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在BTA深孔加工中导向块作用的研究综述

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指导教师：

江苏科技大学

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在BTA深孔加工中导向块作用的研究综述

R.Richardson,R.Bhatti

英国格林威治大学工程学院

摘要

综述是由关于导向块在BTA深孔机加工过程中的作用的文献所组成的。

工艺和表现及导垫的抛光作用之间的联系是被检查的。

先前已被描述为完成工序的抛光操作实际上是在一个极其滥用的过程。

据表明，在抛光过程中导向块与切割面的接触面积最好只有其投影面积的1.2％。

此外，没有润滑膜能够在该导向垫的前存在。

关键字：

导向块，力系统,，打磨，表面完整性，流体力学，磨损

1.介绍

BTA加工被证明是加工高长径之比，平行度，直线度，圆度和表面纹理孔的最经济的方法之一[1-3]。

高压冷却剂被送到孔的内径和管状钻柄外表面之间的外部。

切屑和流体回流是直接通过钻头的内部和通过定向管状钻柄的外部。

极高的流速是所产生的切割面，而不像枪钻，切屑在工具和孔之间被困住的可能性是可以避免的[4]。

该方法主要利用单刃刀具。

一个BTA钻头提供了提供了一个不对称的切割边缘（或边缘）通过设在切割边缘之后大约90和180的导向块来平衡。

由刀具已经进入工件后的孔壁提供引导。

BTA过程最初是由Beisner开发并1943年在德国获得专利，这个过程主要作为副产品来自德国二战技术[5]。

有两种类型的工具，一些最初由西德的海勒公司制造，另一些由瑞典的山特维克制造。

BTAH工具通常具有一个单件的硬质合金的切削刃。

山特维克在BTAH头已产生变化称为单管系统（STS）。

BTA（STS）山特维克头（之前被称为BTAS）有三个硬质合金定位技巧以至于得到重叠的部分。

这些技巧被定位以至于切削力被平衡，从而减小导向块上的压力。

2.BTA工具

海勒设计的一个典型的钻削钻头如图1所示。

这说明了形成切削刃的三硬质合金片和被铜焊到钢钻体的两个导向块。

切削刃被分成三个部分，即外，中间和内缘。

内边缘是颠倒的，以至一个边缘而不是一个点是在中心旋转。

点偏移量的约为半径的20%。

外侧和中间切削刃通过一个步骤是在18和12°隔开，以使切屑相互撞击并且协助断屑。

在中心孔附近一个30°的负前角被用来增强这个地方的切削刃。

一个单一的步骤是通常用于直径9下的刀具;两个步骤为9至30毫米直径的孔;和一个三步骤的边缘用于直径大于30毫米的刀具。

断屑槽是需要产生必须是足够小，通过容屑口和进钻杆的内部退出的短的C形切屑。

因为差的切屑形成材料，有一个小的正前角的断屑槽可能被使用[5]。

图1.一个典型的BTA加工头的几何形状[12]

3.导向垫的作用

两个硬质合金导向块，通常比分别位于从切削刃顺时针测量的约90和180度的切削刃难度等级更大。

在纵向轴上，垫片设定一定距离称为从切削刃的外角的垫滞后长度。

这代表了给定的切削刃的间隙在垫片。

接触孔之前[7]。

垫片的作用是抵消切削力，以及由于垫片越过先前已加工表面以致内孔表面层被磨光Griffiths[7]CorneyandGriffiths[8]已经表明这种组合钻孔和抛光作用产生一种塑性变形的表面层。

