航空復(fù)雜殼體零件深孔加工技術(shù)研究
2019-1-24 來(lái)源：- 作者：張曉東 韓策
摘要：深孔加工在航空制造業(yè)中具有廣泛需求，是加工難度最大的工序之一。復(fù)雜殼體零件是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，其深孔加工質(zhì)量直接影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的服役性能和使用壽命。以航空復(fù)雜殼體零件為對(duì)象，針對(duì)航空復(fù)雜殼體零件深孔加工的工藝特點(diǎn)及難點(diǎn)，就目前現(xiàn)有深孔加工方法、深孔鉆削力學(xué)、深孔鉆削切屑形態(tài)與排屑方法、深孔加工在線監(jiān)控及深孔加工設(shè)備等方面關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行綜述，并探討了深孔加工未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：深孔加工；鉆削；加工系統(tǒng)；復(fù)雜殼體
張曉東 博士研究生、高級(jí)工程師，主要從事數(shù)字化制造、數(shù)控加工技術(shù)以及智能加工技術(shù)研究
復(fù)雜殼體類零件是航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中典型的結(jié)構(gòu)件和關(guān)鍵件，是實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)高、中、低壓油路導(dǎo)引的核心部件。航空復(fù)雜殼體零件的顯著特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、孔系眾多，其內(nèi)部有多達(dá)幾百個(gè)縱橫交錯(cuò)的各種深孔，孔徑小、深徑比大、直徑從 1mm 到幾十毫米不等、孔深與直徑之比高達(dá) 50 以上，而且?guī)в懈鞣N臺(tái)階孔、環(huán)形槽等結(jié)構(gòu)。這些孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高、孔的圓度和直線度要求高、加工難度大，使深孔加工成為復(fù)雜殼體零件加工中難度最大的加工過(guò)程之一。復(fù)雜殼體零件的深孔孔系是燃油系統(tǒng)油路導(dǎo)引的通道，其加工尺寸誤差直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)工作性能，其表面質(zhì)量直接決定發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)的服役壽命，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量和服役性能有著舉足輕重的作用。隨著新一代飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，復(fù)雜殼體類零件孔系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更趨復(fù)雜、精度要求越來(lái)越高，對(duì)深孔加工技術(shù)提出了更高的要求。
然而，我國(guó)深孔加工領(lǐng)域的基礎(chǔ)較薄弱，目前航空企業(yè)中尚缺乏高性價(jià)比的深孔加工專用裝備，加之深孔加工技術(shù)的研究尚不成熟，導(dǎo)致目前我國(guó)航空企業(yè)中復(fù)雜殼體深孔加工普遍存在合格率低、生產(chǎn)效率低以及加工質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題。深孔加工技術(shù)成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)研制生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸，嚴(yán)重制約著我國(guó)航空制造業(yè)的發(fā)展，因此迫切需要對(duì)深孔加工技術(shù)展開(kāi)深入研究。本文以航空復(fù)雜殼體零件為象，對(duì)深孔加工技術(shù)的工藝特點(diǎn)及難點(diǎn)、發(fā)展現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)等進(jìn)行闡述，并展望了未來(lái)深孔加工的發(fā)展趨勢(shì)。深孔加工工藝特點(diǎn)及難點(diǎn)在航空復(fù)雜殼體零件的深孔加工過(guò)程中，孔的超大深徑比帶來(lái)的鉆桿低剛度問(wèn)題、排屑和散熱困難問(wèn)題以及加工時(shí)的封閉或半封閉狀態(tài)等都使得深孔加工非常困難。航空復(fù)雜殼體零件深孔加工的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在：
（1）工藝系統(tǒng)剛性差。殼體零件中孔的小直徑和超大深徑比直接決定了鉆削所用鉆桿細(xì)且長(zhǎng)，使得鉆桿剛度不足，從而造成鉆削過(guò)程中鉆桿易產(chǎn)生偏斜、振動(dòng)、扭曲，甚至折斷。為避免這一問(wèn)題，生產(chǎn)中往往采用小進(jìn)給量鉆削以避免大切削力帶來(lái)的鉆桿剛度問(wèn)題，這嚴(yán)重制約了深孔的加工效率。然而即便如此，孔的加工質(zhì)量仍很難保證。
