深孔加工中振动的产生原因和消除方法

盖同锡

摘 要：深孔加工是在封闭的条件下进行的高难加工工序，振动问题是深孔加工中比较难解决的问题。文中阐述了深孔加工中振动的类型；分析了深孔加工中振动问题产生的原因，对钻杆弹性变形引起的振动这一主要原因进行了分析；结合一台深孔钻床和钻具研制过程，提出了深孔加工中消除振动的方法。

关键词：深孔加工 振动 切削 弹性变形

中图分类号：TG523 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（b）-0048-02

Reasons and Suppression Methods of Vibration

Machining Procedures of Deep Hole

GAI Tongxi

（Design Institute， Dalian Huarui Heavy Industry Group Co.， Ltd， Dalian， Liaoning， China）

Abstract： The machining of the deep hole is the most difficult machining procedure under a certain closed condition. And the vibration caused in the machining of the deep hole is one of the more difficult problems need to be solved. This paper illustrates the vibration types in the machining of the deep hole. Then the reasons which cause vibration in this machining have been analyzed， especially for the main factor of the vibration caused by the elastic deformation of the drill rod. Finally， through the research procedures of the drilling machine and drilling tools for the deep holes， this paper presents vibration suppression methods in the machining of the deep hole.

Keywords： Deep hole machining Vibration Cutting Elastic deformation

深孔加工是机械加工中的一项高难工序，其中深孔加工振动问题就是一个难题。 在研制钻床和钻具加工一种34CrNi1Mo材料，钻孔直径120 mm，钻孔深度1800 mm的轴时，遇到了深孔加工的振动问题。

深孔加工是在封闭的条件下进行切削，加工难度高、切削量大，已成为机械加工中的高难工序。深孔加工具有以下特点：①不能直接观察到刀具的切削情况。目前只能凭经验，通过听声音、看切屑、观察电机电流表、振动等现象来判断切削过程是否正常。②切削热不易散失。刀具切削热扩散慢、易过热，必须采用强制冷却方式。③切屑不易排出。由于孔深，排屑通道狭小，切屑经过的路线长，容易发生阻塞，造成钻头损坏。因此，切屑的长短和形状要加以控制，要进行强制性排屑。④钻具系统刚性差。因受孔径尺寸限制，孔的长径比较大，因而钻杆细而长，刚性差，钻削时易产生振动。目前排屑多采用高压将切削液通过钻杆的外部或内部直接送到切削区，起到冷却、润滑作用后，将切屑由钻杆内部或外部排出，达到强制冷却和排屑的目的。[1]

1 深孔加工中振动的类型

金属切削中的振动可分为受迫振动和自激振动。

受迫振动是在外界周期性干扰力作用下引起的振动。由于周期性干扰力作的功，补充了阻尼所消耗的能量，故振动不会衰减[2]。受迫振动具有以下特点：（1）受迫振动是外界周期性干扰力作用下产生的，振动本身不能引起干扰力的变化。即使振动停止，干扰力仍然存在。（2）受迫振动的频率总是和外界干扰力的频率相同，一般干扰力的频率为十几到一百赫兹。（3）干扰力的频率与系统的固有频率的比值等于或接近于1时，会发生共振现象，振幅达最大值。（4）受迫振动的振幅与干扰力、系统的刚度及阻尼大小有关。干扰力越大、刚度及阻尼越小，则振幅越大。

自激振动是一种不衰减的振动。维持振动的交变力是由振动系统本身在振动过程中激发产生的。因此，即使不受到任何周期性的干扰力的作用，振动也会发生[2]。自激振动具有以下特点：（1）自激振动的频率等于或接近于系统的固有频率。按频率高低，自激振动分高频自激振动（频率一般为500～5000 Hz）和低频自激振动（频率一般为50～300 Hz），一般后者的振幅较大。（2）自激振动的振幅大小及振动之能否产生，决定于每一振动周期内系统所获得的能量与阻尼消耗能量的对比情况。（3）由于维持自激振动的交变力是由振动过程本身激发的，故振动一停止，这种作用力的周期性交变和能量补充过程也都立即跟着消失。

