1 緒論

在二戰(zhàn)結(jié)束以前，深孔加工技術(shù)只應(yīng)用于部分軍工產(chǎn)品領(lǐng)域，發(fā)展緩慢。在二十世紀(jì)的三、四十年代，槍鉆和內(nèi)排屑深孔鉆具被研制出來之后，深孔加工技術(shù)的發(fā)展才逐漸跟上了時(shí)代步伐。二十世紀(jì)五十年代，深孔加工技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛拓展，包括石油開采、冶金、汽車制造、儀器儀表、航天航空等眾多行業(yè)，但是因?yàn)橐恍┥贁?shù)發(fā)達(dá)國家對于高端的深孔加工技術(shù)市場的壟斷，使得其成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)的高于制造業(yè)行業(yè)中的其他絕大多數(shù)技術(shù)。二十世紀(jì)八十年代后期，我國的經(jīng)濟(jì)開始逐漸迅速發(fā)展，各種行業(yè)及領(lǐng)域?qū)ι羁准庸ぜ夹g(shù)的需求也越來越廣泛，深孔加工技術(shù)在整個(gè)機(jī)械加工行業(yè)中的地位也變得越來越重要[3-6]。近年來，深孔加工技術(shù)面臨著多品種、小批量、新型材料及愈來愈高的精度及效率要求的挑戰(zhàn)。如何提高深孔加工質(zhì)量及加工效率成為國內(nèi)外研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)問題[7]。深孔加工是一種比較特殊的加工工藝，它和普通的車削、銑削以及淺孔鉆削等加工方法有明顯的區(qū)別，深孔加工的整個(gè)過程都是在相對比較封閉的狀態(tài)下進(jìn)行的[8]，操作者無法直接觀察刀具的切削情況，使得深孔加工面臨著較大的加工難題。

.....

2 深孔加工排屑機(jī)理研究

2.1 深孔加工方式

刀尖撕裂分屑法的分屑原理如圖 2.3 所示，其特點(diǎn)是：內(nèi)外刃的夾角r 較小時(shí)，可利用內(nèi)、外刃實(shí)現(xiàn)分屑。但是，長時(shí)間切削后，鉆頭刃口因磨損而變鈍，刀尖分割切屑的作用減弱，此時(shí)切屑與開始那樣好的分屑狀態(tài)（見圖 2.3（a）所示）不同，開始出現(xiàn)垂直于刃口的平面內(nèi)卷曲的現(xiàn)象，同時(shí)產(chǎn)生一定的側(cè)向變形（見圖 2.3（b）所示），因此，這分屑方法并不可靠。軸向階梯型分屑法的分屑原理如圖 2.4 所示，其特點(diǎn)為：各削刃在軸向分別錯(cuò)開不同的深度，從而實(shí)現(xiàn)分屑，只要軸向階梯的深度值c大于刀具的進(jìn)給量 f ，便可實(shí)現(xiàn)可靠分屑。由于鉆心部分的切削速度較小，切屑的變形較大，切屑厚度增大，不易分屑，所以在鉆頭外緣部分的階梯深度c比靠近鉆心部分的階梯深度c取的相對小一些。此外，在階梯臺(tái)的邊緣處要磨出副偏角r，否則會(huì)引起刀尖的快速磨損，導(dǎo)致分屑困難。

2.2 切屑狀態(tài)對深孔加工排屑性能的影響

按照切屑形成機(jī)理，可將切屑分為以下四種形態(tài)[92]：（1）帶狀切屑：形狀呈現(xiàn)為帶狀，外表面在顯微鏡下可看到為毛茸狀，內(nèi)表面比較光滑，是切削塑性金屬時(shí)最常見的一種切屑。當(dāng)切削速度較高，切削量較小時(shí)，容易產(chǎn)生這類切屑。此時(shí)，加工系統(tǒng)比較穩(wěn)定，已加工表面質(zhì)量較好。（2）擠裂切屑：外表面呈現(xiàn)為鋸齒形，內(nèi)表面有裂紋。當(dāng)切削速度較低、切削量較大時(shí)，容易產(chǎn)生這類切屑。此時(shí)，加工系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，已加工表面的粗糙度值較大。（3）單元切屑：也稱為粒狀切屑，其外觀為一系列互不相連且不規(guī)則的切屑單元，如一堆形狀各異的沙粒。當(dāng)切削速度很低、切削量很大的情況下，由于剪切變形完全達(dá)到材料的破壞極限，切下的切屑斷裂成均勻的顆粒狀，則成為梯形的單元切屑。加工系統(tǒng)最不穩(wěn)定，已加工表面粗糙度值較大。

3 基于脈沖流體特性的深孔排屑機(jī)理與實(shí)驗(yàn)研究...........35

3.1 堵屑數(shù)學(xué)模型研究........................35
3.2 脈沖式供油流體數(shù)學(xué)模型研究.........41
3.3 脈沖式流體動(dòng)態(tài)特性仿真..................50
3.4 脈沖式 DF 系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)...............58
3.5 脈沖式 DF 系統(tǒng)排屑性能的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證............60
4 深孔加工實(shí)時(shí)監(jiān)控理論研究及方案設(shè)計(jì)..................69
4.1 實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)理論基礎(chǔ)................69
4.2 深孔加工工況信號(hào)的選定...............72
5 油壓油溫監(jiān)測技術(shù)及冷卻系統(tǒng)研究.....................77
5.1 切削液流場的數(shù)值試驗(yàn).....................77
5.2 切削液流場數(shù)學(xué)模型研究.....................81

