BTA深孔钻削分析毕业设计

绪论0闽南理工学院MINNAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY毕 业 设 计BTA 深孔钻削分析系 别： 光电与机电工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 职称：高级研究员 闽南理工学院毕业设计12012 年 6 月 4 日教务处制MINNAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGYGraduation Thesis(Project) of the College UndergraduateTitle of the Graduation Thesis (Project)Department: Department of optoelectronicsMajor: Mechanical design and manufacturing and automationGrade: Class ThreeStudents Name: Yunxu ZhangStudent No.:082013304Tutor: Junxin Shen绪论2摘 要深孔钻削加工在机械加工领域中占有非常重要的地位，约占孔加工量的 40%以上。随着科学技术的进步，新型高强度、高硬度和高 价值难加工深孔零件的不断出现，加工工件在加工深度、加工精度以及加工效率上要求的不断提高，使得深孔加工成为机械加工的关键工序和加工难点。传统的加工 方法由于工艺系统刚度，切削排出及冷却润滑的问题。越来越难以满足甚至根本达不到现在的深孔加工在精度、效率、材料上的要求。所以这时的深孔加工需要一种 特定的钻削技术的支持。随着我国机械制造业的迅速发展，使得原本局限于军事工业、航空航天等特定领域的深孔加工技术及装备在我国各行业也得到了广泛的应用。BTA深孔钻是深孔钻的一种，具体是切削液从钻杆与孔壁的间隙处送入，靠切削液的压力将切屑从钻杆的内孔中排出。BTA 深孔钻适用于钻削孔径 6毫米以上，孔深与孔径之比小于 100的深孔，其生产效率比枪钻高 3倍以上。本文着重对 BTA深孔钻进行探索分析与研究。 关键词：BTA 深孔钻，深孔钻，分析研究，钻削闽南理工学院毕业设计3AbstractDeep hole drilling process in the field of mechanical processing occupies a very important position, accounting for about40% of the volume of the above the hole processing. With the progress of science and technology, high strength, high hardness and high value of difficult to machining deep hole parts appear continuously, processing a workpiece in machining depth, machining precision and processing efficiency requirements continue to increase, the deep hole processing becomes the key process and mechanical processing machining. The traditional processing method due to the rigidity of processing system, cutting discharging and cooling lubrication problem. More and more difficult to meet or simply not up to now the deep hole processing in the precision, efficiency, material requirements. So when the deep hole processing require a specific drilling