Revisione della ricerca e trend di sviluppo della tecnologia di lavorazione dei fori profondi
La tecnologia di lavorazione dei fori profondi è stata applicata per la prima volta nel campo della produzione militare, utilizzata principalmente per lavorare il foro interno delle canne e dei tubi dei fucili. Con lo sviluppo dell'economia nazionale e l'innovazione scientifica e tecnologica, la promozione dell'applicazione della tecnologia è sempre più ampia, coinvolgendo quasi tutta l'industria manifatturiera dei macchinari, concentrandosi sull'applicazione delle industrie ad alta tecnologia, in particolare nel settore manifatturiero aerospaziale. Il campo coinvolge contenuti di elaborazione di fori sempre più profondi, la difficoltà tecnica è sempre più elevata, come i fori di misurazione della temperatura dello stampo dell'ala dei missili, tutti i tipi di aeromobili sul foro interno del cilindro dell'attuatore e così via. Ciò ha creato un moderno processo multisettoriale di lavorazione di fori profondi e le sue esigenze tecnologiche chiave urgenti della situazione, per questo motivo, lo sviluppo approfondito della nuova tecnologia di lavorazione di fori profondi e la ricerca e l'innovazione dei suoi dispositivi, lo sviluppo dell'economia nazionale e la costruzione della difesa nazionale avrà sicuramente un impatto significativo.
Nella produzione meccanica, la lavorazione dei fori può essere suddivisa in due categorie: lavorazione di fori poco profondi e lavorazione di fori profondi, il rapporto generale lunghezza/diametro L/D <5 (L è la profondità del foro, D è il diametro del foro ) del foro è noto come foro poco profondo, i fori L/D>50 sono noti come fori profondi, i fori L/D>100 sono noti come fori ultraprofondi. Come tutti sappiamo, la lavorazione di fori profondi è un ramo importante nel campo della lavorazione meccanica e, allo stesso tempo, anche la teoria dinamica della lavorazione di fori profondi è un argomento importante nella ricerca sulla lavorazione, che è stata approfonditamente studiata dagli studiosi in molti paesi.
Questo documento riassume lo stato di sviluppo della tecnologia di lavorazione di fori profondi dal comportamento meccanico dell'asta di perforazione, processo di lavorazione di fori profondi, monitoraggio della perforazione di fori profondi e quindi introduce lo stato di sviluppo delle macchine utensili per la lavorazione di fori profondi, sottolinea i problemi tecnici esistenti in loro, e attende con impazienza la futura tendenza di sviluppo.
Stato di sviluppo della tecnologia di lavorazione dei fori profondi
La prima tecnologia di lavorazione dei fori profondi è apparsa nell'industria militare nella lavorazione di canne di fucili e canne di armi, e poi con il progresso della scienza e della tecnologia e lo sviluppo della società, è apparsa una varietà di nuove tecnologie di lavorazione dei fori profondi. Si tratta della perforazione con pistola (Figura 1 (a)), perforazione BTA (Figura 1 (b)), perforazione con aspirazione a spruzzo (Figura 1 (c)) e sistema di perforazione DF (Figura 1 (d)).
Il sistema di perforazione a cannone viene utilizzato principalmente per la lavorazione di fori di piccolo diametro (φ2~ф30 mm), che è il metodo di lavorazione di foratura profonda più comune, adatto per la produzione di massa di piccole e medie dimensioni.
Il sistema di foratura BTA viene utilizzato principalmente per la foratura profonda di diametro ф>12 mm, che è la prima scelta per la lavorazione continua di fori profondi in grandi quantità e ad alto carico.
Il sistema di foratura ad aspirazione è un metodo altamente efficiente per la lavorazione di fori profondi, ma il diametro dei fori lavorati non può essere inferiore a 18 mm.
Il sistema di foratura DF combina i vantaggi del sistema di foratura BTA e del sistema di foratura ad aspirazione, offrendo una gamma più ampia di diametri di foratura (fino a φ6 mm) e una migliore precisione ed efficienza della lavorazione.
