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1、高精度細(xì)長(zhǎng)孔的數(shù)控加工研究摘要: 目前世界上利用外排屑(如槍鉆)深孔鉆削技術(shù),可鉆削的孔徑小到f2mm。而內(nèi)排屑深孔鉆削的孔徑很少有小于f16mm的,且多數(shù)仍采用傳統(tǒng)的BTA鉆削系統(tǒng)。由于槍鉆結(jié)構(gòu)為不對(duì)稱(chēng)形狀,質(zhì)心偏離中軸,這給制造、重磨都帶來(lái)一定的困難,也使造價(jià)增高。 另外,其結(jié)構(gòu)剛度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度低(同直徑的圓形鉆桿扭轉(zhuǎn)剛度是槍鉆的2.3倍),使其使用的鉆削速度降低,進(jìn)給量小。采用單管內(nèi)排屑噴吸鉆(SED)鉆削系統(tǒng),鉆削小深孔直徑可小到f3.7mm。我工藝所采用SED技術(shù),進(jìn)行了孔徑(mm)f16、f12、f10、f8、f7.62、f5.7、f3.7的小深孔鉆削加工,鉆削過(guò)程平穩(wěn),排屑流暢,孔
2、的尺寸形狀精度和孔壁表面粗糙度均能滿(mǎn)意,在上述孔徑范圍內(nèi),完全可以替代槍鉆對(duì)小深孔進(jìn)行鉆削加工。由于其剛度好,可加大進(jìn)給量和鉆削速度,使生產(chǎn)效率、鉆孔質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益均有所提高,顯示了一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。關(guān)鍵詞:高精度 細(xì)長(zhǎng)孔 數(shù)控加工一、孔的定義與分類(lèi)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB18001979的規(guī)定:孔主要指圓柱形的內(nèi)表面。由此可知,廣義的孔泛指包容面??淄ǔ?砂慈缦路椒ǚ诸?lèi): (1)按形狀來(lái)分。有圓柱孔、圓錐孔、鼓形孔、多邊形孔、花鍵孔和其它異形孔以及特形孔(如彎曲孔)等。其中,以圓柱孔使用最為廣泛。 (2)按形態(tài)來(lái)分。有通孔及盲孔(不通孔);深孔(指孔的深度L與孔徑D之比超過(guò)5的孔,L/D簡(jiǎn)稱(chēng)深徑比或長(zhǎng)
3、徑比;L/D=520屬一般深孔,L/D2030屬中等深孔,L/D30100稱(chēng)為特殊深孔)及淺孔。 (3)按孔徑的大小來(lái)分。有大孔(D100mm)、普通孔(D=10100mm)、小孔(D=110mm)和微孔(D1mm的孔)。 (4)按加工機(jī)理來(lái)分。有機(jī)械加工、特種加工(見(jiàn)表1)、機(jī)電復(fù)合加工等。盡管特種加工方法較多,但目前由于設(shè)備比較昂貴和加工效率不高等原因,所以無(wú)論是現(xiàn)在還是可預(yù)見(jiàn)的未來(lái),傳統(tǒng)的機(jī)械加工仍將是孔加工的主要手段。表1 孔加工的方法(5)按加工精度分。有粗孔(如鉆孔和粗鏜后的孔)、半精孔(如擴(kuò)孔、粗鉸、半精鏜的孔)和精密孔(如精鉸、精拉、精磨、珩磨、研磨后的孔)等。 精密孔通常是指
4、公差等級(jí)在IT7IT6級(jí)以上,表面粗糙度Ra 0.80.4m的孔,它的幾何形狀精度(如圓度、圓柱度、軸線(xiàn)直線(xiàn)度等)一般規(guī)定在其尺寸公差帶的1/21/3范圍內(nèi)。 隨著航空航天、汽車(chē)、高速列車(chē)、風(fēng)電、電子、家電、能源、模具、液壓、機(jī)床及精密機(jī)械等裝備制造業(yè)的迅速發(fā)展和產(chǎn)品的更新?lián)Q代,精密孔的應(yīng)用日益增多。例如液壓系統(tǒng)中廣泛使用的各種閥孔、高壓油缸筒都是一些典型的精密孔??准庸び捎谄渥陨淼奶攸c(diǎn),加工難度較大,而精密孔加工的難度更大。二、孔加工的特點(diǎn)孔加工是一種比較復(fù)雜的工藝過(guò)程,加工時(shí)必須妥善解決排屑、冷卻潤(rùn)滑和導(dǎo)向等問(wèn)題??准庸さ闹饕攸c(diǎn)是: (一)由于受被加工工件孔徑尺寸、長(zhǎng)度和形狀的制約,故切
