钛合金小直径深孔枪钻加工的钻削颤振预测与抑制技术的基础研究

Drilling Chatter is one of the key technical problems which affect the machining quality and efficiency of machine tools in deep hole gun drilling processing. Research on the drilling chatter has been one of the hot research topics in the field of mechanical manufacturing, which includes investigating the generation mechanism of drilling chatter, effectively eliminating or suppressing the influence of drilling chatter on the machining process. This study oriented to the gun drill processing of titanium alloy small diameter deep hole. Basic theories and methods of the drilling chatter suppression based on the process damping effect are studied by theoretical calculation, numerical simulation, processing experiment and testing analysis. Specific content includes: Analysis of the deep hole gun drilling chatter mechanism and strategies of chatter suppression based on the Routh Criterion; research on the nonlinear dynamic model of the drilling process based on process damping effect and prediction of its stability limits; study on a novel design theory and method of the drilling tools which can actively control the drilling chatter based on the process damping effect; investigation on an integrated control technology of drilling chatters for small diameter deep hole components. This project aims to explore the generation mechanism, influencing factors and control from the perspective of system damping. It will provide theoretical basis and technology evidence for solving the deep hole gun drill chatter problem in the drilling of titanium alloy material and its small diameter deep hole structure.

深孔枪钻加工中颤振是影响机械产品加工质量和机床效率的关键问题之一。揭示颤振的产生本质、有效消除或抑制颤振，一直是研究的热点。本项目以钛合金小直径深孔的枪钻加工为研究对象，通过理论分析、数值计算、加工实验与测试分析等，开展深孔枪钻加工的钻削颤振预测与抑制技术的基础研究。具体内容包括：基于劳斯判据的深孔枪钻钻削颤振机理分析与颤振抑制策略；建立基于过程阻尼效应的非线性深孔钻削动力学模型和稳定性极限预测；基于过程阻尼效应的深孔枪钻钻削颤振主动抑制刀具设计理论与方法；解决面向钛合金小直径深孔钻削振动主动抑制的工艺新技术。本项目从系统阻尼的角度探索了深孔枪钻加工中颤振的产生本质、影响因素及其控制等方面的科学问题，为解决钛合金小直径深孔结构的深孔枪钻颤振问题提供理论方法与技术基础。

目前在航空航天、武器装备、轨道交通等国家重点发展行业诸多装备的机械制造中，小直径深孔加工的需求越来越多，特别是针对钛合金材料的深孔加工需求，例如C919大飞机中各类的舱门导轨孔。枪钻加工是实现深孔加工的一项重要技术手段。然而，深孔枪钻加工中被加工孔具有孔径小、孔深长的特点，枪钻的结构较为复杂、相对刚度弱，加工过程中普遍存在加工效率低、质量差和排屑困难等严重问题。同时，钛合金材料的加工性能较差，刀具磨损和加工硬化现象严重，这又给深孔枪钻加工带来了新的挑战。为此，本文开展了Ti6Al4V钛合金深孔枪钻加工基础研究，主要工作如下： .1. 通过对枪钻加工过程的受力分析，在综合考虑“刃口力”和“过程阻力”的直角切削模型的基础上，利用“微单元”法，建立了包含切削用量、刀具几何参数以及材料力学性能的枪钻加工力学模型，并进行了试验验证。模型的建立为钻削力的预测、刀具的分析和直线度误差分析提供了理论依据。.2. 揭示了深孔枪钻加工时刀具的磨损形式和失效机理，并进一步研究了刀具磨损和刀具外角变化对钻削力和切屑变形的影响规律。基础试验研究为枪钻加工质量的分析和工艺参数优选提供了依据。.3. 探明了深孔枪钻加工直线度误差产生的主要影响因素如刀杆刚性不足、导向套间隙、中间支撑件间隙和钻削力等及其作用机理。利用欧拉-伯努利梁理论结合枪钻加工力学模型建立了直线度误差预测模型，并进行了试验分析；结果表明钻削轴向力是引起直线度误差的主要原因，钻杆的刚性不足、导向套和钻杆支撑的间隙都会对其产生影响。模型的建立实现了对直线度误差的预测和工艺控制，并为工艺参数优选提供理论依据。.4. 进行了Ti6Al4V钛合金枪钻加工质量研究，分析了进给量和切削速度对表面粗糙度和孔径尺寸误差的影响，获得了Ti6Al4V钛合金枪钻加工最优工艺参数；分析了刀具磨损和枪钻外角变化对于加工质量的影响，提出了枪钻外角的优选策略和枪钻磨钝的重要参考标准VB’。研究成果为《C919深孔零件加工工艺规范》的制定提供了理论依据。.5. 结合研究成果完成了1架份的C919大飞机舱门轴类零件加工，并验收交付。