1. Comportamento meccanico dell'asta di perforazione
Il Prof. Jihua Qin della National Chiao Tung University, Taiwan, ha utilizzato il principio di Hamilton per derivare le equazioni del moto delle aste di perforazione di fori profondi basate sui modelli di travi di Timoshenko e Eulero-Bernoulli, tenendo conto degli effetti del fluido da taglio e della pressione assiale nel fluido e aggiunta eccitazione casuale in due modi diversi con aste di perforazione rotanti e non rotanti per studiare il comportamento dinamico delle aste, che è una delle ricerche leader a livello mondiale sulla dinamica delle aste di perforazione. Le caratteristiche dinamiche dell'asta di perforazione sono state studiate aggiungendo eccitazione casuale in diversi modi di aste di perforazione rotanti e non rotanti, che rappresenta una posizione di leadership nella ricerca sulla dinamica delle aste di perforazione.
FUJJ ed EMA ecc. hanno osservato il comportamento del vortice del sistema di aste di perforazione durante la perforazione di fori profondi e hanno sottolineato che questo comportamento del vortice è una sorta di vibrazione autoeccitata causata dalla forza di taglio e dall'attrito.
BAYLY et al. IV ha confrontato l'analisi teorica con i risultati sperimentali per analizzare la vibrazione torsionale del sistema di aste di perforazione, ha esaminato in dettaglio l'intervallo di distribuzione della frequenza di vibrazione dell'utensile nonché il criterio di stabilità e ha sottolineato che esistono evidenti caratteristiche non lineari del trapano sistema di tubi durante la lavorazione di fori profondi.
Il modello dinamico non lineare del sistema di foratura per la lavorazione di fori profondi è stato stabilito per la prima volta da KOVAC-IC e le vibrazioni dell'utensile sono state analizzate teoricamente utilizzando diversi angoli frontali, angoli di taglio e avanzamenti dell'utensile.
2. Ricerca sul processo di lavorazione dei fori profondi
In termini di processo di lavorazione di fori profondi, Jun Wang della North Central University ha inventato la tecnologia SIED (Single-tube Inner Chip-removal Ejector Drilling) negli anni '1980, che risolve il problema che la perforazione di fori profondi con rimozione interna dei trucioli non può eseguire fori profondi di piccolo diametro e migliora il design del contenitore dei trucioli per la perforazione DF. Il design del contenitore dei trucioli della foratura DF è stato migliorato e la parte tagliente della punta non è dotata di rompitruciolo, il che rende comoda la riaffilatura dell'utensile e buone le prestazioni di lavorazione.
Peng Hai e Zhang Min della Xi'an Petroleum University, Shi Zhihui della Dalian Jiaotong University e BTASDELENB2, Arup Kuar NANDI, R HEINEMANN9 di paesi stranieri hanno discusso della tecnologia di lavorazione ecologica (lavorazione a secco o quasi a secco di fori profondi) di fori in lavorazione.
Con la divulgazione e l'applicazione di varie punte per fori profondi in vari settori, Giappone, Germania, Svezia, Stati Uniti e altri paesi sono in prima linea nella tecnologia di lavorazione dei fori profondi.
La ATI Stellram Cutting Tool Company degli Stati Uniti è specializzata nello sviluppo di utensili da taglio per materiali difficili da lavorare, lo sviluppo di materiali per utensili da taglio nel campo dei materiali difficili da lavorare a livello internazionale è in prima linea.
L'azienda svedese Sandvik-Cotomant ha una serie completa di forature profonde BTA con diametro superiore a 3 mm e il suo strumento di smorzamento delle vibrazioni è anche ai massimi livelli a livello mondiale.
Le specifiche del trapano a cannone dell'azienda tedesca BOTEK sono state standardizzate a φ0.9 ~ φ50 mm.
3. Ricerca sul monitoraggio della perforazione di fori profondi
A causa dell'ampio rapporto d'aspetto della lavorazione di fori profondi e dello stato di lavorazione chiuso e semichiuso, si decide che il cambiamento dello stato dell'utensile nel processo di lavorazione di fori profondi non può essere osservato direttamente, quindi il monitoraggio della lavorazione di fori profondi Il processo di lavorazione con vari mezzi è diventato una direzione di ricerca sulla lavorazione di fori profondi.
