[机械设计自动化精品] 枪钻结构优化设计与受力分析.doc
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1、枪钻的优化设计与受力分析随着科学技术的进步,深孔加工技术已经运用到各机器制造部门,特别是在重型机械制造中,能否掌握它,运用自如,将对生产起着决定性作用。本设计介绍了深孔加工刀具中最常见的枪钻,通过对国内外枪钻的比较,分析了枪钻的结构,对枪钻的各个结构进行了系列化设计。然后对枪钻进行了较为详细的受力分析,。同时用Pro/E 应用软件作出典型枪钻的三维造型,并用有限元分析软件对枪钻进行分析,得出应力分析结果,对枪钻进行优化设计。关键词:深孔加工,枪钻,优化设计Optimal design and Stress Analysis of gun drillAbstractWith the progre
2、ss 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 gun drill。
3、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 gun drill。A
4、t 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显示对应的拉丁字符的拼音字典1. 名词 1. summary2. abs
5、tract窗体顶端显示对应的拉丁字符的拼音字典目录1 绪论11.1 研究深孔钻削的意义11.2 国内外现状以及发展21.2.1 深孔钻的发展过程21.2.2 国内深孔加工技术应用及发展状况21.2.3 深孔加工技术和装备的发展方向32、枪钻的设计52.1 枪钻的结构52.2 枪钻的设计52.3.1 枪钻切削部分的设计52.3.2 枪钻钻杆和钻柄的设计163 枪钻受力分析183.1 枪钻切入阶段的受力分析193.2 枪钻钻孔全过程中转矩和轴向力的变化规律224 枪钻的应力分析与优化设计304.1 枪钻实体模型的建立304.2 枪钻力学模型的建立314.3 枪钻的有限元分析334.3.1 导入枪钻
6、实体模型334.3.2 定义材料特性334.3.3 网格划分334.3.4 约束、处理344.3.5 处理后结果344.3.6 有限元结果分析355 总结36参考文献37致谢391 绪论1.1 研究深孔钻削的意义深孔加工技术最初广泛应用于国防军工制造业。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不可缺少的一种工艺方法。特别是近几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,对机器机器零部件的综合性能提出了更高的要求。新型高强度,高硬度的材料如钛合金、不锈钢、难热合金、
7、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,但是它们的切削加工性能一般比较差,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效率和质量。特别是在重型机械制造中,能否掌握它,运用自如,将对生产起着决定性作用。深孔加工在各行业应用都比较广泛,如枪炮管深孔加工,发动机输水孔,活塞销,曲轴通油孔,车辆的减震器筒,液压缸,火箭发射装置的精密高强度导管等等。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