（2）排屑困難。孔的小直徑和大深度決定了鉆削過(guò)程中切屑在孔內(nèi)的排屑空間小且排屑路徑長(zhǎng)，極易發(fā)生切屑堵塞，從而產(chǎn)生過(guò)大的扭矩，鉆頭隨之發(fā)生崩刃、折斷，造成
零件報(bào)廢。航空殼體零件多采用鋁合金材料，加工過(guò)程中易發(fā)生粘刀現(xiàn)象，使排屑問(wèn)題更為嚴(yán)峻。此外，采用外排屑方式時(shí)切屑會(huì)刮傷孔的已加工表面，造成孔壁出現(xiàn)螺旋溝，嚴(yán)重影響孔表面質(zhì)量。
（3）切削散熱困難。一般孔的鉆削過(guò)程中，80％的切削熱被切屑帶走。而在深孔加工中鉆頭在相對(duì)封閉的狀態(tài)下工作，切削熱很難擴(kuò)散，由于殼體零件中很多孔直徑很小，因此加工過(guò)程中的冷卻、潤(rùn)滑也都很困難，這使得鉆頭和工件成為主要散熱體，熱量積聚效應(yīng)非常明顯，使鉆頭溫度升高、磨損加劇，極大影響了鉆頭使用壽命。同時(shí)，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，加工孔也會(huì)受到熱效應(yīng)影響而發(fā)生變形，影響孔的尺寸精度。
（4）難以觀察加工過(guò)程。由于殼體零件的孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、深孔空間狹小，加工過(guò)程處于封閉或半封閉的狀態(tài)，無(wú)法直接觀察鉆頭的狀態(tài)和孔的加工情況。以上工藝特點(diǎn)及難點(diǎn)決定了深孔加工過(guò)程中的隨機(jī)故障很多。大量的試驗(yàn)和研究表明，刀具磨損、破損和切屑堵塞是導(dǎo)致在深孔加工過(guò)程中較頻繁出現(xiàn)故障的主要原因。
在航空復(fù)雜殼體零件的加工中，孔加工通常是中間工序或最后工序，一旦在孔加工過(guò)程中發(fā)生鉆桿折斷或孔道刮傷、偏斜等故障，將直接導(dǎo)致零件報(bào)廢，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。
深孔加工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
1 、深孔加工發(fā)展歷程
孔加工起源于美國(guó)人發(fā)明的扁鉆，以及后來(lái)改進(jìn)形成的麻花鉆。這兩種鉆頭的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，切削液導(dǎo)入方便，便于制造出不同直徑和長(zhǎng)度的鉆頭以適用于加工不同尺寸的孔。然而，當(dāng)加工深孔時(shí)，扁鉆和麻花鉆的排屑和冷卻十分困難，同時(shí)由于鉆桿剛度隨之降低，也限制了加工效率。20 世紀(jì)初，為解決槍管加工問(wèn)題，美、英等國(guó)軍事工業(yè)部門(mén)發(fā)明了槍鉆。槍鉆系統(tǒng)將高壓切削液通過(guò)鉆桿內(nèi)部通道送到切削部分，進(jìn)行冷卻和排屑，屬于外排屑的鉆削方式。此外，槍鉆鉆頭上安裝有導(dǎo)向塊，具有自導(dǎo)向功能。但由于采用外排屑方式，切屑與加工表面會(huì)發(fā)生刮擦，影響孔表面質(zhì)量。同時(shí)，由于自身結(jié)構(gòu)缺陷，導(dǎo)致槍鉆的成本較高而加工效率和精度較低。第二次世界大戰(zhàn)期間，為滿足槍炮高效生產(chǎn)的需求，德國(guó)的 Beisner 于 1942 年發(fā)明了一種內(nèi)排屑深孔鉆，后經(jīng)國(guó)際孔加工協(xié)會(huì)（Boring and Trepanning Association, BTA）的改進(jìn)，形成了 BTA 鉆削方法。BTA 系統(tǒng)采用的鉆桿結(jié)構(gòu)剛度較高，采用內(nèi)排屑方式，孔表面質(zhì)量較好。但是 BTA 系統(tǒng)具有切削液壓力高、密封困難的缺點(diǎn)。1963 年，瑞典Sandvik 公司利用液體的噴吸效應(yīng)原理，發(fā)明了噴吸鉆法，利用切削液的噴、吸聯(lián)合作用，改善了排屑方法，降低了系統(tǒng)的壓力。20 世紀(jì) 70 年代，日本冶金股份公司發(fā)明了雙進(jìn)油單管噴吸鉆系統(tǒng)（Double Feeder,DF），它將雙管系統(tǒng)改為單管，增加了一 個(gè)專門(mén)起吸效應(yīng)的油壓頭，增大了鉆 桿 的 剛 度。20 世 紀(jì) 80 年 代，國(guó)內(nèi)中北大學(xué)的王峻等發(fā)明了單管內(nèi)排屑噴吸鉆（Single-Tube Inner Chip Removal Ejector Drill, SIED），SIED 技術(shù)完善了 DF 鉆的抽屑容器設(shè)計(jì)，使抽屑能力大大增強(qiáng)，同時(shí)對(duì)鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，構(gòu)成了以單邊刃、單管內(nèi)排屑噴吸鉆、自導(dǎo)向?yàn)樘卣鞯你@削系統(tǒng)，這項(xiàng)技術(shù)成為當(dāng)前先進(jìn)的深孔加工技術(shù)。
