变参数深孔钻削的分析与研究毕业论文

毕业业设计说明书变参数深刻钻削的分析研究机械工程与自动化学院学生姓名： 学号： 机械设计制造及其自动化学 院： 专 业： 指导教师： 年 05 月变参数深孔钻削的分析与研究摘要：变参数深孔钻削是一种加工深孔的新的方法，它能克服传统的加工深孔方法的一些缺陷。比如一般方法加工深孔中的定位误差不足，断屑和排屑困难，以及出口毛刺比较高，表面粗糙度高等问题，变参数钻削都能很好的克服。因此，它被应用的越来越广泛， 变参数深孔钻削采用先进的振动钻削装置，先进的钻削理论，在选择合适的振幅和振动频率下，采用变参数进给的方法，在入钻前给一个很小的进给量，钻头在第一次入钻后，由于轴向作用产生横向偏移，而钻头与工件实际切削时间远远小于钻头周期修正时间，从而大大提高入钻定位误差；钻中采用振动理论，刀刃前后轨迹相交，进而有规律的使切屑厚度发生周期性的变化，从而能够很好的断屑；此外该理论还使深孔出口毛刺的高度减小等。 变参数深孔钻削理论为我们研究深孔加工方法提供了一些新的思路，奠 定了一定的基础。关键词：变参数深孔钻削；深孔；定位误差 大学 届毕业设计说明书The study of changed deep drilling holesAbstract：The study of changed deep drilling holes is a new method to working deep holes. Such as，normol methods have some prolem，the error of the pore diameter，drill life and burrs are presented.As a result，the advanced technological effect of varying-parameters-vibration drilling is proved. The study of changed deep drilling holes take the advanced govenments.It is a new technology and method .Before drilling,it have a small feed,so that ,there have a lot of time to increce the acuracy.Present investigation shows that the new method for vibration drilling,in which vibration parameters are changed with the optimal parameters of the stages,is an effective way to decrease error of drilling deep holes. Basing on the tudy of changed deep drilling holes,wo can study more things about the drilling deep holes.Key words; vibration drilling;deep holes；location accuracy目 录 1 引言 1 1.1 本课题国内外动态 1 1.1.1 优化设计方法 3 2 钻入中的定位误差3 2.1 变参数振动钻削入钻机理 4 2.2 入钻定位误差的结论 42.3 变参数真的钻削机理 53 钻中的排屑和断屑73.1 有利于断屑和排屑的几个因素83.2 断屑条件及切屑长度的控制113.3 基于上述分析的变参数深孔加工方法164 钻出过程中的出口毛刺174.1 变进给量振动钻削机理174.1.1 变参数振动钻削提高出口毛刺的结论185 变参数深孔加工提高表面粗糙度的分析与研究195.1 变参数振动钻削降低表面粗糙度的机理195.1.1 变参数振动钻削提高表面粗糙度的结论206 变参数深孔振动钻削装置的介绍216.1 常见的几种振动钻削装置216.2 变参数振动钻削的一些工艺参数277 变参数深孔钻削系统稳定性的研究307.1 振动钻削的断屑机理307.2 变参数振动钻削系统的动力学模型以及系统的稳定性328 变参数深孔钻削系统加工深孔的结论和展望31参考文献32致谢341 引言 1. 统的深孔加工存在钻入定位精度差，钻头寿命低，孔扩量大，和出口毛刺高，以及在加工过程中的散热排屑，断屑等问题，使得产品的加工精度难以到加工要求。而变参数深孔加工提出了一种全新的思路，他在传统的振动钻削上采用变参数来进行加工，具有一系列的优越性，从而彻底改变了传统的工艺，为深孔加工这个难题开辟了一条新的思路和途径。