为机床工具企业提供深度市场分析                     

用户名:   密码:         免费注册  |   点击 进入企业管理  |   申请VIP  |   退出登录  |  

English  |   German  |   Japanese  |   添加收藏  |  

车床 铣床 钻床 数控系统 加工中心 锻压机床 刨插拉床 螺纹加工机床 齿轮加工
磨床 镗床 刀具 功能部件 配件附件 检验测量 机床电器 特种加工 机器人

捷太格特
搜索
热门关键字:

华宇娱乐

 | 数控车床 | 数控系统 | 滚齿机 | 数控铣床 | 铣刀 | 主轴 | 立式加工中心 | 机器人
      用户频道:    应用案例 |  汽车 |  模具 |  船舶 |  电工电力 |  工程机械 |  航空航天 |  仪器仪表 |  通用机械 |  轨道交通 |  发动机加工 |  齿轮加工 |  汽轮机加工
您现在的位置:华宇娱乐市场网> 技术讲座>航空复杂壳体零件深孔加工技术研究
航空复杂壳体零件深孔加工技术研究
2019-1-24  来源:-  作者:张晓东 韩策

 

 
  
       摘要:深孔加工在航空制造业中具有广泛需求,是加工难度最大的工序之一。复杂壳体零件是航空发动机的关键部件,其深孔加工质量直接影响航空发动机的服役性能和使用寿命。以航空复杂壳体零件为对象,针对航空复杂壳体零件深孔加工的工艺特点及难点,就目前现有深孔加工方法、深孔钻削力学、深孔钻削切屑形态与排屑方法、深孔加工在线监控及深孔加工设备等方面关键技术进行综述,并探讨了深孔加工未来的发展趋势。

     关键词:深孔加工;钻削;加工系统;复杂壳体
 

  
 
  
张晓东  博士研究生、高级工程师,主要从事数字化制造、数控加工技术以及智能加工技术研究
  

     复杂壳体类零件是航空发动机系统中典型的结构件和关键件,是实现航空发动机燃油系统高、中、低压油路导引的核心部件。航空复杂壳体零件的显著特点是结构复杂、孔系众多,其内部有多达几百个纵横交错的各种深孔,孔径小、深径比大、直径从 1mm 到几十毫米不等、孔深与直径之比高达 50 以上,而且带有各种台阶孔、环形槽等结构。这些孔结构复杂、精度要求高、孔的圆度和直线度要求高、加工难度大,使深孔加工成为复杂壳体零件加工中难度最大的加工过程之一。复杂壳体零件的深孔孔系是燃油系统油路导引的通道,其加工尺寸误差直接影响发动机燃油系统工作性能,其表面质量直接决定发动机燃油系统的服役寿命,对航空发动机的质量和服役性能有着举足轻重的作用。随着新一代飞机和航空发动机的发展,复杂壳体类零件孔系结构的设计更趋复杂、精度要求越来越高,对深孔加工技术提出了更高的要求。
  
     然而,我国深孔加工领域的基础较薄弱,目前航空企业中尚缺乏高性价比的深孔加工专用装备,加之深孔加工技术的研究尚不成熟,导致目前我国航空企业中复杂壳体深孔加工普遍存在合格率低、生产效率低以及加工质量不稳定等问题。深孔加工技术成为航空发动机燃油控制系统研制生产的技术瓶颈,严重制约着我国航空制造业的发展,因此迫切需要对深孔加工技术展开深入研究。本文以航空复杂壳体零件为象,对深孔加工技术的工艺特点及难点、发展现状、关键技术等进行阐述,并展望了未来深孔加工的发展趋势。深孔加工工艺特点及难点在航空复杂壳体零件的深孔加工过程中,孔的超大深径比带来的钻杆低刚度问题、排屑和散热困难问题以及加工时的封闭或半封闭状态等都使得深孔加工非常困难。航空复杂壳体零件深孔加工的难点主要体现在:
  
    (1)工艺系统刚性差。壳体零件中孔的小直径和超大深径比直接决定了钻削所用钻杆细且长,使得钻杆刚度不足,从而造成钻削过程中钻杆易产生偏斜、振动、扭曲,甚至折断。为避免这一问题,生产中往往采用小进给量钻削以避免大切削力带来的钻杆刚度问题,这严重制约了深孔的加工效率。然而即便如此,孔的加工质量仍很难保证。