在深孔加工中，引起受迫振动的主要因素有：（1）机床电机、主轴、进给机构等机床系统的振动。（2）工件旋转不平衡。（3）切削力的交替变化。（4）切削液在钻头部位的压力分布不平衡。引起自激振动的主要因素有：（1）刀具几何因素。（2）加工过程中的切削用量。（3）工件材质不均匀和其因切削热的变形。（4）钻杆的装夹及其弹性变形。（5）刀具、导向块与工件之间的摩擦力变化。[3]

2 深孔加工中振动的产生原因

深孔加工中，钻杆振动的振幅和频率在一定范围内时，切削的厚度不均匀，有利于切屑从厚度较小的部位实现断屑，这对于深孔加工是有利的。若是振幅过大或者振动频率与钻杆和刀具固有频率相近时，将会影响刀具的正常切削，加剧刀具的磨损；对正常加工会有较大影响。深孔加工振动的产生，主要有以下原因：endprint

一是摩擦力不均匀引起的振动。

由于刀具、导向块和工件之间摩擦力变化引起的振动。当钻头进行钻削时，被切削材料受到刀具的切削，刀刃各处产生的压力也各不相同，而导致几个刀片受到的摩擦力不同，导向块和已加工表面的摩擦力也是不对称的。这些不对称的力都作用在钻头上，会使钻具受到一个脉动变化的力的作用。这个力会和切削力一起作用而产生振动。

二是钻杆弹性变形引起的振动。

切削过程中，刀片和被切削材料接触后，刀片将受材料的阻力和摩擦力的共同作用而处于一个瞬时的停止，切削刃处的材料当受力达到材料的极限强度值时，导向块和刀片处的摩擦力也处于了最大值，这时的钻杆承受了最大的扭矩。由于钻杆比较细长（长径比大于10∶1），所以钻杆会在最大扭矩作用下发生扭转弹性变形。当在继续加力时，被切削的材料受力将突破极限强度值而被切开。在材料被切开的一瞬间，静摩擦力变成了动摩擦力，切削力也会随着切削速度的增加而减小[4]。钻杆中储存的能量快速放出，形成一个超过钻孔旋转速度的速度。这一速度将随着钻杆弹性力的释放而逐渐减小到速度为零。再开始新一周期的：静止一启动一加速一减速一静止的循环运动过程。在这种力的交替变化中，钻具发生振动。

这一过程可以用计算和实践来证明。一次成型钻削直径120孔，钻杆外径115，钻杆内孔65，钻杆长2000，钻削速度240 rpm，切削量0.05 mm/r，加工材料34CrNi1Mo。

钻孔切削扭矩（简易计算）：

M = Cm .Dxm.Sym.Km [4]

式中：M — 钻孔切削扭矩

Cm — 钻孔切削系数，Cm = 345

D — 钻孔直径 ， D = 120

xm — 钻孔直径系数， xm = 2

S — 进给量 ， S = 0.05

ym — 钻孔进给系数， ym = 0.8

Km — 修正系数，

Km = （σb/750）0.75 =（813/750） 0.75 = 1.06

∴钻孔切削扭矩

M = Cm .Dxm.Sym.Km =345×1202×0.050.8×1.06

= 479361（N.mm）

在这样大的扭矩下，可以产生多大的扭转角？

扭转角 φ=（5.84×108）M / {G（d4-d4）L} [5]

式中：φ — 扭转角

G — 材料切变模量， G = 8.1×104

d — 钻杆外径， d = 115

do — 钻杆内径，do = 65

L — 钻杆长度。 L = 2000

∴φ= （5.84×108）M / {G（d4-d4）L}

= （5.84×108）479361 / {8.1×104

（1154-654）2000}

= 0.096 （度）

钻头的扭转量 Δ= tgφ×2000 = 3.4 mm

从钻孔的端面振纹看，振纹间距约4 mm，这和计算的振动量基本相同。

三是材料切削振纹引起的振动。

在深孔钻头中各齿切削宽度之间有一定的重合量，切削刃会有一部分重复切削前一次或前一个切削刃切削过的表面。如果由于某种原因在已加工表面上残留有振纹，则当刀具再一次切削这些表面时，切削厚度就会发生变化。切削厚度的变化引起切削力波动，又激起刀具与工件的相对振动，使系统产生振动位移，并再次残留下振纹。如此重复循环。

