[機械設(shè)計自動化精品] 槍鉆結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與受力分析

1、2011屆畢設(shè)計說明書槍鉆的優(yōu)化設(shè)計與受力分析隨著科學(xué)技術(shù)的進步，深孔加工技術(shù)已經(jīng)運用到各機器制造部門，特別是在重型機械制造中，能否掌握它，運用自如，將對生產(chǎn)起著決定性作用。本設(shè)計介紹了深孔加工刀具中最常見的槍鉆，通過對國內(nèi)外槍鉆的比較，分析了槍鉆的結(jié)構(gòu)，對槍鉆的各個結(jié)構(gòu)進行了系列化設(shè)計。然后對槍鉆進行了較為詳細的受力分析，。同時用pro/e 應(yīng)用軟件作出典型槍鉆的三維造型，并用有限元分析軟件對槍鉆進行分析，得出應(yīng)力分析結(jié)果，對槍鉆進行優(yōu)化設(shè)計。關(guān)鍵詞：深孔加工，槍鉆，優(yōu)化設(shè)計optimal design and stress analysis of gun drillabstractwith

2、 the progress of science and technology，deep hole processing technology has been applied to the machine-building sector。especially in the heavy machinery manufacturing, the ability to master it will play a decisive role in production.this design introduces deep hole machining tool of the most common

3、 gun drill。by comparison of gun drill at home and abroad，we analyzed the structure of the gun drill，and have all the structure of the gun drill a series design。then we conducted a drill on the gun more detailed stress analysis，and according to the situation we stress analysis, optimal design of the

4、gun drill。at the same time with the pro / e we applications to three-dimensional shape of the typical gun drill，and by finite element analysis software for gun drilling were analyzed and the results of stress analysis.key words: deep hole drilling, gun drilling, optimization朗讀顯示對應(yīng)的拉丁字符的拼音字典1. 名詞 1.

5、summary2. abstract窗體頂端顯示對應(yīng)的拉丁字符的拼音字典目錄1 緒論11.1 研究深孔鉆削的意義11.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀以及發(fā)展21.2.1 深孔鉆的發(fā)展過程21.2.2 國內(nèi)深孔加工技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展狀況21.2.3 深孔加工技術(shù)和裝備的發(fā)展方向32、槍鉆的設(shè)計52.1 槍鉆的結(jié)構(gòu)52.2 槍鉆的設(shè)計52.3.1 槍鉆切削部分的設(shè)計52.3.2 槍鉆鉆桿和鉆柄的設(shè)計163 槍鉆受力分析183.1 槍鉆切入階段的受力分析193.2 槍鉆鉆孔全過程中轉(zhuǎn)矩和軸向力的變化規(guī)律224 槍鉆的應(yīng)力分析與優(yōu)化設(shè)計304.1 槍鉆實體模型的建立304.2 槍鉆力學(xué)模型的建立314.3 槍鉆的有限元分

6、析334.3.1 導(dǎo)入槍鉆實體模型334.3.2 定義材料特性334.3.3 網(wǎng)格劃分334.3.4 約束、處理344.3.5 處理后結(jié)果344.3.6 有限元結(jié)果分析355 總結(jié)36參考文獻37致謝391 緒論1.1 研究深孔鉆削的意義深孔加工技術(shù)最初廣泛應(yīng)用于國防軍工制造業(yè)。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，工業(yè)的發(fā)展，深孔加工技術(shù)已經(jīng)運用到各機器制造部門，如石油化工機械，航空工業(yè)，造船，冶金，發(fā)電設(shè)備，橡膠機械等，從而使深孔加工成為機械加工中不可缺少的一種工藝方法。特別是近幾年來隨著宇航制造業(yè)，原子能工業(yè)，電力工業(yè)等行業(yè)的迅速發(fā)展，對機器機器零部件的綜合性能提出了更高的要求。新型高強度，高硬度的材料如

7、鈦合金、不銹鋼、難熱合金、高錳鋼、復(fù)合材料等應(yīng)用越來越多，這些材料具有良好的物理機械性能、抗腐性能、抗磁性能和抗高溫氧化性能，在某些方面非常優(yōu)良，但是它們的切削加工性能一般比較差，表現(xiàn)為切削力大、切削溫度高、刀具磨損嚴重、斷屑、排屑困難。在這類材料上加工長徑比大的孔，就顯得十分困難。所以，難加工材料深孔加工問題是否解決好，將直接影響機械產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。特別是在重型機械制造中，能否掌握它，運用自如，將對生產(chǎn)起著決定性作用。深孔加工在各行業(yè)應(yīng)用都比較廣泛，如槍炮管深孔加工，發(fā)動機輸水孔，活塞銷，曲軸通油孔，車輛的減震器筒，液壓缸，火箭發(fā)射裝置的精密高強度導(dǎo)管等等。這是一項具有代表性既關(guān)系到產(chǎn)

8、品性能質(zhì)量，又關(guān)系到工藝成本和生產(chǎn)周期的關(guān)鍵技術(shù)。如果能以最小的投入，最快的速度使我國深孔加工技術(shù)提高到國際先進水平，對我國制造行業(yè)的技術(shù)改造和綜合國力的提高將有巨大的促進。1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀以及發(fā)展1.2.1 深孔鉆的發(fā)展過程深孔鉆的發(fā)展過程可分為四個階段：第一階段在19世紀末20世紀初，為解決槍管的加工，發(fā)明了將高壓液體通過鉆桿內(nèi)通道送到鉆頭，帶走切削和熱量，并在鉆頭外徑上加上導(dǎo)向塊，以保證鉆孔正確方向的方法槍鉆。第二次世界大戰(zhàn)期間，由于槍管的需求量猛增，使這項技術(shù)得到了快速發(fā)展。第二階段，后來國際孔加工協(xié)會加以完善，形成了bta加工方式，其所用的鉆頭簡稱為bta鉆。bta鉆頭在槍鉆的基礎(chǔ)

9、上增強了剛性，改善了排屑條件，并提高了孔的表面質(zhì)量。第三階段，1963年瑞典sandvik公司發(fā)明了噴吸鉆加工方式，將切屑由切削液推出改為切削液推吸聯(lián)合作用，改善了排屑過程，降低了系統(tǒng)壓力，密封條件得以改善，改善了排屑過程，降低了系統(tǒng)壓力，密封條件得以改善，對應(yīng)該系統(tǒng)所用的鉆頭成為噴吸鉆。第四階段，在70年代，日本冶金股份公司發(fā)明了df（double feeder）裝置，將原噴吸鉆的雙管系統(tǒng)改為單管系統(tǒng)，在鉆桿尾部增加一射流裝置，來完成液體推吸效應(yīng)，使鉆桿系統(tǒng)剛性增加，切削液壓力減小。df系統(tǒng)是傳統(tǒng)深孔鉆的最好方式，該系統(tǒng)所用的鉆頭稱為df鉆。1.2.2 國內(nèi)深孔加工技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展狀況20世紀