2. 原来普通的钻床不能很好的进行深孔加工，在加工的过程中很容易由于切削热的急剧增加而使刀折断或变钝，为了不至产生上述问题，我们需要变参数深孔加工。变参数深孔加工是在大量的定参数实验的基础上，选择优化，选用合适的变参数，结果证明，变参数深孔加工是一种优良的工艺方法，它能使深孔加工的钻入，钻中，钻出3个阶段的定位误差，孔扩量，出口毛刺，以及的刀具材料的损耗量的极大提高，换言之，变参数深孔加工使加工孔的精度和质量明显提高。 3. 变参数深孔加工能够很好的加工深孔，从而解决了加工深孔的难题，给机械行业及国民现代化做出了巨大的贡献。 变参数深孔加工，采用先进的plc控制技术来控制深孔加工的整个过程，对于深孔的加工有着很重要的意义，避免了人为的错误。在加工的过程中采用采用先进的监测反馈系统，使加工过程中的的数据随时反馈，进行及时的修改。我们知道变参数深孔加工的过程是定参数深孔加工过程的优化过程，所以说，它无论对于节省材料，还是对于提高加工过程中的加工精度和加工质量都有极大的提高，有着深刻和广泛的意义。11本课题国内外动态1. 主要基于控制系统的等差级数和等比级数的变参数研究：在实际加工中，当钻头退出时，钻屑在冷却液冲刷下会落人孔中。当钻头再次进入后，它将撞击位于孔底部的钻屑。钻屑在刀具的作用下开始旋转，被切断或熔化。同时对于深孔加工，随着孔深的增加，排屑必然越加困难，如果为固定钻深，开始时合适，待到接近孔底时却不一定合适，如果按孔底加工情况来设定钻深，则势必严重影响加工效率。所以，有必要对深孔钻削的动作进行相应的调整，宜采用可变钻深，开始时钻深最大，随着深度的增加，钻深逐渐变小，确保刀具充分冷却和顺利排屑。钻深的变化可以等差级数(加法运算)实现，即每次减少一个定值；也可以等比级数(乘 法运算)实现，即每次减少的比例相等。但不管用哪种，对最小钻深都应有一个限制，当达到此值时，就不再减小，以保证起码的加工效率。 2相位差对振动钻削影响规律的研究，传统的振动钻削加工，如电火花加工，离子束加工，激光加工尽管在加工机理上都各有创新，但是受加工精度，加工质量，生产率及生产费用的限制，但不是适应性最广的深孔加工方法。而相位差这一重要概念的提出，使我们有一个更新的视野去研究这些问题。我们的王立江教授提出了3个结论，分别研究了；相位差对深孔加工运动规律的研究，相位差对深孔加工轴向力的研究，相位差对振动钻削加工质量的影响。分别做出了巨大的贡献。3微孔的变进给量振动钻削实验，在研究微孔的加工中，进给量对入钻定位误差以及进给量对出口毛刺的影响都呈一个规律性的变化，而且实验表明，进给量越小，定位误差和出口毛刺高度越小，在上述的情况下，改变进给量，做出了变进给量对定位误差和出口毛刺的影响，我们发现，变进给量能提高孔的加工质量和加工精度。钻头寿命也显著提高。4，振动钻削的国内外状况，据统计，孔加工是金属切削加工中最重要的工序之一，约占所有金属切削加工工序的百分之三十三，我国每年生产用的钻头高速钢消耗量约占刀具生产中高速钢总量的百分之七十。可见机械加工中孔加工占有很重要的地位。随着现代进程的不断推进，高科技产品层出不穷，孔加工的数量与日俱增，孔加工的地位也在不断上升，同时对孔的加工质量要求也越来越高。目前用来加工微小孔的方法很多。但在国内应用范围最广适应性最强的要数麻花钻的钻削加工，然而以往的大量实验证明，普通钻削很难承担起这项历史使命，非传统的新工艺越来越显示出其独特的优势。振动钻削是建立在振动理论和切削理论的基础上，一种新颖的钻削加工方法，属于振动钻削的一个分支。这种钻削与以往的钻削根本区别在于在钻削的过程中通过通过振动装置使钻头与工件之间产生相对的可控运动，振动钻削改变了传统的钻削机理，在加工过程中钻头与工件时切时离，整个过程变成了脉冲式的断续切削。在振动钻削中，振动参数，加工参数，对加工质量和精度的影响特别大，通过改变振动参数和加工参数能够明显提高钻入定位精度，降低孔扩量，减少出口毛刺，提高钻头寿命，降低孔的表明粗糙度，提高尺寸精度和圆度等，其优良的工艺效果已经引起国内外学术界的普遍关注。1.1.1 优化设计方法1) 采取大量的对比实验以及多元非线性回归寻求最佳振动产数；采取变参数振动钻削的目的是为了在3区段获得或接近最佳的振动钻削工艺效果，从而更好的加工工件，而一个科学合理的实验正是我们所必须采取的。2) 采取主要原则的规律解决主要的，关键的核心问题；我们知道，在3区段影响各个阶段的产数是相互交错的，非常之多，而抓住核心问题是我们必须要遵守的原则。3) 在钻孔的过程中采用附加激振的变参数振动钻削措施；根据钻头入钻的动力学规律而采用附加激振的措施能够减小入钻误差，而定参数的减少是有限的，变参数可以很好的达到减小入钻误差这一要求的。