四是加工孔（工件） 轴线和刀具的旋转轴线不同心引起的振动（工件旋转）。

用深孔钻钻头直接定位钻孔时，加工孔（工件） 轴线和刀具转轴线很难不出现偏心现象，都会有一定的不同轴度误差，由于这个误差的存在，就会在工件旋转的深孔加工过程中出现和旋转速度相同周期的振动现象。

3 深孔加工中振动的消除方法

深孔加工中消除振动的方法主要有以下几个方面：

（1）加强机床刚度。机床刚度的影响主要体现在机床上各部件之间的连接上，床身等部件的刚度和钻杆相比要大很多。所以，只要把机床各部件之间的连接间隙消除并连接紧密，深孔加工中机床的刚度的影响就很小。

（2）增强钻杆的刚度。钻杆刚度不足是深孔加工中振动的主要原因。深孔钻杆外径是一定的，不能有多少改变。要增强钻杆刚度，只有尽量减小内孔直径，选用更高强度的材料和采用合理的热处理方法。

（3）改善刀具切削角度。增大前角可以减小切削力，但是增大了前角同时又会降低了刀具强度和散热条件。在考虑切削角度的同时，合适的断屑槽对顺利排屑非常重要。现在深孔加工刀片已有专用产品，可以根据加工材料进行选用。

（4）改善刀具润滑条件。切削液在钻削加工中，具有降低切削区温度，排出切屑的重要功能。同时对减少刀具磨损，提高加工效率和加工精度也非常重要。不同种类的切削液对减少工件、刀具、切屑之间的摩擦力效果是不同的。油性越强的切削液越有利于减小工件、刀具、切屑之间的摩擦力，对减小切削振动越有利。

（5）提高加工孔（工件）和刀具旋转轴线的同轴度。要提高加工孔（工件）和刀具旋转轴线的同轴度，最主要的方法是要提高机床夹持的旋转工件和刀具的同轴度精度。不同轴度误差对工件固定刀具旋转和刀具固定工件旋转两种方式的影响是不一样的。如果两条轴线有不同轴度误差，对工件固定刀具旋转这种加工方式，加工孔（工件） 轴线和刀具的旋转轴线不同心引起的振动这种问题几乎没有影响；而对刀具固定工件旋转，则会造成加工孔（工件） 轴线和刀具的旋转轴线不同心引起的振动。

4 结语

在深孔钻床和钻具的研制过程中，通过分析研究，反复实践，并通过采用专用深孔钻刀片，将表面活性剂切削液换成机械油润滑剂，最后又将钻杆由20钢管换成内径60的20CrMn钢管，其屈服强度（σ0.2/Mpa）提高了（235提高到930）近四倍。通过这些改进之后，钻孔加工的振动现象明显减小，满足了使用要求。

参考文献

[1] 席卫峰.亚干式深孔加工切削机理研究[D].机械制造及其自动化，2010.

[2] 屈维德.机械工程手册[M].机械工业出版社，1982.

[3] 廖结安.亚干式深孔加工切削机理研究 [J].机械设计与制造，2010（12）.

[4] 武文革.金属切削原理与刀具[M].国防工业出版社，2009.

[5] 吴宗泽.机械设计师手册[M].下册机械工业出版社，2003.endprint

一是摩擦力不均匀引起的振动。

由于刀具、导向块和工件之间摩擦力变化引起的振动。当钻头进行钻削时，被切削材料受到刀具的切削，刀刃各处产生的压力也各不相同，而导致几个刀片受到的摩擦力不同，导向块和已加工表面的摩擦力也是不对称的。这些不对称的力都作用在钻头上，会使钻具受到一个脉动变化的力的作用。这个力会和切削力一起作用而产生振动。