10、70年代以前，我國槍鉆和內(nèi)排屑深孔鉆豬妖應(yīng)用于兵器制造業(yè)，其技術(shù)大致相當(dāng)于蘇聯(lián)50年代初期的水平。mm以下小深孔一律采用本廠自制的高速鋼槍鉆。70年代末才開始建立專門制造硬質(zhì)合金槍鉆，槍鉸刀得軍工系統(tǒng)工具廠，因尺寸規(guī)格有限，規(guī)模不大，產(chǎn)品質(zhì)量與進口刀具有很大差距。80年代后，一批大中型專業(yè)工具廠開始生產(chǎn)硬質(zhì)合金槍鉆，以填補市場需求的空缺。但由于技術(shù)實力和生產(chǎn)方式的落后，在產(chǎn)品質(zhì)量和規(guī)格品種方面始終無法與進口刀具分庭抗禮。目前，我國仍是深孔刀具的純進口國。由于機床工業(yè)基礎(chǔ)落后，國內(nèi)需求的槍鉆機床一直以進口為主。80年代以來，國內(nèi)機床工業(yè)水平提高較快，相對而言，機床深孔發(fā)展相對滯后，在設(shè)計水平、品

11、種、精度和裝也化程度等方面與歐、美、日本還有相當(dāng)大的差距。數(shù)控深孔鉆床到80年代末才出現(xiàn)，而用于加工固定工件的深孔鉆床還是空白點。面對深孔裝備和深孔零件的廣泛應(yīng)用，制造業(yè)對深孔加工技術(shù)的需求呈直線上升的趨勢。一方面，大批老國有企業(yè)由于缺少先進的深孔加工技術(shù)，自身擁有的大批深孔機床處于閑置狀態(tài)；另一方面，又有大批新興中小企業(yè)不具備深孔加工手段，導(dǎo)致其新裝備的開發(fā)面臨重重阻力。1.2.3 深孔加工技術(shù)和裝備的發(fā)展方向深孔加工技術(shù)的落后將會長期制約國家常規(guī)兵器工業(yè)的現(xiàn)代化。1958年開始國內(nèi)硬質(zhì)合金槍鉆的設(shè)計和實驗研究，1960年獲得成功。出于各種工原因，研究被迫中斷。20年后，幾乎在一無所有的條件

12、下，重新起步踏上深孔加工技術(shù)創(chuàng)新研究的漫長歷程。應(yīng)當(dāng)從制造業(yè)，特別是裝備制造業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略全局出發(fā)，把深孔加工技術(shù)作為其中必不可少但發(fā)展水平之后的一個環(huán)節(jié)給予關(guān)注和支持。作為制技術(shù)中一個不可替代的分支，深孔加工技術(shù)具有其獨特性。由于它的影響力幾乎遍布所有行業(yè)，所以決不可視之為“長線”技術(shù)。深孔加工技術(shù)的研究開發(fā)工作需要必要的物質(zhì) 和資金保證，費力費時，一般企業(yè)難以承擔(dān)得起。除了高校和社會科研機構(gòu)參加和投入外，國家在政策上的支持也必不可缺。深孔加工技術(shù)技術(shù)由于進入制造業(yè)的歷史短暫，遠未達到成熟和完善，具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。便現(xiàn)在兩個方面。第一，對深孔加工過程中特定條件下切削液參數(shù)及其影響、切屑的形成

13、規(guī)律、排屑及抽屑機理、不同加工條件下工藝參數(shù)的最佳匹配、加工過程的控制與檢測、刀具和輔具的設(shè)計理論、深孔加工裝備的規(guī)范及現(xiàn)代化設(shè)計等得一系列基礎(chǔ)研究，尚處于起步階段。第二，實體鉆孔由于其不可代替性，布魯別過去、現(xiàn)在和將來，將始終是衡量深孔加工技術(shù)發(fā)展三年惠平的最重要標志。但從其目前水平來看，還遠未陣雨成熟階段。主要問題是：內(nèi)、外排屑兩類深孔鉆在鉆孔之境范圍上形成難以逾越的鴻溝，已經(jīng)成為深孔加工技術(shù)通用化的巨大障礙；內(nèi)排屑深孔鉆的斷屑、排屑問題始終制約著實體深孔鉆技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用；在克服深孔鉆排屑障礙的同時，進一步提高了實體鉆的工效和加工質(zhì)量，以達到減少后續(xù)工序并降低綜合加工成本問題；深孔鉆

14、削過程的有效控制和檢測問題；難加工材料、材質(zhì)的加工和排屑問題。深孔加工技術(shù)面臨的另一類重大課題是：開發(fā)與深孔鉆削配套的后續(xù)加工刀具和技術(shù)。重點是開發(fā)可在深孔鉆床上通用的高效、低成本精加工刀具和技術(shù)。單從技術(shù)可行性角度而論，淺孔加工技術(shù)中的切削加工技術(shù)幾乎均不適用于深孔加工。但在多數(shù)情況下，深孔加工技術(shù)不僅可用于淺孔加工技術(shù)，而且在保證孔的尺寸、形位精度和改善鉆孔粗糙度等方面比淺孔加工技術(shù)更優(yōu)越。之所以未能變成現(xiàn)實，關(guān)鍵在于深孔加工的成本太高。據(jù)粗略估算，如果能通過種種措施使目前深孔加工的綜合成本降低60%，則深孔加工技術(shù)會開始部分應(yīng)用于前孔加工技術(shù)；如果將深孔加工技術(shù)的綜合成本進一步降低，就會

15、衍生出一批新型的集約制造方法、新型裝備制造和新興產(chǎn)業(yè)。深孔加工技術(shù)作為制造業(yè)技術(shù)的一個廢分支，有外強烈的應(yīng)用技術(shù)屬性。應(yīng)用技術(shù)永遠是一門遺憾的技術(shù)，因為它依托于新科學(xué)發(fā)現(xiàn)、新科學(xué)理論、新材料、新方法和社會不斷提出的新需求，永無止境。但應(yīng)用技術(shù)又是最貼近人流淚社會物質(zhì)文明進步、推動人類精神文明發(fā)發(fā)展的最具生命力且無可替代的動力源泉。2 槍鉆的設(shè)計2.1 槍鉆的結(jié)構(gòu)槍鉆由鉆頭、鉆桿和鉆柄組成。鉆頭切削部分是由圓柱體砍切而成，其輪廓與炮鉆相。不同之處在于，槍鉆的外部有一條貫穿前后的v形槽，用來排屑；v形槽的對側(cè)，是油孔，用來供入切削液。由于鉆桿尾部單薄，不便于夾持，因此制成一個同軸的厚壁套焊在鉆桿末

16、端，這即是鉆柄。槍鉆的材料主要為硬質(zhì)合金，以下的鉆頭，由硬質(zhì)合金燒結(jié)撐整體式鉆頭坯，在經(jīng)過焊、磨而成為節(jié)約硬質(zhì)合金，直徑大的可以改用三片應(yīng)內(nèi)置合金鑲在鋼制鉆頭上。鉆頭與鉆桿的軸線必須嚴格保持同軸，否則易引起鉆桿與孔壁摩擦，或者導(dǎo)致走偏加大。為此，最好在鉆頭與鉆桿對焊后，夾持鉆桿對鉆頭進行刃磨。根據(jù)同樣的理由，鉆柄也必須和鉆桿保持同樣的同軸度。2.2 槍鉆的設(shè)計從槍鉆的結(jié)構(gòu)上看，它的結(jié)構(gòu)很簡單，但是它的參數(shù)卻很多，而且每一個參數(shù)對刀具的切削性能都有各種各樣的影響。在槍鉆的原始設(shè)計條件中，鉆孔直徑、孔的長徑比、被加工材料的物理機械性能和要求深孔加工后達到的技術(shù)條件，是設(shè)計或者訂貨前必不可少的條件。

