关 键 词：

精密 深孔扭振 发生 装置 设计

资源描述：

钻削精密深孔扭振发生装置的设计,精密,深孔扭振,发生,装置,设计

内容简介：

编号无锡太湖学院毕业设计（论文）题目： 钻削精密深孔扭振发生装置的设计 机电 系 机械工程及自动化 专业学 号： 0923024学生姓名： 刘路路 指导教师： 范圣耀 （职称：副教授 ）2013年5月25日III无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚 信 承 诺 书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 钻削精密深孔扭振发生装置的设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械91 学 号： 0923024 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院机 电系 数 控 专业毕 业 设 计论 文 任 务 书一、题目及专题：1、题目 钻削精密深孔扭振发生装置的设计 2、专题 二、课题来源及选题依据 近年来，新型非金属工程材料的应用不断扩展，其中不乏难加工材料，这对振动钻削工艺提出了新的挑战，同时也为展示其优良工艺效果提供了机遇。隈部教授采用超声波扭转振动和低频轴向复合振动钻削工程陶瓷，石川惠一采用单一的低频轴向振动钻削工程陶瓷，均取得了改善加工能力、提高钻头寿命的实验结果。北京航空航天大学陈鼎昌教授和哈尔滨工业大学张其馨先后用超声波振动钻削碳纤维增强复合材料(CFRP)，不但改善了对硬而韧的碳纤维的切削能力，同时还可抑制钻削中材料的层间剥离。 三十多年来，国内外学者对振动钻削作了大量理论与实验研究工作，振动钻削能提高钻孔质量、延长刀具寿命和改善对难加工材料切削能力等优良工艺效果已在机械加工领域得到普遍承认。综观国内外振动钻削的研究现状，目前主要存在以下问题：对振动钻削的理论研究尚不充分，还未形成完整的理论体系，现有理论具有较大局限性，尚需修正和完善，以充分揭示振动钻削的动力学本质；对振动钻削工艺效果的研究大多局限于直径大于1mm的孔径区域，而直径小于0.5mm的微小孔加工条件最为恶劣，且加工数量与日俱增，所以对振动钻削微小孔的研究更具实际意义，需予以更多关注；迄今对振动钻削的研究均属于定参数振动钻削，无法同时满足钻削三区段不同钻削机理的要求，难以达到进一步提高钻孔整体加工水平的要求。因此，三区段变参数振动钻削，特别是对微小孔的三区段变参数振动钻削是在定参数振动钻削基础上的一次飞跃，是具有重要科研及应用价值的研究课题。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 熟悉低频振动深孔钻削的发展历程，特别是近十几年来提出的直径小于0.5mm的微小孔加工； 熟悉低频振动深孔钻削的工艺效果； 熟练掌握低频振动深孔钻削的三种振动方式：轴向振动(振动方向与钻头轴线方向相同)、扭转振动(振动方向与钻头旋转方向相同)和复合振动(轴向振动与扭转振动迭加)； 掌握了解针对不同的材料所需要的加工参数； 能够熟练使用振动钻削的自动控制系统，实现振动钻削的自动化和智能化。 四、接受任务学生： 机械91 班 姓名 刘路路 五、开始及完成日期：自2012年11月7日 至2013年5月25日六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师签名 签名 签名教研室主任学科组组长研究所所长签名 系主任 签名2012年11月7日摘 要孔加工是金属切削加工中最常用的加工工艺。据统计,孔加工的金属切除量约占切削加工总金属切除量的1/3,钻头的产量约占刀具总产量的60%。目前用于加工微小孔的工艺方法虽然较多,但应用最广泛、生产实用性最强的仍是采用麻花钻钻削加工。随着对孔加工质量和效率的要求不断提高,传统的钻削工艺已显示出极大的局限性,而近年来迅速发展的振动钻削工艺则日益显示出其独特的优势及广阔的应用前景。本文主要介绍了振动钻削，振动钻削是振动切削的一个分支，它与普通钻削的区别在于钻孔过程中通过振动装置使钻头与工件之间产生可控的相对运动。振动方式主要有三种,即轴向振动、扭转振动和复合振动。本文讲述了如何匹配加工参数来实现精密深孔的加工，并设计了扭振发生装置，综合分析了振动钻削的工艺效果。