2 、現(xiàn)有深孔加工系統(tǒng)及方法
除傳統(tǒng)鉆削外，目前常用的深孔加工系統(tǒng)有槍鉆系統(tǒng)、BTA 系統(tǒng)、噴吸鉆系統(tǒng)、DF 系統(tǒng)和 SIED 系統(tǒng)。現(xiàn)有深孔加工方法按排屑方式可分為外排屑和內(nèi)排屑兩種，外排屑是指切削液由鉆桿內(nèi)部進(jìn)入，經(jīng)鉆頭小孔噴射到切削區(qū)域，然后攜帶切屑從鉆桿外部與孔壁的間隙排出的方法，主要包括扁鉆、麻花鉆和槍鉆等；內(nèi)排屑是指切削液從鉆桿與孔壁的間隙進(jìn)入，靠切削液的壓力將切屑推入鉆頭小孔，經(jīng)鉆桿的內(nèi)部通道排出的方法，主要包括 BTA 鉆、噴吸鉆、DF 鉆和 SIED 鉆等。外排屑的缺點(diǎn)是切屑會(huì)與孔壁接觸產(chǎn)生劃痕而破壞孔表面質(zhì)量，此外鉆桿剛度不足導(dǎo)致加工效率較低，加工精度難以保證；內(nèi)排屑克服了這些缺點(diǎn)，但由于需要足夠的容屑空間，導(dǎo)致鉆桿的最小直徑受到限制。生產(chǎn)實(shí)踐中需要根據(jù)加工孔的尺寸和質(zhì)量要求等實(shí)際情況合理選擇加工方法。
2.1 傳統(tǒng)鉆削
傳統(tǒng)深孔加工一般以使用麻花鉆為代表。在航空復(fù)雜殼體零件深孔加工中典型的工藝方法是采用長(zhǎng)、短麻花鉆配合使用、鉆削過(guò)程多次退刀排屑、逐級(jí)延伸鉆孔的方法。傳統(tǒng)鉆削方法材料去除率大，便于在數(shù)控加工中心上與其他加工方法集成，加工效率高，而且具有加工操作簡(jiǎn)單、不需要專用設(shè)備、成本低等優(yōu)勢(shì)。因其鉆頭結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，鉆桿可以制造得很細(xì)，目前對(duì)于直徑小于 6mm 的深孔，傳統(tǒng)鉆削仍是主要的加工方法。基于上述原因，傳統(tǒng)鉆削方法目前仍是我國(guó)航空企業(yè)復(fù)雜殼體零件深孔加工的最常用方法。但是，傳統(tǒng)深孔加工的主要問(wèn)題在于鉆頭易折斷、排屑和冷卻問(wèn)題難以解決，因此將造成返工返修，甚至整套殼體零件的報(bào)廢，導(dǎo)致生產(chǎn)周期延長(zhǎng)、質(zhì)量穩(wěn)定性差等問(wèn)題。目前，隨著航空復(fù)雜殼體批量生產(chǎn)質(zhì)量和加工效率要求的逐步提高，傳統(tǒng)鉆削方法面臨越來(lái)越多的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。
2.2 槍鉆
槍鉆因最早用于槍管制造而得名。它采用單切削刃并具有自導(dǎo)向功能的 V 型中空鉆桿，屬于外排屑方式。其工作原理如圖 1 所示，切削液從入口經(jīng)加壓泵進(jìn)入鉆桿內(nèi)部通道，流向鉆頭的切削部分進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑，并將攜帶切屑通過(guò)鉆桿和孔壁間的 V 型槽，最后從出口排出。槍鉆相比于采用麻花鉆的傳統(tǒng)鉆削方式，改善了排屑和冷卻的方法，鉆頭具有自導(dǎo)向功能，能夠加工更深、更小的孔。但由于它仍屬于外排屑方式，切屑容易擦傷已加工孔壁，而且孔較深時(shí)切屑必須保持小而薄的形狀，才能保證被冷卻液沖出，加之槍鉆系統(tǒng)的排屑方法對(duì)油壓要求很高，要求使用專用機(jī)床，導(dǎo)致費(fèi)用昂貴。此外，槍鉆具有難以彌補(bǔ)的結(jié)構(gòu)性缺陷：一是其鉆桿是 V 形非對(duì)稱空心軸，剛性差，鉆孔過(guò)程中容易發(fā)生質(zhì)心偏移，因此只能傳遞有限的扭矩，進(jìn)給量受到限制，只適用于加工小直徑孔，加工效率低；二是其鉆頭與鉆桿不可分離，通用性差。目前，槍鉆系統(tǒng)主要用于加工直徑 φ<20mm 的深孔。
2.3 BTA系統(tǒng)
針對(duì)槍鉆系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)，國(guó)際孔加工協(xié)會(huì)發(fā)明了一種內(nèi)排屑深孔鉆，BTA 系統(tǒng)中鉆頭與鉆桿為中空?qǐng)A柱體，提高了刀具剛性和快速拆裝問(wèn)題。其工作原理如圖 2 所示，切削液經(jīng)加壓從入口進(jìn)入授油器后通過(guò)鉆桿與孔壁形成的密封環(huán)狀空間，流向切削部分進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑，并將切屑?jí)喝脬@頭上的出屑口，經(jīng)鉆桿內(nèi)腔從出口排出。相比于槍鉆，BTA 系統(tǒng)采用內(nèi)排屑方式，切屑不與工件孔壁摩擦，加工質(zhì)量較好，而且其鉆桿為圓管狀，剛性較好，加工效率較高。但 BTA 系統(tǒng)對(duì)切削液壓力要求高、密封困難，受鉆桿內(nèi)排屑限制，排屑空間小，經(jīng)常發(fā)生堵屑。為解決這一問(wèn)題，通常需要在鉆頭上加工斷屑臺(tái)或采用錯(cuò)齒結(jié)構(gòu)，而結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化造成鉆頭制造難度大且價(jià)格高，使 BTA刀具實(shí)際上成為價(jià)格昂貴而并不耐用的壟斷性工具產(chǎn)品，這是 BTA 鉆在我國(guó)航空企業(yè)難以普及推廣的重要原因。目前，BTA 系統(tǒng)主要適用于直徑 φ>12mm 的深孔加工。