17、現(xiàn)系列化設(shè)計孔徑520mm的深孔槍鉆，設(shè)計過程如下。2.3.1 槍鉆切削部分的設(shè)計槍鉆由鉆頭，鉆桿和鉆柄組成。鉆頭有整體燒結(jié)式和鑲片式兩種結(jié)構(gòu)，現(xiàn)采用硬質(zhì)合金刀片，如圖2.1。 圖2.1 硬質(zhì)合金鑲片式槍鉆鉆頭以下是鉆頭各個參數(shù)的確定。1、內(nèi)外切削刃的的劃分和鉆尖偏移量槍鉆的鉆尖偏置于直徑的一側(cè)，形成了單邊刃切削及內(nèi)外刃分工，內(nèi)刃與外刃的橫寬之和等于半徑。內(nèi)刃切削刃的劃分，使槍鉆具有以下特點： 在結(jié)構(gòu)上為鉆頭提供了排屑通道（v形槽）和供油通道（進油孔）。 槍鉆外刃的工作條件相當(dāng)于雙刃鉆的外側(cè)切削刃，鉆孔時形成一支右 的螺旋形切屑；其內(nèi)刃相當(dāng)于車削時前刀面通過棒料軸線的車刀，形成瓦片形的左旋圓錐

18、狀間斷切屑。這兩只切削流因受到被加工孔底部的限制和切屑液的沖擊力，在鉆尖的后部會交會在一起。設(shè)內(nèi)外刃的橫寬對等，則外刃承擔(dān)了切除全部金屬量中的的任務(wù)，為內(nèi)刃切除金屬量的3倍。因此，外刃的切屑流成為切屑流的主體，將內(nèi)刃形成的錐形片狀切屑扭在一起，在高壓切削液的推動下前后互相擠壓，從v形槽中向后排出，如圖2.3。圖2.2 槍鉆內(nèi)外刃的劃分圖2.3 內(nèi)外刃切屑的流動和干擾1工件；2槍鉆；3外刃產(chǎn)生的切屑（右螺旋卷）；4內(nèi)刃產(chǎn)生的切屑（左螺旋卷）；5切屑匯合處單邊刃的設(shè)計，使鉆頭避開了橫刃的存在，從而大大減輕了鉆頭的軸向推力。由于內(nèi)外刃的劃分，將會產(chǎn)生一個內(nèi)外刃徑向切削分力不對等的問題，但只要報紙外刃

19、的徑向切削分力不小于內(nèi)刃，槍鉆在理論上是不會自動發(fā)生脫離軸線而走偏的，原因在于，如果外刃的徑向切削分力大于內(nèi)刃，二分力之差將作用于切削刃對側(cè)的已加工孔壁。這種內(nèi)外圓柱面之間的貼合，只能對鉆頭起到定向和導(dǎo)向作用，反而保證不鉆頭不會自動走偏。同樣，內(nèi)外切削刃所受的垂直切削力的合力（主切削力）雖然單方向作用于鉆頭的前刀面并力圖使鉆頭偏向一側(cè)，但由于承受壓力和反作用力的都是圓柱面，鉆頭不會走偏。由于槍鉆切削部與工件孔壁相接處的圓柱面材質(zhì)遠比工件要硬，且光滑并充滿潤滑冷卻液，因此，切削力不平衡實際導(dǎo)致的結(jié)果是鉆頭導(dǎo)向部對孔壁的擠壓和碾平，從而使孔壁的加工粗糙度減小。當(dāng)然，過大的及壓力也會加快鉆頭導(dǎo)向部的

20、磨損，引起轉(zhuǎn)頭震顫，因此需要在設(shè)計中全面考慮。在槍鉆設(shè)計圖上，通常以標注外刃橫向?qū)挾萢的方式來確定鉆尖的位置（圖2.2）。因此，鉆尖與鉆頭的軸線的偏移量。在加工碳鋼、合金鋼材料時，通常取內(nèi)外刃橫寬對等，即。圖2.4鉆頭幾何形狀2、鉆頭的幾何形狀鉆頭的幾何形狀包括對外刃偏角（簡稱外角）、內(nèi)刃偏角（簡稱內(nèi)角）、鉆尖位置、油隙形狀等參數(shù)的綜合匹配，如圖4。鉆頭幾何形狀的設(shè)計，應(yīng)該綜合考慮三個方面的因素，所產(chǎn)生切屑的形狀及是否有利于切屑的排出，鉆尖的強度保持和足夠的供油間隙，以及沖出切屑。如圖2.4所示，圖為槍鉆頭部幾何參數(shù)的代表符號示意。鉆尖位置用外刃的橫寬a，外角用表示，內(nèi)角用表示。根據(jù)設(shè)計要求，

21、此槍鉆的外徑為，則外角，內(nèi)角，此類為槍鉆的標準頭部形狀，對多數(shù)常見材料都有通用性。3、前刀面的位置槍鉆前刀面的切削條件類似于內(nèi)圓車刀，其位置應(yīng)等于或者稍微低于孔的軸線，而不應(yīng)高于孔的軸線。炮鉆的前刀面之所以必須略高于中軸，是由于其半圓柱體形狀的限制。槍鉆打的橫截面大于半圓，因此前刀面可以通過中心或低于中心。如低于中心，鉆孔時會避開切削速度為零的中心點，從而有利于減小軸向切削阻力。但如前刀面過低，在鉆孔過程中會留下一根細小的中心棒，影響切屑正常排出。通常允許前刀面低于中心線。4、斷屑臺在車、銑等常規(guī)切削加工中斷屑也是一個不忽視的課題。連續(xù)的纏繞形切屑會干擾加工過程的正常運行，傷害操作者和損傷工件

22、、刀具、機床，更使生產(chǎn)過程的連續(xù)性難以實現(xiàn)。理想的情況是采用切屑手段，讓切屑按照按照一定的規(guī)律斷成小段。最方便易行的就是在刀具前面上磨出斷屑臺或者設(shè)置斷屑器。對于深孔鉆削來說，能否連續(xù)的、無堵塞的自動排除切屑，始終是成敗的首要課題?，F(xiàn)代深孔鉆削刀具由于保證了供油、排屑通道以及高壓切削液，使連續(xù)自動排屑成為可能，但并未從根本上堵屑發(fā)生的可能。無堵塞的連續(xù)自動排屑，必須同時得到以下三個方面的保證，缺一不可。（1）供油、排屑通道結(jié)構(gòu)合理。（2）保持正常合理的油壓和流量。（3）合理的切屑形態(tài)用以上三方面的要求來對照槍鉆。槍鉆的出屑槽呈前后一致的扇形，排屑斷面積接近于被鉆孔截面的，擁有各種深孔鉆中最為理