    (2)排屑困难。孔的小直径和大深度决定了钻削过程中切屑在孔内的排屑空间小且排屑路径长,极易发生切屑堵塞,从而产生过大的扭矩,钻头随之发生崩刃、折断,造成
零件报废。航空壳体零件多采用铝合金材料,加工过程中易发生粘刀现象,使排屑问题更为严峻。此外,采用外排屑方式时切屑会刮伤孔的已加工表面,造成孔壁出现螺旋沟,严重影响孔表面质量。

    (3)切削散热困难。一般孔的钻削过程中,80%的切削热被切屑带走。而在深孔加工中钻头在相对封闭的状态下工作,切削热很难扩散,由于壳体零件中很多孔直径很小,因此加工过程中的冷却、润滑也都很困难,这使得钻头和工件成为主要散热体,热量积聚效应非常明显,使钻头温度升高、磨损加剧,极大影响了钻头使用寿命。同时,当温度过高时,加工孔也会受到热效应影响而发生变形,影响孔的尺寸精度。

   (4)难以观察加工过程。由于壳体零件的孔隙结构复杂、深孔空间狭小,加工过程处于封闭或半封闭的状态,无法直接观察钻头的状态和孔的加工情况。以上工艺特点及难点决定了深孔加工过程中的随机故障很多。大量的试验和研究表明,刀具磨损、破损和切屑堵塞是导致在深孔加工过程中较频繁出现故障的主要原因。

 
    在航空复杂壳体零件的加工中,孔加工通常是中间工序或最后工序,一旦在孔加工过程中发生钻杆折断或孔道刮伤、偏斜等故障,将直接导致零件报废,造成巨大经济损失。
 

     深孔加工技术发展现状
   
  
    1 、深孔加工发展历程
  
    孔加工起源于美国人发明的扁钻,以及后来改进形成的麻花钻。这两种钻头的结构相对简单,切削液导入方便,便于制造出不同直径和长度的钻头以适用于加工不同尺寸的孔。然而,当加工深孔时,扁钻和麻花钻的排屑和冷却十分困难,同时由于钻杆刚度随之降低,也限制了加工效率。20 世纪初,为解决枪管加工问题,美、英等国军事工业部门发明了枪钻。枪钻系统将高压切削液通过钻杆内部通道送到切削部分,进行冷却和排屑,属于外排屑的钻削方式。此外,枪钻钻头上安装有导向块,具有自导向功能。但由于采用外排屑方式,切屑与加工表面会发生刮擦,影响孔表面质量。同时,由于自身结构缺陷,导致枪钻的成本较高而加工效率和精度较低。第二次世界大战期间,为满足枪炮高效生产的需求,德国的 Beisner 于 1942 年发明了一种内排屑深孔钻,后经国际孔加工协会(Boring and Trepanning Association, BTA)的改进,形成了 BTA 钻削方法。BTA 系统采用的钻杆结构刚度较高,采用内排屑方式,孔表面质量较好。但是 BTA 系统具有切削液压力高、密封困难的缺点。1963 年,瑞典Sandvik 公司利用液体的喷吸效应原理,发明了喷吸钻法,利用切削液的喷、吸联合作用,改善了排屑方法,降低了系统的压力。20 世纪 70 年代,日本冶金股份公司发明了双进油单管喷吸钻系统(Double Feeder,DF),它将双管系统改为单管,增加了一 个专门起吸效应的油压头,增大了钻 杆 的 刚 度。20 世 纪 80 年 代,国内中北大学的王峻等发明了单管内排屑喷吸钻(Single-Tube Inner Chip Removal Ejector Drill, SIED),SIED 技术完善了 DF 钻的抽屑容器设计,使抽屑能力大大增强,同时对钻头结构进行了优化设计,构成了以单边刃、单管内排屑喷吸钻、自导向为特征的钻削系统,这项技术成为当前先进的深孔加工技术。
 