5、削刀具相應(yīng)較細(xì)長(zhǎng),剛性差,并且大多呈懸臂裝夾的方式,加工容易引起刀具的偏斜和震動(dòng)。 1、切屑排除比較困難。要改善容屑與排屑條件,勢(shì)必要增大容屑槽,但這樣將會(huì)使刀具的強(qiáng)度和剛度降低。 2、切削液難以引入到切削區(qū),切屑、刀具與工件孔壁之間的摩擦很大,切削溫度很高,尤其是在加工深孔時(shí)。所以,切削液在孔加工中具有特殊的重要作用。切削液的合理選擇和正確使用,對(duì)孔的加工質(zhì)量、刀具壽命和切削效率等有極大的影響。 3.孔加工常用的切削液供液方法有澆注法和高壓內(nèi)冷卻法兩種。前者最為簡(jiǎn)單,但供液效果差,且切削液消耗量大。內(nèi)冷卻法多用于油孔鉆、深孔鉆、噴吸鉆、套料刀和單刃鏜鉸刀等孔加工刀具上,需在刀具上作出高壓內(nèi)冷
6、卻的供液(油)通道孔,油氣混合物通過(guò)此通道被輸送到切削區(qū),此法消耗的切削液用量少,但刀具結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。目前,隨著刀具制造技術(shù)的進(jìn)步,國(guó)內(nèi)外各刀具公司已推出了各種帶高壓內(nèi)冷卻供液(油)通道孔刀具的新品,為采用內(nèi)冷卻法創(chuàng)造了條件。例如,ISCAR公司推出的包括DR、DZ和DS系列的機(jī)夾硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片淺孔鉆,德國(guó)MAPAL公司的涂層硬質(zhì)合金單刃鉸刀(切削速度高達(dá)150-400m/min),日本三菱公司的硬質(zhì)合金小鉆頭等,它們都有提供通向射流應(yīng)用區(qū)域的高壓切削液通道孔,并且規(guī)格越來(lái)越小。據(jù)報(bào)道,國(guó)外一家公司生產(chǎn)的硬質(zhì)合金小鉆頭,其直徑可小到3-4.5mm,油孔直徑為0.4-0.6mm。 (二)切削液
7、采用近乎干式切削的“汽束”噴霧冷卻法的特點(diǎn)1、“汽束”噴霧冷卻是以一定壓力(0.31MPa)的空氣使切削液霧化,并以很高的速度噴向切削區(qū)域,使在該區(qū)域高溫下呈霧化狀的切削液滴很快汽化。由于液體在汽化時(shí)會(huì)吸收大量熱量,因而可使切削區(qū)域內(nèi)的溫度大幅度下降,同時(shí)切削液還能帶走切削區(qū)域和空間的熱量和粉末,改善作業(yè)環(huán)境。實(shí)踐證明,在使用等量切削液情況下,“汽束”噴霧冷卻在相同時(shí)間內(nèi)所吸收的熱量是澆注法的1000倍。所以,它不但可提高刀具使用壽命,而且可使切削液的消耗大大減少。據(jù)德國(guó)格林(Guhring)公司試驗(yàn)證實(shí),在汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)上采用“汽束”噴霧冷卻,每班只需耗用半杯油,并且可用廉價(jià)的工廠(chǎng)再生油?!捌?/p>