4) 在入钻的过程中采取断屑机理机器理论；在3个区段，尤其是钻中，加工深孔的过程中会产生大量的屑，以及散热等等。如何更好的断屑和排屑要求我们有一个很好的断屑机理来支撑。5) 利用刀具的原理和钻削规律相结合的方法去研究；我们知道在钻削的过程中无疑要与刀具结合，刀具的速度，角度，都会影响到钻削的质量和最后的加工精度。6) 利用等差级数和变参数相结合的方法去进行分析研究；因为等差级数或者加法原则计算和操作简单，而在一些地方加之非等差级数和加法原则的变参数，会使加工工艺以及加工效率大大提高。2. 变参数振动钻削机理在上述振动钻削过程中，我们知道给一个很大的振幅，会达到多次修正定位误差的目的，但是如果给的振幅过大，会使钻头主切削刃受到很大的冲击应力，同时动态后角下降，加重主切削刃后刀面的磨损，造成钻头寿命下降，所以我们进行变参数进给，从而很好的解决了这一问题。变参数振动钻削利用工件与刀具的相对运动时刀具与工件的实际切削时间变短，而且这个实际时间远远小于刀具的一个周期修正时间，从而大大提高了入钻时候的定位误差，另外入钻时的进给量不宜太小，太小的话，也难以提高定位精度，还会降低效率，所以必须是一个合适的变参数进给范围。2.1 入钻定位误差的结论1) 由于振动钻削的特性，钻头的自我修正作用，而且振幅的初始大小足够而且合适，利用变参数振动钻削，换言之，变参数深孔加工方法一定能实现提高深孔加工入钻过程的定位误差的提高，保证孔的钻入加工质量和加工精度。2) 根据上述分析我们得知，初始进给量不宜过大，合适就行。一方面能提高孔的加工质量；另一方面，提高加工效率。2.2 钻入中的定位误差如图所示，钻头在与工件表面接触瞬间，由于各种误差的综合影响，钻尖会受到横向力的作用而产生偏移，钻头弯曲，普通钻削时由于钻头连续压向工件，所以钻尖会在横向力的作用下连续偏移，直至钻头横刃全部切入工件产生定位误差。可想而知，这个定位误差很大，会使主轴回转线与正在加工的孔的同轴度降低，而且会产生因钻头不断弯曲而产生的弯曲循环应力。大大的降低了孔的加工质量，尤其是深孔，孔的工艺效果，刚性，等指标不能达到要求，可见，在加工孔，尤其是深孔的过程中提高入钻定位误差是何等重要，所以说，我们需要采用更为先进的加工方法和技术来实现降低入钻定位误差的目的。图2.1 普通钻孔入钻图 2.3 变参数振动钻削入钻机理 振动钻削的修正机理； 图2.2 振动钻削入钻修整原理图 上图是横刃入钻简图，图中a和F分别是轴向振动的振幅和频率，f是单位时间内的进给量，f/F是每振动周期的进给量。横刃弟一次旋转楔入工件时，受各种误差产生横向偏移，钻头弯曲。横刃振动到最低处时A1B1，A1B1C1D1 部分，初次产生定位坑，横刃中心偏离了主轴回转中心。位于E1，产生偏移量y1。然后横刃向上振动，与工件分离，钻头做弯曲衰减振动，钻尖横向极大值迅速衰减，第二次选钻楔入工件时，横刃中心已经接近主轴回转中心，所以横刃不是直接进入定位坑，而是先刮掉A1D1D1A2,使得定位坑的位置得以修正，振动到最低处时A2B2,切除了工件的A1D1D2A2B2C2C1B1,横刃中心位于E2,偏移量减少到y2，而y2y1，以此类推，一直修正，达到实现减小定位误差的目的。3 钻中的排屑和断屑1. 在深孔加工的整个过程中，会不断的产生切屑，有时高压液也很难把产生的切屑带走，而切屑的排出顺利与否，切屑的排出量和切屑切除率是否适应，决定了刀具能否高效，连续加工工件。只要有一片切屑不能进入排屑入口，就会造成切屑在入口处的聚集和堵塞，从而引起打刀，此时若不立即停车，退出钻头，就会造成钻杆扭曲，变形，甚至折断，因此，必须对切屑的形状有一个严格的范围控制，可见排屑的形状使我们非常关注的，而排屑的形状又是受钻入过程中断屑过程的影响，所以说断屑是核心问题，综上所述，断屑和排屑是我们进行深孔加工的核心问题，除此之外，如果很好的处理切屑，产生的切屑，尤其是长切屑容易伤害操作工人，增加他们工作的紧张气氛，不利于安全生产和文明生产；连续不断的带状切屑会逐渐缠绕在被加工工件的表面，会损伤被加工表面，降低其精度和增大表面粗超度；由于切屑的大量堆积而使工作台移动不稳定，或者是切屑产生的大量切屑热而使工作台导轨产生热变形，导致加工精度降低。综上所述，断屑和排屑是我们进行深孔加工的核心问题，钻削过程中的断屑；振动钻削是给系统加入一种有规律的动力，实质是给其进给量，从而使刀具与工件发生有规律的合离，周期性的运动，又使刀具与工件时切时离，从而在一点范围内产生断屑，要想产生有规律的变化，很好的产生断屑，进给量必须是在一点范围内变幻的，而又不能太大，太大的话会造成系统工艺性，大局耐磨度等质量下降。太小的话又不能很好的产生断屑。效率也不高。我们知道断屑是为了让切削折断。而断屑的理论是最大应变理论，即切削内部产生的应变大于等于断裂应变。