深孔加工直线度控制技术

深孔加工技术是一种具有良好发展前景和广泛应用需求的机械加工技术，在装备制造、航空航天、机械电子、军事、医疗等多个领域有着广泛应用。深孔加工直线度控制是保证深孔工件质量的前提和基础，深孔加工直线度控制技术的推广和应用，对于目前多品种、小批量、周期短的深孔产品研发和生产具有重要意义。深孔加工技术至今尚处于发展阶段，远不及一般金属切削加工技术成熟。深孔加工难度高，加工工作量大，是机械加工中的关键性工序。随着科学技术的进步，制造产品迅速进行更新换代，新型高强度、高硬度、难加工零件的不断出现，对深孔加工的质量、加工效率和刀具耐用度都提出了更高要求。因此，对深孔加工技术领域的研究，已成为相关技术人员十分关注的问题。
BTA深孔加工直线度控制问题是机械加工行业发展的瓶颈问题。BTA是钻镗孔与套料加工协会（boring and  trepanning  association,BTA）的缩写，代指BTA深孔加工技术。为了保证深孔零件的加工精度及使用性能，必须分析深孔加工中直线度的主要影响因素，包括辅助支撑的位置、导向套与钻杆之间的偏差、钻杆的颤振及涡动、冷却液的流动特性、钻杆和钻头的几何尺寸以及进给速度、钻杆的强度和刚度等方面进行深入的研究，分析各影响因素对直线度的影响程度，建立各影响因素之间的相互抵消机理，研究深孔加工的直线度控制技术。同时，还应基于多因素协同控制方法，建立BTA深孔加工直线度偏差数学模型；详细分析引起深孔加工轴线偏斜的原因；研究BTA深孔加工系统的动力学行为；研究深孔加工钻杆系统的非线性振动机理；综合考虑机床、钻杆、辅助支撑、导向套及冷却液流体力等激励因素对深孔直线度的影响，整体上实现对深孔加工直线度的有效控制。
本书介绍了深孔加工的概念以及直线度控制技术在BTA深孔加工中的应用，阐述BTA深孔加工直线度控制方法；介绍BTA深孔加工刀具结构，并针对切削液的动压流动特点，融合滑动轴承的结构，分析BTA刀具自导向原理；还论述了BTA钻杆的运动形式，分析BTA钻杆振动对深孔直线度的影响规律，并提出利用磁流变液抑振技术，降低钻杆的振动；同时，还重点介绍负压抽屑对BTA深孔直线度的影响等；重点阐述基于压电原理的BTA直线度主动控制技术，并设计了深孔加工机床，还全面介绍BTA深孔加工多因素协调控制方法等。本书可供从事机电产品设计与制造、机械制造及其自动化、机械制造及理论、材料科学与工程等专业或学科的科技人员或研究人员参考，也可作为相关专业教学参考书使用。
本书的出版受到国家自然科学基金青年基金项目（52005456)、山西省自然科学基金青年基金项目(201801D221231）、山西省市场监督管理局知识产权项目（20200721)、山西省教育厅高等学校科技创新项目（20200721）的资助，感谢上述项目支持单位对本书出版给予的帮助。
由于作者水平有限，疏漏之处在所难免，敬请各位读者批评指正。

著者
2021年6月

深孔加工技术是一种具有良好发展前景和广泛应用需求的机械加工技术，在诸多领域有着广泛应用。深孔加工直线度控制是保证深孔工件质量的前提和基础，深孔加工直线度控制技术的推广应用，对于目前多品种、小批量、周期短的深孔产品的研发和生产具有重要意义。
本书全面介绍了近年来国内外在深孔加工技术的新理论和技术成果以及编者多年的技术实践经验，以解决多因素影响下的深孔加工直线度控制难题。全书内容包括：深孔加工的概念以及直线度控制技术在BTA深孔加工中的应用；BTA深孔加工直线度控制方法；BTA深孔加工刀具结构；BTA钻杆的运动形式和BTA钻杆振动对深孔直线度的影响规律。本书还提出利用磁流变液抑振技术，降低钻杆的振动；同时，还重点介绍负压抽屑对BTA深孔直线度的影响等；重点阐述基于压电原理的BTA直线度主动控制技术，并设计了深孔加工机床以及BTA深孔加工多因素协调控制方法等。
本书可供从事机电产品设计与制造、机械制造及其自动化、机械制造及理论、材料科学与工程等专业的科技人员或研究人员参考，也可作为相关专业师生的教学参考书使用。