这是一个复杂的机构，并已被CorneyandGriffiths[8]Sakuma等人[9-11]等证实，Griffiths[7]影响操作的力以及表面光洁度。

作用于每个衬垫上的支撑力既取决于幅度和切削力的方向。

相邻于切削刃的衬垫传递最大的切削力到孔壁。

Sakuma等人[10]表明当相邻衬垫被定位在距切削刃87°和相反的衬垫在183°，支撑力几乎等于切削力。

然而，在相对的衬垫上的力被证明是大约切削力的20％。

因此，可以得出结论相邻的衬垫承受切削力与相反垫切削刃进行主要作为稳定衬垫，也可以作为一种用于磨削工具压力表参照。

这种衬垫自动地控制孔的大小。

如果切尺寸过大，当头移动远离被切割的表面。

这将减少在孔尺寸直到平衡再次是建立。

同样，如果切割的尺寸不足，衬垫上的压力增加，并且将头部朝向表面移动被切断[10]。

衬垫的轮廓与前缘和后缘总是松弛是重要的。

前缘正常180°帮助解除陷阱和作用在衬垫表面的流体力[5]。

4.抛光过程中尺寸的变化

Griffiths[7]抛光期已经表明切削表面因衬垫打磨的波峰和挤出材料进入凹处引起变形。

这种变形引起的尺寸变化，其大小取决于时所施加的力，材料的屈服应力和最初的表面轮廓[12]。

Kotiveerachari和Murty[13]仿照切割面作为一个抛物面研究了内径变化的程度。

为了在最佳的载荷下圆柱打磨使用滚压工具，主体发生变形之前，它已经表明最大变形是由凹凸的高度定ha觉定的。

然而，Sakumaet.al.[10]Griffiths[7]和GriffithsandGrieve[12]表明了在BTA加工中抛光机构是一个比这更复杂的过程。

CorneyandGriffiths[8]发现主要抛光压力发生在前衬垫。

从本研究结果显示钻削九种EN8的80毫米长的样品，在90度衬垫0.01毫米前缘深度延长超过0.85毫米的磨损。

在180度的衬垫上磨损是微不足道的。

沿着衬垫的剩余长度没有发生磨损。

有进一步的证据，这和最初由切削力大小的研究支持和比率来了解在BTA头磨损的机理。

5.稳态力模型

Griffiths[4]已经调查了在BTA加工中力系统。

他用测力计测得的平均转矩和推力的值，并且从切削刃和衬垫分离力。

从这个信息决定静态切削力系统。

图2阐明了Griffiths最初提出的力系统，并显示了在深孔钻削中力的作用是复杂的，可以分为四大类;切削力，油膜力，抛光力和摩擦力。

钻的材料是EN8用直径22毫米BTA深孔钻。

发现从测力计切径向和轴向力测量的在90衬垫由此产生的切削力下降及在前边缘后面约1.5毫米。

切削力比PT：

PF：

PR是4:

2:

1，所得切削力测量为2.9千牛。

比较为了新的钻削在衬垫磨损特性切削力结果，90衬垫比180衬垫磨损速度更快。

两个衬垫上的磨损也只限于在衬垫前缘区域高达2毫米。

图2.排屑钻削力系统[4]

图3.钻头的切削力矢量[7]

CorneyandGriffiths[8]扩展进一步分析并表明这种复杂力系给出了关系，期中k和m是力矢量。

进一步力的结果测量试验表明，k和m的最高值发生在最低的进料速率和在最高率中的最低值。

k和m的范围内的被显示在图3和4叠加的BTA钻头的比例图。

结果表明在90衬垫s上切削力合力下降，靠近其前边缘。

随着进给速率的增加，应急点向衬垫的后方和朝向后缘移动。

这是一个明显的迹象在每个垫的前面比在后方磨损会更高。

Griffiths[7]进一步提出显微的证据。

这表明，光洁表面的变形的深度上看起来是整个长度恒定的沿着。

结论是发生在衬垫上面的表面发生变形，因为没有进一步沿着其长度变形。

（2）

（3）

图4.转矩分量的作用

6.切削刃和导向块力的分离

Griffiths[7]生产的在扭矩，推力和切削力上的BTA力系统的进一步分析系被测量。

他能够表明，所得到的力系统，即切削，油，抛光和摩擦力的根据切削工具的主要轴可以分解为26个主要组成部分。

另一组力也被确定这是失去平衡的力由BTA的切削工具的非对称性旋转引起的。

Griffiths在预钻孔相测量这些力，结果发现只存的力是石推力OF。

油扭矩力OThO，并且超出的平衡力也被认为是可以忽略不计。

Wang等人[14]也证实在对难切削材料的研究中一个新的改进的直径16毫米的BTA钻头。

这头集成了位于从切削刃顺时针旋转270-275°的一个辅助试点硬质合金垫，设置在头的后部的一组软振动阻力垫。

Griffiths发现的合力系统，既作用在工件上又作用在刀具镗杆系统上，由下式给出

推力：

（4）

扭矩：

（5）

从加工试验中，Griffiths[7]和Chandrashekhar等人[15]已经测得在多种条件下的推力和扭矩，包括孔的直径的变化，进料和表面速度。

在调查范围内，推力和扭矩力大小遵循相同的模式

（6）

（7）

其中C1,C2,a,b,c和e实验确定由切削条件决定的参数。

在这些研究中表面速度未发现影响推力

和扭矩量值作为速度指数为0。

这些公式类似于由波士顿和牛津扭曲钻孔试验形成的经验公式[16,17]，BostonandGilbert[18]和由Kronenberg[19]andShawandOxfordJr.[20]所得的解析公式。