8、本和生产周期的关键技术。如果能以最小的投入,最快的速度使我国深孔加工技术提高到国际先进水平,对我国制造行业的技术改造和综合国力的提高将有巨大的促进。1.2 国内外现状以及发展1.2.1 深孔钻的发展过程深孔钻的发展过程可分为四个阶段:第一阶段在19世纪末20世纪初,为解决枪管的加工,发明了将高压液体通过钻杆内通道送到钻头,带走切削和热量,并在钻头外径上加上导向块,以保证钻孔正确方向的方法枪钻。第二次世界大战期间,由于枪管的需求量猛增,使这项技术得到了快速发展。第二阶段,后来国际孔加工协会加以完善,形成了BTA加工方式,其所用的钻头简称为BTA钻。BTA钻头在枪钻的基础上增强了刚性,改善了排屑条
9、件,并提高了孔的表面质量。第三阶段,1963年瑞典Sandvik公司发明了喷吸钻加工方式,将切屑由切削液推出改为切削液推吸联合作用,改善了排屑过程,降低了系统压力,密封条件得以改善,改善了排屑过程,降低了系统压力,密封条件得以改善,对应该系统所用的钻头成为喷吸钻。第四阶段,在70年代,日本冶金股份公司发明了DF(Double Feeder)装置,将原喷吸钻的双管系统改为单管系统,在钻杆尾部增加一射流装置,来完成液体推吸效应,使钻杆系统刚性增加,切削液压力减小。DF系统是传统深孔钻的最好方式,该系统所用的钻头称为DF钻。1.2.2 国内深孔加工技术应用及发展状况20世纪70年代以前,我国枪钻和内
10、排屑深孔钻猪妖应用于兵器制造业,其技术大致相当于苏联50年代初期的水平。mm以下小深孔一律采用本厂自制的高速钢枪钻。70年代末才开始建立专门制造硬质合金枪钻,枪铰刀得军工系统工具厂,因尺寸规格有限,规模不大,产品质量与进口刀具有很大差距。80年代后,一批大中型专业工具厂开始生产硬质合金枪钻,以填补市场需求的空缺。但由于技术实力和生产方式的落后,在产品质量和规格品种方面始终无法与进口刀具分庭抗礼。目前,我国仍是深孔刀具的纯进口国。由于机床工业基础落后,国内需求的枪钻机床一直以进口为主。80年代以来,国内机床工业水平提高较快,相对而言,机床深孔发展相对滞后,在设计水平、品种、精度和装也化程度等方面
11、与欧、美、日本还有相当大的差距。数控深孔钻床到80年代末才出现,而用于加工固定工件的深孔钻床还是空白点。面对深孔装备和深孔零件的广泛应用,制造业对深孔加工技术的需求呈直线上升的趋势。一方面,大批老国有企业由于缺少先进的深孔加工技术,自身拥有的大批深孔机床处于闲置状态;另一方面,又有大批新兴中小企业不具备深孔加工手段,导致其新装备的开发面临重重阻力。1.2.3 深孔加工技术和装备的发展方向深孔加工技术的落后将会长期制约国家常规兵器工业的现代化。1958年开始国内硬质合金枪钻的设计和实验研究,1960年获得成功。出于各种工原因,研究被迫中断。20年后,几乎在一无所有的条件下,重新起步踏上深孔加工技
12、术创新研究的漫长历程。应当从制造业,特别是装备制造业的发展战略全局出发,把深孔加工技术作为其中必不可少但发展水平之后的一个环节给予关注和支持。作为制技术中一个不可替代的分支,深孔加工技术具有其独特性。由于它的影响力几乎遍布所有行业,所以决不可视之为“长线”技术。深孔加工技术的研究开发工作需要必要的物质 和资金保证,费力费时,一般企业难以承担得起。除了高校和社会科研机构参加和投入外,国家在政策上的支持也必不可缺。深孔加工技术技术由于进入制造业的历史短暂,远未达到成熟和完善,具有巨大的发展潜力。便现在两个方面。第一,对深孔加工过程中特定条件下切削液参数及其影响、切屑的形成规律、排屑及抽屑机理、不同
13、加工条件下工艺参数的最佳匹配、加工过程的控制与检测、刀具和辅具的设计理论、深孔加工装备的规范及现代化设计等得一系列基础研究,尚处于起步阶段。第二,实体钻孔由于其不可代替性,布鲁别过去、现在和将来,将始终是衡量深孔加工技术发展三年惠平的最重要标志。但从其目前水平来看,还远未阵雨成熟阶段。主要问题是:内、外排屑两类深孔钻在钻孔之境范围上形成难以逾越的鸿沟,已经成为深孔加工技术通用化的巨大障碍;内排屑深孔钻的断屑、排屑问题始终制约着实体深孔钻技术的发展和广泛应用;在克服深孔钻排屑障碍的同时,进一步提高了实体钻的工效和加工质量,以达到减少后续工序并降低综合加工成本问题;深孔钻削过程的有效控制和检测问题