technical support. Chinas machinery manufacturing industry is developing rapidly, which was confined to the military industry, aerospace and other specific areas of deep hole machining technology and equipment in our country each industry has been widely applied.BTA deep hole drilling of deep hole of a, specific cutting fluid from the drill pipe and the hole wall at the gap into, by cutting fluid pressure will chip from the drill hole discharge. BTA deep hole drilling for drilling bore6 mm above, hole depth and diameter of less than 100holes, the production efficiency is 3 times higher than the gun drill. This paper focuses on the BTA deep hole drilling exploration analysis and research.Key Words: BTA deep hole drilling, deep hole drilling, analysis, drilling绪论4毕业设计原创性声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计是我在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以注明引用的内容外，本设计不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，对本设计的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明，并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日毕业设计版权使用授权书本设计作者完全了解学院有关保留、使用毕业设计的规定，同意学院保留并向国家有关部门或资料库送交毕业设计的纸质版和电子版，允许毕业设计进入学院图书馆被查阅和借阅，本人授权闽南理工学院可以将我的毕业设计的全部或者部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或者扫描等复制手段保存和汇编本毕业设计。保密 在 年解密后适用本授权书；本设计属于：不保密。（请在以上相应的方框内打“” ）作者签名： 日期： 年 月 日指导教师签名： 日期： 年 月 日闽南理工学院毕业设计5毕业设计答辩小组成员名单姓 名 职 称 单 位 备 注组长注：破折号里填写学生姓名，要求独立成页。绪论6目录摘 要3Abstract1第 1 章 绪 论11.1 本课题研究的目的与意义 .11.2 国内外发展与现状 .21.2.1 深孔钻削技术的发展 21.2.2 国内外现状 31.3 深孔加工简介 .41.3.1 深孔的定义 41.3.2 深孔加工的分类 .61.3.3 深孔加工的特点 .61.4 BTA 深孔钻削法介绍 7第 2 章 内排屑深孔钻切屑的处理与控制82.1 切屑形成的基本理论与屑形控制 82.1.1 滑移与滑移线 .82.1.2 切屑的变形和卷曲 .112.1.3 切屑屑形及其控制 .112.1.4 切屑形成过程中的声响与织构现象 .142.2 切屑的基本形态 .142.3 切屑的折断原理 152.4 切屑的控制 192.5 几种常用的断屑方法 21第 3 章 积屑瘤与切削233.1 积屑瘤； 233.2 钻削加工 26第 4 章 深孔钻削系统比较与研究29第 5 章 BTA 深孔钻削分析与研究.325.1 BT A 系统的钻削原理 325.2 B TA 系统的构成及总体布局 .32闽南理工学院毕业设计75.3 BTA 钻削系统的关键部件设计一授油器的设计 335.4 深孔钻削时对刀具材料的要求 355.5 深孔钻削时常用刀具材料 35第 6 章 深孔钻削系统设计(实例分析) .376.1 方案的确定 .376.2 分析与计算 .386.2.1 车床型号的选择 385.2.2 冷却排屑系统设计 .39结论41参考文献42致 谢43绪论0第 1 章 绪 论1.1 本课题研究的目的与意义深孔加工技术最初应用于国防军工制造业，加工枪管和炮筒。