2.4 噴吸鉆系統(tǒng)
噴 吸 鉆 系 統(tǒng)（見(jiàn) 圖 3）是 瑞 典Sandvik 公司利用流體力學(xué)的噴吸效應(yīng)原理發(fā)明的雙管內(nèi)排屑深孔鉆削方法。進(jìn)一步改善了排屑過(guò)程，降低了冷卻系統(tǒng)的壓力。其噴吸鉆系統(tǒng)采用雙層管刀桿，切削液經(jīng)加壓后從入口進(jìn)入，其中 2/3 的切削液進(jìn)入內(nèi)、外鉆桿間的環(huán)形空間，流向切削部分進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑，并將切屑推入鉆桿內(nèi)腔；其余 1/3 的切削液，從內(nèi)鉆桿上月牙狀噴嘴高速噴入內(nèi)鉆桿，在內(nèi)鉆桿內(nèi)腔形成一個(gè)低壓區(qū)，對(duì)攜帶切屑的切削液產(chǎn)生抽吸作用，在噴、吸雙重作用下，促使切屑快速?gòu)某隹谂懦觥娢@系統(tǒng)的切削液壓力低且穩(wěn)定，排屑順暢，降低了密封性要求。此外由于其采用雙層管刀桿，剛度較高，可以采用大進(jìn)給量加工。然而噴吸鉆系統(tǒng)的鉆具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造難度大，成本高。對(duì)于孔深較大的孔負(fù)壓抽屑效果受限，加之其采用雙層管刀桿結(jié)構(gòu)，容屑空間小，限制了排屑能力。目前，噴吸鉆系統(tǒng)主要適用于直徑 φ>18mm 的深孔加工。
2.5 DF系統(tǒng)
DF 系統(tǒng)（見(jiàn)圖 4）是日本冶金股份有限公司研制出的雙進(jìn)油單管內(nèi)排屑系統(tǒng)，其切削液分為前后兩支，分別從兩個(gè)入口進(jìn)入。前一支 2/3的切削液經(jīng)過(guò)鉆桿與己加工孔壁形成的環(huán)狀區(qū)域流向切削部分，并將切屑推入鉆頭上的出屑口進(jìn)入鉆桿，流向抽屑器；后一支 1/3 的切削液直接進(jìn)入抽屑器，經(jīng)前、后噴嘴之間喇叭口狀的窄狹錐形間隙后獲得加速，產(chǎn)生負(fù)壓抽吸作用，達(dá)到加速排屑的目的。DF 系統(tǒng)前半部分起“推”作用的結(jié)構(gòu)類似于 BTA 系統(tǒng)，后半部分起“吸”作用的結(jié)構(gòu)類似于噴吸鉆系統(tǒng)，而由于 DF 系統(tǒng)采用了雙進(jìn)油裝置，僅用一根鉆桿即完成推壓和抽吸的切屑方法，鉆桿直徑可以做得更小，相比于噴吸鉆能夠加工更小的孔，抽屑效果也優(yōu)于噴吸鉆。但其抽屑器設(shè)計(jì)仍不夠完善，生產(chǎn)實(shí)踐中DF 系統(tǒng)僅可在有限范圍內(nèi)能替代BTA 和雙管噴吸鉆。目前，DF 系統(tǒng)的最小加工直徑 φ 可達(dá) 6mm。
2.6 SIED系統(tǒng)
SIED 系統(tǒng)是一種由中北大學(xué)王峻 發(fā)明的單管內(nèi)排屑噴吸鉆系統(tǒng)。該技術(shù)以 BTA、噴吸鉆、DF 系統(tǒng) 3 種內(nèi)排屑鉆削技術(shù)為基礎(chǔ)，增加了分調(diào)式功率增補(bǔ)型抽屑裝置，可實(shí)現(xiàn)冷卻和排屑液流的獨(dú)立控制。其基本原理如圖 5 所示，切削液由液壓泵輸出后，分為兩個(gè)分支：前一支切削液流入輸油器，經(jīng)鉆桿與孔壁之間的環(huán)狀空間流向切削部分，將切屑推入鉆頭上的出屑口；后一支切削液流入抽屑器，經(jīng)錐形噴嘴副之間的間隙進(jìn)入后噴嘴內(nèi)腔，產(chǎn)生高速射流和負(fù)壓。SIED 系統(tǒng)對(duì)兩支液流各設(shè)獨(dú)立的調(diào)壓閥，可以分別調(diào)整至最佳冷卻、抽屑狀態(tài)。當(dāng)鉆孔長(zhǎng)徑比過(guò)大時(shí)，可適當(dāng)加大后油路的壓力，以保證不因油壓降過(guò)大而降低抽屑功效。SIED 系統(tǒng)的分調(diào)式功率增補(bǔ)型噴吸鉆抽屑裝置提高了系統(tǒng)對(duì)于不同尺寸深孔排屑的適用性。Sl ED 機(jī)床具有全面的兼容性，適用于包括內(nèi)排屑深孔鉆、深孔擴(kuò)鉆、套料鉆、深孔鉸刀、深孔鏜頭、電鍍金剛石深孔刀具在內(nèi)的各種內(nèi)排屑深孔刀具。Sl ED 系統(tǒng)是一種正在逐漸推廣的系統(tǒng)，也是目前較先進(jìn)的系統(tǒng)。目前，Sl ED 系統(tǒng)可將最小鉆孔直徑縮小 φ5mm 以下。深孔加工關(guān)鍵技術(shù)近年，針對(duì)深孔加工中存在的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，主要涉及深孔加工的鉆削力學(xué)、切屑形態(tài)及排屑方法、在線監(jiān)控、加工系統(tǒng)及設(shè)備等方面。
1 、 鉆削力學(xué)研究
