CN114749700A - 一种针对非导磁材料枪钻加工直线度误差磁力辅助控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深孔枪钻加工直线度误差预测与控制方法，属于深孔枪钻加工的磁纠偏领域，一种深孔枪钻加工直线度误差预测与控制方法，包括以下步骤，以欧拉－伯努利梁为理论基础，通过“影响因素→钻头挠度→直线度误差”之间的映射关系对钻杆上任一点建立基于钻削力、中间支撑、中间支撑间距、进给量以及其他的弯矩模型；建立直线度误差预测模型，根据模型所对应的边界条件，对弯矩模型求解，它可以实现，提供一种深孔枪钻加工直线度误差预测与控制方法，进而对直线度误差进行主动控制。

Description

一种针对非导磁材料枪钻加工直线度误差磁力辅助控制方法

技术领域

本发明涉及深孔枪钻加工的磁纠偏领域，更具体地说，涉及一种深孔枪钻加工直线度误差预测与控制方法。

背景技术

机械制造业中，深孔被定义为孔深与孔径比超过十的孔，且需求量约占整个市场的三分之一。孔加工作为装备制造业的一个重要分支，使得深孔在精度、小批量、多样化、难加工材料等方面面临着重大挑战。制造业越发展，孔加工的优势越在航空、汽车、武器、医疗、船舶等行业中体现出来，特别是一些难加工材料的孔加工，需求越来越高，如发动机中各类长油道孔、飞机中的各类舱门轴导轨孔等。

机械零件越复杂，产品越多样化，零件对深孔加工的要求就越高。而枪钻加工是实现小直径长深孔加工的理想解决方案，采用枪钻可以获得精密的加工效果，加工出来的孔位置精度、直线度、同轴度高，并且有很高的表面光洁度和重复性，能够方便地加工各种形式的深孔，对于特殊深孔，比如交叉孔、盲孔及平底盲孔等也能很好地解决。枪钻钻杆属于典型的细长杆类工具，相对刚度较弱，即长钻杆的动力学特性会影响钻削过程，如：钻杆的辅助支撑、冷却液的流速、刀头所受的切削力、扭矩、转速等，使得钻杆在加工过程中很容易出现弯曲变形，致使孔轴线偏斜，产生孔直线度加工误差，且随着加工孔的深度的增加而增大。因此，有效的解决枪钻深孔加工直线度误差问题极为重要，是保证深孔加工精度的关键。为了突破传统研究中的直线度误差“内减少”工艺(工艺参数和刀具角度优化等减少直线度误差)的局限，提出基于“磁力辅助”的“外纠偏”工艺方法。

与此，在其他大直径深孔加工(BTA)领域，国内外学者提出了直线度误差“外纠偏”的主动控制工艺方法，如：1)Biermannn等人提出深孔加工中直线度误差研究的关键在于如何控制加工中钻头的轴向挠度；2)Bleicher等人在BTA深孔加工中，采用可调节偏心导向套来控制刀具的轨迹；3)Biermannn 和Iovkov在BTA加工中，通过局部感应加热和有限元法，实现了直线度的修正。因此，新的直线度误差主动控制工艺的研究势在必行，而且新的“外纠偏”工艺在大直径深孔加工(BTA)中的研究又为其在枪钻中的研究提供了理论的可行性。即本发明拟在长深孔枪钻加工直线度误差产生机理与理论模型的研究基础上，提出开展基于“磁力辅助”的“外纠偏”主动控制技术

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种深孔枪钻加工直线度误差预测与控制方法，它可以实现，提供一种深孔枪钻加工直线度误差预测与控制方法，进而对直线度误差进行主动控制。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种深孔枪钻加工直线度误差预测与控制方法，包括以下步骤：

(1)以欧拉－伯努利梁为理论基础，通过“影响因素→钻头挠度→直线度误差”之间的映射关系对钻杆上任一点建立基于钻削力、中间支撑、中间支撑间距、进给量以及其他的弯矩模型，建立直线度误差预测模型，根据模型所对应的边界条件，对弯矩模型求解；