低频振动切削技术目前已应用于孔加工(包括钻、扩、铰、锁、攻丝等)和外圆车削加工等领域，解决实际生产中诸如切屑处理、改善切削加工性、提高加工质量、延长刀具寿命等问题，理论上也获得了许多发展。关键词 ： 麻花钻 ；振动钻削 ；振动装置 ；低频振动 AbstractHole processing is the most commonly used metal cutting machining processing technology. According to statistics, hole machining of metal removal accounted for about one-third of the total machining metal removal of the, drill production accounted for about 60% of the total tool production. Process methods now used for machining small holes while more, but the strongest is still the most widely used, the production practicality is uses the twist drill drilling processing. As the hole of the requirement of increasing the quality and efficiency, the traditional drilling technology has shown great limitations, in recent years the rapid development of the vibration drilling technology is increasingly shows its unique advantages and broad application prospects.Vibration drilling is mainly introduced in this paper, the vibration drilling is a branch of vibration cutting, the difference between it and common drilling through vibration device in the process of drilling bit and generate controllable relative movement between parts. Vibration mode mainly has three kinds, namely axial vibration, torsional vibration, and vibration compound. This article tells the story of how the matching processing parameters to achieve precision deep hole machining, and torsional vibration generator is designed, the comprehensive analysis of the vibration drilling technology effect. Low frequency vibration cutting technology has been applied to the machining (including drilling, expanding, hinge, lock, tapping, etc.) and cylindrical turning processing, etc, to solve practical production in cutting machining, such as chip removal, improve processing quality, prolong tool life and other