23、想的排屑通道。不足之處在于頭部通油孔的面積太小（只及孔截面的），因此必須加大油壓和油量，才能有足夠的動量用來推動切屑通過v形槽和與鉆頭相對旋轉(zhuǎn)著得孔壁而順暢溢出。在油壓足夠的而前提下，槍鉆即使不斷屑，一般也不會發(fā)生堵屑障礙。因此，槍鉆在多數(shù)情況下不須磨出斷屑臺。在加工費碳鋼、合金鋼和鋁、銅等比較軟的材料時，連綿不斷的螺旋形卷狀切屑受高壓切削液的推擠而相互擠壓，周期性的以條絮狀被推出v形槽，甩入排屑器。當(dāng)工件為灰鑄鐵、石墨等脆性材料時，切屑呈碎粒狀被排出。只有當(dāng)工件材料為高強度、高韌性的難加工材料或者地質(zhì)不均勻時，才因切屑卷過大或者切屑形態(tài)不一致而容易發(fā)生堵屑。當(dāng)然，一旦機床的油壓不足，切削刃變

24、鈍，也會發(fā)生堵屑。在這些特定的情況下，斷屑也不失為一種應(yīng)急的措施。槍鉆之所以能在不斷屑的前提下實現(xiàn)連續(xù)排屑，部分原因是由于槍鉆的進給量很?。ǎ?，因而切屑很薄。其所以不能采用更大的進給量，是由于槍鉆的剛度（特別是扭轉(zhuǎn)剛度）遠低于同一直徑的內(nèi)排屑深孔鉆。槍鉆的前角為，且不設(shè)斷屑臺，這樣就為槍鉆具有可多次重磨性奠定了基礎(chǔ)。在國際市場上，槍鉆至今仍是切削工具產(chǎn)品中售價昂貴的產(chǎn)品。其所以能得到較為普遍的應(yīng)用，很大程度上是與槍鉆的可重磨性有關(guān)。5、切削刃的主要幾何參數(shù)如圖2.5所示為切削刃的主要幾何參數(shù)，根據(jù)設(shè)計要求，該槍鉆的直徑為，對該范圍內(nèi)的槍鉆進行系列化設(shè)計。圖2.5 切削刃的主要幾何參數(shù)(1)前角

25、 內(nèi)外刃的前刀面為同一平面，因此內(nèi)外刃的前角都為。（2）外刃后角和內(nèi)刃后角當(dāng)槍鉆直徑為時，。外刃后刀面的磨法有兩種，對以下的小直徑鉆頭，其外刃后刀面可仿照麻花鉆磨成螺旋錐面；較大的槍鉆，其外刃后刀面一般磨成平面。內(nèi)刃的后刀面，不論直徑大小，一律磨成平面。當(dāng)內(nèi)外刃刀面都是平面時而平面之間形成一道多余的交線。當(dāng)用槍鉆制造時，通常將尖峰磨去，形成一個副后角，其取值為。但刃磨副后角時不應(yīng)觸及內(nèi)外刃交點t，以免形成三股切屑流。副后角的存在，有利于刀尖和和切削刃的冷卻潤滑。(3)定徑刃寬度s和定徑刃后角在切削刃外側(cè)，需要留有一條與鉆頭軸線平行的窄狹圓柱面，即定徑刃.或稱刃帶。其作用與多刃鉸刀的刃帶相同。刃

26、帶的寬度s取值范圍一般為 (直徑越大，取值越大)。太小，定徑刃容易磨損；過大，會增加摩擦阻力。定徑刃對孔壁有一定的修光作用。定徑刃后角取值范圍為，它的作用是改善定徑刃的冷卻潤滑條件。(4)槍鉆頭部倒錐為減小槍鉆頭部與孔壁的摩擦阻力，切削部分要磨出一個的微小倒錐。(5)槍鉆切削部分的長度由外刃拐點至導(dǎo)向條終點的長度，稱為槍鉆切削部分的長度。表是不同鉆頭直徑下的切削部分長度。 表1 不同鉆頭直徑下的切削部分長度鉆頭直徑切削部分長度鉆頭直徑切削部分長度13301935234025452525 該表是單邊刃槍鉆的切削部分長度，當(dāng)鉆頭直徑是時，切削部分的長度可由表查出。6.進油孔的設(shè)計進油孔設(shè)計包括供油

27、孔形狀、尺寸、位置三個因素。而這三個因素的確定又受制于槍鉆橫截面形狀、鉆頭扭轉(zhuǎn)強度、鉆桿外徑和導(dǎo)向條布置等因素。因此，進油孔的面積遠不如預(yù)期那么大。圖2.6 槍鉆進油孔本設(shè)計由于是鑲片式硬質(zhì)合金槍鉆通油孔，因受到導(dǎo)向條的限制，一般只能采用圖2.6所示那樣的單油孔結(jié)構(gòu)。7.槍鉆的導(dǎo)向面和導(dǎo)向條對于整體燒結(jié)式槍鉆而言，除定徑刃外，凡是與工件孔壁接觸的部分均為導(dǎo)向面。但對于鑲片式硬質(zhì)合金槍鉆，只用兩條硬質(zhì)合金充任鉆頭的導(dǎo)向元件，這兩條硬質(zhì)合金稱為導(dǎo)向條(簡稱導(dǎo)條)，如圖2.7。圖2.7整體燒結(jié)式槍鉆導(dǎo)向面的設(shè)計導(dǎo)向面的設(shè)計和配置，服從于槍鉆切削時所受徑向分力、垂直分力和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。圖2.7a是最普通

28、的導(dǎo)向面。導(dǎo)向面1為大于 (其止點在切削刃對側(cè))的一段圓弧，與定徑刃圓柱面合成一個完整半圓。這種導(dǎo)向面適用于加工精度不高的深孔.特點是槍鉆使用壽命長。圖2.7b是在a型的基礎(chǔ)上，增加一段較短的導(dǎo)向面2,使鉆頭圓柱面覆蓋大半個圓周。本型適用于要求加工精度高的鑄鐵及輕金屬材料加工。圖2.7c是將a的導(dǎo)向面延長，使其超過半周。本型的加工精度高于a型。但因?qū)蛎娴拿娣e過大，導(dǎo)向面與孔壁之間的潤滑不良，摩擦轉(zhuǎn)矩較大，導(dǎo)向面易磨損，所以多用于擴鉆。圖2.7d是在c型基礎(chǔ)上的改進，即將c型導(dǎo)向面的中間磨去一段，以改進其不足，用于要求加工精度高的鋼材工件。本型也是鑲片式槍鉆導(dǎo)向條的基本型。圖2.7e是b,c兩

29、型的結(jié)合，兼有導(dǎo)向面大和覆蓋圓周比例大雙重特點，但摩擦面太大且潤滑不良，有燒傷鉆頭或孔壁的危險。更適合于鋁合金等輕金屬合金加工，可加工出表面粗糙度很小的孔。圖2.8是鑲片硬質(zhì)合金槍鉆導(dǎo)向條的配置方式，是圖2.7d型的移植。鉆頭體3由中碳鋼或合金鋼棒料(調(diào)質(zhì))銑出v形排屑槽、刀片槽(其內(nèi)側(cè)適當(dāng)超過圓心)和兩個導(dǎo)向條槽，鉆出通油孔，再焊(或粘接)上硬質(zhì)合金刀片和導(dǎo)向條，將尾端焊口與鉆桿對焊后，再進行磨削而成。其第一導(dǎo)向條1的中線與主切刃平面成，第二導(dǎo)向條中央與主切刃平面成。 圖2.8 鑲片式槍鉆導(dǎo)向條的配置8.v形槽開角(圖2.8)的取值范圍為,本設(shè)計采用，目的在于增大槍鉆的扭轉(zhuǎn)剛度。 9，鉆頭體