(2)基于毕奥－萨伐尔理论，建立“磁力辅助”外纠偏主动控制模型，利用外部磁场对枪钻钻头施加单向辅助作用力，从而控制钻头的挠度，根据直线度误差理论模型，确定“磁力辅助”外纠偏主动控制模型所需力的大小和方向，实现直线度误差的主动控制；

(3)针对枪钻加工有限元仿真和试验，设置不同工艺参数，并借助MATLAB 对弯矩模型进行求解，建立基于不同参数下的直线度误差曲线图；通过磁场仿真和钻头受力仿真和试验，研究结构工件的“磁力辅助工艺参数→钻头受力”的映射关系；结合直线度误差理论模型，研究“钻头受力→钻头轴向挠度→直线度误差”的映射关系，实现不同工况下辅助工艺参数的优选；并通过外纠偏后孔的直线度的实测值与理论结果的比较，验证磁力辅助模型的综合可靠性，即可实现对直线度偏差的有效控制。

进一步的，在步骤(1)中建立弯矩模型，并根据边界条件对弯矩模型求解，具体包括以下步骤：

将直线度误差预测模型分为中间单支撑误差预测模型和中间多支撑误差预测模型：中间单支撑有两个阶段的深孔加工过程，中间多支撑有三个阶段的深孔加工过程，模型及结果如下：

(a1)中间单支撑直线度误差预测模型及结果：

弯矩模型：

其中，R为中间支撑的支撑反力；l₁为主轴到中间支撑的距离；E为枪钻的杨氏模量；I为钻轴的横截面惯性矩；P为钻头所收到的轴向力；F为钻头所受到的径向反力；δ_b为导向套的偏差；L为钻杆的总长度；

简化单支撑第一弯矩模型M_1-1、第二弯矩模型M_1-2，并根据边界约束条件求解U₁、V₁、U₂、V₂、F、R：

即钻头与轴线间的直线度偏差值e_n经过n次迭代可表示为：e_n＝e_n-1+i_n-1Δx；

其中，δ_s为中间支撑的偏差；

(a2)中间多支撑直线度误差预测模型及结果：

弯矩模型：

其中，为第一支撑产生的支撑力；为第二支撑产生的支撑力；为第三支撑产生的支撑力；为主轴到第一支撑的轴向距离；为主轴到第二支撑的轴向距离；为主轴到第三支撑的直线距离；

简化多支撑第一阶段第一弯矩模型M_1-1、第二弯矩模型M_1-2、第三弯矩模型M_1-3、第四弯矩模型M_1-4，并根据边界约束条件求解 U₁、V₁、U₂、V₂、U₃、V₃、U₄、V₄、F₁、F₂、F₃、F：

即钻头与轴线间的直线度偏差值e_n经过n次迭代可表示为：e_n＝e_n-1+i_n-1Δx；

其中，δ₁为中间第一支撑偏差；

δ₂为中间第二支撑偏差；

δ₃为中间第三支撑偏差；

进一步的，在步骤(2)中建立“外纠偏”直线误差主动控制模型，具体包括以下步骤：

通过对枪钻加工钻杆弯曲的变形情况和直线度误差弯矩模型的分析，确定钻头的轴向挠度变化所需施加的磁场力F_f大小和方向。

(b1)基于毕奥－萨伐尔理论，建立“磁力辅助”外纠偏工艺控制模型；钻头所受挠度是指受弯构件在竖直方向上的位移，即由挠度计算公式

和由深孔枪钻加工直线度误差理论预测模型可知孔直线度偏差e_n得：M(x)＝EIe_n

即磁力辅助纠偏所需要的力

磁力辅助纠偏所需要的磁感应强度为：

电流元在空间产生的磁场为：

即磁场装置中所需要的电流为：

其中，F_f为磁力辅助纠偏所需要的力；L_f为磁力装置到钻头所产生M(x) 的距离；E为钻头(硬质合金)的杨氏模量；I为钻头的横截面惯性矩；I_f为电流；B为磁感应强度；L₁为电流流入点到电流流出点间的距离；μ₀为磁导率； r为电流元到空间一点的矢径；