issues, theory also received many development. Keywords： Twist drill ；Vibration drilling；Vibration device；Low frequency vibration 目 录摘 要IVAbstractV目 录VI1 绪论11.1 振动钻削技术的发展历史11.2 振动钻削的工艺效果21.3 振动钻削的应用前景及前沿课题42 振动钻削的原理72.1 振动钻削的机理72.2 振动钻削系统的稳定性与振幅损失82.2.1 振动钻削时的切削力92.2.2 振动钻削系统的稳定性102.2.3 产生横向摆振与钻杆弯曲振动的原因122.2.4 振幅损失133 深孔加工的高效解决方案143.1 深孔加工144 装置设计164.1 装置总体方案164.2 电机的选择184.3 带传动设计204.3.1 确定计算功率Pca204.3.2 选择带型204.3.3 确定带轮的基准直径204.3.4 确定中心距a和带的基准长度Ld214.3.5 验算主动轮上的包角1214.3.6 确定带的根数Z214.3.7 确定带的预紧力F0224.3.8 计算带传动作用在轴上的力（简称压轴力）Fp224.3.9 V带轮设计224.3.10 V带传动的张紧装置234.4 偏心轴及其附件设计.244.4.1 轴承的选用264.4.2 轴承底座274.4.3 端盖和透盖284.4.4 偏心销钉294.5 主轴及其附件设计294.5.1 主轴294.5.2 弹性夹头304.5.3 轴承的选用314.5.4 轴承座324.5.5 夹紧螺母324.5.6 轴承盖334.5.7 摆杆334.6 底板设计335 致谢35参考文献3636钻削精密深孔扭振发生装置的设计1 绪论 1.1 振动钻削技术的发展历史据统计，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 33%。我国每年生产钻头用的高速钢消耗量约占刀具生产中高速钢消耗总量的70%。可见，在机械加工中孔加工占有很重要的地位，尤其是航空、航天、汽车、电子和计算机等行业，孔加工更显示出其得天独厚的地位。例如，一架波音747约有200万个连接孔，机械连接工作量（不包括总装）约占机械加工工作量的20%。随着现代化进程的不断推进，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地上升。同时对孔加工质量的要求也越来越高，这无疑给孔加工带来巨大挑战。目前用来加工微小孔的方法很多，但在国内外应用最广泛、生产实用性最强的要数麻花钻的钻削加工。然而!以往的大量实验结果证明，普通钻削很难承担起这一历史使命，非传统的振动钻削新工艺越来越显示出其独特的优势。目前用于加工微小孔的工艺方法虽然较多,但应用最广泛、生产实用性最强的仍是采用麻花钻钻削加工。随着对孔加工质量和效率的要求不断提高,传统的钻削工艺已显示出极大的局限性,而近年来迅速发展的振动钻削工艺则日益显示出其独特的优势及广阔的应用前景。振动钻削是振动切削的一个分支,它与普通钻削的区别在于钻孔过程中通过振动装置使钻头与工件之间产生可控的相对运动。振动方式主要有三种,即轴向振动(振动方向与钻头轴线方向相同)、扭转振动(振动方向与钻头旋转方向相同)和复合振动(轴向振动与扭转振动迭加)。其中,轴向振动易于实现,工艺效果良好,在振动钻削中占主导地位。振动的激励方式主要有超声波振动、机械振动、液压振动和电磁振动。其中,超声波振动的频率通常在以上,所以也称为高频振动钻削;其它三种振动方式的频率一般为几百赫兹,故称为低频振动钻削。振动钻削改变了传统钻削的切削机理。在振动钻削过程中,当主切削刃与工件不分离(不分离型振动钻削)时,切削速度、切削方向等参数产生周期性变化;当主切削刃与工件时切离(分离型振动钻削)时,切削过程变成脉冲式的断续切削。当振动参数(振动频率和振幅)、进给量、主轴转速等选择合理时,可明显提高钻入定位精度及孔的尺寸精度、圆度和表面质量,减小出口毛刺,降低切削力和切削温度,延长钻头寿命。振动钻削良好的工艺效果已引起国内外研究者的普遍关注,自1954年日本宇都宫大学的隈部淳一郎教授提出振动钻削理论以来,各国学者对振动钻削进行了大量理论研究及实验分析,取得了许多有价值的研究成果,其中一些成果已逐步应用于加工领域。