8、”噴霧冷卻既適用于自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)上,也適用于一般的金屬切削加工中。圖1所示為在普通鉆床上利用“汽束”供給切削液的一種裝置。該裝置由貯液箱1(包括工作部I和溢流部II)、過(guò)濾器2和3、集液盤(pán)5、噴嘴6、箱蓋8、噴吸器9、氣閥11、節(jié)氣閥12、水管13及管道4、7和10等組成。工作時(shí),開(kāi)動(dòng)氣閥11,壓縮空氣將以Pc=0.4MPa的壓力從管路中壓出,產(chǎn)生高壓氣流。高壓氣流在水管13的上部通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓,而將切削液從貯液箱中吸出,并擊成霧滴狀。上述高壓氣流帶著微小液滴的切削液滲透到切削區(qū),在高溫下會(huì)迅速汽化,吸收大量的熱量,從而能有效地降低切削溫度。而在集液盤(pán)中收集的廢液經(jīng)過(guò)濾后可流回貯液箱繼續(xù)使用。節(jié)
9、氣閥12是用來(lái)改變管路中的壓力,以便調(diào)節(jié)切削液的流量。而氣閥11則可利用電信號(hào)(通過(guò)直流電壓U=24V)操縱。使用表明,該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用方便。 加工時(shí)不能直接觀(guān)察刀具的切削情況,尤其在加工微孔和深孔時(shí)。所以,自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制較其它加工方式更為重要。 2、孔的尺寸精度、幾何形狀精度、相互位置精度和表面粗糙度常因孔加工的特殊性而難于控制,但是一旦試驗(yàn)成功,較其它加工方式反而能更有規(guī)律性地保持。 三、影響加工精度的因素(一)加工精度包括三個(gè)方面內(nèi)容: 尺寸精度 指加工后零件的實(shí)際尺寸與零件尺寸的公差帶中心的相符合程度。 形狀精度 指加工后的零件表面的實(shí)際幾何形狀與理想的幾何形狀的相符合程度。 位置精
10、度 指加工后零件有關(guān)表面之間的實(shí)際位置與理想位置相符合程度。 在機(jī)械加工中,機(jī)床、夾具、工件和刀具構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng),稱(chēng)為工藝系統(tǒng) 工藝系統(tǒng)中的各組成部分,包括機(jī)床、刀具、夾具的制造誤差、安裝誤差、使用中的磨損都直接影響工件的加工精度。也就是說(shuō),在加工過(guò)程中工藝系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生各種誤差,從而改變刀具和工件在切削運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的相互位置關(guān)系而影響零件的加工精度。這些誤差與工藝系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和切削過(guò)程有關(guān),產(chǎn)生加工誤差的主要因素有:(二)系統(tǒng)的幾何誤差 1、加工原理誤差 加工原理誤差是由于采用了近似的加工運(yùn)動(dòng)方式或者近似的刀具輪廓而產(chǎn)生的誤差,因在加工原理上存在誤差,故稱(chēng)加工原理誤差。只要原理誤差在允許
11、范圍內(nèi),這種加工方式仍是可行的。2、機(jī)床的幾何誤差 機(jī)床的制造誤差、安裝誤差以及使用中的磨損,都直接影響工件的加工精度。其中主要是機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、機(jī)床導(dǎo)軌直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和機(jī)床傳動(dòng)鏈的誤差。 3、刀具的制造誤差及磨損 刀具的制造誤差、安裝誤差以及使用中的磨損,都影響工件的加工精度。刀具在切削過(guò)程中,切削刃、刀面與工件、切屑產(chǎn)生強(qiáng)烈摩擦,使刀具磨損。當(dāng)?shù)毒吣p達(dá)到一定值時(shí),工件的表面粗糙度值增大,切屑顏色和形狀發(fā)生變化,并伴有振動(dòng)。刀具磨損將直接影響切削生產(chǎn)率、加工質(zhì)量和成本。 4、夾具誤差 夾具誤差包括定位誤差、夾緊誤差、夾具安裝誤差及對(duì)刀誤差等。這些誤差主要與夾具的制造和裝配精度有關(guān)。下面將對(duì)夾具