(b2)根据现有枪钻研究可知，枪钻加工后钻头位于轴线上方，即可确定所需磁力F_f的方向。

进一步的，在步骤(3)中实现工艺参数的优选和直线度偏差的有效控制，具体包括以下步骤：

(c1)借助MATLAB建立直线度误差曲线图，分析各因素对直线度误差的影响；

针对小直径长深孔直线度误差理论模型，设定输入参数，借助MATLAB软件求解直线度误差理论模型，提取各影响因素的直线度误差曲线图；应用直线度误差曲线图分析各因素对直线度误差的影响规律，在此基础上，选取较为合适的参数，即为“磁力辅助”研究奠定了基础。

(c2)根据权利要求3所述的“外纠偏”所需磁力的大小和方向，建立磁力辅助仿真试验；

借助直线度误差理论模型和MATLAB软件提取合适的枪钻加工工艺参数，研究“磁力辅助工艺参数→钻头受力→钻头轴向挠度→直线度误差”的映射关系；通过直线度误差理论模型和“磁力辅助”主动控制模型仿真确定磁力磁力装置的工艺参数；根据枪钻加工工艺参数建立磁力仿真试验，在此基础上，可以通过改变相关参数(电流、磁感应强度、磁力装置与钻头之间距离、磁力装置移动速度等)达到控制直线度误差的目的。

(c3)验证“磁力辅助”外纠偏工艺控制模型的可靠性：

通过外纠偏后工件孔的直线度误差实测值与仿真结果的比照，验证“磁力辅助”外纠偏工艺控制模型的可靠性；若误差较大，即对“磁力辅助”工艺模型的参数进行修正，实现工艺参数的优选。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)基于毕奥－萨伐尔理论，建立“磁力辅助”外纠偏工艺控制模型；利用外部磁场对枪钻钻头施加单向辅助作用力，从而控制钻头的轴向挠度，实现直线度误差的主动控制。通过磁场仿真和钻头受力试验，研究典型结构工件的“磁力辅助工艺参数→钻头受力”的映射关系；结合直线度误差理论模型，研究“钻头受力→钻头轴向挠度→直线度误差”的映射关系，建立“磁力辅助”外纠偏模型，通过仿真和加工试验，实现不同工况下磁力辅助工艺参数的优选，进而实现直线度误差的主动控制。

附图说明

图1为本发明的磁力F_f方向示意图；

图2为本发明的工艺流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

请参阅图1-2，一种深孔枪钻加工直线度误差预测与控制方法，包括以下步骤：

(1)以欧拉－伯努利梁为理论基础，通过“影响因素→钻头挠度→直线度误差”之间的映射关系对钻杆上任一点建立基于钻削力、中间支撑、中间支撑间距、进给量以及其他的弯矩模型，建立直线度误差预测模型，根据模型所对应的边界条件，对弯矩模型求解；

(2)基于毕奥－萨伐尔理论，建立“磁力辅助”外纠偏主动控制模型，利用外部磁场对枪钻钻头施加单向辅助作用力，从而控制钻头的挠度，根据直线度误差理论模型，确定“磁力辅助”外纠偏主动控制模型所需力的大小和方向，实现直线度误差的主动控制；

(3)针对枪钻加工有限元仿真和试验，设置不同工艺参数，并借助MATLAB 对弯矩模型进行求解，建立基于不同参数下的直线度误差曲线图；通过磁场仿真和钻头受力仿真和试验，研究结构工件的“磁力辅助工艺参数→钻头受力”的映射关系；结合直线度误差理论模型，研究“钻头受力→钻头轴向挠度→直线度误差”的映射关系，实现不同工况下辅助工艺参数的优选；并通过外纠偏后孔的直线度的实测值与理论结果的比较，验证磁力辅助模型的综合可靠性，即可实现对直线度偏差的有效控制。

