内排屑深孔钻头热分析与深孔钻头温度的在线检测控制系统设计

黄健，陈忠仁，徐平凡

(中山职业技术学院，广东中山 528404)

内排屑深孔钻头热分析与深孔钻头温度的在线检测控制系统设计

黄健，陈忠仁，徐平凡

(中山职业技术学院，广东中山 528404)

根据深孔钻削系统存在的热变形问题，利用ANSYS软件对干式内排屑深孔钻头进行热工分析。根据热分析结论，设计了一套自动降低钻头温度的装置。该装置应用PT100温度模块完成数据的实时采集，并根据温度信号的大小，通过PLC自动调整深孔钻头的运行状态，实现深孔钻削系统的自动温度调节控制、手动/自动模式切换等功能。该装置具有良好的可扩展性、灵活性和可靠稳定性。

深孔钻削;热工分析;转速;进给量;PLC控制

深孔钻床的加工精度与主轴钻头和工件的变形量存在着密切关系，而热变形是其中最重要的成分［1－2］。所以，改善钻头和工件的热变形就显得尤为突出了。利用ANSYS软件对干式内排屑深孔钻头进行热工分析，可给出干式深孔钻头刀面切削温度与转速、进给量的变化曲线，据此给出干式深孔钻头的控制方法:用压缩空气作冷却介质，采取刀具的转速控制和刀具的进给控制联合机制来配合刀具的降温，可达到刀具的比较理想的降温效果。

1 基本假设与有限元模型的建立

考虑到内排屑深孔切削过程中的复杂性，为突出主要问题，在内排屑深孔切削热模型建立前作如下假定:钻头横截面形状为s1×s2的矩形，单刃，温度沿截面分布均匀，钻头两端和侧面的放热服从牛顿定律，传热系数不随温度的变化而变化，工件和深孔钻头材料的温度特性及密度是均匀的，钻头材料的热物理性能与温度无关，在用ANSYS模拟时忽略用于改变金属晶格约3%的能量损失。

为了简化模型、便于分析，切屑的影响不予考虑，把钻头切削刃作为发热面。在单位时间内传入刀具上的热量是固定的［3］，而刀具面与周围环境的热传导速率随着温度升高而加快，当刀具温度系统、热流密度和对流换热速率相等时，刀具温度场会达到一个平衡状态［4］。设内排屑深孔钻头长为250 mm、直径20 mm，内孔直径10 mm，采用第二类边界条件［5］，设环境温度为20℃，对流换热系数为10W/(m2·℃)，深孔钻头耐受温度最高为605℃，转速400～900 r/min，进给量0.03～0.09 mm/r。在ANSYSWorkbench中建立三维模型并划分网格，取单元长0.05 mm均匀划分网格。由于钻头发热的模拟时间取20 min，因而取时间步长为 0.5 s是适当的［6］。

在ANSYS的Design Exploration模块中进行内排屑深孔钻头形状优化，在ANSYS的FLUENT模块中进行内排屑深孔钻头温度场模拟求解。查看求解结果，在ANSYS界面下内排屑钻头两个不同STEP下温度场分布如图1所示。

图1 Ansys界面下内排屑钻头两个不同STEP下温度场分布示意图

在计算收敛的前提下最终得到三维应变状况下的深孔加工过程模拟结果，查看模拟结果，提取工况n=600 r/min，f=0.05 mm/r下温度与转速、进给量的分布曲线，分别如图2、图3所示。

图2 内排屑深孔钻前刀面切削温度随转速变化曲线(f=0.05 mm/r)

图3 内排屑深孔钻前 刀面切削温度随 进给量变化曲线(n=600 r/min)

从图2、图3可以看出:内排屑深孔钻的切削温度随着进给量和转速的增大都呈增大趋势，钻头转速n及进给量f对最高切削温度的影响大，当切削速度增大时，切削过程中温度随切削速度的增大明显上升;当进给量增大时，切削过程中温度随进给量的增大明显上升。

这个结论为后续的深孔钻头的温度控制提供了依据。

2 刀具温度的自动检测与控制方案

2.1 深孔钻的加工原理

图4所示为BTA深孔钻在普通车床上的工作情况。

图4 深孔加工原理

被加工工件由车床上的中心架3定位并夹紧。钻孔加工时，工件2由主轴的夹头夹紧并在主轴带动下旋转，钻杆7则由大拖板9带动作进给运动。机床工作台上安装了进气装置4，并通过O形密封圈与工件右端面密封连接。压缩空气由进气装置4的进气口注入，经过钻杆7的外径与孔壁间的缝隙流入切削区，对刀具进行冷却，切屑随压缩空气一起由钻杆内孔通过钻杆尾部出口排出。压缩空气压力不小于150 kPa，切削用量可选用转速n=600～900 r/min，进给量f=0.05～0.09 mm/r。由于钻杆较长，容易变形，因此在机床导轨上可安装活动的中心支承，可对钻杆的任意位置进行支承。

2.2 温度传感器的测量位置

为保证冷却效果和排屑顺畅，压缩空气应保持适当的压力和流量。加工小直径深孔时可采用高压力、小流量;加工大直径深孔时可采用低压力、大流量［7］。切屑和热空气从排屑杆中间排出，这种方式排屑效果好。温度传感器的测量位置放置:根据实验，把PT100的感温杆放置于切屑出口处，并接触到钻屑和热空气，如图5所示，测量所得到的温度值最大，准确度高。