 
    2 、现有深孔加工系统及方法

    除传统钻削外,目前常用的深孔加工系统有枪钻系统、BTA 系统、喷吸钻系统、DF 系统和 SIED 系统。现有深孔加工方法按排屑方式可分为外排屑和内排屑两种,外排屑是指切削液由钻杆内部进入,经钻头小孔喷射到切削区域,然后携带切屑从钻杆外部与孔壁的间隙排出的方法,主要包括扁钻、麻花钻和枪钻等;内排屑是指切削液从钻杆与孔壁的间隙进入,靠切削液的压力将切屑推入钻头小孔,经钻杆的内部通道排出的方法,主要包括 BTA 钻、喷吸钻、DF 钻和 SIED 钻等。外排屑的缺点是切屑会与孔壁接触产生划痕而破坏孔表面质量,此外钻杆刚度不足导致加工效率较低,加工精度难以保证;内排屑克服了这些缺点,但由于需要足够的容屑空间,导致钻杆的最小直径受到限制。生产实践中需要根据加工孔的尺寸和质量要求等实际情况合理选择加工方法。

    2.1   传统钻削
  
    传统深孔加工一般以使用麻花钻为代表。在航空复杂壳体零件深孔加工中典型的工艺方法是采用长、短麻花钻配合使用、钻削过程多次退刀排屑、逐级延伸钻孔的方法。传统钻削方法材料去除率大,便于在数控加工中心上与其他加工方法集成,加工效率高,而且具有加工操作简单、不需要专用设备、成本低等优势。因其钻头结构相对简单,钻杆可以制造得很细,目前对于直径小于 6mm 的深孔,传统钻削仍是主要的加工方法。基于上述原因,传统钻削方法目前仍是我国航空企业复杂壳体零件深孔加工的最常用方法。但是,传统深孔加工的主要问题在于钻头易折断、排屑和冷却问题难以解决,因此将造成返工返修,甚至整套壳体零件的报废,导致生产周期延长、质量稳定性差等问题。目前,随着航空复杂壳体批量生产质量和加工效率要求的逐步提高,传统钻削方法面临越来越多的问题和挑战。

    2.2   枪钻
  
   枪钻因最早用于枪管制造而得名。它采用单切削刃并具有自导向功能的 V 型中空钻杆,属于外排屑方式。其工作原理如图 1 所示,切削液从入口经加压泵进入钻杆内部通道,流向钻头的切削部分进行冷却润滑,并将携带切屑通过钻杆和孔壁间的 V 型槽,最后从出口排出。枪钻相比于采用麻花钻的传统钻削方式,改善了排屑和冷却的方法,钻头具有自导向功能,能够加工更深、更小的孔。但由于它仍属于外排屑方式,切屑容易擦伤已加工孔壁,而且孔较深时切屑必须保持小而薄的形状,才能保证被冷却液冲出,加之枪钻系统的排屑方法对油压要求很高,要求使用专用机床,导致费用昂贵。此外,枪钻具有难以弥补的结构性缺陷:一是其钻杆是 V 形非对称空心轴,刚性差,钻孔过程中容易发生质心偏移,因此只能传递有限的扭矩,进给量受到限制,只适用于加工小直径孔,加工效率低;二是其钻头与钻杆不可分离,通用性差。目前,枪钻系统主要用于加工直径 φ<20mm 的深孔。
  

    2.3   BTA系统
  
    针对枪钻系统存在的缺点,国际孔加工协会发明了一种内排屑深孔钻,BTA 系统中钻头与钻杆为中空圆柱体,提高了刀具刚性和快速拆装问题。其工作原理如图 2 所示,切削液经加压从入口进入授油器后通过钻杆与孔壁形成的密封环状空间,流向切削部分进行冷却润滑,并将切屑压入钻头上的出屑口,经钻杆内腔从出口排出。相比于枪钻,BTA 系统采用内排屑方式,切屑不与工件孔壁摩擦,加工质量较好,而且其钻杆为圆管状,刚性较好,加工效率较高。但 BTA 系统对切削液压力要求高、密封困难,受钻杆内排屑限制,排屑空间小,经常发生堵屑。为解决这一问题,通常需要在钻头上加工断屑台或采用错齿结构,而结构的复杂化造成钻头制造难度大且价格高,使 BTA刀具实际上成为价格昂贵而并不耐用的垄断性工具产品,这是 BTA 钻在我国航空企业难以普及推广的重要原因。目前,BTA 系统主要适用于直径 φ>12mm 的深孔加工。
  

