1. 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
随着机械工业的发展和市场对机械零件的多样性需求，作为装备制造技术中的一个重要分支，深孔加工技术面向着多品种、小批量、新型材料及愈来愈高的精度要求的挑战[1.2]。同时，深孔加工的特殊性也形成了其加工过程中的经典难题：排屑难、冷却以及润滑难、工具系统刚度低、刀具的自导向差等。这些问题长期困扰着深孔加工行业，极大地限制了深孔加工的工艺范围、加工效率以及加工质量，也限制了深孔加工技术向其他领域拓展的能力。特别是现有的深孔加工质量已难以满足新产品的要求，成为制约整个机械加工技术发展的重大障碍。所以开展寻求提高深孔加工质量有效措施的研究己成为当务之急[3,4]。据有关资料统计，在29个制造行业中，至少有50％对深孔加工及其装备有直接需求，1/3 以上有迫切需求，所以深孔加工质量的好坏，将会直接影响机械产品的生产效率及加工质量[5]。因此，深入开展高精度深孔加工技术的研究，对我国的制造业的发展具有重要意义[6]。
目前，在深孔加工方式中，BTA（钻镗孔与套料加工协会，Boring and TrepanningAssociation，缩写为 BTA)深孔加工因其加工范围广，同时具有良好的加工质量和稳定的加工性能，己成为一种普遍采用的深孔加工技术。但是，BTA 深孔加工由于其特殊的加工环境，钻削过程中如何获得在尺寸大小、平行度、直线度和表面粗糙度方面都具有很高精度的孔，一直是各国研究人员最为关注的问题[7,8]。
事实上，在实际加工过程中，BTA 钻头产生的变形及钻杆的振动是影响深孔加工质量的重要因素[9]。而这些因素取决于深孔刀具（即 BTA 钻头和钻杆）固有的力学特性，本课题正是针对 BTA 钻头和钻杆的力学特性展开研究。以 BTA 刀具为模型基础，建立数学模型，对BTA 加工过程中的力学特性进行理论分析、仿真和实验研究。通过对BTA钻的静力学分析与仿真，研究其受力情况，并结合实验研究 BTA 钻中心齿、中间齿和边齿的磨损状况，为进一步优化 BTA 钻结构提供依据；通过对 BTA 钻及其钻杆的动力学仿真研究，讨论其振动频率及其振型，探索减少振动幅度的有效办法，以提高深孔加工质量，推动深孔加工技术的发展。
1.2 深孔加工的特点
与普通钻孔方式不同，深孔加工具有自身的特点，从运动方式上可分为三种[10]：
①工件固定，刀具做转动和进给运动。
②工件转动，刀具仅做进给运动。
③工件转动，刀具做反向转动和进给运动。
图 1.1 是工件转动、刀具进给式机床简易图，这种机床在生产中应用最多。机床的工作原理：工件的左端安装在机床的三爪卡盘中，右端安装在排屑器前端的导向套上。导向套不仅可以起到导向作用、保证钻头在钻入工件时的正确位置而且在钻头钻入工件时保持工件稳定。钻柄夹持在机床的进给座上，切削液由授油器送出经过钻杆、钻头最后进入切削区。切削液将铁屑通过排屑器排出[11]。
2 BTA 钻的力学模型分析
2.1 BTA 钻削原理
2.1.1 BTA 钻简介
BTA钻是由欧洲的一个名叫“钻镗孔与套料加工协会”的研究机构，在内排屑钻头的基础上，研制的深孔刀具系列。BTA钻主要包括实体钻、扩孔钻和套料钻三种类型。BTA实体钻按其刀片与刀体的连接方式可分为焊接刀片机构和机夹可转位刀片的组装结构两种结构，如图2.1。
早期的焊接刀片型BTA钻，在设计中充分了考虑到延长刀具的使用寿命，要求刀片和导向条的足够长，以满足重磨后可继续使用。但是，由于刀具为错齿结构，重磨极为复杂。目前，焊片式BTA钻头多为短刀齿刀具，只能一次使用。另外，还有一种刀片为对称结构，即刀片两个切削刃可轮流使用，本课题实验中所用的就是这类实体钻。
2.1.2 BTA 刀具的工作原理
BTA 深孔钻用机床的基本配置见图 2.4。BTA 钻头的尾部通过双头方牙螺纹与钻杆相连。工件的左端安装在机床的三爪卡盘中，右端安装在排屑器前端的导向套上。导向套不仅可以起到导向作用、保证钻头钻尖在钻入工件时的正确位置而且在钻头钻入工件时保持工件刀尖稳定。钻柄夹持在机床的进给座上，切削液由授油器送出经过钻杆、钻头最后进入切削区。切削液将铁屑通过排屑器排出。
3 BTA 钻的力学特性分析................27
3.1 BTA 钻静力学特性分析 .............27
3.1.1 静力学分析理论基础 .............27
3.1.2 三维建模 .......................28
3.2 静力学特性分析实验验证............32
3.3 BTA 钻模态分析 ...................36