14、;难加工材料、材质的加工和排屑问题。深孔加工技术面临的另一类重大课题是:开发与深孔钻削配套的后续加工刀具和技术。重点是开发可在深孔钻床上通用的高效、低成本精加工刀具和技术。单从技术可行性角度而论,浅孔加工技术中的切削加工技术几乎均不适用于深孔加工。但在多数情况下,深孔加工技术不仅可用于浅孔加工技术,而且在保证孔的尺寸、形位精度和改善钻孔粗糙度等方面比浅孔加工技术更优越。之所以未能变成现实,关键在于深孔加工的成本太高。据粗略估算,如果能通过种种措施使目前深孔加工的综合成本降低60%,则深孔加工技术会开始部分应用于前孔加工技术;如果将深孔加工技术的综合成本进一步降低,就会衍生出一批新型的集约制造方
15、法、新型装备制造和新兴产业。深孔加工技术作为制造业技术的一个废分支,有外强烈的应用技术属性。应用技术永远是一门遗憾的技术,因为它依托于新科学发现、新科学理论、新材料、新方法和社会不断提出的新需求,永无止境。但应用技术又是最贴近人流泪社会物质文明进步、推动人类精神文明发发展的最具生命力且无可替代的动力源泉。2 枪钻的设计2.1 枪钻的结构枪钻由钻头、钻杆和钻柄组成。钻头切削部分是由圆柱体砍切而成,其轮廓与炮钻相。不同之处在于,枪钻的外部有一条贯穿前后的V形槽,用来排屑;V形槽的对侧,是油孔,用来供入切削液。由于钻杆尾部单薄,不便于夹持,因此制成一个同轴的厚壁套焊在钻杆末端,这即是钻柄。枪钻的材料
16、主要为硬质合金,以下的钻头,由硬质合金烧结撑整体式钻头坯,在经过焊、磨而成为节约硬质合金,直径大的可以改用三片应内置合金镶在钢制钻头上。钻头与钻杆的轴线必须严格保持同轴,否则易引起钻杆与孔壁摩擦,或者导致走偏加大。为此,最好在钻头与钻杆对焊后,夹持钻杆对钻头进行刃磨。根据同样的理由,钻柄也必须和钻杆保持同样的同轴度。2.2 枪钻的设计从枪钻的结构上看,它的结构很简单,但是它的参数却很多,而且每一个参数对刀具的切削性能都有各种各样的影响。在枪钻的原始设计条件中,钻孔直径、孔的长径比、被加工材料的物理机械性能和要求深孔加工后达到的技术条件,是设计或者订货前必不可少的条件。现系列化设计孔径520mm
17、的深孔枪钻,设计过程如下。2.3.1 枪钻切削部分的设计枪钻由钻头,钻杆和钻柄组成。钻头有整体烧结式和镶片式两种结构,现采用硬质合金刀片,如图2.1。 图2.1 硬质合金镶片式枪钻钻头以下是钻头各个参数的确定。1、内外切削刃的的划分和钻尖偏移量枪钻的钻尖偏置于直径的一侧,形成了单边刃切削及内外刃分工,内刃与外刃的横宽之和等于半径。内刃切削刃的划分,使枪钻具有以下特点: 在结构上为钻头提供了排屑通道(V形槽)和供油通道(进油孔)。 枪钻外刃的工作条件相当于双刃钻的外侧切削刃,钻孔时形成一支右 的螺旋形切屑;其内刃相当于车削时前刀面通过棒料轴线的车刀,形成瓦片形的左旋圆锥状间断切屑。这两只切削流因
18、受到被加工孔底部的限制和切屑液的冲击力,在钻尖的后部会交会在一起。设内外刃的横宽对等,则外刃承担了切除全部金属量中的的任务,为内刃切除金属量的3倍。因此,外刃的切屑流成为切屑流的主体,将内刃形成的锥形片状切屑扭在一起,在高压切削液的推动下前后互相挤压,从V形槽中向后排出,如图2.3。图2.2 枪钻内外刃的划分图2.3 内外刃切屑的流动和干扰1工件;2枪钻;3外刃产生的切屑(右螺旋卷);4内刃产生的切屑(左螺旋卷);5切屑汇合处单边刃的设计,使钻头避开了横刃的存在,从而大大减轻了钻头的轴向推力。由于内外刃的划分,将会产生一个内外刃径向切削分力不对等的问题,但只要报纸外刃的径向切削分力不小于内刃,