即；b 式（3.1）所以说，知道影响断裂应变b的因素切削速度，进给量，背吃刀量是至关重要的。根据文献我们得知，断裂应变b随着切削速度的增加先减小后增加，说明切屑先不易折断，而后容易折断。根据文献我们得知随着进给量的增加b有下降的趋势。所以我们不断的变换进给量，可以很好的断屑。根据文献我们得知，背吃刀量对b的影响基本为定值。而当切削速度和背吃刀量不变的情况下，一方面随着进给量的增加，锯齿化程度增大，使切屑的断裂应变减小，另一方面，随着进给量的增加，切屑硬度呈增大的趋势，使度昂列应变减小；再一方面，随着进给量的增加，切削温度增加，断裂应变增加，但是进给另对切削温度的影响很小。所以综上所述，随着进给量的不断增加，断应变是减小的，很容易的断屑。 2. 另外，我们着重采用力学断屑机理；Ach/Rc 式（3.2）其中代表切屑的卷曲应变，Rc代表切屑的卷曲半径，Ach代表切屑厚度，b 代表临界断裂应变。由此可知，实现断屑从3方面考虑，一是增大切屑厚度Ach；二是减小切屑卷曲半径Rc；三是设法提高被切屑材料的脆性，即减小b，三者在实践中起同等重要的作用。增加切屑厚度有两种途径；一是增加切屑厚度Rc ，根据Rc =fsink，可以通过增加进给量f或加大主偏角k实现；二是减小前角，从而增大切削变形，由于变形系数R=Ach/Ac，增加会导致切屑厚度Ach增大。切屑的卷曲分为自然卷曲和强制卷曲两种。在刀具前刀面上设置断屑槽可以迫使切屑受障而强制卷曲。使用合理的断屑槽尺寸，可以控制Rc的大小，达到断屑的目的。为了使断屑稳定可靠，就必须控制切削温度。钻后过程中的出口毛刺；根据文献得知变进给量，振动钻削可以减小孔的出口毛刺。31有利于断屑和排屑的几个因素 1. 断屑机理，一方面，力学断屑；通过改变切屑形成的外部环境，以产生新的力学机制，使切屑内部应力超过其应力极限，达到断屑的目的。另一方面，几何断屑；改变切屑层几何产数，使切屑面积有规律的变为零，或者使切屑产生薄弱环节，而实现断屑。几何断屑时，切屑面积有规律的变化。当切屑面积变为零时称为完全几何断屑，否则称为不完全几何断屑。值得注意的是，不完全几何断屑中有力学断屑机制的存在，但是这种断屑方式的原因主要是因为切屑面积有的地方大，有的地方小，从而切屑产生薄弱环节，在力的作用下折断。所以产生不完全几何断屑主要是由于几何因素引起的。对于物理断屑，他所采用的理论是在切屑过程中切屑的变形大于或者等于材料的变形，虽然可以通过增加切屑厚度等措施来解决，但是切屑的形状往往不可控制，所以我们一般一几何断屑为主，结合物理断屑去解决断屑问题。 2. 基于普通钻削的轴向振动钻削机理， 图3.1 轴向振动钻削基本模型图（3）为轴向振动钻削的基本模型，它与普通钻削的根本区别在于，在钻削加工过程中，通过振动装置使工件与刀具之间产生可控的相对振动，由于附加振动的作用，钻削过程就变成瞬时的，脉冲的动态切屑过程，从而带来了一些普通钻削不具备的优良工艺效果。假设叠加给工件或者刀具上的轴向振动为一个这样的公式； Z1=Asin(2ft) 式（3.3）工过程中刀刃上任一点相对于工件的轴向位移Z可以表示为一个公式，如下； Z=Zf+Z1=frnt+Asin(2ft) 式（3.4） Z表示钻尖的相对轴向位移，Z1表示钻头或者工件的轴向振动位移，fr表示钻头或者刀具的每转进给量，n表示刀具或者工件的转速，t表示切屑时间，f表示轴向振动频率，A表示轴向振幅，-表示进给运动的方向与Z轴（钻头轴线）的负方向相同。钻削过程中，钻尖的周向角位移为，=2nt，则有t=/2n，将其代入上述轴向位移公式得出如下一个公式为； Z=-Asin(wfg) 式（3.5）因此，钻尖的运动方程可以表示为；X=rcos，y=rsin，Z=-fr/2+Asin(wf.) 式（3.6） 式中，x，y，z表示钻头切屑刃在坐标系中的位置，x-y平面为工件的钻入面，r为钻头切屑刃上某点到钻头中心线的垂直距离，由上面的运动式可以画出振动模型的图来； 图3.2 振动钻削模型图 图中实线和虚线分别代表钻头两条主切屑刃上对应点的运动轨迹，与普通钻削不同，当振动钻削的相邻切屑轨迹之间的相位差不等于零时，它们之间的轴向距离不再相等而是发生周期性的改变。即振动钻削过程中，刀齿的轴向瞬时切屑厚度随钻尖旋转角度的改变而发生周期性改变。这就是振动钻削的变厚切屑特性。而对于普通钻削而言，主切屑刃的运动轨迹是等间距的斜线，一方面没有轴向振动，另一方面，进给量一定，所以就决定了主切屑刃上刀齿的运动轨迹是等间距的斜线，而振动钻削的对应上图展开的2维图和刀具理论切屑厚度如下所示；从图中可以看出，振动钻削的刀齿运动轨迹是一组以普通钻削的刀齿运动轨迹为中心的正弦曲线，因此，可以通过改变变振动参数（振动频率f和振幅A）使主切屑刃两刀齿运动轨迹周期性交叉，从而使振动钻削的轴向瞬时切屑厚度周期的变为零，实现几何断屑。