二是钻杆弹性变形引起的振动。

切削过程中，刀片和被切削材料接触后，刀片将受材料的阻力和摩擦力的共同作用而处于一个瞬时的停止，切削刃处的材料当受力达到材料的极限强度值时，导向块和刀片处的摩擦力也处于了最大值，这时的钻杆承受了最大的扭矩。由于钻杆比较细长（长径比大于10∶1），所以钻杆会在最大扭矩作用下发生扭转弹性变形。当在继续加力时，被切削的材料受力将突破极限强度值而被切开。在材料被切开的一瞬间，静摩擦力变成了动摩擦力，切削力也会随着切削速度的增加而减小[4]。钻杆中储存的能量快速放出，形成一个超过钻孔旋转速度的速度。这一速度将随着钻杆弹性力的释放而逐渐减小到速度为零。再开始新一周期的：静止一启动一加速一减速一静止的循环运动过程。在这种力的交替变化中，钻具发生振动。

这一过程可以用计算和实践来证明。一次成型钻削直径120孔，钻杆外径115，钻杆内孔65，钻杆长2000，钻削速度240 rpm，切削量0.05 mm/r，加工材料34CrNi1Mo。

钻孔切削扭矩（简易计算）：

M = Cm .Dxm.Sym.Km [4]

式中：M — 钻孔切削扭矩

Cm — 钻孔切削系数，Cm = 345

D — 钻孔直径 ， D = 120

xm — 钻孔直径系数， xm = 2

S — 进给量 ， S = 0.05

ym — 钻孔进给系数， ym = 0.8

Km — 修正系数，

Km = （σb/750）0.75 =（813/750） 0.75 = 1.06

∴钻孔切削扭矩

M = Cm .Dxm.Sym.Km =345×1202×0.050.8×1.06

= 479361（N.mm）

在这样大的扭矩下，可以产生多大的扭转角？

扭转角 φ=（5.84×108）M / {G（d4-d4）L} [5]

式中：φ — 扭转角

G — 材料切变模量， G = 8.1×104

d — 钻杆外径， d = 115

do — 钻杆内径，do = 65

L — 钻杆长度。 L = 2000

∴φ= （5.84×108）M / {G（d4-d4）L}

= （5.84×108）479361 / {8.1×104

（1154-654）2000}

= 0.096 （度）

钻头的扭转量 Δ= tgφ×2000 = 3.4 mm

从钻孔的端面振纹看，振纹间距约4 mm，这和计算的振动量基本相同。

三是材料切削振纹引起的振动。

在深孔钻头中各齿切削宽度之间有一定的重合量，切削刃会有一部分重复切削前一次或前一个切削刃切削过的表面。如果由于某种原因在已加工表面上残留有振纹，则当刀具再一次切削这些表面时，切削厚度就会发生变化。切削厚度的变化引起切削力波动，又激起刀具与工件的相对振动，使系统产生振动位移，并再次残留下振纹。如此重复循环。

四是加工孔（工件） 轴线和刀具的旋转轴线不同心引起的振动（工件旋转）。

用深孔钻钻头直接定位钻孔时，加工孔（工件） 轴线和刀具转轴线很难不出现偏心现象，都会有一定的不同轴度误差，由于这个误差的存在，就会在工件旋转的深孔加工过程中出现和旋转速度相同周期的振动现象。

3 深孔加工中振动的消除方法

深孔加工中消除振动的方法主要有以下几个方面：

（1）加强机床刚度。机床刚度的影响主要体现在机床上各部件之间的连接上，床身等部件的刚度和钻杆相比要大很多。所以，只要把机床各部件之间的连接间隙消除并连接紧密，深孔加工中机床的刚度的影响就很小。

（2）增强钻杆的刚度。钻杆刚度不足是深孔加工中振动的主要原因。深孔钻杆外径是一定的，不能有多少改变。要增强钻杆刚度，只有尽量减小内孔直径，选用更高强度的材料和采用合理的热处理方法。

（3）改善刀具切削角度。增大前角可以减小切削力，但是增大了前角同时又会降低了刀具强度和散热条件。在考虑切削角度的同时，合适的断屑槽对顺利排屑非常重要。现在深孔加工刀片已有专用产品，可以根据加工材料进行选用。

（4）改善刀具润滑条件。切削液在钻削加工中，具有降低切削区温度，排出切屑的重要功能。同时对减少刀具磨损，提高加工效率和加工精度也非常重要。不同种类的切削液对减少工件、刀具、切屑之间的摩擦力效果是不同的。油性越强的切削液越有利于减小工件、刀具、切屑之间的摩擦力，对减小切削振动越有利。