优选的，在步骤(1)中建立弯矩模型，并根据边界条件对弯矩模型求解，具体包括以下步骤：

将直线度误差预测模型分为中间单支撑误差预测模型和中间多支撑误差预测模型：中间单支撑有两个阶段的深孔加工过程，中间多支撑有三个阶段的深孔加工过程，模型及结果如下：

(a1)中间单支撑直线度误差预测模型及结果：

弯矩模型：

其中，R为中间支撑的支撑反力；l₁为主轴到中间支撑的距离；E为枪钻的杨氏模量；I为钻轴的横截面惯性矩；P为钻头所收到的轴向力；F为钻头所受到的径向反力；δ_b为导向套的偏差；L为钻杆的总长度；

简化单支撑第一弯矩模型M_1-1、第二弯矩模型M_1-2，并根据边界约束条件求解U₁、V₁、U₂、V₂、F、R：

即钻头与轴线间的直线度偏差值e_n经过n次迭代可表示为：e_n＝e_n-1+i_n-1Δx；

其中，δ_s为中间支撑的偏差；

(a2)中间多支撑直线度误差预测模型及结果：

弯矩模型：

其中，为第一支撑产生的支撑力；为第二支撑产生的支撑力；为第三支撑产生的支撑力；为主轴到第一支撑的轴向距离；为主轴到第二支撑的轴向距离；为主轴到第三支撑的直线距离；

简化多支撑第一阶段第一弯矩模型M_1-1、第二弯矩模型M_1-2、第三弯矩模型M_1-3、第四弯矩模型M_1-4，并根据边界约束条件求解 U₁、V₁、U₂、V₂、U₃、V₃、U₄、V₄、F₁、F₂、F₃、F：

即钻头与轴线间的直线度偏差值e_n经过n次迭代可表示为：e_n＝e_n-1+i_n-1Δx；

其中，δ₁为中间第一支撑偏差；

δ₂为中间第二支撑偏差；

δ₃为中间第三支撑偏差；

优选的，在步骤(2)中建立“外纠偏”直线误差主动控制模型，具体包括以下步骤：

通过对枪钻加工钻杆弯曲的变形情况和直线度误差弯矩模型的分析，确定钻头的轴向挠度变化所需施加的磁场力F_f大小和方向。

(b1)基于毕奥－萨伐尔理论，建立“磁力辅助”外纠偏工艺控制模型；钻头所受挠度是指受弯构件在竖直方向上的位移，即由挠度计算公式

和由深孔枪钻加工直线度误差理论预测模型可知孔直线度偏差e_n得：M(x)＝EIe_n

即磁力辅助纠偏所需要的力

磁力辅助纠偏所需要的磁感应强度为：

电流元在空间产生的磁场为：

即磁场装置中所需要的电流为：

其中，F_f为磁力辅助纠偏所需要的力；L_f为磁力装置到钻头所产生M(x) 的距离；E为钻头(硬质合金)的杨氏模量；I为钻头的横截面惯性矩；I_f为电流；B为磁感应强度；L₁为电流流入点到电流流出点间的距离；μ₀为磁导率； r为电流元到空间一点的矢径；

(b2)根据现有枪钻研究可知，枪钻加工后钻头位于轴线上方，即可确定所需磁力F_f的方向，如图1。

优选的，在步骤(3)中实现工艺参数的优选和直线度偏差的有效控制，具体包括以下步骤：

(c1)借助MATLAB建立直线度误差曲线图，分析各因素对直线度误差的影响；

针对小直径长深孔直线度误差理论模型，设定输入参数，借助MATLAB软件求解直线度误差理论模型，提取各影响因素的直线度误差曲线图；应用直线度误差曲线图分析各因素对直线度误差的影响规律，在此基础上，选取较为合适的参数，即为“磁力辅助”研究奠定了基础。