Alcune istituzioni nazionali e organizzazioni di ricerca come l'Harbin Institute of Technology, l'Università della Tecnologia di Xi'an, l'Università Centrale del Nord, l'Istituto di Tecnologia di Pechino, l'Università di Jilin e l'Università della Scienza e della Tecnologia di Pechino hanno condotto alcune ricerche al riguardo.
Tra questi, Zhang Chao e Li Yan dell'Università della Tecnologia di Xi'an hanno utilizzato la trasformata wavelet ortogonale per scomporre e ricostruire i segnali di vibrazione di diversi stati dello strumento e hanno ottenuto i componenti ricostruiti dei segnali di vibrazione in diverse bande di frequenza.
Issam ABU-MAHFOUZ et al. negli Stati Uniti – ottenendo i segnali di vibrazione del processo di lavorazione e utilizzando una rete neurale feed-forward multistrato addestrata da un algoritmo all'indietro, sono riusciti a identificare cinque diversi stati di usura della punta del trapano.
Attualmente, nella tecnologia di misurazione della forza di perforazione profonda è in posizione di leadership internazionale i ricercatori dell'Università tedesca di Dortmund WEBBER, THEIS e RAABE, ecc. sono impegnati nello sviluppo della misurazione dell'elemento di forza con la misurazione della punta del trapano , con il quale è possibile misurare direttamente il componente di taglio, ma questo metodo è ancora in fase di test di laboratorio ed è costoso, la progettazione e la produzione del ciclo sono lunghe.
La perforatrice completamente automatica "Micro-ole" prodotta da Machida Iron Works in Giappone è dotata di "rilevatore di coppia" e "sistema di monitoraggio dell'usura della punta", una volta che la coppia applicata alla punta supera il valore di coppia preselezionato, la punta si essere inserito nel trapano. Una volta che la coppia applicata alla punta del trapano supera un valore di coppia preselezionato, il sistema di avanzamento interrompe l'avanzamento, riporta la punta del trapano nella posizione di rotazione e quindi riprende la perforazione fino alla lavorazione dell'intero microforo.
In sintesi, sebbene la tecnologia di lavorazione dei fori profondi abbia vissuto più di un secolo di sviluppo, il metodo di lavorazione è diventato sempre più maturo, ma per la lavorazione di fori profondi ultra-lunghi microfini, in teoria e in pratica non si è ancora formato un una serie di sistemi completi e maturi, in particolare per la perforazione del diametro di 200 mm entro un rapporto L/D di oltre XNUMX fori profondi ultra-lunghi microfini, è ancora un problema da risolvere.
Caratteristiche della tecnologia del processo di lavorazione di fori profondi CNC
La lavorazione delle parti di fori profondi è diversa dalla lavorazione generale dei fori, la lavorazione generale dei fori spesso utilizza il pezzo non fisso, lo strumento per l'avanzamento e il movimento rotatorio del modo di lavorazione; le parti con foro profondo vengono spesso utilizzate per ruotare l'avanzamento dell'utensile del pezzo in lavorazione per il movimento di stampaggio. Tuttavia, a causa della forma del pezzo: proprietà del materiale, vincoli ed esigenze del processo, ecc., la forma del movimento di foratura profonda è stata ampliata, generalmente nei seguenti tipi:.
(1) il pezzo ruota, l'utensile per il movimento di avanzamento.
(2) Il pezzo è fisso, l'utensile ruota ed esegue un movimento di avanzamento.
(3) la rotazione relativa del pezzo e dell'utensile, l'utensile per il movimento di avanzamento.
(4) il pezzo per la rotazione e il movimento di avanzamento, l'utensile non si muove.
La tecnologia di lavorazione dei fori profondi dopo un lungo periodo di sviluppo, nella perforazione solida ha gradualmente formato e perfezionato cinque tipi di sistemi di lavorazione :.
