基于脉冲流体特性的深孔加工高效排屑及实时监控技术研究

发布时间：2016-10-19 14:31

1 绪论

在二战结束以前，深孔加工技术只应用于部分军工产品领域，发展缓慢。在二十世纪的三、四十年代，枪钻和内排屑深孔钻具被研制出来之后，深孔加工技术的发展才逐渐跟上了时代步伐。二十世纪五十年代，深孔加工技术的应用领域得到广泛拓展，包括石油开采、冶金、汽车制造、仪器仪表、航天航空等众多行业，但是因为一些少数发达国家对于高端的深孔加工技术市场的垄断，使得其成本远远的高于制造业行业中的其他绝大多数技术。二十世纪八十年代后期，我国的经济开始逐渐迅速发展，各种行业及领域对深孔加工技术的需求也越来越广泛，深孔加工技术在整个机械加工行业中的地位也变得越来越重要[3-6]。近年来，深孔加工技术面临着多品种、小批量、新型材料及愈来愈高的精度及效率要求的挑战。如何提高深孔加工质量及加工效率成为国内外研究人员关注的热点问题[7]。深孔加工是一种比较特殊的加工工艺，它和普通的车削、铣削以及浅孔钻削等加工方法有明显的区别，深孔加工的整个过程都是在相对比较封闭的状态下进行的[8]，操作者无法直接观察刀具的切削情况，使得深孔加工面临着较大的加工难题。

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2 深孔加工排屑机理研究

2.1 深孔加工方式

刀尖撕裂分屑法的分屑原理如图 2.3 所示，其特点是：内外刃的夹角r 较小时，可利用内、外刃实现分屑。但是，长时间切削后，钻头刃口因磨损而变钝，刀尖分割切屑的作用减弱，此时切屑与开始那样好的分屑状态（见图 2.3（a）所示）不同，开始出现垂直于刃口的平面内卷曲的现象，同时产生一定的侧向变形（见图 2.3（b）所示），因此，这分屑方法并不可靠。轴向阶梯型分屑法的分屑原理如图 2.4 所示，其特点为：各削刃在轴向分别错开不同的深度，从而实现分屑，只要轴向阶梯的深度值c大于刀具的进给量 f ，便可实现可靠分屑。由于钻心部分的切削速度较小，切屑的变形较大，切屑厚度增大，不易分屑，所以在钻头外缘部分的阶梯深度c比靠近钻心部分的阶梯深度c取的相对小一些。此外，在阶梯台的边缘处要磨出副偏角r，否则会引起刀尖的快速磨损，导致分屑困难。

2.2 切屑状态对深孔加工排屑性能的影响

按照切屑形成机理，可将切屑分为以下四种形态[92]：（1）带状切屑：形状呈现为带状，外表面在显微镜下可看到为毛茸状，内表面比较光滑，是切削塑性金属时最常见的一种切屑。当切削速度较高，切削量较小时，容易产生这类切屑。此时，加工系统比较稳定，已加工表面质量较好。（2）挤裂切屑：外表面呈现为锯齿形，内表面有裂纹。当切削速度较低、切削量较大时，容易产生这类切屑。此时，加工系统稳定性较差，已加工表面的粗糙度值较大。（3）单元切屑：也称为粒状切屑，其外观为一系列互不相连且不规则的切屑单元，如一堆形状各异的沙粒。当切削速度很低、切削量很大的情况下，由于剪切变形完全达到材料的破坏极限，切下的切屑断裂成均匀的颗粒状，则成为梯形的单元切屑。加工系统最不稳定，已加工表面粗糙度值较大。

3 基于脉冲流体特性的深孔排屑机理与实验研究...........35

3.1 堵屑数学模型研究........................35
3.2 脉冲式供油流体数学模型研究.........41
3.3 脉冲式流体动态特性仿真..................50
3.4 脉冲式 DF 系统的方案设计...............58
3.5 脉冲式 DF 系统排屑性能的实验验证............60
4 深孔加工实时监控理论研究及方案设计..................69
4.1 实时监控技术理论基础................69
4.2 深孔加工工况信号的选定...............72
5 油压油温监测技术及冷却系统研究.....................77
5.1 切削液流场的数值试验.....................77
5.2 切削液流场数学模型研究.....................81