低频振动切削技术目前已应用于孔加工(包括钻、扩、铰、锁、攻丝等)和外圆车削加工等领域，解决实际生产中诸如切屑处理、改善切削加工性、提高加工质量、延长刀具寿命等问题，理论上也获得了许多发展。1.2 振动钻削的国内外研究状况1970年代中期，在人们发现了振动钻削具有的一些优良工艺效果之后，为寻求科学的支持，国内外一些学者开始从理论上对振动钻削的机理与特性进行探索，至今30多年来，主要对振动钻削的“钻头刚性化效果”理论、动态角度理论、振动断屑理论、脉冲能量和应力集中理论等进行了分析研究。隈部淳一郎教授在他的著作精密加工振动切削基础与应用中，率先提出了超声波振动钻削的“钻头刚性化效果”理论。在他构造的钻头动力学模型中，把钻头抽象为自由端具有集中等效质量 、 相互垂直的两个方向（x向和y向）上的等效刚度为和 、等效阻尼系数为和 的悬臂梁，并受到脉冲宽度为、周期为T、两个垂直方向幅值分别为和的脉冲力作用使钻头产生横向位移x和y，从而构造出钻头在两个方向上的运动微分方程，并进行了求解和分析。1984年开始，王立江教授和他的课题组对高频和低频振动钻削都进行了系统的研究。他在研究中还提出了低频振动提高钻入定位精度的新观点，指出振动钻入时虽然由于某种原因产生的横向力作用使钻头产生横向偏移，但由于振动的存在，使钻头迅速退回脱离工件，并在再次钻入前的一段时间内受阻尼力的作用横向偏移迅速衰减，待衰减近平衡位置时再次钻入，故明显地提高了钻入定位精度，即具有“钻入偏移退回恢复重新钻入”的动力学特性。这一特性的发现无疑丰富了刚性化理论，推动了振动钻削理论研究的进程。1986年刘华明教授在自制的超声波振动钻床上进行了实验研究，结果发现振动钻削使切削力下降、表面质量和孔径精度提高，并进一步探讨了钻头耐用度与进给量之间的关系!给出了两者的关系曲线。1998年，杨兆军教授根据自己的实验经验，提出通过改变进给量来减少入钻位置误差的理论。微孔钻削入钻时，钻头横刃连续刮削工件，由于工件表面的不平整、钻头两切削刃的不对称等各种因素，钻尖受到横向力的作用而产生偏移，使钻头偏移钻入工件，而产生入钻定位误差。振动钻削则改变了微孔钻削的入钻现象。入钻时，钻头相对于工件做轴向振动，横刃作脉冲式旋转楔入工件，与工件表面时切时离。楔入时，钻尖因横向力作用而产生偏移， 设偏移量，但进入工件表面分离后，钻头将做以 为初始位移激励的偏移衰减振动，其动力学模型可简化为单自由度振动系统。通过计算和分析得出主切削刃全部钻入工件之前，楔入次数越多，修正次数就越多，入钻位置误差就越小的结论。显然，减小钻头的进给量，就增加修正次数，但将降低加工效率。若控制机床进给系统，在入钻阶段施以较小的进给量，而在钻削阶段再转变成正常的进给量，则在保证加工效率的前提下可减少微孔钻削的入钻定位误差。出口毛刺是钻削加工中严重影响加工质量的难题，长期未能有效解决。随着振动钻削实验研究的深入，学者们发现振动钻削可有效减小出口毛刺。1984年，日本学者鞍古文保采用钻头每转振动1次的频转比，在铝制工件(AL1050-0)上钻削f5mm的孔，结果出口毛刺高度由普通钻削时的4.55.2mm下降到0.60.9mm。他指出，低频轴向振动钻削能缓解切屑阻塞，有利于排屑；此外，由于钻头钻出工件的瞬间切削力并不增加，因此可减小出口毛刺。1986年，足立胜重等人在相同实验条件下分别对铝(AL1050-0)和碳素结构钢(S45C)工件进行了低频振动钻削实验，铝件和钢件的出口毛刺平均高度分别由普通钻削时的5mm和0.5mm下降到0.7mm和0.3mm，说明轴向振动钻削对于减小塑性材料的出口毛刺效果更为明显。1989年，王立江教授分析了零相位差低频振动钻削时出口处金属的残留特性和横刃的特殊机理，揭示了振动与毛刺的关联性，并通过实验证明在1Cr18Ni9Ti不锈钢和L5工业铝上钻削 f3mm的孔时，若振动参数选择合理，甚至可实现无毛刺钻削。1991年，H.Takeyama通过实验证实，超声波振动钻削也具有明显减小出口毛刺的作用。1997年，王立江教授的课题组用 f0.5mm钻头钻削黄铜(H62)时发现，当加工参数选择合理时，出口毛刺可由普通钻削时的31.52下降到0.12，基本上实现了无毛刺钻削。 提高钻头寿命及对难加工材料的切削能力也是钻削加工中的重要课题。