30、直徑鉆頭體直徑取值為()d(d為鉆頭公稱直徑)，見圖2.8。 10.導(dǎo)向條倒角導(dǎo)向條的前端應(yīng)有的倒角，以減小槍鉆的進給力，并保證導(dǎo)向條剛進人孔壁時切削平穩(wěn)。導(dǎo)向條的前端倒角應(yīng)光潔平滑。導(dǎo)向條后端應(yīng)有的倒角，以避免鉆頭從已加工孔退出時損傷孔壁。11、導(dǎo)向條前端對外切削刃拐點a的滯后量不論槍鉆頭部形狀屬于哪一種型，第二導(dǎo)向條(圖2.8中的“2)必須滯后于外刃拐點a一定的距離e,e的最佳取值范圍為() d。第一導(dǎo)向條(圖2.8中的1)前端對a點的滯后量約為e/2。重磨槍鉆時，必須在重磨外刃、內(nèi)刃后刀面之后，對導(dǎo)向條倒角進行補充刃磨，使e值符合要求。12、槍鉆切削刃及導(dǎo)向條材料的選擇深孔刀具，特別是深

31、孔鉆頭切削刃，在選材時比普通刀具材料的要求更加嚴格。首先要考慮被加工工件材料的物理機械性能，有時還應(yīng)當(dāng)考慮工件材料的化學(xué)成分，以避免二者化學(xué)組成元素之間因不良化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致刀具加快磨損。其次，深孔刀具對被加工材料應(yīng)有足夠的抗彎強度，以避免在正常切削用量條件下發(fā)生切削刃崩裂、破損。第三，切削刃的耐磨性應(yīng)盡可能高一些。當(dāng)工件是難加工材料時，在正常切削用量下刀具材料最低限度應(yīng)保證能加工一個深孔。如果連這一最低要求也無充分把握，則必須適當(dāng)降低切削速度或更換更適合的刀具材料或采用特種加工方法。須知，無論對于深孔精密加工還是實體鉆削，由于切削刃破損或磨鈍而中途換刀，都可能導(dǎo)致工件報廢或刀具、刀桿與工件全部

32、報廢。槍鉆導(dǎo)向條的選材一般與切削刃相同，這有利于刀具制造。在特定情況下(例如發(fā)現(xiàn)導(dǎo)向條有超常磨損時)，也可以使用不同的材料。 槍鉆切削刃材料一般用不同牌號的硬質(zhì)合金，目前，涂層硬質(zhì)合金刀片和陶瓷刀片也已經(jīng)用于深孔鉆頭制造。2.3.2 槍鉆鉆桿和鉆柄的設(shè)計1.鉆桿外徑槍鉆鉆桿用中碳鋼或低碳合金鋼冷拔無縫鋼管為坯料，經(jīng)過調(diào)質(zhì)、校直、無心磨、軋制v形槽、再校直等工序加工而成。鉆桿的v形槽張角與鉆頭相等，與鉆頭對焊時，鉆桿與鉆頭的v形槽應(yīng)完全對正。 圖2.9 槍鉆鉆桿鉆桿外徑與鉆頭體的外徑相等，取。過大.有可能在鉆桿進人孔壁后與孔壁發(fā)生干涉；取值過小，會降低本來就不足的槍鉆鉆桿剛度，并且將使鉆頭部分進

33、油孔面積減小。2.鉆桿壁厚通常取鉆桿壁厚。t的取值過小，直接導(dǎo)致降低鉆桿剛度；取值過大，可能使鉆桿壁援蓋進油孔。3.槍鉆鉆柄設(shè)計槍鉆鉆柄的主要設(shè)計參數(shù)(結(jié)構(gòu)代碼、外徑、長度)應(yīng)與所采用槍鉆機床的刀座孔或夾頭一致。例如，鉆孔范圍為的機床，所用鉆柄的外部尺寸參數(shù)是完全相同的，僅內(nèi)圓隨鉆桿的外圓而定。鉆桿的末端無v形槽，以滑配合與鉆柄孔配合后，再焊為一個整體。圖2.10是一些常見的鉆柄. 圖2.10 常見的鉆柄設(shè)鉆柄尾部直徑為，鉆柄總長為，則表2列出了部分不同鉆柄在鉆頭直徑不同時和的值。表2 幾種常見鉆柄的數(shù)據(jù)鉆柄鉆頭直徑63610401648205025561645207019.057010402

34、570104025703 槍鉆受力分析槍鉆在切削全過程中的受力情況遠比雙刃鉆復(fù)雜。仔細研究槍鉆在切人工件、正常工作和切出工件、退出刀具等各階段的受力情況，對于正確設(shè)計、使用單邊刃深孔刀具有普遍的指導(dǎo)意義。3.1 槍鉆切入階段的受力分析從鉆尖接觸工件一直到內(nèi)外切削刃全部進人工件，為槍鉆的切人階段。此階段的槍鉆，可用一把具有外刃和內(nèi)刃的車刀來加以模擬，而被加工工件可視為一根平頭的轉(zhuǎn)軸。為便于分析對比，假定內(nèi)外刃寬度相等，并取，以及工件材料為的硬鋁棒料.，工件轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，在不同進給量下進行模擬切削實驗，所測得的主切削分力、軸向切削分力(推力)和徑向切削分力曲線見圖3.1。 圖3.1

35、切入階段槍鉆的受力情況由圖3.1可見，即使在內(nèi)外刃寬度相等條件下，徑向切削分力也是指向刀具軸心的，即外刃的徑向切削力大于與其方向相反的內(nèi)刃徑向切削力。因此，對于標準型槍鉆（），其切人階段所受的徑向切削分力指向圖2.8所示切削刃對側(cè)的導(dǎo)向條2。主切削分力最大，指向圖所示的導(dǎo)向條1。圖3.2是在上述實驗的基礎(chǔ)上進行的切削刃各分力密度的實驗測定。所用工件材料為45鋼、棒料直徑仍為、工件轉(zhuǎn)速為1500 r/min、進給量為0.025 mm/r，。圖中橫坐標為受力點在槍鉆切削刃上的位置，中線的右側(cè)相當(dāng)于外刃，左側(cè)相當(dāng)于內(nèi)刃。圖3.2 單刃鉆的切削密度由圖可知，主切削分力的分布密度基本上是均勻的，但軸向推

36、力和徑向切削分力的密度都是外刃大于內(nèi)刃。而且越接近于工件中心，切削力密度越小。對于徑向分力來說，因外刃和內(nèi)刃的方向相反.徑向切削力的合力指向中心。作為對比，圖3.2(b)列出了同直徑麻花鉆半徑上的相應(yīng)切削力密度。實驗條件為:工件材料為中碳鋼；。與單邊刃鉆頭比較可知，其橫刃處(橫刃寬度為，單邊橫刃寬為)的主切削力、軸向力密度都很大。但由于雙刃對稱，主切削力構(gòu)成轉(zhuǎn)矩，軸向力疊加，徑向力互相抵消。考慮到標準型槍鉆,，則外刃的徑向切削分力更加大于內(nèi)刃。據(jù)此，可畫出槍鉆受力情況的解析圖，見圖3.3。對解析圖做進一步的分析，可以發(fā)現(xiàn)槍鉆加工的以下特點:。圖3.3內(nèi)外刃切入過程中槍鉆受力情況在內(nèi)外刃切人工件