随着科学技术的进步，工业的发展，深孔加工技术已经运用到各机器制造部门，如石油化工机械、航空工业、造船、冶金、发电设备、橡胶机械等，从而使深孔加工成为机械加工中必不可少的一种工艺方法。特别是近年来随着宇航制造业、原子能工业、电力工业等行业的迅速发展，对机器及其零部件的综合性能提出了更高的的要求。新型高强度、高硬度的材料如钛合余、不锈钢、耐热合金、高锰钢、复合材料等应用越来越多，这些材料具有良好的物理机械性能、抗腐性能、抗磁性能和抗高温氧化性能，在某些方面非常优良。但它们的切削加工性一般较差，表现为切削力大、切削温度高、刀具磨损严重、断屑、排屑困难。在这类材料上加工长径比大的孔，就显得十分困难。所以，难加工材料深孔加工问题是否解决好，将直接影响机械产品的生产率和质量。特别是在重型机器制造中，能否掌握它，运用自如，将对生产起着决定性的作用。深孔钻削条件比较恶劣，它是在封闭或半封闭的状况下进行的，因此，不能直接观察刀具的切削情况，切削热不易传散，而且排屑困难，工艺系统刚性差，切削效果不理想。难加工材料由于其切削性能差，切削热量大，刀具耐用度很低，容易堵屑，而造成刀具、工件甚至机床损坏。深孔钻削对工艺、刀具和设备有着比较特殊的要求，目前专门化的研究机构还比较少，因此，该项技术目前在许多企业中都属于“瓶颈” 问题。如果该项技术能够得到有效推广，必将大大地提高我国机械制造业的技术水平，产生巨大的社会及经济效益，市场前景非常乐观。深孔加工在各行各业应用都比较普遍，如枪炮管深孔加工，发动机输水孔、活塞销、曲轴通油孔，车辆的减振器筒、液压缸，火箭发射装置的精密高强度导管，航空仪表的测流、测压精密管，核电站的不锈钢管的加工，石油测井仪器等等。这是一项具有代表性既关系到产品性能质量，又关系到工艺成本和生产周期的关键技术。如能以最少的投入，最快的速度使我国深孔加工技术提高到国际先进水平，对于我国制造行业的技术改造和综合国力的提高将有巨大促进。闽南理工学院毕业设计1专门用于加工深孔的钻头。在机械加工中通常把孔深与孔径之比大于6的孔称为深孔。深孔钻削时,散热和排屑困难，且因钻杆细长而刚性差，易产生弯曲和振动。一般都要借助压力冷却系统解决冷却和排屑问题。深孔钻削的钻孔长度（或深度）大于等于孔直径的三倍。 所用钻有时称为 BTA 或喷吸钻。 冷却液通过钻头内部送到切削边。 深孔钻削在机械加工中占有非常重要的地位，但由于有一些技术 问题尚未解决，至今仍是金属切削加工的“ 瓶颈 ”工序。在深孔加工中，常常发生钻头刀齿突然崩刃或断齿，即钻头破损，其结果是工件孔表面损伤，钻杆扭弯、断裂，甚至机床被损坏。破损是深孔钻最主要的损坏形式。1.2 国内外发展与现状1.2.1 深孔钻削技术的发展人类对深孔加工技术的需求，至少可以追溯到 14 世纪欧洲滑膛枪的问世，远比第一次工业革命后现代机械技术的发展要早很多。工具和工具制造技术的产生和发展，源于人类生产活动和战争的需要。中国是火药的发源地。早在元、明时期已普遍使用金属管型火器手铳、火铳及火枪。金属管型火器是最早出现的深孔零件，比现代意义上的机械零件早出若干世纪。最早的管式火器是采用铸造、锻造方法制成。由于精度很低使用范围十分有限。随着时代的发展，人们对深孔工件的精度有了越来越高的要求。深孔加工工艺的革新问题显得迫在眉睫。图 1-1 扁钻最早用于加工深孔钻削的深孔钻头是扁钻（图 1-1） ，它发明于 18 世纪初。1860 年美国国人对扁钻进行了改进，发明了麻花钻。1930 年出现了第一支能够连续供油排屑并具绪论2有自动导向功能的深孔钻头枪钻（图 1-2） ，其因用于加工枪孔而得名。1943 年，德国海勒公司研制出毕斯涅尔加工系统（即目前我国常称的内排屑深孔钻削系统） 。