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第1章概述/001
1.1深孔加工技术及难点001
1.2常用的深孔加工系统003
1.2.1深孔加工技术的分类003
1.2.2枪钻深孔加工技术004
1.2.3BTA钻深孔加工技术005
1.2.4喷吸钻深孔加工技术006
1.2.5DF钻深孔加工技术007
1.3传统深孔加工技术分析008
1.3.1枪钻的缺陷008
1.3.2BTA钻的缺陷009
1.3.3双管喷吸钻的缺陷009
1.3.4DF系统的缺陷010
1.4BTA深孔加工直线度多因素协调控制技术010
1.5直线度控制问题的主要技术方案011

第2章影响深孔直线度的主要因素/012
2.1深孔的形位公差012
2.1.1深孔直线度012
2.1.2同轴度012
2.1.3孔径扩大量013
2.1.4圆度误差013
2.1.5孔的表面粗糙度014
2.2影响深孔直线度的主要因素014
2.2.1机床和辅助系统对深孔直线度的影响014
2.2.2工件方面的因素015
2.2.3孔的加工形状016
2.2.4冷却系统019
2.2.5刀具与工件相对运动方式的影响021
2.2.6切削参数021
2.2.7钻杆系统023

第3章深孔加工的直线度误差方程/024
3.1深孔加工中的参考圆024
3.1.1小二乘参考圆024
3.1.2小区域参考圆025
3.1.3小二乘参考圆柱026
3.1.4小区域参考圆柱026
3.2直线度误差描述027
3.3深孔钻杆的能量及直线度方程028
3.3.1Hamilton原理029
3.3.2钻头入钻偏斜对深孔直线度的影响031
3.3.3导向套偏斜对深孔直线度的影响032
3.3.4中部支撑偏差对深孔直线度的影响033
3.4切削液流体对深孔直线度的影响033

第4章BTA钻杆系统的运动特性及与深孔直线度的关系/037
4.1深孔加工旋转钻杆的运动特点037
4.2旋转钻杆的动力方程038
4.3旋转钻杆的运动分析040
4.4有限长钻杆的切削液流体力分析041
4.4.1Reynolds方程假设041
4.4.2钻杆π角切削液流体力方程042
4.5切削液流体旋转特性与深孔直线度的关系043
4.6切削液流体涡动特性与深孔直线度的关系047
4.6.1钻杆涡动分析047
4.6.2钻杆与孔壁碰撞接触分析048
4.7切削液流体挤压特性与深孔直线度的关系051

第5章流体动压作用下的BTA深孔刀具自导向技术/056
5.1深孔多刃错齿内排屑刀具受力分析056
5.2刀具系统各部件对深孔轴心偏斜的影响分析058
5.2.1各刀齿的设计分析058
5.2.2刀齿和导向块的磨损063
5.3刀具设计065
5.3.1导向块、辅助导向块和防振块的设计066
5.3.2切削液加速器和可调整直径设计068
5.3.3刀体的设计070
5.4钻杆的承载能力071
5.5切削液流体动压润滑作用下的BTA深孔刀具结构075
5.5.1动压润滑的形成原理075
5.5.2楔形结构与油膜压力077