1958年，W.Hansen在碳素钢工件上低频振动钻削深孔( f4mm,孔深58mm,频转比为3)时，发现振动钻削可显著提高钻头寿命，并指出钻头轴向振动降低了切削温度,减轻了钻头烧伤，改善了排屑性能，因此可提高钻头寿命14。1962年，E.A.Satel采用低频振动钻削加工属于难加工材料的不锈钢和耐热合金钢，结果使钻头平均寿命提高了300%,加工效率提高了250%。他认为，低频轴向振动钻削时刀具与工件切削表面的周期性分离可改善排屑性能，所以提高了钻头寿命。1972年，前苏联学者采用低频扭转振动钻削也获得了切削扭矩降低、钻头寿命提高1.5倍的加工效果。1989年以来，日本学者新井典久等人对低频振动钻削提高难加工材料的钻削能力进行了较为深入的系统研究。他们用f10mm的高速钢(SKH51)麻花钻先后对钛合金(Ti-6Al-4V)、镍铬铁耐热合金(Inconel600)和奥氏体不锈钢(SUS304)进行了低频振动钻削实验，并与碳素结构钢(S45C)对比，用压电晶体三相测力仪测量动态切削力，用热电偶测量切削温度，并用有限元法分析温度分布，以主后刀面刃区外缘处的磨损宽度来衡量刀具寿命。实验结果表明：振动钻削时钻削轴向力和扭矩静态分量(动态力的平均值)明显下降，其中钻削Ti-6Al-4V时分别下降19%和24%，效果最为明显；钻削S45C时分别下降4%和10%，下降幅度最小；振动钻削使切削液冷却润滑作用增强，钻头外缘处切削温度下降；磨损宽度减小，钻头寿命延长。因此，新井的实验结果有力地证明了低频振动钻削具有提高难加工材料钻削能力的工艺效果。王立江教授及课题组着重对振动钻削提高微小钻头寿命进行了实验研究，他们根据微小钻头不重磨的特点，以钻头折断前的钻孔个数或钻孔长度作为钻头寿命指标，先后做了超声波振动钻孔和低频振动钻孔实验，实验数据表明，不但低频振动钻削能成倍提高微小钻头寿命，超声波振动钻削提高微小钻头寿命的效果也十分明显，如参数选择合理，寿命可提高4.5倍以上。 三十多年来，国内外学者对振动钻削作了大量理论与实验研究工作，振动钻削能提高钻孔质量、延长刀具寿命和改善对难加工材料切削能力等优良工艺效果已在机械加工领域得到普遍承认。综观国内外振动钻削的研究现状，目前主要存在以下问题：对振动钻削的理论研究尚不充分，还未形成完整的理论体系，现有理论具有较大局限性，尚需修正和完善，以充分揭示振动钻削的动力学本质；对振动钻削工艺效果的研究大多局限于直径大于1mm的孔径区域，而直径小于0.5mm的微小孔加工条件最为恶劣，且加工数量与日俱增，所以对振动钻削微小孔的研究更具实际意义，需予以更多关注；迄今对振动钻削的研究均属于定参数振动钻削，无法同时满足钻削三区段不同钻削机理的要求，难以达到进一步提高钻孔整体加工水平的要求。因此，三区段变参数振动钻削，特别是对微小孔的三区段变参数振动钻削是在定参数振动钻削基础上的一次飞跃，是具有重要科研及应用价值的研究课题。1.3 振动钻削的发展趋势当今，随着科学技术的迅猛发展，一些具有优良的机械和物理性能的新型材料不断涌现，并逐渐在各个领域开始得到应用，这为振动钻削的发展提供了有利的条件。由于振动钻削是一种先进的加工工艺，振动参数对孔加工质量的影响非常大，而且要根据不同的加工对象、不同的钻削区段作相应的变化，因此靠以往的钻削设备不能实现这一目标，必须增加能进行改变振动参数的自动控制系统，充分实现振动钻削的自动化和智能化。振动钻削的最终目的是适应新型材料的出现，优化切削过程，全面提高孔加工质量，而受实验设备等客观因素的限制不可能在实验中大幅度地随意改变参数，因此用计算机仿真来全方位地分析和优化切削过程是必须的，这就要求在对系统辨识的基础上根据振动理论、切削理论、控制理论等对系统进行形象的描述并构造振动钻削的仿真模型，实现对振动钻削的动态仿真。 近年来，由于材料科学的飞速发展，具有优良机械和物理性能的新型材料不断涌现，并逐渐在各个领域得到应用。高强度、高硬度金属材料、正交纤维束增强复合材料及涂层材料等的应用日益广泛，尤其是正交纤维束增强复合材料以其优良的比强度、比刚度和加工性能被广泛应用于飞机结构中，然而其主要弱点之一是层间剪切强度低，采用普通钻削加工时因轴向力较大，使层间容易产生脱层现象，尤其钻出时脱层更为严重。针对这一问题，采用振动钻削工艺，并在钻入和钻出时采用不同的加工参数(振幅A、振动频率F、进给量f、主轴转速n等)以减小轴向力，无疑可显著提高孔的加工质量。 