7 基于超聲波聲阻抗特性的排屑狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)研究

7.1 超聲波探傷機(jī)理

基于超聲波的聲阻抗特性，常用的超聲波探傷方法包括脈沖反射法、穿透法和諧振法探傷。（1）脈沖反射法超聲探傷的脈沖反射法，與雷達(dá)或聲納的原理相似，超聲脈沖在被檢工件中傳播，遇到缺陷和工件底面由于聲阻抗率發(fā)生變化，就有部分聲能量被反射回來，根據(jù)反射回波的有無、強(qiáng)弱和反射波與發(fā)射脈沖間的時(shí)間間隔，就可測出缺陷的有無、大小和距離。（2）穿透法穿透法時(shí)將二個(gè)探頭置于工件相對的兩面，一個(gè)界面發(fā)射超聲波，從試件的個(gè)界面透射到另一個(gè)界面，在這另一界面處用另一個(gè)探頭來接受。當(dāng)工件無缺陷時(shí)，超聲波直通，接收探頭收到的能量最強(qiáng)，當(dāng)缺陷出現(xiàn)時(shí)，由于聲波被缺陷阻擋，在接收一側(cè)形成聲影，或造成接收信號(hào)衰減，信號(hào)的衰減量可作為判斷缺陷的依據(jù)。穿透法探傷，可以采用連續(xù)波和脈沖波兩種不同的方式，圖 7.2 所示為連續(xù)波穿透法，用電流表在其終端顯示缺陷有無或大小，電流表指針指示缺陷的大小，當(dāng)缺陷大時(shí)，電流表指示為零。

7.2 基于超聲波的切屑檢測機(jī)理仿真

基于超聲波的排屑狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如圖 7.9 所示，超聲波接收器將采集的超聲波信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡傳遞給狀態(tài)識(shí)別軟件；由狀態(tài)識(shí)別軟件對收集的超聲波信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，確定有無切屑，進(jìn)而分析排屑狀態(tài)是否正常，判定是否發(fā)出預(yù)警信號(hào)；將預(yù)警信號(hào)傳遞至 PLC，以控制預(yù)警燈的打開或關(guān)閉。深孔加工過程中，隨著切屑不斷產(chǎn)生，排屑道的切屑或連續(xù)不斷的向外排出，或斷斷續(xù)續(xù)向外排出。因此，當(dāng)超聲波傳感器位置確定后，正常排屑狀況下，超聲波排屑監(jiān)測系統(tǒng)接收到的有切屑的信號(hào)應(yīng)當(dāng)是連續(xù)的、或者斷斷續(xù)續(xù)的。當(dāng)監(jiān)測系統(tǒng)長時(shí)間未接收到切屑存在信號(hào)時(shí)，說明這段時(shí)間沒有切屑通過該位置排出，但是，切屑仍在不斷形成，并越積越多。切屑一直在產(chǎn)生，但是沒有被排出，那么只有一種可能，就是此時(shí)已經(jīng)發(fā)生了堵屑現(xiàn)象。因此，可以根據(jù)具體工況條件的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定一個(gè)排屑間隔時(shí)間預(yù)警值預(yù)警，當(dāng)超聲波排屑狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)接收到的兩個(gè)相鄰的切屑存在信號(hào)之間的時(shí)間間隔預(yù)警時(shí)，發(fā)出預(yù)警，提醒操作者及時(shí)采取有效措施，可以避免因堵屑產(chǎn)生廢品。

.....

8 結(jié)論與展望

本文主要圍繞深孔加工高效排屑、實(shí)時(shí)監(jiān)控、切削液冷卻等問題展開了一系列研究，取得了以下結(jié)論：（1）基于力學(xué)理論，結(jié)合深孔加工排屑狀況的實(shí)際情況，在充分考慮切削液壓力及其沿程損失、管壁摩擦力、其它切屑對其的阻力及重力等多種因素，建立了切屑受力數(shù)學(xué)模型，研究了堵屑現(xiàn)象的邊界條件。得出折屑系nii1過小（即切屑受力面積�。邢饕毫魉賤、壓力 p 不足，斷屑不徹底等是導(dǎo)致堵屑產(chǎn)生的主要原因。提出引入動(dòng)態(tài)流場以增大折屑系數(shù)niil ，增強(qiáng)切削液最大流速是解決堵屑問題的有效途徑。（2）建立了脈沖式供油切削液的非定常紊流瞬時(shí)流體模型，運(yùn)用 FLUENT 軟件對其流體特性進(jìn)行了仿真分析，得出脈沖流體能夠產(chǎn)生較高的急速射流和隨時(shí)間不斷發(fā)生變化的混沌流場，對于增大折屑系數(shù)nii1 ，增強(qiáng)切削液最大流速非常有利，，有助于解決堵屑問題，提高排屑效率。設(shè)計(jì)了一種脈沖式 DF 系統(tǒng)，并通過多組不同脈沖開關(guān)頻率 f 的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有更好的排屑效果，得出 f 0.7Hz時(shí)，切削液流體特性分布對深孔排屑最為有利。

......

參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：145877