鉆削靜力學(xué)是研究鉆削過(guò)程力學(xué)特性的基礎(chǔ)，過(guò)去幾十年間得到了專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。Altintas以標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆為研究對(duì)象，推導(dǎo)了鉆頭切削刃微元的幾何角度關(guān)系并利用直角切削到斜角切削的變換建立了麻花鉆的鉆削力和扭矩模型。白萬(wàn)民等以鉆槍為研究對(duì)象，對(duì)深孔鉆削過(guò)程進(jìn)行了受力分析，建立了槍鉆的鉆削力模型，并提出了試驗(yàn)和模型相結(jié)合的求解方法。李琦等以內(nèi)排屑深孔鉆為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)方法建立了鉆削力的經(jīng)驗(yàn)公式，試驗(yàn)表明各段切削刃對(duì)切屑變形的影響趨勢(shì)基本相同。除鉆削靜力學(xué)的
研究外，鉆削動(dòng)力學(xué)也是近年來(lái)深孔加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。朱林等通過(guò)鉆削試驗(yàn)，根據(jù)鉆削過(guò)程模型和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了影響鉆削穩(wěn)定性的因素，在此基礎(chǔ)上改進(jìn)了深孔鉆的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了鉆削的穩(wěn)定性。常豆豆以 BTA 系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析了鉆削過(guò)程中由于速度和位移反饋引起的切削顫振現(xiàn)象，建立了 BTA 鉆橫向、軸向、扭轉(zhuǎn)方向的動(dòng)力學(xué)模型及動(dòng)態(tài)鉆削力模型。Perng等根據(jù) Hamilton 原理，考慮切削液和軸向壓力的影響，分別推導(dǎo)了基于 Timoshenko 和 Eule-Bemoulli 梁模型的深孔鉆桿運(yùn)動(dòng)方程，用旋轉(zhuǎn)鉆桿和非旋轉(zhuǎn)鉆桿兩種不同方式添加隨機(jī)激勵(lì)，研究了鉆桿的動(dòng)態(tài)特性。
Ahmadi 等研究了鉆桿不同方向的穩(wěn)定性，建立了通用的鉆削過(guò)程穩(wěn)定性模型，并采用磨損刀具的鉆削試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。許多研究表明，深孔鉆削過(guò)程中，鉆桿系統(tǒng)存在明顯的非線性特征，針對(duì)這一問(wèn)題，Kovacic建立了深孔鉆削鉆桿系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)模型，并采用不同的刀具前角、剪切角以及進(jìn)給量對(duì)鉆削顫振機(jī)理進(jìn)行了較全面的理論分析。因鉆頭的幾何特點(diǎn)、鉆削加工的封閉性以及鉆削過(guò)程切屑和熱效應(yīng)影響，鉆削相對(duì)于銑削、車削等切削過(guò)程更為復(fù)雜。目前針對(duì)鉆削力學(xué)的研究中，大多以試驗(yàn)和數(shù)值模擬作為研究手段，得到的模型和結(jié)論主要依靠經(jīng)驗(yàn)，缺乏對(duì)鉆削機(jī)理的透徹理解，相關(guān)理論尚不完善。但這些研究對(duì)于了解鉆削過(guò)程，改進(jìn)鉆削系統(tǒng)、鉆削刀具、鉆削工藝，以及優(yōu)化鉆削參數(shù)具有指導(dǎo)意義。
2 、切屑形態(tài)及排屑方法研究
排屑過(guò)程是深孔加工與一般孔加工相比最顯著的不同之處。在深孔加工中，由于排屑空間狹小，排屑過(guò)程變得困難且重要，直接影響加工的順利進(jìn)行，決定了孔加工的質(zhì)量。因此，切屑形態(tài)以及排屑方法一直是深孔加工領(lǐng)域的難點(diǎn)與研究熱點(diǎn)。趙如意等通過(guò)試驗(yàn)研究了 3 種不同刀片在 BTA 鉆過(guò)程中，在不同切削參數(shù)下的切屑形態(tài)和切屑容屑系數(shù)對(duì)排屑的影響。試驗(yàn)表明，切屑容屑系數(shù)越小排屑越好，而且 C 形切屑的切屑容屑系數(shù)最小，對(duì)排屑最有利。汪志明對(duì)負(fù)壓抽屑裝置進(jìn)行了研究，改善了深孔加工系統(tǒng)的排屑條件。馬龍等通過(guò) SIED 深孔鉆削試驗(yàn)研究了不同主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給下切屑的形態(tài)和容屑系數(shù)對(duì)排屑效果的影響。針對(duì)深孔加工中斷屑和排屑的問(wèn)題，隈部淳一郎在 20 世紀(jì)50 年代提出了振動(dòng)鉆削理論，即在鉆削過(guò)程中在某一個(gè)或幾個(gè)特定方向?qū)︺@桿或工件施加某種有規(guī)律的振動(dòng)激勵(lì)，鉆頭在振動(dòng)中切削，使切削用量按某種規(guī)律變化，以控制切屑的大小和形狀，達(dá)到避免發(fā)生切屑堵塞的目標(biāo)。在國(guó)內(nèi)，薛萬(wàn)夫等在1982 年開(kāi)發(fā)出振動(dòng)鉆削設(shè)備，并對(duì)深孔振動(dòng)鉆削中切削刃的相鄰運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了理論分析，得出了保證斷屑的加工條件。西安石油大學(xué)朱林，西安交通大學(xué)高本河等以及成都工具所的樊鐵鑌也在深孔加工的低頻振動(dòng)鉆削開(kāi)展了大量研究。目前，振動(dòng)鉆削已成為深孔加工的一個(gè)重要分支。排屑問(wèn)題是深孔加工中最關(guān)鍵的問(wèn)題之一，針對(duì)這一問(wèn)題，近年來(lái)專家學(xué)者們從鉆削刀具結(jié)構(gòu)、抽屑裝置、鉆削參數(shù)以及鉆削方法等方面進(jìn)行了研究，發(fā)明了大量的新刀具、新裝置和新工藝，排屑問(wèn)題得到一定改善。未來(lái)，切屑形態(tài)和排屑過(guò)程的定量化以及各種排屑結(jié)構(gòu)、裝置和方法的融合有待進(jìn)一步研究。