    2.4   喷吸钻系统
  
  
    喷 吸 钻 系 统(见 图 3)是 瑞 典Sandvik 公司利用流体力学的喷吸效应原理发明的双管内排屑深孔钻削方法。进一步改善了排屑过程,降低了冷却系统的压力。其喷吸钻系统采用双层管刀杆,切削液经加压后从入口进入,其中 2/3 的切削液进入内、外钻杆间的环形空间,流向切削部分进行冷却和润滑,并将切屑推入钻杆内腔;其余 1/3 的切削液,从内钻杆上月牙状喷嘴高速喷入内钻杆,在内钻杆内腔形成一个低压区,对携带切屑的切削液产生抽吸作用,在喷、吸双重作用下,促使切屑快速从出口排出。喷吸钻系统的切削液压力低且稳定,排屑顺畅,降低了密封性要求。此外由于其采用双层管刀杆,刚度较高,可以采用大进给量加工。然而喷吸钻系统的钻具结构复杂,制造难度大,成本高。对于孔深较大的孔负压抽屑效果受限,加之其采用双层管刀杆结构,容屑空间小,限制了排屑能力。目前,喷吸钻系统主要适用于直径 φ>18mm 的深孔加工。
  
  
     2.5   DF系统
  
    DF 系统(见图 4)是日本冶金股份有限公司研制出的双进油单管内排屑系统,其切削液分为前后两支,分别从两个入口进入。前一支 2/3的切削液经过钻杆与己加工孔壁形成的环状区域流向切削部分,并将切屑推入钻头上的出屑口进入钻杆,流向抽屑器;后一支 1/3 的切削液直接进入抽屑器,经前、后喷嘴之间喇叭口状的窄狭锥形间隙后获得加速,产生负压抽吸作用,达到加速排屑的目的。DF 系统前半部分起“推”作用的结构类似于 BTA 系统,后半部分起“吸”作用的结构类似于喷吸钻系统,而由于 DF 系统采用了双进油装置,仅用一根钻杆即完成推压和抽吸的切屑方法,钻杆直径可以做得更小,相比于喷吸钻能够加工更小的孔,抽屑效果也优于喷吸钻。但其抽屑器设计仍不够完善,生产实践中DF 系统仅可在有限范围内能替代BTA 和双管喷吸钻。目前,DF 系统的最小加工直径 φ 可达 6mm。
  

     2.6   SIED系统
  
  
     SIED 系统是一种由中北大学王峻 发明的单管内排屑喷吸钻系统。该技术以 BTA、喷吸钻、DF 系统 3 种内排屑钻削技术为基础,增加了分调式功率增补型抽屑装置,可实现冷却和排屑液流的独立控制。其基本原理如图 5 所示,切削液由液压泵输出后,分为两个分支:前一支切削液流入输油器,经钻杆与孔壁之间的环状空间流向切削部分,将切屑推入钻头上的出屑口;后一支切削液流入抽屑器,经锥形喷嘴副之间的间隙进入后喷嘴内腔,产生高速射流和负压。SIED 系统对两支液流各设独立的调压阀,可以分别调整至最佳冷却、抽屑状态。当钻孔长径比过大时,可适当加大后油路的压力,以保证不因油压降过大而降低抽屑功效。SIED 系统的分调式功率增补型喷吸钻抽屑装置提高了系统对于不同尺寸深孔排屑的适用性。Sl ED 机床具有全面的兼容性,适用于包括内排屑深孔钻、深孔扩钻、套料钻、深孔铰刀、深孔镗头、电镀金刚石深孔刀具在内的各种内排屑深孔刀具。Sl ED 系统是一种正在逐渐推广的系统,也是目前较先进的系统。目前,Sl ED 系统可将最小钻孔直径缩小 φ5mm 以下。深孔加工关键技术近年,针对深孔加工中存在的问题,国内外专家学者进行了大量的研究,主要涉及深孔加工的钻削力学、切屑形态及排屑方法、在线监控、加工系统及设备等方面。