从上述分析我们得知振动钻削有如下规律，一是，由于轴向振动的影响，轴向钻削的切屑刃的运动轨迹与普通钻削明显不同，两条切屑刃的运动轨迹不再是相互平行的螺旋线，并且当相位差不等于零时，两切屑刃运动轨迹之间的轴向距离周期变化，即轴向振动具有变厚切屑特性；二是，通过合理选择工艺参数，可以使振动钻削过程周期出现瞬时切屑厚度为零的情况，从而实现几何断屑，保证切屑的顺利折断。 图3.3 振动钻削对应图3.2的2维展开图以及轴向切削厚度图3.2 断屑条件及切屑长度的控制1. 在孔加工过程中，尤其在深孔加工过程中，断屑，排屑一直是最重要的问题，目前排屑可以采用高压油强制处理，但如果切屑太长，即使在较高的压力油作用下也无法解决排屑问题，所以首先要解决好断屑，控制切屑的长度，才能为良好排屑提供前提条件，轴向振动钻削可以借助于切屑过程的断续进行，实现几何断屑，实现切屑尺寸的自主控制，实现可靠排屑，从而完成深孔加工的自动化。图3.4 振动模型图2. 上述为振动模型图，由上图得出刀刃上任一点在轴线方向上的位移；y= frnt+Asin(2ft) 式（3.7） 刀刃上任一点在轴线方向上的速度，即进给速度；Vf=frn+2fcos(2ft) 式（3.8）3. 我们简述钻削3过程中的整体控制因素。在振动钻削时入钻时入切角图； 图3.5 振动钻削入钻时入切角图由上述入切图得知，入切角x越大，就越容易入切，不易产生侧向力，为了使入切角x增大，可使Vf/V增大，调节他们比例，即可控制入切角，使入钻准确，在钻中过程中，切削位置示意图，如下所示， 图3.6 钻中切削位置示意图 为了使切屑过程更好，不仅要控制切屑长度，而且还需要控制切屑厚度，曲线表示工件待加工表面，1，2为刀具，为了使刀刃容易入切，应使刀刃有较大的入切角，所以应把入切角控制在S1段，而不应在S段，因为S1段不仅入切角小，而且还容易产生负后角，在钻出过程中由于刀具实际前角增大，刀具锋利化，以及断续切削，轴向力大大降低，在刀具由将要钻出到钻出这一阶段，切屑层会不断发生变化，为了保证刀刃的安全和出口毛刺较小，就应该适当减小入切角，避免扎刀，减小切屑层厚度，可以通过调整f/n，fr/a来实现，当然也可以借助被加工材料的特性及刀具的结构特性来优化。4. 我们来分析断屑条件，振动切屑过程中的断屑是基于几何断屑，故断屑可靠，长度可控，不想普通钻削过程中的断屑基于物理断屑，断屑不可靠，长度不可控，由式（3.4）知，frn2f n是实现几何断屑的必要条件，但非充分条件，如果实现了振动钻削，则在刀具后一钻时与前一钻的轨迹相交，即在某一点的轴向位移相等，设某点相邻两转的轴向位移为；yA=fr/（2）+asin（f/n ） 式（3.9） yB= fr(2）/(2)+asin(f（2）/n) 式（3.10） 其中为刀具的转角，设f/n=J=k+I,称重叠系数，k为整数，i为小数（0.5i0.5），那么式（3.10）可写为yB= fr(2）/(2)+asin（f/n） 式（3.11）公式(3.11)中=2i为相差角，由yA= yB得；sin（）sin=fr/ 式（3.12）式中的=f/n即交点，由式（3.12）可知，fr/2，方程无解，不能实现几何断屑，但fr/2时，式（3.12）也未必一定有解，这就是所谓的断屑条件，即当fr/确定时，必须使达到一定值，才能保证实现几何断屑，此时的即基本相差角0. 图3.7 钻中几何断屑条件分析示意图如图所示，振幅a，进给量fr确定后，实现几何断屑的条件分析示意图，即前后两转刀刃轨迹相交后才能实现几何断屑，由此可知相差角；0 式（3.13）才能保证可靠断屑，非常值得注意的是，在这种切削过程中，当a/fr较大时，很容易实现几何断屑，当a/fr较小时，也不难实现断屑，这主要是因为这时的切屑层厚度是不均匀的，即使没有实现几何断屑，也较容易实现物理断屑，所以说在加工过程中如果要实现切屑的自主控制，必须要以几何断屑为主，或者直接采用几何断屑。5. 我们研究切屑长度的控制规律，钻削过程中切屑长度分析示意图如下； 图3.8 切削过程中切屑长度分析示意图上图表示相邻几转刀刃运动轨迹示意图，序号1到7表示相邻几转刀刃轨迹编号，求解式（3.12）可以得出相邻两转刀刃轨迹的交点，但由图可以看出，当a/f1时，可能出现在以后几转才能把前一转的残留量完全切完，从而使切屑长度(这里实际上指的是在最大直径处切削层长度在进给方向上的投影，以下均为这个定义，也指理论切削长度)根据文献，我们得知如下规律，当相差角达不到基本相差角0时，不能实现几何断屑；重叠系数的整数部分J相同时，当a/fr大于某一值时，相差角小，则切削长度短，小于这一值时，相差角小，则切削长度长；在相同的相差角下，切削长度随重叠系数增大而减小；在相同的重叠系数J下，切削长度随a/fr的增大而减小。