（5）提高加工孔（工件）和刀具旋转轴线的同轴度。要提高加工孔（工件）和刀具旋转轴线的同轴度，最主要的方法是要提高机床夹持的旋转工件和刀具的同轴度精度。不同轴度误差对工件固定刀具旋转和刀具固定工件旋转两种方式的影响是不一样的。如果两条轴线有不同轴度误差，对工件固定刀具旋转这种加工方式，加工孔（工件） 轴线和刀具的旋转轴线不同心引起的振动这种问题几乎没有影响；而对刀具固定工件旋转，则会造成加工孔（工件） 轴线和刀具的旋转轴线不同心引起的振动。

4 结语

在深孔钻床和钻具的研制过程中，通过分析研究，反复实践，并通过采用专用深孔钻刀片，将表面活性剂切削液换成机械油润滑剂，最后又将钻杆由20钢管换成内径60的20CrMn钢管，其屈服强度（σ0.2/Mpa）提高了（235提高到930）近四倍。通过这些改进之后，钻孔加工的振动现象明显减小，满足了使用要求。

参考文献

[1] 席卫峰.亚干式深孔加工切削机理研究[D].机械制造及其自动化，2010.

[2] 屈维德.机械工程手册[M].机械工业出版社，1982.

[3] 廖结安.亚干式深孔加工切削机理研究 [J].机械设计与制造，2010（12）.

[4] 武文革.金属切削原理与刀具[M].国防工业出版社，2009.

[5] 吴宗泽.机械设计师手册[M].下册机械工业出版社，2003.endprint

一是摩擦力不均匀引起的振动。

由于刀具、导向块和工件之间摩擦力变化引起的振动。当钻头进行钻削时，被切削材料受到刀具的切削，刀刃各处产生的压力也各不相同，而导致几个刀片受到的摩擦力不同，导向块和已加工表面的摩擦力也是不对称的。这些不对称的力都作用在钻头上，会使钻具受到一个脉动变化的力的作用。这个力会和切削力一起作用而产生振动。

二是钻杆弹性变形引起的振动。

切削过程中，刀片和被切削材料接触后，刀片将受材料的阻力和摩擦力的共同作用而处于一个瞬时的停止，切削刃处的材料当受力达到材料的极限强度值时，导向块和刀片处的摩擦力也处于了最大值，这时的钻杆承受了最大的扭矩。由于钻杆比较细长（长径比大于10∶1），所以钻杆会在最大扭矩作用下发生扭转弹性变形。当在继续加力时，被切削的材料受力将突破极限强度值而被切开。在材料被切开的一瞬间，静摩擦力变成了动摩擦力，切削力也会随着切削速度的增加而减小[4]。钻杆中储存的能量快速放出，形成一个超过钻孔旋转速度的速度。这一速度将随着钻杆弹性力的释放而逐渐减小到速度为零。再开始新一周期的：静止一启动一加速一减速一静止的循环运动过程。在这种力的交替变化中，钻具发生振动。

这一过程可以用计算和实践来证明。一次成型钻削直径120孔，钻杆外径115，钻杆内孔65，钻杆长2000，钻削速度240 rpm，切削量0.05 mm/r，加工材料34CrNi1Mo。

钻孔切削扭矩（简易计算）：

M = Cm .Dxm.Sym.Km [4]

式中：M — 钻孔切削扭矩

Cm — 钻孔切削系数，Cm = 345

D — 钻孔直径 ， D = 120

xm — 钻孔直径系数， xm = 2

S — 进给量 ， S = 0.05

ym — 钻孔进给系数， ym = 0.8

Km — 修正系数，

Km = （σb/750）0.75 =（813/750） 0.75 = 1.06

∴钻孔切削扭矩

M = Cm .Dxm.Sym.Km =345×1202×0.050.8×1.06

= 479361（N.mm）

在这样大的扭矩下，可以产生多大的扭转角？

扭转角 φ=（5.84×108）M / {G（d4-d4）L} [5]