3 、在線監(jiān)控研究
由于大深徑比以及加工時(shí)的封閉或半封閉狀態(tài)，無(wú)法直接觀察到深孔加工過(guò)程中刀具的狀態(tài)變化。因此，通過(guò)各種手段對(duì)深孔加工過(guò)程進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)與控制成為深孔加工的另一個(gè)重要研究方向。在線監(jiān)控的研究主要以切削力、機(jī)床功率、聲發(fā)射、振動(dòng)加速度等信號(hào)作為測(cè)量參量，在線監(jiān)控鉆頭磨損及失效、振動(dòng)、切屑堵塞、軸線偏移等現(xiàn)象，研究問(wèn)題包括深孔加工在線監(jiān)測(cè)的信號(hào)處理、信號(hào)特征提取和加工狀態(tài)識(shí)別與反饋控制。常見(jiàn)的深孔加工在線監(jiān)測(cè)方案如圖 6 所示。Kavaratzis 等將深孔鉆削過(guò)程分為 4 個(gè)階段，以鉆削力和扭矩為監(jiān)測(cè)信號(hào)，采用多層級(jí)的控制方法，針對(duì)鉆削過(guò)程的不同階段采用不同的控制策略。在國(guó)內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、西安理工大學(xué)、上海交通大學(xué)等院校和一些科研機(jī)構(gòu)都對(duì)此進(jìn)行了深入研究。其中，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王清明等提出利用多個(gè)特征參數(shù)綜合監(jiān)測(cè)鉆削過(guò)程，通過(guò)大量試驗(yàn)，觀察刀具在破損、折斷等異常情況下，各個(gè)特征參數(shù)的變化規(guī)律，并設(shè)定閾值，對(duì)鉆削加工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。北京理工大學(xué)的王忠民等利用模糊模式識(shí)別技術(shù)處理經(jīng)過(guò)離散二階小波變換分解的切削過(guò)程聲發(fā)射信號(hào)樣本，實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具磨損狀態(tài)的在線識(shí)別。西安理工大學(xué)的李鵬陽(yáng)等以鉆削軸向力和扭矩為監(jiān)測(cè)信號(hào)，通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行幅域和頻域分析，提取了特征信號(hào)隨鉆頭磨損量的變化規(guī)律。上海交通大學(xué)的孫程成等分析了槍鉆擴(kuò)散磨損和粘結(jié)磨損的形成機(jī)理，并以鉆削力、扭矩和聲發(fā)射為監(jiān)測(cè)信號(hào)對(duì)鉆頭狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用聲發(fā)射信號(hào)對(duì)刀具磨損狀態(tài)進(jìn)行了表征。現(xiàn)有文獻(xiàn)及相關(guān)報(bào)道中，在在線監(jiān)測(cè)方面針對(duì)信號(hào)處理、特征提取和狀態(tài)識(shí)別3 個(gè)領(lǐng)域均有大量研究，以上研究為在線監(jiān)控系統(tǒng)及設(shè)備的研發(fā)提供了理論依據(jù)，但多數(shù)為針對(duì)各領(lǐng)域相關(guān)算法及策略的獨(dú)立研究，缺乏對(duì)完整在線監(jiān)控閉環(huán)系統(tǒng)的整體研究。此外，針對(duì)深孔加工中易出現(xiàn)的故障，文獻(xiàn)中對(duì)刀具狀態(tài)的研究較多，而針對(duì)鉆削過(guò)程的其他現(xiàn)象諸如切屑堵塞、鉆桿振動(dòng)以及孔擴(kuò)大、偏斜等與孔加工質(zhì)量相關(guān)的問(wèn)題仍需要進(jìn)一步研究。
4 、深孔鉆削設(shè)備的研發(fā)