37、的過程中，由于軸向分力之和()是偏心負荷，可轉(zhuǎn)換為作用于鉆頭中軸的推力和一個彎曲力矩 (為軸向切削分力作用點與中心的距離)。同樣，內(nèi)外刃主切削分力之和()可轉(zhuǎn)換為從z方向施加于鉆頭中心的一個彎曲力和一個轉(zhuǎn)矩（為主切削分力作用點與中心的距離)。外刃和內(nèi)刃上所受徑向切削分力由于方向相反且大小不等(對于標準型槍鉆，)，其合力使鉆頭向內(nèi)側(cè)彎曲，并使鉆孔直徑有變小的傾向。由于槍鉆是長徑比很大的非剛性鉆頭，上述切削分力、中任何一個，即使數(shù)值不大，也足以使鉆頭不能正常工作。為此，必須在鉆頭切人工件之前設(shè)置一個導(dǎo)向套，以保證鉆頭能正常切人工件。當(dāng)鉆頭的切削刃和導(dǎo)向部分進人工件以后，導(dǎo)向套完成其規(guī)定的使命，鉆頭

38、靠自己的導(dǎo)向面使切削力達到平衡并實現(xiàn)自身的導(dǎo)向。當(dāng)采用導(dǎo)向套后，在內(nèi)外刃切人工件過程中由于鉆頭的導(dǎo)向面緊貼導(dǎo)向套，鉆頭進給方向得到了保證。但導(dǎo)向套的內(nèi)徑不可能與鉆頭直徑完全一致，而必須留有一個微小的直徑間隙 (通常不大于0.015 mm)。由于此間隙的存在，切削刃切人工件時，只能鉆出比鉆頭直徑約小的孔。當(dāng)導(dǎo)向部開始進人工件時，將成為導(dǎo)向部的過盈量，被強行擠壓擴大。因此，導(dǎo)向部和孔壁之導(dǎo)向面之間互相處于擠壓狀態(tài)，其結(jié)果是工件孔壁被擠光，而鉆頭得到了可靠的導(dǎo)向。由于槍鉆扭轉(zhuǎn)剛度很低，上述擠光轉(zhuǎn)矩必須受到嚴格的限制。因此.槍鉆的進給量很小，這是又一個突出特點。3.2 槍鉆鉆孔全過程中轉(zhuǎn)矩和軸向力的變

39、化規(guī)律圖3.4(a),(b)是用槍鉆鉆孔時，在鉆柄上貼應(yīng)變片，通過電磁示波器測得的鉆孔全過程中轉(zhuǎn)矩和軸向推力曲線。 先對圖3.4(.a)的轉(zhuǎn)矩曲線進行解讀。從鉆尖接觸工件的點，至外刃拐點切人工件的點，鉆頭所受轉(zhuǎn)矩完全由切削力造成，稱為切削轉(zhuǎn)矩()，與外刃切人長度成正比。由至，因鉆孔直徑不變，導(dǎo)向條尚未進人工件，所以值不變。為第一導(dǎo)向條的起點。由于第一導(dǎo)向條進人后與孔壁產(chǎn)生正壓力和擠光轉(zhuǎn)矩()，此擠光轉(zhuǎn)矩隨導(dǎo)向條倒角的逐漸進人而由小變大。為第二導(dǎo)向條的進人點，見圖3.5(a)。由于導(dǎo)向套孔徑略大于鉆頭一個邊值，槍鉆外刃的徑向切削分力大于內(nèi)刃時，鉆頭被推向內(nèi)刃一側(cè)而使鉆頭軸線相應(yīng)偏移/2，從而使開

40、始鉆出的孔徑比鉆頭小(即d一)。如圖3.5(b)所示，當(dāng)?shù)诙?dǎo)向條進人時，直徑為d的孔徑突然被擴張為d，因而擠光轉(zhuǎn)矩也突然升至最高點。 開始切削；外刃拐點開始進入；第一導(dǎo)向條進入點；第二導(dǎo)向條進入點；導(dǎo)向條全部進入；停止進給；鉆頭開始退回 圖 3.4槍鉆加工全過程的轉(zhuǎn)矩和軸向力曲線圖3.5 槍鉆切入時孔徑縮小示意圖第二導(dǎo)向條前端進人工件后，內(nèi)外切削刃進人正常切削狀態(tài)，值隨之回落。但由于第二導(dǎo)向條進人長度逐漸增加，摩擦面積隨之增大，值緩慢回升。之后，由于兩導(dǎo)向條對孔壁的擴張和軋平作用，值再次回落，直到兩導(dǎo)向條全部進人工件(點), 完全處于平穩(wěn)狀態(tài)。鉆孔完畢，鉆頭于處停止進給(但工件繼續(xù)轉(zhuǎn)動)。因

41、切削轉(zhuǎn)矩已不存在，但擠光轉(zhuǎn)矩不變，故總轉(zhuǎn)矩下降，并保持在的水平，直到點鉆頭開始返回為止。點之后總轉(zhuǎn)矩的回升，是由于導(dǎo)向條軋過之后，孔壁因彈性變形而收縮，導(dǎo)向條的后倒角在鉆頭退回時，切人比鉆頭直徑稍小的孔。當(dāng)鉆頭退出已加工孔時，轉(zhuǎn)矩迅速下降至零。軸向力由三個來源組成:切削力的軸向分力、導(dǎo)向條與孔壁的軸向摩擦阻力和切削液壓力。在切削過程中，可視為現(xiàn)代深孔加上技術(shù)一個常值；的值很小;只是在切削刃進人工件階段由零上升為最大值，當(dāng)導(dǎo)向條進入時，總軸向推力由增至()，見圖3.6。圖3.6槍鉆受力解析圖圖3.6為根據(jù)槍鉆切削刃和導(dǎo)向條受力情況繪出的槍鉆受力解析圖。1.轉(zhuǎn)矩槍鉆頭部所受的轉(zhuǎn)矩由以下三部分組成:

42、(1)切削轉(zhuǎn)矩切削轉(zhuǎn)矩。為外刃和內(nèi)刃垂直切削分力之和，它的大小僅與鉆頭直徑和工件材料有關(guān)。其作用點大約在距中心0.6 r處，見圖3.2(a).(2)摩擦轉(zhuǎn)矩由切削力作用于鉆頭導(dǎo)向面與孔壁之間所產(chǎn)生的正壓力和二者之間的摩擦系數(shù)相乘，構(gòu)成摩擦轉(zhuǎn)矩。其數(shù)值在總轉(zhuǎn)矩中所占比率很小，可以忽略不計。(3)擠光轉(zhuǎn)矩()由圖3.4(a)和圖3.6可知，擠光轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生于第二導(dǎo)向條進人孔徑并將孔徑突然擴大時。此時，已經(jīng)被徑向切削力推向?qū)蛱琢硪粋?cè)的鉆頭突然返回中間位置，靠定徑刃和導(dǎo)向條的受力平衡，把被加工孔擴大至與鉆頭直徑相等。由于定徑刃有一個寬度不大的圓柱面刃帶而迫使孔壁彈性變形而讓刀，結(jié)果會對鉆頭留下巨大的夾緊