3.4 总结..............................42
4 钻杆动力学特性分析 .................43
4.1 钻杆的动力学模型..................43
4.2 钻杆的动力学特性..................44
4.3 基于 Ansys 钻杆系统动力学特性分析................48
4.3.1 BTA 钻杆的模态分析...........48
4.3.2 钻杆的谐响应分析 ............53
4.4 本章小结.......................59
5 总结与展望 ......................60
5.1 总结...........................60
5.2 展望...........................61
总结
深孔加工处于封闭或半封闭的复杂加工状态下，因此加工难度较大。随着科学技术的进步，机械产品的更新十分频繁，加上新型的高强度、高硬度和高价值的难加工材料的不断出现，对深孔加工的质量提出了更高的要求。为了探索提高深孔加工质量的有效途径，本文以 BTA 深孔钻削系统为例，针对深孔加工的加工特性展开研究，主要作了如下工作并得出了相应的结果：
（1）从理论上分析了 BTA 钻受力及钻削系统的振动。通过研究 BTA 钻的钻削原理及特点，分析了 BTA 钻受力情况并建立了力学模型，讨论了导向块合适的安装角度及原则。建立了 BTA 钻削两自由度的振动模型，对钻削加工过程的颤振现象进行了分析，得出丁 x 方向、y 方向振动的临界条件。为实际生产中优化切削参数和提高加工效率提供了有益的帮助。
（2）利用ANSYS软件对BTA钻进行了有限元分析并进行了实验验证。通过对BTA钻的静力学分析，得出BTA钻在钻削过程中最大变形量发生位置，为进一步BTA钻的优化设计指明方向；通过实验验证了ANSYS分析的正确性，并指出了分析的不足之处，为今后BTA钻的静力学分析提出了改善方向。通过对BTA钻的模态分析，得出模型的前十阶振型，BTA钻头的主要模态是弯曲和旋转。
（3）利用 ANSYS 软件对 BTA 钻杆进行模态分析及谐响应分析。建立了钻杆的力学模型，通过对其动力学特性的分析，得出钻杆的横向固有频率的计算公式，分析了液体对钻杆的固有频率的重要影响。应用 ANSYS 软件对 BTA 钻杆进行了模态分析，通过对其前十阶模态振型结果的分析研究，得出了钻杆的主要振动形式是扭转和弯曲。在此基础上，对钻杆进行了谐响应分析，得出了钻杆在不同时间下 X、Y、Z 方向的振幅响应，以及引起共振的频率分别在第七阶和第十阶频率。提出在钻削过程中，应调整激励频率，使之减少振动幅度。
参考文献：
[1]王峻.深孔加工技术平.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社.2004.
[2]樊铁镇.DF 系统振动深孔钻的设计与应用,工具技术，2008，32（3）：19-25.
[3]张斌.深孔加工的几种工艺方法.机械工人,2004(3):22-24.
[4]薛万夫,孙苗琴.振动深孔加工技术,现代制造工程，2009，（12）：39-40.
[5]沈兴全，庞俊忠.深孔加工关键技术研究,中北大学学报（自然版），2010，52（6）：43-46.
[6]E.MaruiS.Kato, M.Hashimoto and T.Yamado. The Mechanism of Chatter Vibration in aSpindle Workpiece System:Part 3:Analytical Consideration,Transactions of the ASME,Journal of Engineering for Industry,2008,110(4):248-253.
[7]P.Rau,M.S.Shmugam Studies in Boring Trepanning Association Drilling.Wear,1988,124(1):33-43
[8]Pang jun-zhong,Zhao rui. A review of research into the role of pads in BTA deep-holemachining. Journal of Materials Processing Technology.2007,103(15-16):61-69.
[9](日)隈部淳一郎．精密加工振动切削(基础与应用)．北京：机械工业出版社，1985.
[10]樊铁宾.深孔加工技术综述.工具技术,1994.28(5):2-5