機相似，即通過改變電流的大小來改變運動速度和力的大小，改變電流的方向來改變運動方向。

電磁震動裝置可視為，一臺旋轉(zhuǎn)電機被其沿法向剖開，并展成平面，如圖2.1所示。其中，初級對應(yīng)定子，次級對應(yīng)轉(zhuǎn)子。

繞組電流在氣隙中形成行波磁場，電磁震動裝置通過載流導(dǎo)體與氣隙磁場相互作用，以產(chǎn)生電磁推力，從而使動子或次級沿磁場運動，原理圖如圖2.2所示。

圖2.1 電磁震動裝置結(jié)構(gòu)

圖2.2 電磁震動裝置原理

電磁震動裝置的運行原理如圖2.3所示。初級繞組中輸入三相對稱正弦電流時，會產(chǎn)生一個沿直線方向呈正弦形分布的氣隙磁場。當(dāng)三相電流隨時間變化時，氣隙磁場也將按一定相序沿直線平移，行波磁場由此得名。將次級導(dǎo)體視為無限多導(dǎo)條并列放置，由此以來，在行波磁場切割時，次級可感應(yīng)電動勢必產(chǎn)生電流，而氣隙磁場與電流相互作用即產(chǎn)生電磁推力。其中，初級與次級間的推力是相互的，而次級是可動部分，其在電磁推力的作用下做直線運動。

圖2.3 電磁震動裝置的運行原理

3 深孔電磁式軸向振動鉆削裝置設(shè)計

3.1 主要技術(shù)參數(shù)分析

在對深孔鉆的斷屑機理進行一系列的研究后發(fā)現(xiàn)，BTA深孔鉆要可靠斷屑[4]，需要滿足下式，此時切削過程是間斷的。

其中：A為振幅（mm）；fr為刀具進給量（mm/r）；0≤i≤1；x為刀尖軸向位移。

圖3.1是根據(jù)上式繪制的斷屑區(qū)域圖[5]。借助此圖，可以初步選擇保證斷屑的比例關(guān)系。首先根據(jù)進給量fr計算出能夠保證斷屑的最小振幅A，在保證工藝系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下選擇i的值，以確保鉆頭工作條件最佳，這樣便可在鉆孔過程中主動控制切屑的形成了。

圖3.1 斷屑區(qū)域圖

3.2 電磁式振動鉆削裝置的總體結(jié)構(gòu)

電磁式振動鉆削裝置的總體裝配圖如圖3.2所示，其主要部分有SIED數(shù)控深孔鉆床床身、負(fù)壓抽屑裝置、電磁式振動裝置、中心架、輸油器等。

在機床尾端，裝有產(chǎn)生負(fù)壓效應(yīng)的負(fù)壓抽屑裝置，用于抽吸切屑；而前端設(shè)有高壓輸油器，借助高壓送進切削液，同時沖出切屑；一吸一推，不僅提高了切削液的流速，而且增加了單位時間內(nèi)的排屑量，生產(chǎn)效率也就大大提高了。工作時，主軸電機帶動工件作主運動，進給電機帶動刀具作進給運動，電磁式振動裝置帶動鉆桿，鉆桿帶動刀具，隨次級做軸向的振動，從而實現(xiàn)工件的振動鉆削。

圖3.2 電磁式振動鉆削裝置總裝圖

3.3 電磁式振動鉆削裝置的工作原理

高壓切削液分為兩條油路：一條油路由X口進入負(fù)壓抽屑裝置，產(chǎn)生一定的負(fù)壓，將切屑吸出；另一條油路由Y口進入輸油器，高壓油液經(jīng)由鉆桿的外壁與已加工孔表面之間的空間到達鉆頭的前端，在高壓作用下從鉆桿的內(nèi)部將切屑推出。

當(dāng)電磁式振動裝置通電后，會產(chǎn)生行波磁場，此時次級開始做直線運動。當(dāng)電流方向改變時，鉆頭將沿軸向往復(fù)振動。另外根據(jù)加工需要，可改變電流大小，來調(diào)整振動參數(shù)，以達到理想的切削效果。

在該振動裝置上配以負(fù)壓抽屑系統(tǒng)，不僅有效地解決了在各種材料上加工深孔時斷屑的問題，而且為各種內(nèi)排屑鉆頭的應(yīng)用提供了更廣闊的平臺，使得在比傳統(tǒng)加工方法更小的直徑范圍內(nèi)，也可以使用內(nèi)排屑系統(tǒng)。

4 結(jié)語

借助電磁式振動裝置能有效改善斷屑問題，利用負(fù)壓抽屑裝置可成功解決排屑問題。與機械振動鉆削裝置相比較，電磁式軸向振動裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于安裝，操作也比較方便[6-7]。

[1]王世清.深孔加工技術(shù)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[2]米曾榜.小孔加工[M].北京：機械工業(yè)出版社,1988,6.

[3]隈部淳一郎,薛萬夫譯.精密加工振動切削（基礎(chǔ)與應(yīng)用）[M].北京：機械工業(yè)出版社,1985.

[4]李英,曹選平.BTA深孔鉆斷屑研究[J].工具技術(shù),2007,41（11）：94-97.

[5]馬清艷,王彪,劉永姜,于大國,王東旭.電磁式軸向深孔振動鉆削裝置的設(shè)計與分析[J].機械設(shè)計與研究,2011,27(6)：69～71.

[6]徐旭松,劉戰(zhàn)峰,彭海.低頻機械式深孔振動鉆削裝置的設(shè)計與應(yīng)用[J].新技術(shù)新工藝,2002,(10)：16～18.

[7]韓旭,吳伏家.振幅可調(diào)式深孔振動鉆削裝置的設(shè)計與應(yīng)用[J].機械管理開發(fā),2007,(3)：54～55.

張勇，1989出生，河南平頂山人，在讀碩士，研究方向：機械電子。