6. 变参数深孔加工的断屑分离式振动钻削是一种脉冲式钻削，在钻削过程中并没有利用刀具振动的整个周期，而只是在极短的一瞬间进行切削，分离式振动钻削在加工过程中容易断屑，其原理是刀具与工件进行断续，间歇的切削运动，随着进给量的改变，间歇的时间也随之改变。进给量越小，间歇时间越长，在整个周期上越易形成切削的薄弱环节，所形成的切屑在切削力振动挤压，冲击负荷周期性变化的共同作用下形成断裂，所以断屑在变进给振动钻削中容易实现。在切屑加工中选择合适的切削参数可以使断屑，排屑容易。在变进给钻削中，切削参数与切屑大小主要有一下几方面关系；轴向振动中假设每振动一次断屑一次，那么切屑理论长度为c为； c=Dn/60F 式（3.14）其中D为钻头直径，切屑长度为最大的切屑长度，切屑厚度a为；a=fr/60F 式（3.15）其中切屑厚度为最大切屑厚度，切屑宽度b为；b=D/2 式（3.16） 其中切屑宽度为最大切屑宽度，切屑体积V为；V=abc=f/7200=K1 frn/ 式（3.17）其中K1为体积系数K=/7200，从计算公式中，我们得出，进给量的改变引起切屑体积的改变，当施加较小的进给量时切屑体积就小，呈针状或者节状，变形快，使切屑很容易断裂，同时加上轴向的振动和冲击作用，更容易断屑，这样排屑效果好，减小了切屑对孔的刮擦，进而减小孔扩量，孔径的分散度，提高了孔的加工质量。3.3 基于上述分析的变参数（在这里指的是变进给量）深孔加工方法1) 采用分离式的振动钻削方法，有两个好处，实际切削时间极短和很容易形成断屑。2) 控制a，fr，以及其他因素不变，只改变进给量，根据上述分析我们可以将其从大到小按照等差级数（一定要在保证断屑条件和切屑长度控制条件下）逐渐减小。 3) 这样，把分离式振动钻削的优异之处与变进给量的好处结合起来形成了一种全新，优良的工艺方法。4 钻出过程中的出口毛刺在钻孔过程中，随着钻头钻出工件表面，当钻头接近钻通工件表面时，钻头下面待切除材料变的很薄，抵抗变形的能力下降，当孔第材料应力达到屈服极限时，将产生向下的塑形变形，此后钻头的切削状态发生变化，已不再是完全的切削状态，还包括塑形变形流动，随着钻削过程的继续进行，变进给量进一步加大，钻头最终钻出工件时，部分因塑形变形而未切除的孔底材料残留在孔口边缘形成出口毛刺。 图4.1 钻出过程中出口毛刺产生示意图41变进给量振动钻削机理 图4.2 出口刀刃运动轨迹圆周展开图上图为振动钻削机理图，是出口刀刃运动轨迹的圆周展开图，图中曲线1为前一刀刃的运动轨迹，曲线2为刀刃正在切削的运动轨迹，阴影部分是尚未切除的残留金属，在一个振动周期中可以把切削部分分为AB，BC,CD，3部分，在AB段由于钻头的实际工作前角增大，因而钻削力小，塑形变形小，在BC段虽然工作前角减小，钻削力增大，但由于切削力作用方向改变，使得向下的塑性变形也小，另外，从图中可以得知，振动钻削刀刃切削轨迹超出工件底面以前孔底残留金属的最大高度为Hmax为；Hmax=fr/2+2AsinFn/2 式（4.1）其中fr为刀具每钻进给量，A为振动钻削过程中的振幅，Fn为钻头每转振动次数，普通钻削时Hmax为；Hmax= fr/2 式（4.2）所以在fr相同的情况下，振动钻削出口处残留金属的体积比普通钻削时大，强度也高，不易残生向下的塑性变形流动，因而残生的出口毛刺比普通钻削的出口毛刺更小。4.1.1变参数振动钻削提高出口毛刺的结论基于上述的计算分析，变参数深孔加工方法，确实能提高，出口毛刺的精度，也即提高了孔加工的加工质量和加工精度。振动钻削特有的区别于普通钻削的钻出过程，能够大幅度削减出口毛刺。变进给振动钻削，对削减出口毛刺，提高钻孔的整体加工水平有利。改变进给量能降低出口毛刺的高度，进给量越小，出口毛刺越小。5 变参数深孔加工提高表面粗糙度的分析与研究随着尖端产品的日益精密化，微型化和集成化，微小孔加工数量逐渐增多，对质量和精度也不断增强，目前在微小孔加工的各种方法中，钻削加工仍占主导地但传统的钻削方法加工精度低，难以满足较高的质量要求，其中表面粗糙度较大是微小孔加工质量的主要因素之一，理论分析与实验研究表明振动钻削作为一种新颖工艺方法，改变了传统的钻削机理，具有许多优良的工艺效果，51变参数振动钻削降低表面粗糙度的机理 首先从运动学角度进行分析，图13（a）是普通钻削时双刃麻花钻切削刃相邻切削刃两运动轨迹的圆周展开图，图中是钻头的转角，Z是轴向位移，f是每转进给量，可见，普通钻削时刀刃相邻运动轨迹之间的距离固定不变，轴向切削厚度不变，对于塑形材料产生连续切屑。