图 1-2 枪钻 图 1-3 BTA 深孔钻二战结束以后，英国的维克曼公司、瑞典的卡尔斯德特公司、德国的海勒公司、美国的孔加工协会、法国的现代设备商会联合组成了深孔加工国际孔加工协会(Boring and Trepanning Association),简称 BTA 协会。该协会对毕斯涅尔加工系统进行了改进，定名为BTA 系统。后来由瑞典的山特维克公司首先设计出了可转位深孔钻及分屑多刃错齿深孔钻（图 1-3） 。 BTA 法存在着切削压力高，密封困难等缺点，为克服这些不足，1963 年山特维克公司发明了喷吸钻法。20 世纪 70 年代中期，由日本冶金股份有限公司研制出 DF(Double Feeder)法为单管双进油装置，它是把 BTA 法与喷吸钻法两者的优点结合起来的一种加工方法，用于生产后得到了令人满意的结果，目前广泛应用于中、小直径内排屑深孔钻削。1.2.2 国内外现状深孔加工技术从 20 世纪 80 年代末以来，在西方国家一直处于停滞状态。20 世纪 80年代以来，以枪钻、BTA 钻为代表的的深孔加工技术在西方工业国未出现任何重要突破闽南理工学院毕业设计3性的改进和发展。针对 BTA 钻的种种弊端，虽然在六七十年代曾经先后推出双管喷吸钻、DF 系统两种改进方案，但均未取得很好的效果。学术方面，20 世纪 80 年代以来学术研究出现了低潮期。20 世纪 5070 年代有关国际性学术会议增举办过几次，国际上流传的为数不多的深孔加工专著和大批论文绝大多数是在 20 世纪 7080 年代出版和发表的。近20 年来，国际学术研究沉寂，很少出现有创新意义的成果和论著。此外，国际深孔加工装备处于垄断状态，装备产品的进口价格居高不下。目前国际上主要的深孔刀具供应商是瑞典的山特维克可乐满(SANDVIK Coromant)公司。由资料5,44 可知，如图 1-4 所示，其生产的深孔钻可加工直径 由 15mm 到 75mmcD以上，钻削深度 达到 ，孔公差达到 IT9 级。4lcD150图 1-4 山特维克可乐满深孔钻削刀具加工范围我国 20 世纪下半叶才开始工业化进程，比欧洲晚了 20 年。80 年代改革开放后才逐步加快了与国际接轨的步伐，90 年代计入工业发展快车道，1997 年以来，中国经济连续以 8%左右的速度增长，成为世界上经济增长速度最快的国家。但是我们也必须清楚地看到，尽管我国机电产品已成为出口贸易的最强大支柱和国内经济增长的发动机，但其中大多数仍属于劳动力密集型和资金密集型产品，技术密集型和创新型机电产品所占比重极为 10%左右。主要机械产品技术来源的 57%和大多数电子信息设备的核心技术均依靠国外引进。近年来机电装备的进口增长率和总额逐年均超过出口。截止 2005 年，据统计深孔钻加工装备的 90%都是进口产品。至 70 年代末我国改革开放时，中国的深孔加工技术已整整比西方落后了 30 年 1。1978 年 DF 法在我国设计完成并与 1979 年正式用于生产，现广泛用于中、小直径内绪论4排屑深孔钻削。国内几家重型机器制造厂相继研制成和采用了深孔套料钻，已成功加工出 12m 长的发电机转自内孔。西安石油大学与 1989 年成功地将喷吸效应原理应用到外排屑枪钻系统，使枪钻的加工性能大大提高；1994 年又研制成功多尖齿内排屑深孔钻，使深孔钻削的稳定性和耐用度大大提高 6。1.3 深孔加工简介1.3.1 深孔的定义在机械加工工艺中，孔的加工主要分为浅孔加工和深孔加工两大类。两类加工之间没有准确的界限。一般规定孔深 L 与孔径 之比大于 5，即 的孔称为深孔；反之0d5/0dL的孔被称之为浅孔 6。5/0dL在机械加工中浅孔一般采用麻花钻加工。麻花钻结构如图 1-5 所示。其结构直径 、0d螺旋角 和螺旋槽导程之间的关系为：(1-1)tan0dP人们在实践中发现，为了顺利排屑，麻花钻一次钻削的钻削深度 L 不应超过螺旋槽导程 P 的 3/4，即 。将其带入式(1.1)得4/3PL闽南理工学院毕业设计5(1-2)tan430dL图 1-5 麻花钻的螺旋角由 GB144178 查得，麻花钻的螺旋角 取值在 之间。代入式(1-2)得3025。所以麻花钻的良好工作的钻深 L 是小于 5 倍孔径 。因此，尽08.45./0dL 0d管麻花钻在钻浅孔时是功效很高的机夹刀具，但是受钻深 L 限制，使用麻花钻加工深孔时必须频繁退刀和进刀（有时还需要对钻头和被加工孔进行冷却润滑） ，使功效大大降低1。