43、力，其所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩就是擠光轉(zhuǎn)矩。由圖3.7可以看出，擠光轉(zhuǎn)矩與切削轉(zhuǎn)矩并無直接關(guān)系。(實驗條：:槍鉆直徑，為切削轉(zhuǎn)矩，為擠光轉(zhuǎn)矩，m為總轉(zhuǎn)矩)。擠光轉(zhuǎn)矩是一個十分活躍的因素，很多因素都影響擠光轉(zhuǎn)矩的變動。如果以代表與的比值，則有，稱為轉(zhuǎn)矩比。圖3.7進給量與切削轉(zhuǎn)矩和擠光轉(zhuǎn)矩的關(guān)系圖3.8為幾種不同因素對的影響。圖(a)為導(dǎo)向面張角的影 響，圖(b)為不同匹配時的影響，圖(c)為外刃寬度a的影響，圖(d)為定徑刃寬度的影響。導(dǎo)向面張角是由外刃邊線至導(dǎo)向面終點的弧角。圖(a)中列出了三種情況：，)。當(dāng)導(dǎo)向?qū)挾鹊挠绊懨鎻埥谴笥跁r，明顯增大。圖3.8不同因素對轉(zhuǎn)矩比的影響根據(jù)上述分析研究，可得出以下

44、幾點具有普遍指導(dǎo)意義的結(jié)論:對于單邊刃鉆頭，由于切削力不對稱，在切人工件前，必須用鉆頭導(dǎo)向套加以引導(dǎo)。當(dāng)鉆頭導(dǎo)向部分進人工件后，導(dǎo)向面可以產(chǎn)生自導(dǎo)作用。當(dāng)槍鉆的外刃徑向切削刃分力大于內(nèi)刃時，鉆頭切削刃進入工件時會產(chǎn)生孔徑的縮小。當(dāng)?shù)诙?dǎo)向條進人工件時，會在短暫的時間內(nèi)產(chǎn)生很大的擠光轉(zhuǎn)矩并使孔擴大到與鉆頭直徑相等的尺寸。擠光轉(zhuǎn)矩的正面作用是降低鉆孔的粗糙度，但它不應(yīng)過大。由于槍鉆的扭轉(zhuǎn)剛度很低，擠光轉(zhuǎn)矩過大時會導(dǎo)致鉆頭或鉆桿扭斷、刀具振動、導(dǎo)向面磨損加快、切削液過熱及機床功率消耗增大等弊端。減小轉(zhuǎn)矩比的措施是:使導(dǎo)向部張角適當(dāng)小于，使外刃寬度略小于d/4;使外角a與內(nèi)角的差值不超過。槍鉆扭轉(zhuǎn)剛度

45、的不足是制約總轉(zhuǎn)矩的一個根本因素。除了控制轉(zhuǎn)矩比之外，切削轉(zhuǎn)矩也要受到限制。根據(jù)實驗，切削轉(zhuǎn)矩與進給量基本上成線性關(guān)系，即式中，為常數(shù)，與工件材質(zhì)有關(guān)。當(dāng)不變時，降低進給量就成為減小切削轉(zhuǎn)矩的主要途徑。這也是槍鉆進給量相對低于內(nèi)排屑深孔鉆的根本原因。2.軸向推力槍鉆所受軸向推力共由三部分組成:軸向切削分力，軸向擠光力分量和切削液壓力。圖3.9為實際測到的、與進給量的關(guān)系曲線(原始條件同圖3.7)。其中，軸向切削分力與進給量在時成線性關(guān)系，在小進給量時為非線性關(guān)系。由于擠光力造成的擠光軸向推力占總軸向力的比例很小(約占1/8)，實際上影響不大。圖3.9軸向力與進給量的關(guān)系切削液壓力是造成軸向推力

46、的第三個因素。由于槍鉆進油孔面積很小，需要很高的油泵壓力。但當(dāng)切削液通過細長的供油通道(特別是鉆頭頭部進油孔)時有壓力損失，所以在鉆頭坡口處的實際壓強會有所降低。例如們的槍鉆，當(dāng)，供油壓力為 4.4 mpa時，在出油孔外僅有2.8 mpa的壓強，其所產(chǎn)生的軸向推力約為76.44 n。軸向推力之和構(gòu)成進給力，使鉆桿產(chǎn)生壓縮。為避免鉆桿發(fā)生彎曲變形，除依靠鉆套預(yù)先進行導(dǎo)向外，在排屑器后端還設(shè)置帶有密封的鉆桿支承件。過于細長的鉆桿，還應(yīng)在排屑器后方設(shè)置專用的鉆桿支承架。4 槍鉆應(yīng)力分析過程及結(jié)果4.1槍鉆實體模型的建立本文以d=16mm槍鉆為例，利用pro/e的建模功能，完成了鉆頭、鉆桿和鉆柄的實體

47、模型，將鉆頭、鉆桿和鉆柄三部分裝配成實體槍鉆，如圖4.1所示。圖4.1槍鉆的模型4.2 槍鉆力學(xué)模型的建立受力分析時以鉆頭為研究對象，在刀刃上作用總切削力,它可以分解為主切削力分量徑力分量和軸向力分量。在導(dǎo)向塊上作用有壓力和摩擦力， 還有鉆頭自重、冷卻液壓力，總軸力 ，和扭矩。扭矩主要可分解為切削扭和導(dǎo)向塊摩擦力矩。1、受力狀態(tài)的簡化 鉆頭自重和冷卻液壓力對鉆頭的受力狀態(tài)響較小， 可以忽略不計。 鉆桿、切屑、冷卻液各部分的重力和導(dǎo)套、中支承處的反力、摩擦力均很小，或者影響甚微，所以在鉆頭靜力分析時一般均忽略不計。 由于鉆頭的軸向尺寸相對于鉆桿來說很小，認為除了走刀抗力和導(dǎo)向塊上軸向摩擦力外，各

48、均作用在一個平面內(nèi) 個切削力分量和導(dǎo)向塊上摩擦力、正壓力均由分布力簡化為集中力。 深孔鉆削時，導(dǎo)向塊與孔壁之間的接觸起著修光刃的作用， 能使孔壁粗糙度降低。這時不僅產(chǎn)生庫侖摩擦力矩， 還產(chǎn)生了變形力矩。變形力矩包括使孔壁表面產(chǎn)生塑料變形和彈性變形的力矩。這就是說， 在導(dǎo)向塊上由于正壓力 f的作用， 產(chǎn)生兩個方向相同的切向力，一個是庫侖摩擦力， 另一個是產(chǎn)生變形的切向力。為了方便起見，考慮到硬質(zhì)合金的硬度很高，塑性變形很小，我們用庫倫摩擦系數(shù)代替當(dāng)量摩擦系數(shù)。2數(shù)學(xué)模型在上述簡化的基礎(chǔ)上，槍鉆鉆頭的力學(xué)模型如圖所示，根據(jù)平衡關(guān)系有如下方程： 圖4.2 槍鉆力學(xué)模型主切削力分量 徑向切削力分量 總