由多种材料(如钛合金、铝合金及复合材料)组合构成的叠层材料已逐渐应用于新型飞机的制造中，其应用前景十分广阔，但由于其切削性能很差，成为推广应用的主要障碍，因此亟需解决其切削加工难的问题。对于这种材料采用定参数振动钻削的加工方法难以奏效，必须在钻削不同材料层时相应改变加工参数，才能在性能差别悬殊的不同材料层上钻出高质量的孔。 极有发展前途的金属基(主要是铝基)非连续增强复合材料以及最近出现的一些具有晶须、短纤维和陶瓷颗粒结构的材料，不仅性能优异，而且价格也可与传统金属材料竞争，国外已在导航系统、航空发动机、汽车连杆、活塞、汽缸体、工业机器人传动齿轮上投入应用。但是这类材料中的增强相(纤维、晶须或颗粒)硬度很高，且在材料中随机分布，故钻削加工中刀具磨损严重，加工表面质量差，且随钻削深度的增加而加剧。所以，必须采用变参数振动钻削工艺才能较好解决其加工问题。 针对上述材料的加工难题，振动钻削应根据加工孔的材料组合特性、孔的长径比和技术要求等灵活选择参数变量(A，F，f，n)，并将参数变量作为钻削深度的函数，即A(l)，F(l)，f(l)，n(l)，最终目的是使整个钻削过程处于优化状态，全面提高孔的加工质量。因此，对振动钻削的研究主要应从以下几方面进行： 在充分考虑各种复杂因素尤其是非线性因素的基础上，构造能够真实反映钻削过程机理的动力学模型，深入进行振动钻削动力学特性的研究：由于振动钻削系统是一个包含非线性因素的复杂动力学系统，系统运行过程中可能出现诸如分叉、混沌等方面的动力学特性，这方面内容在以往的振动钻削研究中很少涉及；钻头的结构和几何参数比较复杂，以往国内外对振动钻削进行理论研究时都是把钻头近似看作具有两自由度且自由端具有集中质量(或均匀分布质量)的悬臂梁来建立动力学模型，根据这种模型进行理论分析，求出的解只能是近似解，不能完全、真实地反映钻头结构及切削过程的动力学特性，因此需要从振动理论上进一步深入分析振动钻削的动力学特性，寻找更为有效的求解方法，为振动钻削技术在现代加工条件下的完善和发展提供更充分、更精确的理论依据。 开发先进的振动钻削设备。振动钻削是一种先进的加工工艺，振动参数对孔加工质量的影响非常大，而且需要根据不同的加工对象和钻削区段作相应变化。因此，依靠传统的钻削设备很难实现这一目标，必须配置能进行变参数振动钻削的自动控制系统，实现振动钻削的自动化和智能化。 开拓新的分析方法。振动钻削研究的最终目的是适应新型材料的加工要求，优化切削过程，全面提高孔加工质量。但受实验设备等客观条件的限制，不可能在实验中大幅度地任意改变参数，因此采用计算机仿真对切削过程进行全方位的分析和优化是必不可少的，这就要求在系统辨识的基础上根据振动理论、切削理论、控制理论等对系统进行形象的描述并构造振动钻削的仿真模型，实现对振动钻削的动态仿真。综上所述，振动钻削为了适应现代化高科技发展的需要，要从各方面进行不断地自我发展和完善，并发挥出其特有的优势。为此我们应该不断积累前人的经验，继续努力钻研，争取在这方面有更大的突破。2 振动钻削的原理 2.1 振动钻削的机理 振动切削是在普通切削过程中给刀具 或工件 人为地加上某种有规律的、可控的振动,从而形成在机理上不同于普通切削的切削方法.振动切削按振动频率,可分为高频振动切削 超声振动切削 和低频振动切削 .实践证明,不论是高频还是低频振动切削,只要振动参数和切削用量选择得当,都能产生普通切削所无法比拟的切削效果,如改善难加工材料的可加工性,可靠地断屑、排屑,显著减小切削力,降低切削温度,降低表面粗糙度,提高切削液的使用效果,从而大大地提高刀具的耐用度.尤其在难加工材料和精密零件的加工中,振动切削已成为一种不可忽视的加工方法.用麻花钻进行振动切削时,振动形式有扭振 主切削方向上的振动 、轴向振动 进给方向上的振动 和复合振动 同时进行扭振和轴向振动。导向部分外切削刃nnn（c）复合振动（b）扭转振动振动导向部分内切削刃外切削刃外切削刃内切削刃导向部分（a）轴向振动内切削刃图2-1 振动方式一般认为,当钻头进行扭振时,仅仅改变了切削速度,并没有形成切削厚度的变化,因而,从运动学上分析,在认为刀具是刚性的条件下,扭振并无断屑条件,对于复合振动中的扭振成分也是如此.但是,由于扭振是在钻头外缘部分的主切削方向上的振动,能起到减小切削力的作用;另一方面,它所产生的圆周方向上的切削速度的波动,与进给运动合成,仍然形成了切削厚度的变化,也有利于断屑.