12、的定位誤差進(jìn)行詳細(xì)的分析。 工件在夾具中的位置是以其定位基面與定位元件相接觸(配合)來(lái)確定的。然而,由于定位基面、定位元件工作表面的制造誤差,會(huì)使各工件在夾具中的實(shí)際位置不相一致。加工后,各工件的加工尺寸必然大小不一,形成誤差。這種由于工件在夾具上定位不準(zhǔn)而造成的加工誤差稱(chēng)為定位誤差。它包括基準(zhǔn)位移誤差和基準(zhǔn)不重合誤差。在采用調(diào)整法加工一批工件時(shí),定位誤差的實(shí)質(zhì)是工序基準(zhǔn)在加工尺寸方向上的最大變動(dòng)量。 5、工藝系統(tǒng)的受力變形由機(jī)床、夾具、工件、刀具所組成的工藝系統(tǒng)是一個(gè)彈性系統(tǒng),在加工過(guò)程中由于切削力、傳動(dòng)力、慣性力、夾緊力以及重力的作用,會(huì)產(chǎn)生彈性變形,從而破壞了刀具與工件之間的準(zhǔn)確位置,產(chǎn)
13、生加工誤差。例如車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)(圖3-53),在切削力的作用下,工件因彈性變形而出現(xiàn)“讓刀”現(xiàn)象。隨著刀具的進(jìn)給,在工件的全長(zhǎng)上切削深度將會(huì)由多變少,然后再由少變多,結(jié)果使零件產(chǎn)生腰鼓形。四、小深孔加工技術(shù)的難點(diǎn)和對(duì)策 深孔鉆削加工就有相當(dāng)?shù)碾y度,內(nèi)排屑小深孔鉆削的難點(diǎn)就更加突出。(一)排屑難度排屑小深孔鉆屑時(shí)切屑,要經(jīng)過(guò)鉆桿內(nèi)的排屑通道排出,孔徑越小,其排屑就越困難。例如,要鉆削f8mm的深孔,鉆桿外徑是f5.2 mm,鉆桿內(nèi)徑僅有f44.2 mm,而鉆桿長(zhǎng)一般達(dá)5001500 mm。因此,在鉆削過(guò)程中,發(fā)生堵屑是經(jīng)常的。為使排屑流暢,鉆頭切削刃上設(shè)計(jì)出合理的斷屑和分屑臺(tái),保證可靠斷屑十分重要
14、。但小深孔的進(jìn)給量很小,實(shí)現(xiàn)C形斷屑對(duì)于某些韌性材料是不可能的,鉆屑常常是柔軟的小帶狀,鉆削過(guò)程中作為冷卻和沖刷切屑的切削液壓力產(chǎn)生波動(dòng)或壓力下降時(shí),切屑瞬時(shí)滯流、折疊而堵塞,進(jìn)而導(dǎo)致鉆刃損壞和鉆桿扭斷。為徹底解決這一問(wèn)題,可以從斷屑和排屑兩方面采取措施。最有效的斷屑方法是采用振動(dòng)斷屑技術(shù),能穩(wěn)定地得到所需要的切削形狀。增加切削液對(duì)鉆屑的排屑作用力,是SED鉆削系統(tǒng)的特點(diǎn),高壓切削液一路進(jìn)入授油器,潤(rùn)滑冷卻鉆削區(qū)和刀具,并以3MPa4.5 MPa的壓力迫使切屑進(jìn)入排屑通道,并將切屑推出;另一路切削液進(jìn)入可調(diào)式負(fù)壓抽屑裝置,形成負(fù)壓,對(duì)切屑產(chǎn)生吸力,吸出切屑。切屑在推和吸的雙重作用下能順利排出。