第6章BTA深孔钻杆振动磁流变液抑制技术/080
6.1BTA深孔钻杆系统的振动080
6.1.1钻杆横向振动080
6.1.2钻杆纵向振动081
6.1.3钻杆扭转振动082
6.2深孔钻削过程中的再生型颤振083
6.2.1深孔加工过程的动力学模型083
6.2.2瞬时动态钻削力的计算084
6.2.3深孔加工中颤振的分析085
6.3磁流变液减振器抑制振动技术研究086
6.3.1磁流变液机理086
6.3.2磁流变液减振器力学模型研究087
6.4输油器的结构设计088
6.4.1输油器的工作原理088
6.4.2优化后输油器的三维实体建模089
6.5钻杆导向块的结构设计089
6.5.1钻杆的悬臂梁模型089
6.5.2添加钻杆导向块的可行性分析090
6.5.3钻杆导向块的优化效果分析090
6.6对导向套的优化设计092
6.7对密封结构的优化设计094
6.7.1密封导向环的楔形增压原理及结构设计094
6.7.2密封圈的优化分析095
6.8输油器与磁流变液减振器的组合设计095
6.8.1磁流变液减振器应用于深孔机床的仿真分析096
6.8.2磁流变液减振器应用于深孔机床的颤振仿真097

第7章多级负压作用下的BTA深孔加工高效排屑及冷却技术/103
7.1减小切削液入口压力的虹吸原理104
7.2可调式负压结构的工作原理105
7.3优化后可调式负压抽屑装置三维实体建模106
7.4对影响负压效果因素的研究106
7.4.1用动力学原理研究影响负压效果的因素106
7.4.2对影响负压效果因素的实验分析107
7.5对后喷嘴壁厚的有限元分析108
7.5.1建立后喷嘴的有限元分析模型108
7.5.2仿真结果及其分析109
7.6曲面喷嘴对深孔负压的影响110
7.7多级负压减小切削液入口压力116
7.7.1多级负压原理分析116
7.7.2多级负压减小入口压力的模拟分析117
7.8多级负压的结构分析122
7.8.1多级负压结构122
7.8.2多级负压腔内部流体分析125

第8章BTA深孔直线度光电精密检测方法/130
8.1光电探测器测量深孔直线度的原理130
8.2基于光电原理的深孔直线度测量方程132
8.3深孔直线度的测量实验138
8.3.1深孔直线度检测装置的原理及结构138
8.3.2测量系统的组成139

第9章基于压电原理的BTA深孔直线度主动纠偏技术/143
9.1压电材料及压电机理143
9.2压电钻杆控制系统方程144
9.2.1压电传感和致动方程144
9.2.2BTA钻杆系统压电主动控制的状态方程146
9.2.3主动控制系统设计147
9.2.4MATLAB控制仿真147
9.3压电钻杆系统的有限元分析149
9.3.1有限元分析方案149
9.3.2压电片有限元模型及计算149
9.4压电钻杆系统模型有限元分析153
9.4.1压电钻杆系统的模态分析153
9.4.2压电BTA钻杆系统的位置分析156
9.5压电BTA钻杆系统的压电智能控制仿真160

第10章深孔直线度控制技术实验验证/163
10.1辅助支撑和导向套的初始偏差对孔偏斜的影响164
10.2刀具系统的振动特性与稳定性166
10.3不同转速、涡动速度、挤压速度及入口压力条件下的深孔直线度172

参考文献175

深孔加工技术是一种具有良好发展前景和广泛应用需求的机械加工技术，在诸多领域有着广泛应用。深孔加工直线度控制是保证深孔工件质量的前提和基础，深孔加工直线度控制技术的推广应用，对于目前多品种、小批量、周期短的深孔产品的研发和生产具有重要意义。
本书全面介绍了近年来国内外在深孔加工技术的新理论和技术成果以及编者多年的技术实践经验，以解决多因素影响下的深孔加工直线度控制难题。全书内容包括：深孔加工的概念以及直线度控制技术在BTA深孔加工中的应用；BTA深孔加工直线度控制方法；BTA深孔加工刀具结构；BTA钻杆的运动形式和BTA钻杆振动对深孔直线度的影响规律。本书还提出利用磁流变液抑振技术，降低钻杆的振动；同时，还重点介绍负压抽屑对BTA深孔直线度的影响等；重点阐述基于压电原理的BTA直线度主动控制技术，并设计了深孔加工机床以及BTA深孔加工多因素协调控制方法等。
本书可供从事机电产品设计与制造、机械制造及其自动化、机械制造及理论、材料科学与工程等专业的科技人员或研究人员参考，也可作为相关专业师生的教学参考书使用。

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