(c2)根据权利要求3所述的“外纠偏”所需磁力的大小和方向，建立磁力辅助仿真试验；

借助直线度误差理论模型和MATLAB软件提取合适的枪钻加工工艺参数，研究“磁力辅助工艺参数→钻头受力→钻头轴向挠度→直线度误差”的映射关系；通过直线度误差理论模型和“磁力辅助”主动控制模型仿真确定磁力磁力装置的工艺参数；根据枪钻加工工艺参数建立磁力仿真试验，在此基础上，可以通过改变相关参数(电流、磁感应强度、磁力装置与钻头之间距离、磁力装置移动速度等)达到控制直线度误差的目的。

(c3)验证“磁力辅助”外纠偏工艺控制模型的可靠性：

通过外纠偏后工件孔的直线度误差实测值与仿真结果的比照，验证“磁力辅助”外纠偏工艺控制模型的可靠性；若误差较大，即对“磁力辅助”工艺模型的参数进行修正，实现工艺参数的优选。

工作原理：首先基于毕奥－萨伐尔理论，建立“磁力辅助”外纠偏工艺控制模型，然后利用外部磁场对枪钻钻头施加单向辅助作用力，从而控制钻头的轴向挠度，实现直线度误差的主动控制。

再通过磁场仿真和钻头受力试验，研究典型结构工件的“磁力辅助工艺参数→钻头受力”的映射关系，接着结合直线度误差理论模型，研究“钻头受力→钻头轴向挠度→直线度误差”的映射关系，建立“磁力辅助”外纠偏模型，通过仿真和加工试验，实现不同工况下磁力辅助工艺参数的优选，进而实现直线度误差的主动控制。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种深孔枪钻加工直线度误差预测与控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)以欧拉－伯努利梁为理论基础，通过“影响因素→钻头挠度→直线度误差”之间的映射关系对钻杆上任一点建立基于钻削力、中间支撑、中间支撑间距、进给量以及其他的弯矩模型，建立直线度误差预测模型，根据模型所对应的边界条件，对弯矩模型求解；

(2)基于毕奥－萨伐尔理论，建立“磁力辅助”外纠偏主动控制模型，利用外部磁场对枪钻钻头施加单向辅助作用力，从而控制钻头的挠度，根据直线度误差理论模型，确定“磁力辅助”外纠偏主动控制模型所需力的大小和方向，实现直线度误差的主动控制；

(3)针对枪钻加工有限元仿真和试验，设置不同工艺参数，并借助MATLAB对弯矩模型进行求解，建立基于不同参数下的直线度误差曲线图；通过磁场仿真和钻头受力仿真和试验，研究结构工件的“磁力辅助工艺参数→钻头受力”的映射关系；结合直线度误差理论模型，研究“钻头受力→钻头轴向挠度→直线度误差”的映射关系，实现不同工况下辅助工艺参数的优选；并通过外纠偏后孔的直线度的实测值与理论结果的比较，验证磁力辅助模型的综合可靠性，即可实现对直线度偏差的有效控制。

2.根据权利要求1所述的一种深孔枪钻加工直线度误差预测与控制方法，其特征在于：在步骤(1)中建立弯矩模型，并根据边界条件对弯矩模型求解，具体包括以下步骤：

将直线度误差预测模型分为中间单支撑误差预测模型和中间多支撑误差预测模型：中间单支撑有两个阶段的深孔加工过程，中间多支撑有三个阶段的深孔加工过程，模型及结果如下：

(a1)中间单支撑直线度误差预测模型及结果：

弯矩模型：

其中，R为中间支撑的支撑反力；l₁为主轴到中间支撑的距离；E为枪钻的杨氏模量；I为钻轴的横截面惯性矩；P为钻头所收到的轴向力；F为钻头所受到的径向反力；δ_b为导向套的偏差；L为钻杆的总长度；