    1 、 钻削力学研究
  
    钻削静力学是研究钻削过程力学特性的基础,过去几十年间得到了专家学者的广泛关注。Altintas以标准麻花钻为研究对象,推导了钻头切削刃微元的几何角度关系并利用直角切削到斜角切削的变换建立了麻花钻的钻削力和扭矩模型。白万民等以钻枪为研究对象,对深孔钻削过程进行了受力分析,建立了枪钻的钻削力模型,并提出了试验和模型相结合的求解方法。李琦等以内排屑深孔钻为研究对象,通过试验方法建立了钻削力的经验公式,试验表明各段切削刃对切屑变形的影响趋势基本相同。除钻削静力学的
研究外,钻削动力学也是近年来深孔加工领域的研究热点之一。朱林等通过钻削试验,根据钻削过程模型和试验数据分析了影响钻削稳定性的因素,在此基础上改进了深孔钻的结构设计,提高了钻削的稳定性。常豆豆以 BTA 系统为研究对象,分析了钻削过程中由于速度和位移反馈引起的切削颤振现象,建立了 BTA 钻横向、轴向、扭转方向的动力学模型及动态钻削力模型。Perng等根据 Hamilton 原理,考虑切削液和轴向压力的影响,分别推导了基于 Timoshenko 和 Eule-Bemoulli 梁模型的深孔钻杆运动方程,用旋转钻杆和非旋转钻杆两种不同方式添加随机激励,研究了钻杆的动态特性。
  
    Ahmadi 等研究了钻杆不同方向的稳定性,建立了通用的钻削过程稳定性模型,并采用磨损刀具的钻削试验验证了模型的准确性。许多研究表明,深孔钻削过程中,钻杆系统存在明显的非线性特征,针对这一问题,Kovacic建立了深孔钻削钻杆系统的非线性动力学模型,并采用不同的刀具前角、剪切角以及进给量对钻削颤振机理进行了较全面的理论分析。因钻头的几何特点、钻削加工的封闭性以及钻削过程切屑和热效应影响,钻削相对于铣削、车削等切削过程更为复杂。目前针对钻削力学的研究中,大多以试验和数值模拟作为研究手段,得到的模型和结论主要依靠经验,缺乏对钻削机理的透彻理解,相关理论尚不完善。但这些研究对于了解钻削过程,改进钻削系统、钻削刀具、钻削工艺,以及优化钻削参数具有指导意义。
  
     2 、切屑形态及排屑方法研究
  
    排屑过程是深孔加工与一般孔加工相比最显著的不同之处。在深孔加工中,由于排屑空间狭小,排屑过程变得困难且重要,直接影响加工的顺利进行,决定了孔加工的质量。因此,切屑形态以及排屑方法一直是深孔加工领域的难点与研究热点。赵如意等通过试验研究了 3 种不同刀片在 BTA 钻过程中,在不同切削参数下的切屑形态和切屑容屑系数对排屑的影响。试验表明,切屑容屑系数越小排屑越好,而且 C 形切屑的切屑容屑系数最小,对排屑最有利。汪志明对负压抽屑装置进行了研究,改善了深孔加工系统的排屑条件。马龙等通过 SIED 深孔钻削试验研究了不同主轴转速和进给下切屑的形态和容屑系数对排屑效果的影响。针对深孔加工中断屑和排屑的问题,隈部淳一郎在 20 世纪50 年代提出了振动钻削理论,即在钻削过程中在某一个或几个特定方向对钻杆或工件施加某种有规律的振动激励,钻头在振动中切削,使切削用量按某种规律变化,以控制切屑的大小和形状,达到避免发生切屑堵塞的目标。在国内,薛万夫等在1982 年开发出振动钻削设备,并对深孔振动钻削中切削刃的相邻运动轨迹进行了理论分析,得出了保证断屑的加工条件。西安石油大学朱林,西安交通大学高本河等以及成都工具所的樊铁镔也在深孔加工的低频振动钻削开展了大量研究。目前,振动钻削已成为深孔加工的一个重要分支。排屑问题是深孔加工中最关键的问题之一,针对这一问题,近年来专家学者们从钻削刀具结构、抽屑装置、钻削参数以及钻削方法等方面进行了研究,发明了大量的新刀具、新装置和新工艺,排屑问题得到一定改善。未来,切屑形态和排屑过程的定量化以及各种排屑结构、装置和方法的融合有待进一步研究。
  