19、枪钻在理论上是不会自动发生脱离轴线而走偏的,原因在于,如果外刃的径向切削分力大于内刃,二分力之差将作用于切削刃对侧的已加工孔壁。这种内外圆柱面之间的贴合,只能对钻头起到定向和导向作用,反而保证不钻头不会自动走偏。同样,内外切削刃所受的垂直切削力的合力(主切削力)虽然单方向作用于钻头的前刀面并力图使钻头偏向一侧,但由于承受压力和反作用力的都是圆柱面,钻头不会走偏。由于枪钻切削部与工件孔壁相接处的圆柱面材质远比工件要硬,且光滑并充满润滑冷却液,因此,切削力不平衡实际导致的结果是钻头导向部对孔壁的挤压和碾平,从而使孔壁的加工粗糙度减小。当然,过大的及压力也会加快钻头导向部的磨损,引起转头震颤,因此需
20、要在设计中全面考虑。在枪钻设计图上,通常以标注外刃横向宽度A的方式来确定钻尖的位置(图2.2)。因此,钻尖与钻头的轴线的偏移量。在加工碳钢、合金钢材料时,通常取内外刃横宽对等,即。图2.4钻头几何形状2、钻头的几何形状钻头的几何形状包括对外刃偏角(简称外角)、内刃偏角(简称内角)、钻尖位置、油隙形状等参数的综合匹配,如图4。钻头几何形状的设计,应该综合考虑三个方面的因素,所产生切屑的形状及是否有利于切屑的排出,钻尖的强度保持和足够的供油间隙,以及冲出切屑。如图2.4所示,图为枪钻头部几何参数的代表符号示意。钻尖位置用外刃的横宽A,外角用表示,内角用表示。根据设计要求,此枪钻的外径为,则外角,内
21、角,此类为枪钻的标准头部形状,对多数常见材料都有通用性。3、前刀面的位置枪钻前刀面的切削条件类似于内圆车刀,其位置应等于或者稍微低于孔的轴线,而不应高于孔的轴线。炮钻的前刀面之所以必须略高于中轴,是由于其半圆柱体形状的限制。枪钻打的横截面大于半圆,因此前刀面可以通过中心或低于中心。如低于中心,钻孔时会避开切削速度为零的中心点,从而有利于减小轴向切削阻力。但如前刀面过低,在钻孔过程中会留下一根细小的中心棒,影响切屑正常排出。通常允许前刀面低于中心线。4、断屑台在车、铣等常规切削加工中断屑也是一个不忽视的课题。连续的缠绕形切屑会干扰加工过程的正常运行,伤害操作者和损伤工件、刀具、机床,更使生产过程
22、的连续性难以实现。理想的情况是采用切屑手段,让切屑按照按照一定的规律断成小段。最方便易行的就是在刀具前面上磨出断屑台或者设置断屑器。对于深孔钻削来说,能否连续的、无堵塞的自动排除切屑,始终是成败的首要课题。现代深孔钻削刀具由于保证了供油、排屑通道以及高压切削液,使连续自动排屑成为可能,但并未从根本上堵屑发生的可能。无堵塞的连续自动排屑,必须同时得到以下三个方面的保证,缺一不可。(1)供油、排屑通道结构合理。(2)保持正常合理的油压和流量。(3)合理的切屑形态用以上三方面的要求来对照枪钻。枪钻的出屑槽呈前后一致的扇形,排屑断面积接近于被钻孔截面的,拥有各种深孔钻中最为理想的排屑通道。不足之处在于
23、头部通油孔的面积太小(只及孔截面的),因此必须加大油压和油量,才能有足够的动量用来推动切屑通过V形槽和与钻头相对旋转着得孔壁而顺畅溢出。在油压足够的而前提下,枪钻即使不断屑,一般也不会发生堵屑障碍。因此,枪钻在多数情况下不须磨出断屑台。在加工费碳钢、合金钢和铝、铜等比较软的材料时,连绵不断的螺旋形卷状切屑受高压切削液的推挤而相互挤压,周期性的以条絮状被推出V形槽,甩入排屑器。当工件为灰铸铁、石墨等脆性材料时,切屑呈碎粒状被排出。只有当工件材料为高强度、高韧性的难加工材料或者地质不均匀时,才因切屑卷过大或者切屑形态不一致而容易发生堵屑。当然,一旦机床的油压不足,切削刃变钝,也会发生堵屑。在这些特
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