比较扭转钻孔与BTA钻孔，不仅自试点钻的衬垫提供更高的精度孔和优越的表面完整性，但扭矩和推力力较低。

在垫片的前面集中了一些相对高的力，并压抵在孔壁上由于目前任何干扰力允许更小的轴向偏差由。

因为衬垫力允许更少的径向偏差，所以径向精度和圆度都比较好。

因为衬垫力对孔的加工质量的平滑和平坦有影响，所以表面光洁度还是优的。

由[21]中描述的方法显示平均花费在深钻功率的63％是负责金属去除率，约13％是负责空穴质量，由于抛光24％负责独特的表面完整性。

最后，Griffiths和Grieve[22]进一步通过分解衬垫力，孤立的切线摩擦力和抛光两种衬垫力改进了排屑力模型。

在图3上总结了这些结果。

7.导向块的抛光作用

一个由Corney[23]的光弹性研究的结果引起Corney和Griffiths[8]表明主等值线形成在各向同性点在孔壁的前部配合衬垫。

这是在条纹传播的点上。

在同一研究中，清晰的有机玻璃工件的深孔钻被高速相机录制下来。

该膜的分析表明空气引入到切割油流动，充当示踪元素，因为它传递到切割区域。

空气越过衬垫，表明衬垫的后部已抬离孔面。

另外，在本研究中，垫孔接触的区域离90度衬垫的前面被限制到3毫米和离180度衬垫前面1毫米。

OsmanandLatinovic[24],Frazaoetal.[2]andChandrashekharetal.[25]假设一个连续的流体动力油膜存在于衬垫的整个长度之上。

然而，这已被证明是相互矛盾的经验。

由于衬垫起重能够支撑一个负载，所以Corney[23]andCorneyandGriffiths[8]的研究不能够显示是否是油膜。

然而，GriffithsandGrieve[22]的分析使用扭矩和推力测力计

表明，在这两个衬垫上的切向摩擦力分别只有121.3和150.5牛。

这表明在衬垫长度最少的部分可能存在油膜。

Sakuma等人研究了导向块在抛光上和加工孔精度上的影响提出了一种新颖的方法。

他们使用一个特别设计的工具，使他们能够分开切割和抛光部件。

这是通过按压碳化物衬垫，夹在短杆的端部，并且对抗预钻孔的孔表面来实现。

工件是由铝和应变计被粘结到条来录制的径向和切向力。

结果从BTA过程的模型获得显示了在衬垫倒角上法向力几乎完全被支撑。

由GriffithsandGrieve[22]快速停止调查使用新的直径为22毫米BTA钻加工EN8。

从这项研究的显微镜照片表明凹陷在抛光表面上的起始位置。

这延续了大约为0.25毫米。

作为一阶近似值它假定衬垫缩进和接触表面超过这个长度。

一种表面形式跟踪显示进程是环状的，在每个衬垫和脊截断上包含在切削刃上抛光和脊创建。

塑性流动发生在向前和向后方向上。

表面形成的痕迹表明，在向前方向上的区域上升到切割表面上创建一个脊及在向后方向上先前的压痕面积塑性流动趋于填补。

Griffiths之前用扫描电子显微镜（SEM）的研究也表明塑性流动发生在材料内。

这种塑料流导致在衬垫上的高压力。

Sakuma等人的实验结果和分析支持CorneyandGriffiths[8]的发现，也支持Griffiths[7]和GriffithsandGrieve[12]的后来的研究。