     3 、在线监控研究
  
    
    由于大深径比以及加工时的封闭或半封闭状态,无法直接观察到深孔加工过程中刀具的状态变化。因此,通过各种手段对深孔加工过程进行在线监测与控制成为深孔加工的另一个重要研究方向。在线监控的研究主要以切削力、机床功率、声发射、振动加速度等信号作为测量参量,在线监控钻头磨损及失效、振动、切屑堵塞、轴线偏移等现象,研究问题包括深孔加工在线监测的信号处理、信号特征提取和加工状态识别与反馈控制。常见的深孔加工在线监测方案如图 6 所示。Kavaratzis 等将深孔钻削过程分为 4 个阶段,以钻削力和扭矩为监测信号,采用多层级的控制方法,针对钻削过程的不同阶段采用不同的控制策略。在国内,哈尔滨工业大学、北京理工大学、西安理工大学、上海交通大学等院校和一些科研机构都对此进行了深入研究。其中,哈尔滨工业大学的王清明等提出利用多个特征参数综合监测钻削过程,通过大量试验,观察刀具在破损、折断等异常情况下,各个特征参数的变化规律,并设定阈值,对钻削加工过程进行监测。北京理工大学的王忠民等利用模糊模式识别技术处理经过离散二阶小波变换分解的切削过程声发射信号样本,实现对刀具磨损状态的在线识别。西安理工大学的李鹏阳等以钻削轴向力和扭矩为监测信号,通过对信号进行幅域和频域分析,提取了特征信号随钻头磨损量的变化规律。上海交通大学的孙程成等分析了枪钻扩散磨损和粘结磨损的形成机理,并以钻削力、扭矩和声发射为监测信号对钻头状态进行监测,采用声发射信号对刀具磨损状态进行了表征。现有文献及相关报道中,在在线监测方面针对信号处理、特征提取和状态识别3 个领域均有大量研究,以上研究为在线监控系统及设备的研发提供了理论依据,但多数为针对各领域相关算法及策略的独立研究,缺乏对完整在线监控闭环系统的整体研究。此外,针对深孔加工中易出现的故障,文献中对刀具状态的研究较多,而针对钻削过程的其他现象诸如切屑堵塞、钻杆振动以及孔扩大、偏斜等与孔加工质量相关的问题仍需要进一步研究。

    4 、深孔钻削设备的研发
  
    在深孔加工中,由切屑堵塞和钻头磨损失效造成的钻杆折断是最常见的故障。近年来随着传感技术的发展,越来越多的在线监测设备已经应用于深孔加工领域。目前,在深孔钻削力测量技术方面处于国际领先地位的德国 Dortmund 大学的科研工作者 Raabe 等发明了带有测力元件的测量钻头,可以直接测量切削分量。日本町田铁工生产的全自动钻床 Micro-hole 配备了扭矩传感器和钻头磨损监控系统,钻削过程中当钻头所受扭矩超过预设值时,系统控制钻头退刀并重新开始钻削,实现了钻削过程多次退刀排屑方法的自动化。近几年国内越来越多的专家学者已开始投入研发深孔加工的新设备、新装置。中北大学的关世玺等结合力传感器、加速度传感器以及电磁离合器自主研发了电磁式过载保护装置,可以实时监控加工的全过程,对深孔加工刀具系统和被加工零件起到保护作用。苏州大学的张勇等利用 PLC 和交流变频调速技术把普通车床改造成具有电气控制系统的深孔加工机床,降低了加工成本,提高了深孔加工的效率和精度。德州德隆机床公司自主研发了可在塑料模具上进行多孔系加工的ZK2103 型三坐标数控深孔钻床,其钻孔直径范围为 
φ4~φ30mm,最大加工深度 1200mm,在国内处于领先水平。目前,国产深孔加工设备相对德国、美国等制造业发达的国家仍较落后。在我国航空企业中,大多数仍采用传统钻削方法,对专用深孔加工设备的使用较少,少数企业通过对普通机床的改造以满足深孔加工的需求。目前,高性价比的专用深孔加工设备的研发仍是我国航空企业亟待解决的问题。
  