1) Sistema di lavorazione esterna per l'asportazione di truciolo con punta a cannone.
2) Sistema di lavorazione interna per asportazione truciolo BTA.
3) Sistema di lavorazione della foratura ad aspirazione; 4) Sistema di lavorazione DF; E
4) Sistema di lavorazione DF; 5) Sistema di lavorazione SIED.
5) Sistema di lavorazione SIED.
Queste cinque tecnologie di lavorazione dei fori profondi nella struttura della macchina, negli utensili, nella fornitura di olio, nella rimozione dei trucioli, ecc. hanno le loro caratteristiche, anche l'elaborazione del diametro del foro applicabile, la precisione della lavorazione e la qualità della superficie sono diverse.
Ma il suo svantaggio comune è: nella lavorazione di requisiti di alta precisione, come gli aerei sul foro interno del cilindro dell'attuatore, questi fori profondi dopo la perforazione, ma necessitano anche del corrispondente processo di finitura (come questi fori per la rettifica), in modo che il costo di produzione aumenta.
Fattori che influenzano il processo di lavorazione di fori profondi
1. Il materiale delle parti lavorate e la sua uniformità
Nel processo di lavorazione di fori profondi, a causa del materiale delle parti lavorate, delle proprietà e dell'organizzazione non uniformi e per altri motivi, spesso portano alla generazione di forza d'impatto, vibrazioni d'urto e altri problemi imprevisti, con conseguenti danni all'utensile, il processo di produzione è costretto a fermarsi e, nei casi più gravi, i pezzi verranno rottamati, con il risultato che il processo produttivo non è stabile, discontinuo.
2. Problemi di qualità dell'utensile
Nel processo di lavorazione di fori profondi, a causa della qualità dell'utensile, si produrranno anche vibrazioni di taglio e altri problemi imprevisti, per cui il fenomeno di cui sopra si ripresenterà.
3. Dispositivi di posizionamento e bloccaggio
Un posizionamento e una guida imprecisi causeranno una rettilineità estremamente scarsa del foro lavorato e uno spostamento della posizione del foro. Il bloccaggio del pezzo è instabile e errato, il che causerà anche problemi improvvisi nel processo di lavorazione, come danni all'utensile e scarsa precisione di lavorazione.
4. Alimentazione dell'olio ed effetto di smorzamento delle vibrazioni del dispositivo di alimentazione dell'olio
Il processo di lavorazione di fori profondi di parte della forza d'impatto, vibrazioni d'urto, ecc., causerà un posizionamento impreciso del pezzo, colpirà il coltello e il processo di lavorazione non sarà stabile, compromettendo seriamente la qualità della lavorazione e la produttività. Allo stato attuale, il dispositivo di alimentazione dell'olio e la sua tecnologia, sebbene vi sia un certo effetto di smorzamento e smorzamento delle vibrazioni sulla barra degli strumenti, ma la sua funzione principale è ancora principalmente quella di fornire olio, l'effetto di smorzamento delle vibrazioni non è evidente.
5. L'effetto del dispositivo di estrazione dei trucioli a pressione negativa
La scarsa rimozione dei trucioli è stata il problema principale che ha influenzato la qualità della lavorazione di fori profondi e l'efficienza produttiva, casi gravi di blocco dei trucioli, rottura dell'utensile e interruzione del processo di produzione, ecc., sono il problema chiave della tecnologia di lavorazione di fori profondi, che è anche al centro dell'attenzione di molti istituti di ricerca scientifica, università e college nello sviluppo della tecnologia di lavorazione dei fori profondi. Per risolvere il problema, sono stati apportati numerosi miglioramenti e innovazioni indipendenti al dispositivo di estrazione dei trucioli a pressione negativa, al fine di migliorare l'effetto di rimozione dei trucioli.
Stato di sviluppo della macchina utensile per la lavorazione di fori profondi
La maggior parte delle aziende non può permettersi il prezzo elevato delle attrezzature per la lavorazione di fori profondi e gli alti costi di utilizzo, non esiste un sistema di produzione specializzato di attrezzature per la lavorazione di fori profondi, solo attraverso la trasformazione di normali torni e alesatrici per soddisfare le esigenze di base della produzione.