Griffiths总结Sakuma模型，同时一种创新的做法不是一个充分的模拟因为衬垫在短杆的末端不具备一个BTA工件系统的合规性。

Griffiths指出长径比仅为5，所以衬垫会受到抑制，并无法承担其自身的天然稳定位置。

即使Sakuma模型确实强调材料位移在抛光过程中复杂性。

8.转速和进给量对表面粗糙度的影响

由于钻和工件之间的相对转动，表面速度是切削刃上的切向速度。

在切削刃上旋转中心从零至最大外围，表面速度也呈线性变化。

虽然衬垫的抛光作用创建一个表面光洁度也就是通常优于常规钻孔的，必须有一个这将使得孔表面光滑的最佳的表面速度和进给量。

Griffiths观察到在表面完整性上变化的速度和进给量的影响。

九种速度和饲料进行了检查这是典型的工业实践。

在所有情况下，表面完整性的功能呈现了，即平稳时期和形成，凹面形成，变形及表面硬化层。

所有深钻孔的表面完整性保持基本相同不论速度和进给量。

随着进给量的增加表面光洁度趋于恶化而。

然而，速度没有明显的趋势。

范围为1120到1800转每分钟（77到124米每分钟）。

很差的表面光洁度是在以1400转每分钟/0.046毫米每转和1800转每分钟/0.132毫米每转速度进给组合实现。

Griffiths总结这可能是由于一些特有的速度进给量组合，导致不稳定的振动条件。

在较低的速度/进给量组合的进给速率实际上是在0.046毫米每转，这是非常温和的并由于摩擦将产生急剧的后刀面磨损。

由于在切削刃后刀面磨损发展，切削力并且产生的震动会增加。

由于耐磨程度高在切削区的温度也将上升；这将增加变形的风险由于加热和淬火因此产生质量较差的表面光洁度。

类似的情况也可能存在于1800转速分钟的情况下，也由于由于高的表面速度产生过高的温度。

一般来说，因为能量是由热来消散的，所以增加切割速度来提高材料的温度。

这反过来又降低了材料的屈服应力。

然而，高切割速度不总可以降低屈服应力，因为表面层暴露高温的时间较短。

这是由于立刻淬火表面层的冷却液供应充裕。

在0.009

作为近似值可以发现hG=0.011f。

可以看出，作为进给速率增加，谷深度的增加，可能是由于撕裂，所以表面光洁度会降低。

虽然Griffiths没有发现表面光洁度和表面速度的关系，一个通过提高表面速度来提高表面光洁度的趋势，同时El-Khabeery等人发现了孔的直径。

这是对的低中碳钢枪钻在一个范围内的表面速度，RamakrishnaRaoandShunmugam[3]还检查了速度和进给量在表面光洁度的影响。

RT，RZ和Ra的变化沿着整个长度的数值，在一个表面速度和进给组合为64米每分钟/0.1毫米每转进行了研究。

正如预期的那样，这表明穿其整个长度钻头磨损，因为沿着孔的长度方向上表面粗糙度的质量逐渐恶化。

这一定是由于刀具磨损。

它还发现，在大约360毫米的长度上表面光洁度从的Ra变差0.14毫米（5.6米英寸）至0.38毫米（15.2米英寸）。

虽然这显示了一个迅速恶化的表面粗糙度，最终孔的质量还是不错的。

然而，钻头的速度过慢;钻头仍还在磨损。

这是一个众所周知的事实，当韧性金属切割在低速时发生撕裂。

低的表面速度也可能会导致积屑瘤这将反过来又影响表面光洁度。

RamakrishnaRaoandShunmugam[3]和El-Khabeery等人[27]显示随着表面速度完成的质量明显提高。

虽然这些结果与Griffiths[7]的发现相矛盾，他们被记录使用的表面速度从15米每分钟的枪钻为例和由RamakrishnaRaoandShunmugam以45米每分钟的BTA钻为例。

在大约100米每分钟的BTA钻的工业实践下这很好。

Griffiths[7]事实上在77到124米每分钟之间钻。

这似乎是由RamakrishnaRaoandShunmugam[3]和El-Khabeery等人[27]表现出增长速度的表面光洁度迅速改善只可能是因为其出发点是远低于最佳的表面速度范围。