   
      深孔加工技术发展趋势
   
  
     1 、智能加工
  
  
    目前,我国航空企业在复杂壳体零件深孔加工中,对于钻削参数的设定往往是凭经验。为避免加工中出现钻头折断和切屑堵塞等问题,设定的钻削参数通常很保守,这样就造成了加工效率低下,加工质量难以保证。近年来,随着计算机辅助制造技术、传感技术以及机器学习等领域的发展,加工设备及加工系统具有对加工状态的自主感知,对加工工艺知识的学习、进化、积累,以及对加工过程的实时反馈、决策等智能化功能已成为可能。智能加工已成为未来深孔加工发展的必然趋势,发展具有自主感知、学习、进化、决策功能的智能深孔加工系统将成为深孔加工的重要研究方向。智能深孔加工系统的结构如图 7 所示。智能深孔加工系统包括多信号传感系统、在线误差检测系统等感知模块,通过时监测得到深孔加工过程力、热、振动、功率、声发射、油压等信号,利用在线监测算法将处理后的加工数据做特征提取及加工状态识别,用于切屑堵塞、刀具失效等故障预测与报警;同时,利用智能学习优化模型并结合工艺知识库,以加工数据和在线误差检测系统获取的孔尺寸精度和表面质量信息作为输入,实现加工质量、加工效率和刀具寿命等多准则加工参数优化,实时反馈到深孔加工过程,完成深孔加工学习进化的闭环系统。目前在机械加工领域中,智能刀柄、智能刀具的等智能元器件,以及智能加工系统的研发已成为研究的热点与趋势。已有一些公司开发了商业化的加工过程智能监控系统,比如ARTIS 在线监控系统,该系统利用传感及在线监测技术,不仅可监测加工过程机床状态、刀具状态、异常及故障,而且可通过其内部算法对加工周期进行优化,根据在每一个加工周期中工艺知识的学习与积累,优化下一个加工周期的加工参数,使加工系统具有自主学习、进化的能力。未来,随着相关学科与技术的不断发展,智能深孔加工系统将亦趋成熟。
  
     2 、特种加工
  
    深孔机械加工由于需要刀具,属于接触加工,这就导致无法避免一些固有问题:例如刀具材料的硬度必须大于工件材料、切削力导致的变形和振动、工件残余应力等。当面临未来航空复杂壳体零件的复杂孔系结构、微小孔以及新材料时,传统机械加工难以达到要求。特种加工技术是借助电能、热能、化学能、声能、光能等多种能量或将几种能量进行复合以实现材料切除的加工方法。自943 年前苏联科学家拉扎林柯发明电火花加工方法后,利用机械方法以外的非传统加工方式得到了大量的研究,形成了特种加工这一新的发展领域,可以实现超硬、超软、超精、超光和超微等加工。目前,对于微小孔的加工,特种加工是主要的加工方法。一些学者已经开展了针对深孔的特种加工方法的研究,主要有:电火花加工、电化学加工、超声加工、激光加工、电子束加工、离子束加工、液体喷射加工等。未来,随着深孔加工的要求越来越高,机械加工方法将难以满足,深孔的特种加工方法将成为学术界的关注点之一。
  
     3、绿色加工
  
     近年来,随着环境保护的迫切度越来越高,对制造业绿色化提出了更高的要求。传统深孔加工由于需要冷却和排屑,会产生大量的切削液,造成环境污染和资源浪费。为节省资源和减少污染物排放,绿色加工成为未来深孔加工发展的必然趋势。目前新型绿色加工技术主要有:绿色切削液、微量润滑、压缩空气冷却和干式加工。干式加工即在加工过程中不使用切削液,这从根本上避免了切削液的处理以及排放造成的污染,同时也降低了加工成本。但目前的深孔加工技术水平尚难以处理干式加工中产生的大量切削热,因此暂时无法推广应用。相对来讲,使用微量切削液可较大程度减少污染,同时技术难度大大小于干式切削,目前在学术界受到更多的关注。此外,已有学者研究具有生态性能的冷却剂,这既降低了散热的技术难度,又可实现绿色加工,并且其对人体健康无影响,也是一种有潜力的发展方向。未来,深孔加工的绿色化将成为工业界不可忽视的研究内容。
  
      结论
   
     深孔加工技术是一项多学科交叉的综合应用技术,目前在理论和应用方面都还不够成熟。由于深孔加工的困难,迫切需要对其理论和技术进行更加深入的研究。本文结合航空复杂壳体零件的深孔加工,介绍了深孔加工的概念,分析深孔加工的工艺特点及难点,阐述深孔加工发展的历程和目前的发展现状。通过对文献资料的调研,给出深孔加工的关键技术,并结合目前机械工业的发展现状展望了深孔加工未来的发展趋势。随着数字化技术、传感技术、信息技术等的快速发展和不断融合,深孔加工技术将会朝着智能化、多样化、环境友好的方向不断发展,在我国航空制造业中发挥更大的作用。

     来源:西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室  西安航空动力控制科技有限公司 

网友评论 >>查看更多评论

* 500字内      请输入验证码:    code... 看不清,换一张