基于深孔镗床的内扩孔加工技术研究与开发

论文摘要

众所周知，深孔加工是机械行业中难度较高的一项加工技术，一般都是采用先钻、再扩、最后精加工的办法。就扩孔而言，传统的扩孔局限于等直径孔和端部大中间小台阶状孔，此类问题目前技术已相对成熟。对于两端小中间大的“大肚子”孔来说，当长径比较小、中部扩孔余量不大且加工精度不高时，可通过多次反复珩磨、在车床上调整尾部径向刀架机构或特殊工装使镗杆偏心运动得以解决；但当长径比L/D≥20以上、中部扩孔余量较大、精度和表面质量也要求较高时，特别是中部的大孔又带有圆柱面、锥面、球面等复杂异型曲面时，在车床上刀杆悬臂量大、刚性不足、“让刀”现象严重、振动强烈无法保证加工质量，而传统深孔镗床自身又没有径向走刀机构，市场上的刀具也要么适合大而短的孔、没有自导向和强制排屑功能，要么扩孔余量小、不能自动径向伸缩和大腹扩孔，要么功能上不能实现曲面加工。到目前为止，在机械加工制造领域，国内外还尚未发现能很好解决此类问题的加工工艺和相应的内扩孔刀具。对于这一难题，以前一直采用电解加工，但电解加工因对环境污染严重、成本高、效率极低且不利于大批量生产而逐渐被限制使用。因此为了满足这类产品批量化生产需求，结合横向科研项目：西安国际航空股份有限公司Z2830深孔机床改造要求，对内扩孔加工中的“瓶颈”问题深入研究迫在眉睫。本文首先从深孔镗床镗削加工特点、机床运动方式、冷却排屑上分析，明确要解决这类问题机床运动功能上要做哪些改进、刀具结构上要做哪些创新突破。其次，由于此类内深孔扩孔余量大且孔长，不能一次走刀完成，在工艺上提出了行之有效的分段分层镗削特殊加工方法。研究对比分段分层推镗、分段分层拉镗、分段分层推拉镗的优缺点，最后从此类超长深孔零件精密加工角度考虑优选分段分层拉镗的工艺方案，并从刀具走刀路径上作了相应的优化。再次针对通深孔、盲深孔加工中对刀具功能上的要求，在刀具刚度保证的前提下如何尽可能的解决进油排屑问题，开发设计了不同的内扩孔镗刀。从镗刀结构、装配、设计原理上系统的阐述了具有自导向、防振功能和径向自动伸缩功能镗刀开发的合理性、可行性。最后运用有限元分析软件ANSYS对整个镗刀作静力学、动力学分析，对镗刀的强度和刚度进行了校核。以前排屑镗刀为例，分析了分段量、粗精加工切削参数、刀片形状对镗刀变形和应力的影响，围绕镗刀在不同使用工况下变形和刚度问题，得出了三种解决方案：①合理布置导向条、确定最佳分段长度。②根据粗加工、精加工特点，在合适的范围内选用切削参数。③灵活更换刀片，通过改变刀片几何角度，来保证加工质量。以内排屑镗刀为例，分析对比了推镗和和拉镗下镗刀变形和应力分布情况，从理论上验证前面加工工艺中采用拉镗切削的优越性。同时对镗刀系统动态特性研究得出镗刀的各阶固有频率、振型图和幅频响应曲线，为实践中如何正确使用此类镗刀实现小振动精密加工提供了充分的理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 目前国内外内扩孔研究现状及发展水平
• 1.3 课题来源及主要研究内容
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 主要研究内容
• 2 深孔镗床镗削加工研究
• 2.1 深孔镗削加工特点
• 2.2 深孔镗削加工形式分析
• 2.2.1 工件固定，刀具旋转进给
• 2.2.2 工件旋转，刀具只作进给
• 2.2.3 工件旋转，刀具反向旋转且进给
• 2.3 冷却润滑
• 2.4 供油与排屑
• 2.5 Z2830 深孔钻镗床改造
• 2.5.1 机床改造的用途
• 2.5.2 机床改造后主要技术规格
• 2.5.3 深孔钻镗床总体布局
• 2.5.4 镗床工作流程
• 2.6 本章小结
• 3 内扩孔加工工艺分析
• 3.1 典型零件加工分析
• 3.1.1 零件结构特点
• 3.1.2 30CrMnSiNi2A 材料性能特性
• 3.1.3 切削高强度钢的途径
• 3.2 加工工艺原理
• 3.2.1 分段分层推镗
• 3.2.2 分段分层拉镗
• 3.2.3 分段分层推拉镗
• 3.3 刀具走刀路径规划
• 3.4 本章小结
• 4 基于通深孔的内扩孔镗刀开发设计
• 4.1 镗刀设计要求
• 4.2 镗刀结构及工作原理
• 4.2.1 结构特点
• 4.2.2 装配连接
• 4.2.3 设计原理
• 4.2.4 设计要点
• 4.3 基于 ANSYS 的前排屑镗刀静力学分析
• 4.3.1 研究方法
• 4.3.2 镗刀模型的建立
• 4.3.3 导向性及分段长度对镗刀的影响
• 4.3.4 粗精加工切削参数选用对镗刀的影响
• 4.3.5 刀片几何角度对镗刀的影响
• 4.4 基于 ANSYS 的前排屑镗刀模态分析
• 4.4.1 模态分析理论
• 4.4.2 模态求解步骤
• 4.4.3 计算结果及分析
• 4.5 本章小结
• 5 基于盲深孔的内扩孔镗刀开发设计
• 5.1 镗刀设计要求
• 5.2 连续自动后排屑内扩孔镗刀
• 5.3 连续自动内排屑内扩孔镗刀
• 5.3.1 结构特点
• 5.3.2 装配连接
• 5.3.3 装刀方式
• 5.3.4 设计原理
• 5.3.5 关键设计点
• 5.4 基于 ANSYS 的内排屑镗刀推镗和拉镗时静力学分析
• 5.4.1 偏心镗刀建模过程
• 5.4.2 载荷计算与施加
• 5.4.3 结果分析与对比
• 5.5 基于 ANSYS 的内排屑镗刀推镗和拉镗时动力学分析
• 5.5.1 内排屑镗刀的模态分析
• 5.5.2 内排屑镗刀的谐响应分析
• 5.6 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 课题总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的学术论文及所取的研究成果
• 致谢