49、軸向力 軸向切削力分量總扭矩 鉆頭公稱半徑 導(dǎo)向塊1,2上的正壓力導(dǎo)向塊1,2上的軸向摩擦力 導(dǎo)向塊1,2的位置角l主切削力分量的作用力臂假設(shè)只考慮庫倫摩擦系數(shù)，于是導(dǎo)向塊上軸向摩擦力與周向摩擦力相等。在上面的公式中，由于一些角度和鉆頭直徑是已知的，扭矩和內(nèi)總軸向力可以直接測出，l可以用經(jīng)驗公式得出，因此，其他的未知量都可以近似的求出。4.3槍鉆的有限元分析4.3.1導(dǎo)入槍鉆實體模型 利用pro/e軟件建立槍鉆的三維實體模型，將其導(dǎo)入ansys workbench協(xié)同仿真軟件進行計算分析。4.3.2 定義材料特性本次研究中，鉆頭使用的材料為牌號yg8（iso牌號：k20）的硬質(zhì)合金，其參數(shù)為：

50、楊氏彈性模量610gp，a泊松比0.21，密度，剪切彈性模量252.1gpa抗壓/拉強度4.47gpa，抗彎強度1.5gpa，屈服強度1.8gpa。4.3.3網(wǎng)格劃分單元類型的選用對于分析精度有著重要的影響。正確的選擇單元類型是進行有限元分析的保證，也是設(shè)計人員在前處理階段的主要任務(wù)之一。網(wǎng)格劃分涉及單元的形狀及拓撲類型、單元類型、網(wǎng)格生成器的選擇、網(wǎng)格密度等。圖4.3是ansys workbench的網(wǎng)格劃分。圖4.3 鉆頭的網(wǎng)格劃分4.3.4約束、處理在鉆頭模型上施加以下鉆削力和轉(zhuǎn)矩：外刃、內(nèi)刃和導(dǎo)向條上的軸向力和轉(zhuǎn)矩。由于對槍鉆做的是應(yīng)力仿真分析，除添加約束和載荷外，還添加后處理的數(shù)據(jù)類

51、型：應(yīng)變、方向變形、總變形和剪應(yīng)變。4.3.5后處理結(jié)果利用ansys workbench對鉆頭進行有限元分析以后，得到如下的圖形。 等效應(yīng)力圖 圖4.4 等效應(yīng)力圖可以看出，等效應(yīng)力主要發(fā)生在鉆頭的切削刃附近，最大等效應(yīng)力則發(fā)生在鉆尖靠近外刃的部分，說明鉆尖處的強度最弱 方向變形圖圖4.5 x軸變形圖 圖4.6y軸變形圖圖4.7 z方向變形圖從圖4.5到4.6中可知：x軸最小變形發(fā)生在鉆尖附近，而且最小變形的絕對值大于最大變形的絕對值，說明鉆尖處的變形沿-x向，變形量較大；y軸徑向最大變形發(fā)生在鉆尖附近，最?。粃軸軸向變形恒為負值，最小變形在鉆尖附近，說明鉆削過程中的槍鉆一直處于壓縮狀態(tài)，鉆

52、尖附近壓縮量最大。因此得出鉆頭的剛度較差，如果該處的變形量較大，則會影響加工精度。4.3.6有限元結(jié)果分析槍鉆的外角、內(nèi)角、外刃第一后角、內(nèi)刃后角、外刃寬度五個幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)共同決定了鉆頭的主要結(jié)構(gòu)，相互影響和制約著鉆頭的強度、剛度和切削性能。為了得出鉆削過程中槍鉆幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳組合值，本文采用正交試驗法分析這些參數(shù)對槍鉆鉆頭的影響。正交試驗法考慮了各因素間的交互影響,由于因素間的搭配均勻,不僅能區(qū)分每個因素的作用,找出最佳搭配,而且還可以考慮因素的聯(lián)合作用,并大大減少了試驗次數(shù)。本文選擇外角、內(nèi)角、外刃第一后角和外刃寬度這四個主要的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過四因素三水平正交試驗法得出四個參數(shù)的最佳

53、組合。表4.1 水平表水平因素外角內(nèi)角外刃第一后角外刃寬度abcd11.7mm21.95mm32.6mm通過各因素對各指標影響的綜合分析，得出較好的方案組合是：a1：外角，第1水平，15，b1：內(nèi)角，第1水平，10，c3：外刃第一后角，第3水平，15，d2：外刃寬度，第2水平，1.95mm。鉆削過程中，槍鉆鉆尖附近的應(yīng)力、變形最大，此處強度、剛度較差；鉆頭的結(jié)構(gòu)主要有4個幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)共同決定，采用四因素三水平的正交試驗法得出4個參數(shù)的最佳組合。分別改變進給量和后刀面磨損寬度，進行有限元分析，結(jié)果表明：應(yīng)力和變形均呈遞增趨勢。因此在保證加工精度的情況下，可適當(dāng)提高進給量，以提高加工效率；若進給量

54、適中，應(yīng)力、變形較大，影響加工精度時，需要對槍鉆進行重磨。5 總結(jié) 通過三個月的努力，在老師和同學(xué)們的幫助下，我完成了槍鉆結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化與受力分析。 該槍鉆為單邊刃硬質(zhì)合金鑲片式槍鉆，通過對鉆頭形狀及各個參數(shù)，鉆柄和鉆桿的分析計算，系列化地設(shè)計出了鉆頭直徑在的槍鉆，并且分析了槍鉆在切入和鉆孔時的受力情況，對槍鉆進行了優(yōu)化設(shè)計。同時，在這次設(shè)計中，我也發(fā)現(xiàn)了自己的許多不足。首先，最初分析該槍鉆時，對槍鉆結(jié)構(gòu)和受力分析的掌握還不算很全面，走了不少彎路。其次，最初對槍鉆沒有一個完整的概貌，考慮不是很全面，所以分析時，碰到不少困難。最后，我還應(yīng)當(dāng)多查閱一些有關(guān)刀具設(shè)計的資料，提高自己分析刀具結(jié)構(gòu)和受力情

55、況的能力。參考文獻1王峻.現(xiàn)代深孔加工技術(shù).哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2005 2鄭立新.深孔鉆自控方法的研究.華僑大學(xué)學(xué)報，19953曹霞，黃志榮.小直徑深孔加工切削用量的實驗優(yōu)選.常州工學(xué)院學(xué)報，20094彭海，張敏，王水航.干式深孔加工技術(shù)的研究.西安石油大學(xué)5張秋麗，胡思節(jié).平面型后刀面槍鉆的鉆銷力數(shù)學(xué)模型.湖南大學(xué)6程金石，鄭文 ，張偉.平面型后刀面槍鉆鉆尖的幾何設(shè)計.大連輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報，20027孫路，殷雪艷.槍鉆cad軟件的開發(fā)與設(shè). 陜西國防工業(yè)技術(shù)學(xué)院，20078程金石，賀鳳寶，張偉.確定平面型后刀面槍鉆鉆尖設(shè)計參數(shù)的測量和設(shè)計方法.大連輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報，20039周養(yǎng)萍，楊承濤.深孔加工的新方法-鉆銑法.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，200710何定健，李健勛，王勇.深孔加工關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展.四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院11關(guān)世璽，范國勇，常興.深孔加工關(guān)鍵技術(shù)研究.中北大學(xué)，200712張?zhí)m萍，楊生元.深孔加工中切削參數(shù)的選擇.蘭州蘭石集團有限公司，200