在深孔加工中，由切屑堵塞和鉆頭磨損失效造成的鉆桿折斷是最常見(jiàn)的故障。近年來(lái)隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用于深孔加工領(lǐng)域。目前，在深孔鉆削力測(cè)量技術(shù)方面處于國(guó)際領(lǐng)先地位的德國(guó) Dortmund 大學(xué)的科研工作者 Raabe 等發(fā)明了帶有測(cè)力元件的測(cè)量鉆頭，可以直接測(cè)量切削分量。日本町田鐵工生產(chǎn)的全自動(dòng)鉆床 Micro-hole 配備了扭矩傳感器和鉆頭磨損監(jiān)控系統(tǒng)，鉆削過(guò)程中當(dāng)鉆頭所受扭矩超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)控制鉆頭退刀并重新開(kāi)始鉆削，實(shí)現(xiàn)了鉆削過(guò)程多次退刀排屑方法的自動(dòng)化。近幾年國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的專家學(xué)者已開(kāi)始投入研發(fā)深孔加工的新設(shè)備、新裝置。中北大學(xué)的關(guān)世璽等結(jié)合力傳感器、加速度傳感器以及電磁離合器自主研發(fā)了電磁式過(guò)載保護(hù)裝置，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控加工的全過(guò)程，對(duì)深孔加工刀具系統(tǒng)和被加工零件起到保護(hù)作用。蘇州大學(xué)的張勇等利用 PLC 和交流變頻調(diào)速技術(shù)把普通車床改造成具有電氣控制系統(tǒng)的深孔加工機(jī)床，降低了加工成本，提高了深孔加工的效率和精度。德州德隆機(jī)床公司自主研發(fā)了可在塑料模具上進(jìn)行多孔系加工的ZK2103 型三坐標(biāo)數(shù)控深孔鉆床，其鉆孔直徑范圍為
φ4~φ30mm，最大加工深度 1200mm，在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先水平。目前，國(guó)產(chǎn)深孔加工設(shè)備相對(duì)德國(guó)、美國(guó)等制造業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家仍較落后。在我國(guó)航空企業(yè)中，大多數(shù)仍采用傳統(tǒng)鉆削方法，對(duì)專用深孔加工設(shè)備的使用較少，少數(shù)企業(yè)通過(guò)對(duì)普通機(jī)床的改造以滿足深孔加工的需求。目前，高性價(jià)比的專用深孔加工設(shè)備的研發(fā)仍是我國(guó)航空企業(yè)亟待解決的問(wèn)題。
深孔加工技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
1 、智能加工
目前，我國(guó)航空企業(yè)在復(fù)雜殼體零件深孔加工中，對(duì)于鉆削參數(shù)的設(shè)定往往是憑經(jīng)驗(yàn)。為避免加工中出現(xiàn)鉆頭折斷和切屑堵塞等問(wèn)題，設(shè)定的鉆削參數(shù)通常很保守，這樣就造成了加工效率低下，加工質(zhì)量難以保證。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)、傳感技術(shù)以及機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域的發(fā)展，加工設(shè)備及加工系統(tǒng)具有對(duì)加工狀態(tài)的自主感知，對(duì)加工工藝知識(shí)的學(xué)習(xí)、進(jìn)化、積累，以及對(duì)加工過(guò)程的實(shí)時(shí)反饋、決策等智能化功能已成為可能。智能加工已成為未來(lái)深孔加工發(fā)展的必然趨勢(shì)，發(fā)展具有自主感知、學(xué)習(xí)、進(jìn)化、決策功能的智能深孔加工系統(tǒng)將成為深孔加工的重要研究方向。智能深孔加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 7 所示。智能深孔加工系統(tǒng)包括多信號(hào)傳感系統(tǒng)、在線誤差檢測(cè)系統(tǒng)等感知模塊，通過(guò)時(shí)監(jiān)測(cè)得到深孔加工過(guò)程力、熱、振動(dòng)、功率、聲發(fā)射、油壓等信號(hào)，利用在線監(jiān)測(cè)算法將處理后的加工數(shù)據(jù)做特征提取及加工狀態(tài)識(shí)別，用于切屑堵塞、刀具失效等故障預(yù)測(cè)與報(bào)警；同時(shí)，利用智能學(xué)習(xí)優(yōu)化模型并結(jié)合工藝知識(shí)庫(kù)，以加工數(shù)據(jù)和在線誤差檢測(cè)系統(tǒng)獲取的孔尺寸精度和表面質(zhì)量信息作為輸入，實(shí)現(xiàn)加工質(zhì)量、加工效率和刀具壽命等多準(zhǔn)則加工參數(shù)優(yōu)化，實(shí)時(shí)反饋到深孔加工過(guò)程，完成深孔加工學(xué)習(xí)進(jìn)化的閉環(huán)系統(tǒng)。目前在機(jī)械加工領(lǐng)域中，智能刀柄、智能刀具的等智能元器件，以及智能加工系統(tǒng)的研發(fā)已成為研究的熱點(diǎn)與趨勢(shì)。已有一些公司開(kāi)發(fā)了商業(yè)化的加工過(guò)程智能監(jiān)控系統(tǒng)，比如ARTIS 在線監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用傳感及在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，不僅可監(jiān)測(cè)加工過(guò)程機(jī)床狀態(tài)、刀具狀態(tài)、異常及故障，而且可通過(guò)其內(nèi)部算法對(duì)加工周期進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)在每一個(gè)加工周期中工藝知識(shí)的學(xué)習(xí)與積累，優(yōu)化下一個(gè)加工周期的加工參數(shù)，使加工系統(tǒng)具有自主學(xué)習(xí)、進(jìn)化的能力。未來(lái)，隨著相關(guān)學(xué)科與技術(shù)的不斷發(fā)展，智能深孔加工系統(tǒng)將亦趨成熟。