式中：φ — 扭转角

G — 材料切变模量， G = 8.1×104

d — 钻杆外径， d = 115

do — 钻杆内径，do = 65

L — 钻杆长度。 L = 2000

∴φ= （5.84×108）M / {G（d4-d4）L}

= （5.84×108）479361 / {8.1×104

（1154-654）2000}

= 0.096 （度）

钻头的扭转量 Δ= tgφ×2000 = 3.4 mm

从钻孔的端面振纹看，振纹间距约4 mm，这和计算的振动量基本相同。

三是材料切削振纹引起的振动。

在深孔钻头中各齿切削宽度之间有一定的重合量，切削刃会有一部分重复切削前一次或前一个切削刃切削过的表面。如果由于某种原因在已加工表面上残留有振纹，则当刀具再一次切削这些表面时，切削厚度就会发生变化。切削厚度的变化引起切削力波动，又激起刀具与工件的相对振动，使系统产生振动位移，并再次残留下振纹。如此重复循环。

四是加工孔（工件） 轴线和刀具的旋转轴线不同心引起的振动（工件旋转）。

用深孔钻钻头直接定位钻孔时，加工孔（工件） 轴线和刀具转轴线很难不出现偏心现象，都会有一定的不同轴度误差，由于这个误差的存在，就会在工件旋转的深孔加工过程中出现和旋转速度相同周期的振动现象。

3 深孔加工中振动的消除方法

深孔加工中消除振动的方法主要有以下几个方面：

（1）加强机床刚度。机床刚度的影响主要体现在机床上各部件之间的连接上，床身等部件的刚度和钻杆相比要大很多。所以，只要把机床各部件之间的连接间隙消除并连接紧密，深孔加工中机床的刚度的影响就很小。

（2）增强钻杆的刚度。钻杆刚度不足是深孔加工中振动的主要原因。深孔钻杆外径是一定的，不能有多少改变。要增强钻杆刚度，只有尽量减小内孔直径，选用更高强度的材料和采用合理的热处理方法。

（3）改善刀具切削角度。增大前角可以减小切削力，但是增大了前角同时又会降低了刀具强度和散热条件。在考虑切削角度的同时，合适的断屑槽对顺利排屑非常重要。现在深孔加工刀片已有专用产品，可以根据加工材料进行选用。

（4）改善刀具润滑条件。切削液在钻削加工中，具有降低切削区温度，排出切屑的重要功能。同时对减少刀具磨损，提高加工效率和加工精度也非常重要。不同种类的切削液对减少工件、刀具、切屑之间的摩擦力效果是不同的。油性越强的切削液越有利于减小工件、刀具、切屑之间的摩擦力，对减小切削振动越有利。

（5）提高加工孔（工件）和刀具旋转轴线的同轴度。要提高加工孔（工件）和刀具旋转轴线的同轴度，最主要的方法是要提高机床夹持的旋转工件和刀具的同轴度精度。不同轴度误差对工件固定刀具旋转和刀具固定工件旋转两种方式的影响是不一样的。如果两条轴线有不同轴度误差，对工件固定刀具旋转这种加工方式，加工孔（工件） 轴线和刀具的旋转轴线不同心引起的振动这种问题几乎没有影响；而对刀具固定工件旋转，则会造成加工孔（工件） 轴线和刀具的旋转轴线不同心引起的振动。

4 结语

在深孔钻床和钻具的研制过程中，通过分析研究，反复实践，并通过采用专用深孔钻刀片，将表面活性剂切削液换成机械油润滑剂，最后又将钻杆由20钢管换成内径60的20CrMn钢管，其屈服强度（σ0.2/Mpa）提高了（235提高到930）近四倍。通过这些改进之后，钻孔加工的振动现象明显减小，满足了使用要求。

参考文献

[1] 席卫峰.亚干式深孔加工切削机理研究[D].机械制造及其自动化，2010.

[2] 屈维德.机械工程手册[M].机械工业出版社，1982.

[3] 廖结安.亚干式深孔加工切削机理研究 [J].机械设计与制造，2010（12）.

[4] 武文革.金属切削原理与刀具[M].国防工业出版社，2009.

[5] 吴宗泽.机械设计师手册[M].下册机械工业出版社，2003.endprint