15、實(shí)踐證明,即使鉆屑呈帶狀,且從鉆削開(kāi)始到加工結(jié)束一直保持連綿不斷,都能保證排屑流暢順利。(二)鉆桿剛度不足深孔鉆削的鉆桿細(xì)而長(zhǎng),小深孔鉆削的鉆桿更是細(xì)長(zhǎng),其剛度很低,因此,在設(shè)計(jì)小深孔刀具時(shí),應(yīng)當(dāng)盡可能提高刀具(包括鉆頭和鉆桿)整體的剛度。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中,鉆桿與鉆頭采用了方牙螺紋聯(lián)接方式。這要在管壁很薄的鉆桿上切出方牙螺紋,勢(shì)必更使細(xì)長(zhǎng)鉆桿的強(qiáng)度和剛度下降。 如;鉆削f5.7mm深孔,鉆桿外徑只能取f4mm,在壁厚不足1mm上再挖去一個(gè)方牙螺紋的深度0.25mm,螺紋聯(lián)接處的強(qiáng)度和剛度大大下降,在鉆削中,鉆桿常在螺紋聯(lián)接處扭斷。即使用小進(jìn)給量以降低鉆削扭矩,也不能防止扭斷事故。為解決這一問(wèn)題,對(duì)
16、于鉆削孔徑f12mm以下孔的鉆桿和鉆頭的聯(lián)接。(三)制造困難 1、鉆桿和鉆頭若采用傳統(tǒng)的螺紋聯(lián)接,要在鉆削小深孔的刀具鉆桿孔內(nèi)車(chē)制方牙內(nèi)螺紋,螺紋車(chē)刀要比鉆桿內(nèi)徑還要小,并且要刃磨出有嚴(yán)格尺寸的刀刃;方牙螺紋的螺距大,車(chē)制時(shí)又不能直觀(guān)加工狀況,操作很困難。鉆頭部的制造更為困難,除在柄部車(chē)削出方牙螺紋外,還要在直徑不大的刀頭上銑削出供裝焊硬質(zhì)合金導(dǎo)條和刀片的凹槽和一個(gè)排屑通道。之后,硬質(zhì)合金導(dǎo)條、刀片與刀頭體的高溫焊接還會(huì)引起過(guò)熱、變形。因此,制造出合格的小深孔鉆削刀具在工藝、操作上是有相當(dāng)技術(shù)難度的。采用措施后,使制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單多了。鉆頭部的制造全部改用粉末冶金硬質(zhì)合金小鉆頭,只要一次性投資
17、,制作出一個(gè)粉末冶金小鉆頭的模具,就可得到鉆削小深孔的硬質(zhì)合金鉆頭的刀坯,工藝簡(jiǎn)單,且刀具的重磨性好,正常使用能重磨34次,在總體上使刀具成本下降。我們把這種全新結(jié)構(gòu)的小深孔刀具稱(chēng)為單管內(nèi)排屑噴吸鉆。2.小深孔鉆削時(shí)的切削速度和機(jī)床。使用硬質(zhì)合金加工刀具切削一般合金鋼材的切削速度最低在70m/min,而我國(guó)過(guò)去生產(chǎn)的小深孔加工機(jī)床,一般最高轉(zhuǎn)速為2500r/min,且不能進(jìn)行無(wú)級(jí)變速和無(wú)級(jí)進(jìn)給,顯然不能適應(yīng)小深孔鉆削的工藝技術(shù)要求。1992年我所自己設(shè)計(jì)并組織生產(chǎn)了ZK21162型數(shù)控雙軸深孔鉆床(內(nèi)、外排屑)和ZK2112型數(shù)控深孔鉆床,最高轉(zhuǎn)速達(dá)到600010 000 r/min。尤其是ZK2112型數(shù)控鉆床,具有深孔鉆削加工的3種運(yùn)動(dòng)方式:1)工件轉(zhuǎn)動(dòng),刀具進(jìn)給;2)工件轉(zhuǎn)動(dòng),刀具轉(zhuǎn)動(dòng)并進(jìn)給;3)工件不動(dòng),刀具轉(zhuǎn)動(dòng)并進(jìn)給。這種機(jī)床還帶有負(fù)壓抽吸裝置。這種新型機(jī)床的開(kāi)發(fā),拓寬了深孔加工的范圍,也可把深孔加工技術(shù)提高到一個(gè)新的水平。3.GT、CAD技術(shù)在深孔加工中的應(yīng)用。利用當(dāng)代計(jì)算機(jī)工具發(fā)展起來(lái)的成組技術(shù)(GT)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)
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