2 、特種加工
深孔機(jī)械加工由于需要刀具，屬于接觸加工，這就導(dǎo)致無(wú)法避免一些固有問(wèn)題：例如刀具材料的硬度必須大于工件材料、切削力導(dǎo)致的變形和振動(dòng)、工件殘余應(yīng)力等。當(dāng)面臨未來(lái)航空復(fù)雜殼體零件的復(fù)雜孔系結(jié)構(gòu)、微小孔以及新材料時(shí)，傳統(tǒng)機(jī)械加工難以達(dá)到要求。特種加工技術(shù)是借助電能、熱能、化學(xué)能、聲能、光能等多種能量或?qū)追N能量進(jìn)行復(fù)合以實(shí)現(xiàn)材料切除的加工方法。自943 年前蘇聯(lián)科學(xué)家拉扎林柯發(fā)明電火花加工方法后，利用機(jī)械方法以外的非傳統(tǒng)加工方式得到了大量的研究，形成了特種加工這一新的發(fā)展領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)超硬、超軟、超精、超光和超微等加工。目前，對(duì)于微小孔的加工，特種加工是主要的加工方法。一些學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了針對(duì)深孔的特種加工方法的研究，主要有：電火花加工、電化學(xué)加工、超聲加工、激光加工、電子束加工、離子束加工、液體噴射加工等。未來(lái)，隨著深孔加工的要求越來(lái)越高，機(jī)械加工方法將難以滿足，深孔的特種加工方法將成為學(xué)術(shù)界的關(guān)注點(diǎn)之一。
3、綠色加工
近年來(lái)，隨著環(huán)境保護(hù)的迫切度越來(lái)越高，對(duì)制造業(yè)綠色化提出了更高的要求。傳統(tǒng)深孔加工由于需要冷卻和排屑，會(huì)產(chǎn)生大量的切削液，造成環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。為節(jié)省資源和減少污染物排放，綠色加工成為未來(lái)深孔加工發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前新型綠色加工技術(shù)主要有：綠色切削液、微量潤(rùn)滑、壓縮空氣冷卻和干式加工。干式加工即在加工過(guò)程中不使用切削液，這從根本上避免了切削液的處理以及排放造成的污染，同時(shí)也降低了加工成本。但目前的深孔加工技術(shù)水平尚難以處理干式加工中產(chǎn)生的大量切削熱，因此暫時(shí)無(wú)法推廣應(yīng)用。相對(duì)來(lái)講，使用微量切削液可較大程度減少污染，同時(shí)技術(shù)難度大大小于干式切削，目前在學(xué)術(shù)界受到更多的關(guān)注。此外，已有學(xué)者研究具有生態(tài)性能的冷卻劑，這既降低了散熱的技術(shù)難度，又可實(shí)現(xiàn)綠色加工，并且其對(duì)人體健康無(wú)影響，也是一種有潛力的發(fā)展方向。未來(lái)，深孔加工的綠色化將成為工業(yè)界不可忽視的研究?jī)?nèi)容。
結(jié)論
深孔加工技術(shù)是一項(xiàng)多學(xué)科交叉的綜合應(yīng)用技術(shù)，目前在理論和應(yīng)用方面都還不夠成熟。由于深孔加工的困難，迫切需要對(duì)其理論和技術(shù)進(jìn)行更加深入的研究。本文結(jié)合航空復(fù)雜殼體零件的深孔加工，介紹了深孔加工的概念，分析深孔加工的工藝特點(diǎn)及難點(diǎn)，闡述深孔加工發(fā)展的歷程和目前的發(fā)展現(xiàn)狀。通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)資料的調(diào)研，給出深孔加工的關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合目前機(jī)械工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀展望了深孔加工未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。隨著數(shù)字化技術(shù)、傳感技術(shù)、信息技術(shù)等的快速發(fā)展和不斷融合，深孔加工技術(shù)將會(huì)朝著智能化、多樣化、環(huán)境友好的方向不斷發(fā)展，在我國(guó)航空制造業(yè)中發(fā)揮更大的作用。
來(lái)源：西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安航空動(dòng)力控制科技有限公司
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