深孔啄式钻削排屑的优化方法

实际深孔钻削中为避免排屑力过大而导致断刀，通常采用啄式钻削的多次钻削方法进行深孔加工，以钻削循环的方式通过多次退刀排屑在钻削过程中定期降低排屑力，增大总钻削深度。为建立真实钻削循环过程中的迭代学习方法，需要对钻削循环过程中排屑力的变化规律进行研究。深孔钻削循环分为两种模式：一种是等距钻削循环，即设定一个固定的单次钻削深度值Δd，每次钻削该深度值后进行退刀排屑；另一种是变距钻削循环，即每次钻削采用不同的钻削深度值Δdi。变距钻削循环一般采用单次钻削深度设定值递减的策略，设定当前钻削深度值为上一次钻削深度值的一半。这样设定是由于排屑力随钻削深度的增大而增大，采用单次钻削深度设定值递减的策略可减小钻削后期的排屑力，防止断刀。钻削循环过程如图4.22所示。

在钻削过程中，切削刃不断去除材料，去除材料的体积即为已加工孔的体积，去除的材料全部转化为切屑，沿排屑槽向孔口方向流动，在排屑槽内填充的高度定义为切屑填充高度。记钻削深度dz产生的切屑填充高度为dh，定义切屑转化比λ=dh/dz。由于钻头实体占据了已加工孔的部分空间，因此切屑转化比大于1。在单次钻削过程中，由于切屑转化比大于1，有一部分切屑排出孔外，不与孔壁发生作用，切屑填充高度始终等于当前钻削深度，此时排屑力随钻削深度按模型规律呈指数增大。在钻削循环过程中，由于每次钻削都从当前已加工孔的深度处进行，钻削初期新产生的切屑全部限制在已加工孔的空间内，此时切屑填充高度小于当前钻削深度，新产生切屑全部与孔壁及排屑槽发生摩擦、挤压作用，此时排屑力随切屑填充高度按模型规律增大。此外，通常每次退刀排屑过程难以完全去除排屑槽内的所有切屑，导致钻削时钻杆排屑槽内残留有一部分切屑。这部分残留的切屑阻碍了新产生切屑的流动，使排屑力增大，此时排屑力随钻削深度的变化不符合模型规律。新产生的切屑与残留在排屑槽内的切屑在钻削一定深度后产生的力重新达到上次钻削结束时的排屑力大小，此后排屑力在上次值的基础上继续按排屑力模型规律呈指数增大。钻削循环过程中实测排屑扭矩如图4.23所示。定义每次退刀排屑后进行下一次钻削时排屑力达到原有值需要的钻削深度为排屑延长深度，记为Δzex，k。钻削循环的总钻削深度为最大单次钻削深度与每次排屑延长深度的和，即

图4.22　深孔啄式钻削循环过程

式中：ztotal为钻削循环的总钻削深度；zmax为最大单次钻削深度。

退刀排屑去除了部分切屑，降低了下次钻削的初始排屑力，切屑重新填充排屑槽至原有高度的过程延长了总的钻削深度，这就是啄式钻削方法的原理。预测钻削循环的总深度，需要知道最大单次钻削深度和每次钻削的排屑延长深度。本书通过在钻削循环中对排屑扭矩模型进行迭代学习预测最大单次钻削深度，其中由实测扭矩数据拟合模型时去除了排屑延长深度内的扭矩数据，仅保留符合排屑力模型规律的扭矩数据。

图4.23　深孔啄式钻削实测排屑扭矩

在钻削循环过程中，单次钻削完成后，排屑槽内切屑填充高度等于当前钻削深度，排屑后排屑槽内切屑残留的总高度与排屑延长深度的关系为(www.xing528.com)

式中：zk-1为上一次钻削达到的钻削深度；hr，k为排屑槽内切屑残留的总高度。

定义每次排屑去除的切屑占总切屑的比例为排屑率，记为χk，即

排屑率反映了加工系统的排屑能力，排屑率越接近1，排屑能力越强。结合以上两式，每次钻削的排屑延长深度zex，k可表达为

定义排屑延长系数，将式（4.30）表达为

在给定切削液系统设置、刀具、工件材料及切削参数的情况下，可认为排屑率和切屑转化比只与钻削深度相关，因此上述条件下排屑延长系数由钻削深度决定。于是，可通过在钻削循环过程中对比前后两次钻削的实测排屑扭矩数据，按上述公式计算排屑延长系数，并随着迭代过程的进行采用回归方法可以获得排屑延长系数随钻削深度的变化规律。