7 基于超声波声阻抗特性的排屑状态实时监控系统研究

7.1 超声波探伤机理

基于超声波的声阻抗特性，常用的超声波探伤方法包括脉冲反射法、穿透法和谐振法探伤。（1）脉冲反射法超声探伤的脉冲反射法，与雷达或声纳的原理相似，超声脉冲在被检工件中传播，遇到缺陷和工件底面由于声阻抗率发生变化，就有部分声能量被反射回来，根据反射回波的有无、强弱和反射波与发射脉冲间的时间间隔，就可测出缺陷的有无、大小和距离。（2）穿透法穿透法时将二个探头置于工件相对的两面，一个界面发射超声波，从试件的个界面透射到另一个界面，在这另一界面处用另一个探头来接受。当工件无缺陷时，超声波直通，接收探头收到的能量最强，当缺陷出现时，由于声波被缺陷阻挡，在接收一侧形成声影，或造成接收信号衰减，信号的衰减量可作为判断缺陷的依据。穿透法探伤，可以采用连续波和脉冲波两种不同的方式，图 7.2 所示为连续波穿透法，用电流表在其终端显示缺陷有无或大小，电流表指针指示缺陷的大小，当缺陷大时，电流表指示为零。

7.2 基于超声波的切屑检测机理仿真

基于超声波的排屑状态监测系统方案设计如图 7.9 所示，超声波接收器将采集的超声波信号经数据采集卡传递给状态识别软件；由状态识别软件对收集的超声波信号进行识别，确定有无切屑，进而分析排屑状态是否正常，判定是否发出预警信号；将预警信号传递至 PLC，以控制预警灯的打开或关闭。深孔加工过程中，随着切屑不断产生，排屑道的切屑或连续不断的向外排出，或断断续续向外排出。因此，当超声波传感器位置确定后，正常排屑状况下，超声波排屑监测系统接收到的有切屑的信号应当是连续的、或者断断续续的。当监测系统长时间未接收到切屑存在信号时，说明这段时间没有切屑通过该位置排出，但是，切屑仍在不断形成，并越积越多。切屑一直在产生，但是没有被排出，那么只有一种可能，就是此时已经发生了堵屑现象。因此，可以根据具体工况条件的实践经验，设定一个排屑间隔时间预警值预警，当超声波排屑状态监测系统接收到的两个相邻的切屑存在信号之间的时间间隔预警时，发出预警，提醒操作者及时采取有效措施，可以避免因堵屑产生废品。

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8 结论与展望

本文主要围绕深孔加工高效排屑、实时监控、切削液冷却等问题展开了一系列研究，取得了以下结论：（1）基于力学理论，结合深孔加工排屑状况的实际情况，在充分考虑切削液压力及其沿程损失、管壁摩擦力、其它切屑对其的阻力及重力等多种因素，建立了切屑受力数学模型，研究了堵屑现象的边界条件。得出折屑系nii1过小（即切屑受力面积小），切削液流速v、压力 p 不足，断屑不彻底等是导致堵屑产生的主要原因。提出引入动态流场以增大折屑系数niil ，增强切削液最大流速是解决堵屑问题的有效途径。（2）建立了脉冲式供油切削液的非定常紊流瞬时流体模型，运用 FLUENT 软件对其流体特性进行了仿真分析，得出脉冲流体能够产生较高的急速射流和随时间不断发生变化的混沌流场，对于增大折屑系数nii1 ，增强切削液最大流速非常有利，，有助于解决堵屑问题，提高排屑效率。设计了一种脉冲式 DF 系统，并通过多组不同脉冲开关频率 f 的实验，验证了该系统具有更好的排屑效果，得出 f 0.7Hz时，切削液流体特性分布对深孔排屑最为有利。

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参考文献（略）

本文编号：145877