1.3.2 深孔加工的分类深孔加工可分为一般深孔加工（钻、镗、铰等） 、精密深孔加工（珩磨、滚压等）和电深孔加工（电火花、电解等） 。一般深孔加工又可按多种方式分类。按加工方式分类分为：1.实心钻孔法，用于加工无孔毛坯。如图 1-6(a)。2.镗孔法，用于提高孔的精度和降低孔的内表面粗糙度。如图 1-6(b)。3.套料钻孔法，使用空心钻头钻孔，加工后可取出一根芯棒。如图 1-6(c)绪论6图 1-6 深孔加工方式按运动形式分类分为：1.工件旋转，刀具做进给运动。2.工件不动，刀具作旋转进给运动。3.工件旋转，刀具做反向旋转进给运动。4.工件作旋转进给运动，刀具不动。 （此方法很少采用）按排屑方式分为：内排屑、外排屑两种方式。外排屑又分为前排屑、后排屑两种方式。按加工系统冷却分类分为枪钻系统、BTA 系统、喷吸钻系统、DF 系统。1.3.3 深孔加工的特点深孔加工是处于封闭或半封闭状态下进行的，故其具有以下特点：1.不能直接观察到刀具的切削情况。目前只能凭经验，通过听声音、看切屑、观察机床负荷及压力表、触摸振动等外观现象来判断切削过程是否正常。2.切削热不易传散。一般切削过程中 80%的切削热被切屑带走，而深孔钻削只有40%，刀具占切削热的比例较大，扩散迟、易过热，刃口切削温度可达 600必须用强制有效的冷却方式。3.切屑不易排出。由于孔深，切屑经过的路线长，容易发生阻塞，造成钻头崩刃。因此，切屑的长短和形状要加以控制，并要进行强制性排屑。4.工艺系统刚性差。因受孔径尺寸限制，孔的长径比较大，钻杆细而长，刚性差，易产生振动，钻孔易走偏，因而支撑导向极为重要。1.4 BTA 深孔钻削法介绍BTA加工法，也就是内排屑高效率钻削法。 它是在枪炮钻基础上发展起来的，采用圆形空心钻杆和高压密封装置，将大量高压切削液压入钻杆和工件孔壁之间的环形间隙闽南理工学院毕业设计7中，流入切削区，然后和切屑一起从钻杆的内孔中排出。由于切屑不会划伤工件孔壁，加之环形间隙中的高压切削液能起到阻尼钻杆振动的作用(见图1)。因此 BTA加工方法具有加工表面粗糙度值低、精度高，钻孔效率高及刀具系统性能好等优点。1-1 BTA法工作原理图内排屑深孔钻切屑的处理与控制8第 2 章 内排屑深孔钻切屑的处理与控制切屑 的 处 理与控制是深孔钻钻削难于解决的问题，关系到钻削是否顺利，生产效率的高低，经济效益等一切问题。2.1 切屑形成的基本理论与屑形控制由于金属切削过程是在高温、高压、高速下进行，因此切屑的形成机理相当复杂。为了在切削加工中有效控制屑形，提高加工效率，改善加工表面质量，有必要对金属切削过程的一些基本理论进行深入研究和探讨。 2.1.1 滑移与滑移线 机械制造是利用金属塑性变形机理，采取滚压、轧制、冷拔或切削加工等方法，使零件达到要求的形状和尺寸。根据金属塑性变形理论可知，金属产生塑性变形的基本机理是滑移，即清移是金属最主要的塑性变形方式。金属的滑移仅在剪应力作用下才能发生，即当剪应力 t 达到金属材料的剪切强度极限 ts 时，便会产生塑性变形。在平面变形条件下，多晶体金属中的滑移是沿最大剪应力方向发生的，即滑移带与最大剪应力迹线相重合。假设在连续应力场(塑性区)内最大剪应力迹线是无限密集的，则沿最大剪应力方向不断由一点到与其无限接近的另一点，即可在变形平面上绘出两组相互正交的曲线(如图 1 所示)，从而形成由切屑形成过程中第一变形区内部分滑移线与流线(或相邻部分)组成的格子。 滑移线的微分方程为 第一组滑移线： dy/dx=tanw 第二组滑移线： dy/dx =-tanw 闽南理工学院毕业设计 9图 2-1 滑移线和最大剪应力迹线 图 2-2 与滑移线相切的直角坐标系第一、第二滑移线的参变量分别用 a 和 b 代替。选取滑移线 oa、ob 为两曲线坐标轴，用坐标轴的曲线坐标(a， b)表示平面上 p 点的位置（见图 2-2） 。这样，在曲线坐标网的任一 a 线上坐标 b 等于常值；在任一 b 线上坐标 a 等于常值。因此，在无限接近 p 点处，坐标曲线 a 和 b 与选取的直角坐标轴相重合，因此可认为 内排屑深孔钻切屑的处理与控制10dx=dsa，dy=dsb 1-1式中，dsa 和 dsb 分别为曲线 a 和 b 的弧长微分。因此有 （1-2）由于直角坐标轴与滑移线相切，因此对于 a 而言，w=0 。由于沿曲线 a 和 b 的角度w 是不断变化的，因此偏导数 不等于零，从而使切屑在形成过程中产生变形和卷曲。 