图5 PT100放置位置示意图

开始钻削时，应首先打开空压泵，然后起动车床，走刀切削;钻孔结束时，应首先停止走刀，然后停车，最后关闭空压泵。

2.3 控制系统

如图6所示，控制系统采用PLC控制，工作时，空压机把高压气体压入钻孔对钻头冷却，并把钻屑带出，温度传感器PT100置于钻杆出屑口处。PLC通过FX2N-4AD-PT温度模块得到钻头的温度值［8］，比较分析后通过变频器和进给电机驱动器分别控制主轴电动机和进给电机，控制主轴转速和钻头的进给量，以达降低钻头温度的目的［9］。

图6 深孔钻削控制系统

3 PLC控制系统软件设计

控制程序设置为手动控制和自动控制两个方式。

3.1 手动挡操作

先确定系统开启，各项指标正常并处于待机模式。在触摸屏上将“自动/停止/手动”旋钮置于“手动”位置上，系统只在PLC配合下手动工作，钻头主轴电动机的变频器不参与工作。手动操作适用于深孔钻床的检修调式及变频器出故障时使用，也可直接钻削浅孔时使用。手动启动与停止分别由其对应的“启动”和“停止”按钮完成，并点亮或熄灭指示灯。

3.2 自动挡操作

将触摸屏操作面板上的按钮置于“自动”位置上，此时系统在PLC控制下自动工作，只需调整前面板上的“转速”和“进给量”来进行所需要的钻削参数选择。PLC会根据设定的钻削转速和进给量值自动工作，当钻头温度低于600℃时，PLC无需调节主轴电动变频器的工作参数及进给电动机的驱动器参数;当钻头温度超过600℃时，PLC自动降低变频器的工作频率及进给电动机的驱动脉冲数，以降低钻头转速和减少进给量。当钻头温度继续超过600℃时，PLC再次降低变频器的工作频率及进给电动机的驱动脉冲数，直至降低钻头转速和进给量至零值，保护钻头不会因为温度过高而损坏。如果钻头温度减少并降低到600℃之下时，PLC把转速和进给量恢复到正常值。

若将“自动/停止/手动”旋钮置于“停止”位置上，系统的自动模式停止，进入待机状态。

4 结束语

采用三菱PLC设计的深孔钻头降温装置，能够根据深孔钻头的温度信号自动调整深孔钻头的运行状态，实现了深孔钻系统的自动温度调节控制，手动/自动两种工作模式，具有硬件连接方便、软件也易实现等特点。该装置具有良好的可扩展性、灵活性和可靠稳定性，具有较好的推广应用价值。

［1］LIN Z，CHANG J.The Building of Spindle Thermal DisplacementModel of High Speed Machine Center［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2007，34:556 －566.

［2］仇健，刘启伟，李晓飞，等.卧式数控机床主轴温度场分布及对机床热变形的影响［J］.制造技术与机床，2011(8):114－119.

［3］RAO P K Ramakrishna，SHUNMUGAM M S.Accuracy and Surface Finish in BTA Drilling［J］.International Journal of Production Research，1987，25(1):3l－44.

［4］FRAZAO J，CHANDRASHEKHAR S，OSMAN M O M，et al.On the Design and Development of a New BTA Tool to Increase Productivity and Workpiece Accuracy in Deep Hole Machining［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，1986，1(4):3 －23.

［5］杨世铭，陶文铨.传热学［M］.北京:高等教育出版社，1998.

［6］朱红均，林元华，谢龙汉.FLUNT流体分析及仿真实用教程［M］.北京:人民邮电出版社，2010.

［7］王魁汉.温度测量实用技术［M］.北京:机械工业出版社，2007.

［8］三菱.FX系列特殊功能模块用户手册［M］.

［9］徐滤非.PLC在温度控制系统中的应用［J］.现代电子技术，2004，27(13):62 －63.

Thermal Analysis and Design of Online Detecting and Controlling System for Deep-hole Drill Tem perature

HUANG Jian，CHEN Zhongren，XU Pingfan
(Zhongshan Vocational and Technical College，Zhongshan Guangdong 528404，China)

Thermal analysis of dry deep-hole drill was done by using ANSYS software，according to the thermal deformation problem existed in deep-hole dill system.According to the conclusion from thermal analysis，a set of device was designed which was used to reduce the temperature of dill automatically.In the device，PT100 temperaturemodule was used to complete real time collection of data，and according to the size of temperature signal，the operational state of deep-hole drillwas adjusted automatically through PLC.The function of automatically adjusting control of temperature for the deep-hole drill system and switching ofmanual/automatic modes were implemented.This device has good expansibility，agility，reliability and stability.

Deep-hole drill;Thermal analysis;Speed of rotation;Feed distance;PLC control

TP216

B

1001－3881(2014)10－194－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2014.10.059

2013－04－10

黄健 (1967—)，男，本科，高级工程师，主要研究方向为检测技术及自动化装置。E－mail:435027106@qq.com。