简化单支撑第一弯矩模型M_1-1、第二弯矩模型M_1-2，并根据边界约束条件求解U₁、V₁、U₂、V₂、F、R：

即钻头与轴线间的直线度偏差值e_n经过n次迭代可表示为：e_n＝e_n-1+i_n-1Δx；

其中，δ_s为中间支撑的偏差；

(a2)中间多支撑直线度误差预测模型及结果：

弯矩模型：

其中，为第一支撑产生的支撑力；为第二支撑产生的支撑力；为第三支撑产生的支撑力；为主轴到第一支撑的轴向距离；为主轴到第二支撑的轴向距离；为主轴到第三支撑的直线距离；

简化多支撑第一阶段第一弯矩模型M_1-1、第二弯矩模型M_1-2、第三弯矩模型M_1-3、第四弯矩模型M_1-4，并根据边界约束条件求解U₁、V₁、U₂、V₂、U₃、V₃、U₄、V₄、F₁、F₂、F₃、F：

即钻头与轴线间的直线度偏差值e_n经过n次迭代可表示为：e_n＝e_n-1+i_n-1Δx；

其中，δ₁为中间第一支撑偏差；

δ₂为中间第二支撑偏差；

δ₃为中间第三支撑偏差；

3.根据权利要求1所述的一种深孔枪钻加工直线度误差预测与控制方法，其特征在于：在步骤(2)中建立“外纠偏”直线误差主动控制模型，具体包括以下步骤：

通过对枪钻加工钻杆弯曲的变形情况和直线度误差弯矩模型的分析，确定钻头的轴向挠度变化所需施加的磁场力F_f大小和方向。

(b1)基于毕奥－萨伐尔理论，建立“磁力辅助”外纠偏工艺控制模型；

钻头所受挠度是指受弯构件在竖直方向上的位移，即由挠度计算公式

和由深孔枪钻加工直线度误差理论预测模型可知孔直线度偏差e_n得：M(x)＝EIe_n

即磁力辅助纠偏所需要的力

磁力辅助纠偏所需要的磁感应强度为：

电流元在空间产生的磁场为：

即磁场装置中所需要的电流为：

其中，F_f为磁力辅助纠偏所需要的力；L_f为磁力装置到钻头所产生M(x)的距离；E为钻头(硬质合金)的杨氏模量；I为钻头的横截面惯性矩；I_f为电流；B为磁感应强度；L₁为电流流入点到电流流出点间的距离；μ₀为磁导率；r为电流元到空间一点的矢径；

(b2)根据现有枪钻研究可知，枪钻加工后钻头位于轴线上方，即可确定所需磁力F_f的方向，如图1。

4.根据权利要求1所述的一种深孔枪钻加工直线度误差预测与控制方法，其特征在于：在步骤(3)中实现工艺参数的优选和直线度偏差的有效控制，具体包括以下步骤：

(c1)借助MATLAB建立直线度误差曲线图，分析各因素对直线度误差的影响；

针对小直径长深孔直线度误差理论模型，设定输入参数，借助MATLAB软件求解直线度误差理论模型，提取各影响因素的直线度误差曲线图；应用直线度误差曲线图分析各因素对直线度误差的影响规律，在此基础上，选取较为合适的参数，即为“磁力辅助”研究奠定了基础。

(c2)根据权利要求3所述的“外纠偏”所需磁力的大小和方向，建立磁力辅助仿真试验；

借助直线度误差理论模型和MATLAB软件提取合适的枪钻加工工艺参数，研究“磁力辅助工艺参数→钻头受力→钻头轴向挠度→直线度误差”的映射关系；通过直线度误差理论模型和“磁力辅助”主动控制模型仿真确定磁力磁力装置的工艺参数；根据枪钻加工工艺参数建立磁力仿真试验，在此基础上，可以通过改变相关参数(电流、磁感应强度、磁力装置与钻头之间距离、磁力装置移动速度等)达到控制直线度误差的目的。

(c3)验证“磁力辅助”外纠偏工艺控制模型的可靠性：

通过外纠偏后工件孔的直线度误差实测值与仿真结果的比照，验证“磁力辅助”外纠偏工艺控制模型的可靠性；若误差较大，即对“磁力辅助”工艺模型的参数进行修正，实现工艺参数的优选。

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