条件只可能提高。

RamakrishnaRaoandShunmugam[3]表明该光洁度的质量是通过增加进给速率为0.11毫米每转的最佳值与表面速度64米每分钟来提高。

除了这一点，表面光洁度迅速变差。

这证实了Sakuma等人[10]和Wang[14]发现一种趋势。

他们总结重载不总是在打磨时做出好的表面质量，并有与表面粗糙度有关的进给速度的最佳负荷。

RamakrishnaRaoandShunmugam[3]也发现Rt，Rz和Ra的表面速度和进给的变化可以通过二次方程式来表示。

事实上这些条款是由函数关系，它们不是线性关系表明，有切割和打磨的组合发生[15]。

10.导向块磨损

RamakrishnaRaoandShunmugam[30]的调查使用45，64，90米每分钟的速度。

Griffiths[7]使用100米每分钟的表面速度。

考虑到在表面速度通过的差异，这两个调查发现磨损只发生在每个衬垫的前部。

它有早前已表明，打磨过程中也发生在衬垫的前面，因此它似乎是打磨导致衬垫磨损。

也因为新钻垫力，因此已被证明90度衬垫上面的磨损最大。

Griffiths[7]注意到一个白色层，在揉面发现一个沉淀是存在的衬垫正面磨损是最高的地方[31]。

他的结论是，它很可能是由于其高硬度的白层导致衬垫磨损。

Griffiths[7]和GriffithsandGrieve[12]发现在一个磨损钻的180度衬垫上的磨损更大。

他们发现，切削力比因磨损钻头而不同以至于180度衬垫力比比90度衬垫力变的更大。

力的测量使用一个磨损的钻与与切削力测力计一起使用表明这是如此的。

沿着任一衬垫的剩余长度观察到没有磨损。

GriffithsandGrieve[22]后来也调查到衬垫力分解显示在此摩擦区域'的力是非常小的。

由于比较早的提出，这一观察表明液力油膜可能存在。

当两个表面接触是粗糙的平均斜率，主要的形状特征，决定了变形模式。

这是由一个表面形状参数等于所述比率的平方根（

m/b）；比值越小，光滑表面的斜率越小[32]。

重要的材料参数是弹性模量E和硬度H的比值；H是在局部塑性变形发生时的压力。

好的弹性变形的性质是光滑的表面，即低（

m/b）值，高硬度H与弹性模量E的比，即低（E/H）的值。

在实践中，当在粗糙状态下第一次放入接触大多数工程表面经受塑性变形。

Sarkar[32]建议如果塑性指数的临界值超标，这凹凸将塑性变形。

此塑性指数E是表面的适当材料的弹性模量和压痕硬度H，即正常在发生塑性变形的地方的应力。

它已经估计，如果Φ<6，变形

（8）

形将是弹性的。

如果Φ>1时的变形将是塑料和在每个粗糙顶端真实接触压力将等于H。

高摩擦力的发展在加工的孔和衬垫之间如果没有冷却介质被引入可以导致工具在几秒钟内磨损。

在衬垫和切断面之间具有良好的润滑性，表面之间很少或没有粘结，滑动和评级过程将通过粗糙表面之间变得平滑。

这将逐步减少（

m/b）1/2的值到随之而来的粗糙的变形地步仅仅是弹性的，并且将会有一点磨损。

由于没有润滑，粘接在衬垫的接触点和抛光表面（塑性变形粗糙）之间将会发生。

滑动和转动的表面会引起这些加工硬化的部分，从两个表面撕出硬块，从而导致粘合剂磨损。

如果假定接触只发生在塑性变形凹凸处，平均应力通过这些区域是大致等于的材料的硬度进行。

载荷F，通过这些凹凸等于平均应力s乘以'实际的接触面积a进行。

假设在衬垫上的合力是3千牛和切割面的硬度为450HV[7]，然后应力

接触的实际面积是，因此，由下式给出

把衬垫的尺寸作为5mmx17mm[17]，假设（保守），该衬垫的1/3接触，然后在支承表面区域A的两个衬垫是

这个区域中的接触的小部分和塑性变形是

只是1.2%

可以得出结论，如果流体动力润滑油膜粘度太小或负载过大时，油膜厚度可以比在表面粗糙度小。

在这种情况下，薄膜将渗透及本地的附着力和磨损会发生。

OsmanandLatinovic[24]引用OsmanandMansour[33]并提议为了保持流体动力油膜，适用下列条件：

考虑以下条件：

22毫米直径的BTA钻头；γ=6.89x10-2Pa，粘度T；b=5mm，导向块的宽度，L=17mm，导向块的长度，N=24rps，每秒钟转速（100米每分钟）；Rs=3000N，导向块上的正常的力（6.89x10-2x5x17x24/3000=47x10-3）显然磨损情况。

OsmanandLatinovic[24]得出这样的结论在导向块寿命的提高只能使用为在流体动力润滑方式上特殊应用的而设计的特制的衬垫来获得总是有保证的。

11.总结

BTAH深孔加工过程已被证明是一个粗加工和精加工操作。

由此产生切割和抛光力，因此，磨损主要集中在导向垫前的一个很小的区域。

由于向切削力是不同的，90度衬垫为一新BTA刀具磨损比180度衬垫的速度更快。

在第10部分的分析还表明，在衬垫的前面没有润滑膜排出和进一步显示出抛光是一个极其滥用的精加工。

由于咬边和折叠，表面光洁度值被认为是错误的，因为轮廓仪手写笔不能录制这些。

这强调了对评价技术的需要这能够评估完整的表面形貌。

进一步的工作也是需要理解切割表面上的导向块和在抛光操作中工件材料的方式是如何移位的。

这反过来又可能与加工表面的机械价值有关。

BTAH深孔加工的这项调查已经局限于稳态模型。

动态切削力模型和圆型材将成为未来工作的主题。

参考文献

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