轴向振动对钻芯部分的切削刃而言,振动方向与切削方向一致,使横刃部分的冲剪作用有规律地进行,从而使作用在横刃上的脉冲力发挥作用,这时,对钻头外缘附近的切削刃而言,就形成吃刀方向振动切削机理.另一方面,振动切削过程中,由于刀具与工件之间断续接触,使得切削温度降低,正应力减小,内摩擦向外摩擦转化,而且刀具的动态冲击力产生了高于静态剪应力的波前剪切应力,这些也是切削力降低,工件材料更容易被破坏的原因.钻削工艺引入振动方式以后,由于受到振动、切削力、冲击等互相作用,加工表面的各种参数呈周期性变化,切屑不像麻花钻钻出来呈带状的切屑,而是片状、颗粒状、线性状等不同的形式。切屑原理分析:设由于施振系统的作用，刀头产生振动特征函数为： 式中:为振幅,（m）为振动频率,为时间。刀头的轴向位移 (2-1)式中:为走刀量;为主轴转速。设为前后两刀波纹的重迭系数 (2-2)式中:为整数;。 设 (2-3)当,即 (2-4)实现断屑(理论上)。实验证明，振动钻削在加工过程中都能断屑,其原理是刀具与工件进行间歇、断续的切削，所形成的切屑在切削力振动挤压。冲击负荷的周期变化的共同作用下形成断裂,所以断屑在振动钻削加工中最易形成。2.2 振动钻削系统的稳定性与振幅损失 振动钻削是通过给钻削加工系统施加某种有规律的振动(振幅A，频率p)，通过周期性地实现刀具与工件的接触和分离，从而在圆周上形成切屑的薄弱环节，人为控制切屑的形成与折断过程。只要振动参数(振幅A，频率p)匹配合适，无论加工何种材料，选择何种切削角度，都能可靠地实现断屑和自主控制切屑尺寸。但加工经验证明：在振动加工的凸轮刀具工件系统中，由凸轮机构预设的振幅值，经钻杆传到钻头进行加工时，尽管振动频率保持不变，但是会产生显著的振幅损失。由于振幅值对切屑的折断以及控制切屑尺寸都有很重要的影响，所以振幅损失给人为控制振动钻削加工过程带来极大的障碍。因此，了解振动钻削加工过程中的振幅损失因素、估算损失量并采取相应措施进行预防或补偿，是振动钻削可靠断屑和稳定排屑的基础。 振动钻削中振幅损失因素分析凸轮在外部电机的带动下高速旋转，迫使钻杆作一定振幅和频率的简谐振动，对工件进行振动加工。在该系统中，影响振幅损失的因素主要有：(1)凸轮高速旋转时，从动件(即钻杆)的惯性力较大，整个机构会发生弹性变形，使得钻杆工作端的实际位移与凸轮轮廓所预定的名义位移存在一定的差距；(2)对深小孔进行振动钻削时，由于振动刀杆的刚性较差，使钻杆受压后产生弯曲变形；(3)对工件来说，由于受到周期性的强烈冲击，它将产生振动响应，即出现一定振幅的振动，该振动在与激振力存在相位差时，会使部分振幅损失。上述三种因素所引起的振幅损失并不能进行简单的叠加，由于振动的存在，使得振幅损失值也以一定的周期出现，而各因素所引起的振幅损失量之间存在相位差，使振幅损失量在整体上表现为加强或减弱。因此，若分别计算三种振幅损失量，则很难确切了解整个系统振幅损失值。利用几何断屑机理低频振动钻削，解决了小直径深孔钻削中的切屑处理问题。所谓几何断屑是指通过改变切削层的几何参数，使切削面积有规律地变为零值，或产生薄弱环节而达到断屑的目的。前者称为完全几何断屑，后者称为不完全几何断屑。钻削时，由于附加振动引起了进给量的周期性变化使得切削力也发生周期性变化，与普通钻削相比，系统的稳定性发生了很大的变化，并产生了振动钻削时特有的现象。振动钻削时，工件每转中刀具的振动次数称为重迭系数J，用表示，其中k表示整数部分，i表示小数部分，那么相邻两转之间的相位差为，即后一刀比前一刀在圆周上超前。虽然进给量f并没有变化，但每一瞬时，刀刃两转之间的轴向距离都在变化。把这一距离称为瞬时进给量，用表示，则 （2-5）瞬时进给量的变化引起切削厚度的变化和切削面积的变化，因此对加工过程中的切削力和钻削稳定性都有很大的影响。从变化规律上分析，瞬时进给量的变化与所加振动有相同的规律，只是相位上相差。2.2.1 振动钻削时的切削力振动钻削时，钻头受力状况见图2-2。 图2-2钻头受力状况由于瞬时进给量的周期性变化，钻削扭矩和轴向力也发生周期性的变化，同时，径向力和导向块上的支撑反力也发生周期性的变化。在完全几何断屑时，由于切屑在切削面积为零处自动分离，其理论切削力见图2-3。图2-3理论切削力理论切削力是以为周期的函数，由于切削面积并非按正弦规律变化，所以瞬时切削力也并非按正弦规律变化。