图 2-3 两滑移线间的滑移线转角闽南理工学院毕业设计 11图 2-4 切屑中的应力 2.1.2 切屑的变形和卷曲 根据滑移线性质的汉基定理可知，滑移线 a1 与 a2、b1 与 b2 是无限接近的。b1 线在 p 点与 f 点的法线的交点 O1 为 b1 线在 p 点的曲率中心； b2 线在 e 点与 d 点的法线的交点 O2 为 b2 线在 e 点的曲率中心。在图 3 中，wpf=wed，wpe=wfd。b2 线在 p点的曲率半径等于 b2 线在 e 点的曲率半径加上滑移线 a1 由 e 点与 p 点的弧长增量s。由于弧长 pfed(见图 3)，从而使切屑发生变形。同理，由于弧长 pefd，切屑必然发生卷曲。 在图 2-4 中，用一个剪切面 oM 代替第一变形区，如果用点流动到剪切面上的 p 点，第二滑移线与第一滑移线在 p 点的切线垂直，即剪应力 t 与平行于第一滑移线在 p 点的切线的正应力 s 形成直角。在坐标系 xpy 内，p 为原点，OM 即为第二滑移线的切线，X 轴即为 s 和 t 的合力方向，并与 t 成 45的夹角，与第一滑移线在 p 点的切线的夹角为 p/4。由于 s 和 t 的夹角为 p/2。 s 和-s 形成一个力矩，使切屑以 p(空间坐标时为 Z)为轴发生卷曲。 此外，随着切屑在前刀面上流动，其底层受到挤压，晶粒被拉长，造成切屑底部膨胀，促使切屑进一步弯曲变形，引起切屑卷曲。 2.1.3 切屑屑形及其控制 金属材料的性能不同，其滑移性质也不相同，即使在相同条件下进行切削，所得切屑的类型、尺寸(变形程度)也不相同。 对于多晶体的塑性金属，切应力与作用于滑移线上的正应力的大小和方向无关，引起滑移面切变的原子移动是依次发生的，因此在切削塑性金属时容易得到连续状切屑。低塑性金属( 或因形变硬化使塑性变差的金属)的切应力与正应力的大小和方向有关，容易产生刚性滑移(或称机械滑移)，它与塑性金属发生的位错式滑移明显不同，由原子层组成的原子群在滑移面上相对于另一些材料层同时滑动，随着滑移的产生，滑移带的内排屑深孔钻切屑的处理与控制12不完整性破坏增大，结果将导致宏观完整性破坏。因此，切削脆性金属时，容易因机械滑移而得到崩碎切屑。 2-5 车刀几何参数示意图 切削塑性金属时，断屑是需要解决的主要矛盾。为有利于断屑，应尽可能增大切屑的基本变形和附加变形。如以较高切削速度切削碳钢或合金钢时，为得到螺旋卷屑、长紧卷屑或 C 形切屑，车刀应采用外斜式卷屑槽(见图 2-5)，刀具合理几何参数范围：t=5-15，h=0.5-1.5mm，s=65-80 ；k 值由背吃刀量则和进给量 f 决定，当 ap=0.4=20mm、f=0.15-1mm/r 时，k=1.5-7mm。文献2、7等给出了这方面的一些参考数据，但文献中给出的切削用量、刀具几何参数(尤其是倒棱、卷屑槽等参数)以及附加断屑台(或断屑器) 结构、尺寸等与切削用量相匹配的数据多是在特定试验条件下得出的，如工件材料性质或切削条件改变，刀具几何参数、断屑台(或断屑器)尺寸等也需通过试验重新确定。 切削灰铸铁等脆性金属时，如何得到连续屑形也是一大难题。脆性金属的切削过程如图 6 所示。当刀具刚切入工件时，被切削金属层首先发生弹性变形(见图 6a)；随即切屑在切削刃部开始产生裂口(见图 6b) ；刃前裂口以每秒上千米的速度发生失稳扩展，使被切削金属层产生不同方向的裂纹(见图 6c)；裂纹贯穿整个切削厚度，形成不规则的崩碎切屑(见图 6d)。 加工 HT200 材料时，刀具前角和切削速度对切屑长度的影响如图 7 所示。当切削速度 v 2.5m/s ，刀具前角 0=30时，由于切削温度较高，切屑呈暗红色被“挤” 出，闽南理工学院毕业设计 13虽然可得到硬度较高的连续形切屑(类似钢屑)，但在此切削条件下切削力太大，切削温度过高，不适用于实际生产。选取较大的刀具前角虽可减小切屑变形，但在较高切削速度下，因切屑与前刀面接触长度减小，使切屑长度也缩短。此外，前角过大可能引起“自动切入 ”现象。在实际加工中，刀具前角取值一般在=10-25之间为宜。 