而微小孔钻头其钻心厚度相对较大，螺旋槽相对较浅，所以容屑和排屑能力较差，连续不断的切屑会挤在窄小的螺旋槽内难以排出，随钻头旋转刮擦内孔表面，增大表面粗糙程度，钻孔深度越大，这种情况就越严重。而振动钻削时情况就发生了变化。当轴向振动频率和振幅选择适当时，刀刃图5.1 普通钻削和振动钻削切削刃两相邻运动轨迹圆周展开图相邻运动轨迹波形之间的距离发生周期性的变化，产生交叉，使轴向切削厚度周期性的等于零，实现断屑，如图13（b）所示，这种断屑效果使切屑编程但元切屑，在振动提钻的作用下，使排屑顺畅，减轻了对孔表面的刮擦，完全有利于降低表面粗糙度。其次，从摩擦学角度进行分析研究，金属切削过程本质是工件材料被切层受刀具前刀面的挤压作用而产生剪切滑移，然后沿前刀面流出而形成切屑的过程。因此切屑与刀具前刀面产生激烈的摩擦，普通钻削时，这种摩擦继续进行，刀具表面没有机会得到润滑和冷却，以至于切屑底部在前刀面形成滞留层，造成切屑与刀具的粘结。这种恶劣的摩擦现象在钻头主切削刃的外缘处表现的极为严重。使这一部位极易产生积屑瘤，而积屑瘤是不稳定的。它的不断产生和脱落将导致孔扩量的急剧变化，从而增大表面粗糙度，振动钻削时，刀具的摩擦状况产生了明显的变化，由于断屑效果，使得钻头切屑刃与工件产生周期性分离，切削液有机会到达切削刃区，使刀刃得到冷却润滑，减轻了切屑与刀刃的粘结。而且刀刃的振动作用破坏了产生积屑瘤所需要的相对稳定的摩擦环境，因此能够抑制积屑瘤的产生，提高孔扩量的稳定性。最后，振动钻削时，修光刃对内孔表面具有一定的往复熨压作用。也有利于降低表面粗糙度。5.1.1变参数振动钻削提高表面粗糙度的结论1) 通过上述分析，我们可以知道，振动钻削可以改变钻削加工中的运动学和摩擦学特性，能够提高孔加工中的断屑排屑能力，改善刃区的摩擦条件和消除积屑瘤，有利于降低孔的表面粗糙度。2) 振动钻削降低孔的表面粗糙度与振动参数的选择有关系，当以最佳振动钻削参数实施振动钻削时，能够大幅度降低孔的表面粗糙度。6 变参数深孔振动钻削装置的介绍 强迫振动振动钻削的装置有机械，电磁，电气，气动和液压等基本形式。也可以组成复合形式的强迫振动装置。例如机械液压，电气液压等。不同的振动装置都有各自适应的频率范围，应根据实际所需要的工艺要求和工艺效果来进行合适的选择，尤其是振幅和频率。表6.1 振动装置的频率适应范围61常见的几种振动钻削装置 1. 机械振动钻削装置，机械振动钻削装置，结构简单，造价低廉，使用和维护起来比较方便。切削过程中振动参数受负载的影响比较小，因而得到较广泛的应用。机械振动装置常见的有偏心式，曲柄滑块式和四连杆机构振动装置，偏心式的部件少，结构紧凑，应用更为普遍图15为一偏心凸轮式振动钻削装置，该装置由 图6.1 偏心式机械振动钻削装置振动轴，偏心凸轮机构，电机和连接地板等主要部分所组成，工作时，电机通过皮带轮带动凸轮轴回转，并推动滚子使振动轴产生一定振幅的轴向振动，采用双偏心凸轮机构可实现振幅的无极调节，采用调速电机可以实现无极调频，以实现不同工况和频率的要求，另外还有一种装置叫做凸轮摆杆式振动钻削装置，利用凸轮驱动摇杆带动振动轴产生轴向振动，它的特点是可以将振动驱动器（凸轮摇杆）放在振动轴的中间位置，这样振动轴可以做的长一些，有利于振动轴的工作平稳，减小长钻杆的下垂，保证钻孔的轴线精度，这种类型的振动装置可以通过改变凸轮机构的偏心量，来得到多种振幅，如果电机是调速电机，还可以实现无极调频，应用起来也很方便，因为对于振动钻削装置最为重要的是能够很方便的控制振幅和频率两个变量，进而能很好的来控制孔加工的整个过程。尤其是无极调频和无极调幅更方便快捷。 图6.2 凸轮摆杆式振动钻削装置2. 液压振动钻削装置，液压振动钻削装置多位滑阀式，振动频率不超过60Hz，使用上受到一定的限制，电气液压随动振动装置的振动频率可达到250Hz，但结构较为复杂，成本制作较高，图17为一种强制配流式液压振动装置，它综合了各种振动装置的优点，振幅在0.005mm到0.1mm之间，而且可以进行无极调节，振动频率可以达到300Hz以上，频率与振幅的负载特性较好，在加工中能保持稳定的相位差振动状态。振动装置用螺纹连接在钻床主轴的套筒上，振子用花键与主轴连接，工作时阵子一边随主轴旋转一边做轴向振动，并随主轴套筒，振动装置外壳一起做进给运动。在振子的外表面上开有若干间距相等，开口方向交替相反的油槽,展开如图18所示压力油由进油环经槽b进入油槽2,其压力使振子下降,振子下腔的液压油经,环槽a到出油口泄油,振子随主轴作回转运动时,油槽3和4分别取代油槽1和2的位置,油槽3和4的开口方向正好与油槽1和2的开口方向相反,压力油使振子上移,主轴做回转运动时,振子就会沿轴向做往复振动,实现钻头的轴向振动,当主轴的转速为n,振子上开有2N个油槽,则振动频率为；nN/60 式（6.1）调换振子就可以改变振动频率,另外,在振动装置的液压系统中装一个调速阀,通过调节流量实现其振幅的无极调节,我们也很容易的看出来一个很重要的规律,变参数振动钻削,变参数深孔加工加工的一个核心问题就是装置一定可靠,而且一定能实现调幅和调频,甚至是无极调频和无极调幅,这一点非常重要,因为孔的加工质量和加工精度正是通过改变装置中的频率和振幅来实现其精度要求的.