La produzione nei paesi sviluppati, non solo macchine per foratura profonda a tre coordinate (tre assi CNC), e l'emergere di centri di lavoro di perforazione a cannone CNC completamente automatizzati a quattro, cinque o addirittura sei assi o centri di foratura e fresatura CNC ( Figura 3) e sono disponibili cambi utensile automatici.
Al fine di espandere l'ambito della lavorazione, alcune perforatrici per fori profondi oltre al metodo di perforazione a cannone di foratura, fresatura, maschiatura rigida e altre funzioni, hanno anche la funzione di perforazione del metodo di perforazione del truciolo interno (metodo BTA). Sebbene esistano alcuni prodotti simili in Cina, c'è ancora un grande divario tra il grado di precisione e la varietà delle specifiche e i paesi esteri.
Sebbene ora esistano molti tipi di macchine utensili per la lavorazione di fori profondi, ma non hanno la generalità, per risolvere la funzione della macchina utensile sono necessarie alcune eccedenze, nonché la funzione del costo di conversione è elevata. Gli studiosi americani hanno proposto per primi sistemi di produzione riconfigurabili e il concetto di macchina utensile riconfigurabile.
Nel 1996, gli Stati Uniti, l’Università del Michigan nella National Science Foundation e l’industria hanno finanziato 25 aziende, le prime ad avviare la ricerca sul sistema di produzione riconfigurabile”. Anche diversi paesi sviluppati hanno condotto ricerche sulle macchine utensili riconfigurabili.
Ad esempio, i ricercatori dell’Università di Stoccarda in Germania hanno teorizzato la riconfigurazione dei sistemi di produzione, l’interfacciamento dei moduli della macchina e dei moduli delle funzioni di movimento.
Nella progettazione e nel miglioramento delle macchine utensili, l'ottimizzazione dinamica e statica della struttura dei componenti chiave delle macchine utensili e il design leggero sono uno dei modi principali per ottenere prestazioni di lavorazione e precisione di lavorazione delle macchine utensili.
Tendenza allo sviluppo della tecnologia di lavorazione dei fori profondi
Sebbene dall'emergere del metodo di lavorazione BTA, la tecnologia dei fori profondi non abbia subito molti cambiamenti. Ma l'ottimizzazione di alcuni processi di lavorazione, come lo sviluppo di nuovi utensili, l'ottimizzazione della disposizione del blocco guida, l'applicazione di dispositivi di rimozione dei trucioli a pressione negativa, ecc., è ancora un mezzo importante per migliorare il livello di foratura profonda lavorazione in questa fase.
La tecnologia di lavorazione dei fori profondi quasi a secco e a secco basata sulla tecnologia di lavorazione ecologica riceverà sempre più attenzione a causa della crescente consapevolezza della protezione ambientale.
Le moderne macchine utensili per la lavorazione di fori profondi e altre macchine utensili, come il rapido sviluppo, vanno nella direzione dell'alta efficienza, precisione, alta affidabilità, intelligenza, sviluppo modulare. In particolare, negli ultimi anni sono state fatte molte ricerche sulle macchine utensili modulari riconfigurabili.
Tuttavia, proprio come il processo di lavorazione di fori profondi, negli ultimi anni non sono apparse a livello internazionale apparecchiature di lavorazione più avanzate nel campo della tradizionale lavorazione di fori profondi.
A causa della tradizionale tecnologia di lavorazione dei fori profondi, non è possibile evitare l'uso della forza di taglio per rimuovere il materiale dalla pratica costante e la forza di taglio sull'interferenza del sistema di processo, non è in grado di completare bene i materiali difficili da lavorare, superfici speciali complesse , fori extra piccoli extra profondi e altre lavorazioni.
Anche la tecnologia di lavorazione speciale (laser, getto d'acqua, elettroerosione, lavorazione elettrolitica di fori profondi, ecc.) ha aperto un nuovo campo di sviluppo per la tecnologia di lavorazione di fori profondi.