图 2-6 脆性金用切削过程示意图 图 2-7 1:v=0.484m/s 2:v=1.545m/s 3:v=2.547m/s 试件材料：HT200，ac=0.1414mm，aw=5.66mm 如图 2-7 刀具前角和切削速度对切屑长度的影响 内排屑深孔钻切屑的处理与控制14图 2-8 织构现象形成的切屑横截面形状 2.1.4 切屑形成过程中的声响与织构现象 在金属切削过程中，如将机床、电机等发出的其它噪声排除在外，在塑性金属切屑的形成过程中可听到“咯吱、咯吱 ”的声响；在脆性金属切屑的形成过程中则可听到“咯酥、咯酥”的声响。根据金属学原理可知，点阵过渡到新的位置几乎是瞬时完成的，因此发出的声响并不是单纯的平直音。金属切削过程中原子键被破坏而引起的原子位置改变如晶粒破碎(沿晶或穿晶)、晶格扭曲等会发出爆裂声，这就为确定切削过程是否正常提供了一个判别条件。金属材料切削变形时，不仅切屑和已加工表面中的晶粒被拉长或破碎，而且各晶粒的晶格位向也会沿变形方向同时发生转动，使金属材料组织出现织构现象，由此形成的切屑横截面形状如图 8 所示。已加工表面的织构现象对加工表面质量不利(表面鳞刺的产生即与其有关)。由于切屑变形越大，织构现象越严重，因此精加工时应采用可减小切屑变形的切削条件，如高速切削、选取较大刀具前角和较小切削厚度、提高刃磨质量、使用润滑性能好的切削液、通过热处理工艺降低工件材料塑性等。2.2 切屑的基本形态1、带状切屑带状切屑 这是最常见的一种切屑。它的内表面是光滑的，外表面呈毛茸状。加工塑性金属时，在切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大的工况条件下常形成此类切屑。2、节状切屑又称挤裂切屑。它的外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。在切削速度较低、切削闽南理工学院毕业设计 15厚度较大、刀具前角较小时常产生此类切屑。3、粒状切屑又称单元切屑。在切屑形成过程中，如剪切面上的剪切应力超过了材料的断裂强度，切屑单元从被切材料上脱落，形成粒状切屑。4、崩碎切屑 切削脆性金属时，由于材料塑性很小、抗拉强度较低，刀具切入后，切削层金属在刀具前刀面的作用下，未经明显的塑性变形就在拉应力作用下脆断，形成形状不规则的崩碎切屑。加工脆性材料，切削厚度越大越易得到这类切屑。 粒 状 切 屑 崩 碎 切 屑节 状 切 屑带 状 切 屑图 2-92.3 切屑的折断原理金属切削加工是典型的材料去除不可逆过程。加工过程中，金属材料伴随着大应变和高温状态产生的的塑性变形和断裂并最终形成切屑在现代高精度、高效率和高自动化的金属切削加工中，切屑控制问题越来越成为切削加工中的重要课题。不利的屑形将严重影响操作安全、加工质量、刀具寿命、机床精度和生产效率随着虚拟制造技术的深入研究，为我们对切削加工过程的切屑仿真研究提供了良好的途径，它将其生成、卷曲、折断过程的运动控制溶人参数化驱动的实时加工过程仿真演示中，真正建立起具有“沉韫感”的加工环境的虚拟体现因此有必要对切屑的形成、变形和内排屑深孔钻切屑的处理与控制16折断的机制与规律进行深人的研究，以便对切屑形态进行有效的控制并为实时加工过程仿真提供切屑造型的依据并能进一步通过切屑控制和预测来优化切削参数。1 切屑形成的复杂性金属切削加工的过程是一个很复杂的过程，包含和涉及到很多物理机理因素，如切削力、切削热、刀具磨损以及工件表面质量等，它们都是以切屑的件都是未知的，甚至连边界本身也无法确定因此我们很难用简单的解析法得出切削中过程形成、流出的解析解。削加工中对切屑形成及切屑形状的影响因素很多，并且关系复杂，影响结果相当大在实际加工中，许多不稳定的因素如刀具的磨损，工件材料的不均匀性及机床的动态特性都会导致切屑形状的改变。而对于不同的刀具刃形，材料及不同的加工参数，其切屑形状的差异就更大、园此，切屑形成的因素错综复杂，如不经过预先试验，一般很难准确地预测出切屑的形状。但是，切削过程与切屑形成有其本身的规律，当切削条件在一定范围内变更时，切屑形状的变化有一定的规律可循，切削加工实践及研究证明，使切屑的形状控制在一定的允许范围内是能够做到的。2 切屑的形成、卷曲及折断切屑的分类方法有很多，其中以国际生产加工研究协会的 CIRP 分类法和国际标准化组织的 ISO 分类法应用最为广泛。CIRP 切屑分类法比较系统地反映了切屑流出、卷曲、折断与切屑类型之间的密切关系，有利于研究切屑的卷曲规律和断屑原理。我们下面的讨论将以这种分类法为基础展开。21 切屑的形成、卷曲刀具切人工件时，被切金属层经剪切面发生弹塑性措移变形成为切屑。