所以说振动装置参数很好的选择才是一个核心问题.振动钻削是给振动钻削加工系统施加有规律的振动参数（振幅和频率），通过周期性的实现刀具与工件的分离，从而得到尖端或者说是连续的运动，因而取决于两个方面，一方面是振动钻削系统的参数及运动规律，另一方面是工件自身材料极其它的运动参数及规律，它们的最终目的是为了使切削层参数发生周期性的变化，从而在钻入，钻中甚至是钻出都适合3区段的切屑，断屑以及定位精度，表面粗糙度的提高，使切屑面积或者说是切屑厚度和体积有规律的变为零，或者说产生薄弱环节达到断屑目的，而要实现这些目的，无疑要使振动钻削系统要有一定的稳定性，还有一定的切削适应参数，振幅和频率实现方便调节，甚至是无极调频和无极调幅，通过振动钻削力学模型等的分析与研究可以方便的找出这些运动规律，以及振动参数的如何选择，甚至是如何选择参数使振动系统更具有稳定性，当然好可以从机械制造工艺学的角度去实现这些目的，振动钻削深孔是复杂的，但它的规律，主要规律，我们可以同感哦各种理论方法得到证明。 图6.3 液压振动钻削装置图6.4 油槽展开图3. 电磁振动钻削装置,电磁振动钻削装置具有结构简单,振动频率较高,频率与振幅的负载特性好等优点,但由于电磁振动器的功率较小,故一般只适应于小孔加工,特别是难加工材料的小孔加工,效果尤为显著,电磁振动装置如图19所示,主要由电磁铁,弹簧及与电磁铁相顾连的振动轴构成,工件装在振动轴的顶端,并让衔铁在不闭合的状态下工作(取下电磁铁的短路环), 衔铁与铁芯的底面保持一段距离,铁芯线圈始终保持通电状态,当通入的交流电电压在零与最大值之间时,再加上弹簧的复位作用,就会使A值不断变化,从而构成与衔铁相固连的振动轴上下振动,当交流电的频率为50Hz时,振动台的振动频率为100Hz,另外,铁芯的供电电路中,连接有调压变压器,通过调节电压的大小,可以使电磁铁衔铁的振幅发生变化.其实无论是机械式振动钻削装置还是液压振动钻削装置,再有电磁振动钻削装置,它们最基础,最基本的含义就通过装置固有的特性来实现振幅和振动频率的改变,从而真正实现振动钻削,也就是变参数深孔振动钻削加工深孔,因此振动钻削装置必须很好的研究,很好的掌握它们的特性,才能实现振动钻削,而在这个过程中最为重要的含义依然是通过装置的固有特性来实现频率和振幅的调节,甚至是无极调频和无极调幅,这才是振动钻削装置依附在变参数深孔振动钻削加工深孔的灵魂,只有把握住这个魂才能更好的实现变参数深孔加工,变参数,变来变去变的是振幅和频率,使它变化的规律与工件加工的精度要求结合起来.图6.5 电磁振动钻削装置 4. 超声波振动钻削装置,超声波振动钻削装置由超声波发生器,换能器,变幅杆,切削工具等及部分组成,如图20，超声波发生器，它的作用是50Hz的交流电变成图6.6 超声波振动钻削装置一定功率输出的超声波电震荡，以提供振动切削加工中的振动能量，换能器，其作用是将高频电震荡转换成高频机械振动，分为磁性伸缩换能器电致换能器两种，磁致换能器是利用磁致伸缩效应制作的，这种换能器的特点是机械强度高，输出功率大，切削力的变化及振动系统本身的一些变化对刀刃振动形态的影响比较小，缺点是能量转化效率低，且温度升高时，磁致伸缩效应变小，故一般工作时要用水去冷却，目前国内使用这种转化器比较多。6.2 变参数振动钻削的一些工艺参数 振动钻削的工艺参数通常包括（振幅A，振动频率）和切削参数（机床转速n，进给量f）两部分，该参数对变参数深孔加工是至关重要，影响振动钻削的工艺参数比较复杂，如，断屑条件对的约束，刀具实际切削角度受的影响(特别是工作后角)；相位差和振幅/进给量的比值A/f共同影响切屑形态，值，振幅和振动频率对振动稳定性的影响，切屑尺寸受切入，切出点之间的相位差和重叠系数j的影响。因此，选取振动参数时候必须根据加工的实际情况，仔细分析，综合各项因素去考虑。1) 进给量f的选择原则根据被加工材料的材质，孔的直径和加工精度的要求，考虑与振幅A的匹配，以及机床的实际情况，选取适当的值，对于难加工材料的小直径， 2) 转速n的选取原则 转速直接影响切削速度，小直径孔钻削时候，由于孔径小，切削速度不会很高，所以根据材质考虑加工效率，初步确定转速的范围，一般转速可以取较大的值，同时要考虑频转比。 3) 振动频率的选取原则 选取振荡频率时候，应首先使加工过程稳定良好，实用中，在保证断屑和排屑空间对切屑尺寸的制约基础上，选取较低