对于切屑的卷曲，文献 认为，前刀面的摩擦作用是切屑卷曲的主要原因这是因为前刀面的挤压作用使切屑厚度方向存在不同的残余应变，使切屑晶粒翻转从而引起切屑的卷曲。同时，刀具卷屑槽的存在将在很大程度上影响切屑的卷曲。日本的中山一雄指出：正常状态的切屑一般是螺旋形切屑，其形状可由螺旋外径 2p，螺距 P，螺旋面与轴线的夹角 0 确定。切屑流出后，受到工件、刀具、机床等的阻碍引起变形或折断，从而形成各种类型的切屑。因此，其它形状的切屑可以看成是螺旋切屑的演变和组合。闽南理工学院毕业设计 17图 2-10 螺旋形切削形状参数由切削机理可知，对螺旋形切屑产生影响的参数有：切屑上卷曲率ltp ，横卷曲率ltp ，流屑角玑则螺旋切屑的形状参数可表示为（2-3）（2-4）（2-5）切削加工过程中，影响及因素很多，诸如，被加工材料的性质，切削用量，刀具几何参数，冷却液及加工方式等通过对主要影响因素的分析计算和对其它因素进行综合实验，我们得到如下公式（2-6）（2-7）（2-8）内排屑深孔钻切屑的处理与控制18（2-9）22 切屑的折断确定了切屑螺旋参数后，为了得到预期的屑型和最优的断屑效果，我们还必须对断屑机理进行研究从 CIRP 分类法中，我们可以看到，当切屑的卷曲曲率很小时，容易形成长带屑或缠乱屑；当成切屑的卷曲曲率较大时，如果切屑流出时没有受到工件或刀具的阻碍，或受到阻碍后又脱离了阻碍，则会形成连续的螺旋屑；如果切屑受到阻碍后不能脱离阻碍，则形成各种类型的折断屑可见，切屑卷曲曲率对切屑的类型有很大的影响但是，我们同时看到，切屑的几何尺寸、工件和刀具的形状以及切屑相对于工件和刀具的位置决定了切屑流出后是否碰到阻碍或碰到什么样的阻碍以及切屑受阻后的行为此时，阻碍将对切屑的最终形状起决定作用切屑相对于工件和刀具的位置可由切屑卷曲曲率、流屑角和切屑螺旋形状参数来计算得到 断屑的应变条件决定了切屑碰到工件或刀具阻碍时是否会折断切屑受前刀面和和断屑槽作用后，得到向上的卷曲半径 。 ，然后碰到后刀面使其卷曲半径增大到见，当应变 E 达到断裂应变 时，切屑就被折断从而得到 c 形屑(图 2)所以此时切屑折断的条件为（2-10）图 2-11 切削的生成 卷曲 折断图2-11 所示后刀面障碍型的折断方式是在实际的车削加工中最为常见的一种切屑折断方式闽南理工学院毕业设计 192.4 切屑的控制在生产实践中，有的切屑打成螺卷状，到一定长度时自行折断；有的切屑折断成C形、6字形；有的呈发条状卷屑；有的碎成针状或小片，四处飞溅，影响安全；有的带状切屑缠绕在刀具和工件上，易造成事故。不良的排屑状态会影响生产的正常进行。图2-12 切削碎切屑经第I、第变形区的剧烈变形后，硬度增加，塑性下降，性能变脆。在切屑排出过程中，当碰到刀具后刀面、工件上过渡表面或待加工表面等障碍时，如某一部位的应变超过了切屑材料的断裂应变值，切屑就会折断。内排屑深孔钻切屑的处理与控制20图 2-13 切削碰到刀具或工件折断研究表明，工件材料脆性越大(断裂应变值小)、切屑厚度越大、切屑卷曲半径越小，切屑就越容易折断。可采取以下措施对切屑实施控制：(1)采用断屑槽 通过设置断屑槽对流动中的切屑施加一定的约束力，使切屑应变增大，切屑卷曲半径减小。断屑槽的尺寸参数应与切削用量的大小相适应，否则会影响断屑效果。常用的断屑槽截面形状有折线形、直线圆弧形和全圆弧形。图2-14 断屑槽截面形状前角较大时，采用全圆弧形断屑槽刀具的强度较好。断屑槽位于前刀面上的形式有平行、外斜、内斜三种。外斜式常形成C形屑和6字形屑，能在较宽的切削用量范围内实现断屑；内斜式常形成长紧螺卷形屑，但断屑范围窄；平行式的断屑范围居于上述两者之间。闽南理工学院毕业设计 21图 2-15 前刀面上的断削槽形状2)改变刀具角度 增大刀具主偏角Kr，切削厚度变大,有利于断屑;减小刀具前角可使切屑变形加大，切屑易于折断;刃倾角s可以控制切屑的流向，s为正值时，切屑常卷曲后碰到后刀面折断形成C形屑或自然流出形成螺卷屑；s为负值时，切屑常卷曲后碰到已加工表面折断成C形屑或6字形屑。 (3)调整切削用量 提高进给量f使切削厚度增大，对断屑有利；但增大f会增大加工表面粗糙度;适当地降低切削速度使切削变形增大，也有利于断屑，但这会降低材料切除效率。须根据实际条件适当选择切削用量。 2.5 几种常用的断屑方法作出断屑槽图 2-16 a),b)加工碳钢、合金钢、工具钢和不锈钢 c)加工塑性更高的材料