2.2.2 振动钻削系统的稳定性 低频轴向振动钻孔时，钻削系统实际上为弹性体，由于切削力的周期性变化，势必引起系统的振动，表现为：钻头的轴向振动；钻杆的扭转振动；钻杆的横向摆振；钻杆的弯曲振动。这些振动分别由变化的轴向力、扭矩、主切削力所引起。假设轴向力、扭矩和主切削力随轴向切削厚度而线性变化，实际上对于不完全几何断屑，进给量按正弦规律变化时，钻削扭矩和主切削力也是按正弦规律变化的，轴向力的变化近似于正弦规律。为此，我们假设所有的激振力和扭矩都是时间t的正弦函数，可以认为各激振力(扭矩)的变化和切削厚度的变化间没有相位差。为研究轴向振动，建立见图2-4所示的模型，图2-4轴向振动模型假设刀柄处的振动为,图中x为钻头的瞬时位移，根据式(2-5)可得由于进给量的变化而产生的瞬时轴向力为：。 （2-6）式中：x相邻两转刀刃轨迹波形间的相位差。于是，可以得出动力学方程： (2-7)解此方程可得： (2-8) 这是两个相同频率的振动的合成，整理后得： (2-9)其中，, 式中：振动钻削时钻头的振幅；钻头的瞬时位移；钻柄的瞬时位移；激振力的力幅；系统的弹性系数；系统固有频率，；激振力频率；模型的质量。不难看出，当时 (2-10)该式说明时，变化的切削力减小了钻头的振动，使钻头的振幅达到最小值。由式(2-5)可知，此时瞬时进给量的变化幅度最大，由它引起的瞬时切削力的力幅也最大，最大，钻头振幅最小。同样可以分析出当时，钻头振幅最大，显然，时，将趋于无穷大。由以上分析可得出如下结论：当i=0.5时，钻头的轴向激振力的幅值最大，所受振动冲击最大；当i=0时，钻头轴向激振力的幅值最小，所受振动冲击最小；当时，钻头振幅将无限大，即系统达到共振，要设法避开；刀柄的振幅越大，钻头的振幅越大。2.2.3 产生横向摆振与钻杆弯曲振动的原因2.2.3.1横向振动 由于径向力以及主切削力的周期性变化，使得压向导向块的合力及导向套上的支反力也周期性变化。在轴向位置上，导向块滞后于切削力，这样导向块上形成的支反力形成一对力偶，也随周期性地变化。又由于导向块的倒锥量，导向块后部与孔壁间存在间隙，引起变化的力偶就使得钻杆产生横向振动，周期性变化的力偶见图2-5。图2-5周期性变化的力偶导向块的轴向滞后量很小，产生的力偶也很小，所以横向振动一般不是太严重，但如果振动频率接近横向振动的固有频率时会发生共振，这是应该避免的。2.2.3.2 钻杆的弯曲振动在横向振动中，会引起钻杆的弯曲振动。产生弯曲振动的另一个原因是采用了单刃刀具，使轴向力不过轴心(见图2-6)。图2-6轴向力不过轴心小直径内排屑深孔钻头一般都是单刃刀具，单刃切削时轴向力的合力不是作用在钻头中心，偏置的轴向力必然引起钻杆的弯曲，同时由于它周期性地变化，必然也会引起钻杆的弯曲振动。钻杆的弯曲振动是这两种振动的合成。当振动频率接近系统的固有频率时，也会产生共振，当然也应该避免。2.2.4振幅损失由于钻杆刚性较差，特别是当孔径越小，钻杆越长时，刚性就越差。这就使得钻柄处的振幅传到钻头时变小，即振幅损失。如果用来表示振幅的损失率，则 (2-11)显然，当i越接近05，即相位差接近，振幅损失越大，当i=0.5时，振幅损失率为最大值： (2-12) 令, 由此式可知，钻头的振动是由和两部分组成，其中，完全是由变化的切削力引起的附加振动，是由钻柄的振动引起的，二者的相位差为。当时，钻头的振幅最小，当时，钻头的振幅最大。可见，当变化的切削力引起系统的振幅越大，振幅损失就越大。同时由式(7)可看出，减小振幅损失的的途径有：减小相位差，但这受到断屑要求的制约；增大和，增大A太多会使得钻头承受的交变切削力幅值太大，冲击增大，影响钻头寿命。增大必须增大弹性系数k，即增大钻杆的刚度。钻杆刚性越好，振幅损失越小。所以，采用内排屑深孔钻的振幅损失将小于采用枪钻的振幅损失。 3 深孔加工的高效解决方案3.1 深孔加工 就刀具本身而言，通过提高自身的加工效率、延长使用寿命可以降低其在生产成本中所占的比例。为缩减过去占制造成本15%20%的切削液成本，干式、半干式切削得到逐步推广，开始替代传统的湿式切削。与此同时，刀具制造厂商开始将适应干式、半干式切削的刀具商品化，以进一步降低零部件的制造成本。在切削刀具中，孔加工用的钻头尤其不易实现干式、半干式切削。进行干式加工时，由于不能通过使用冷却剂达到冷却与润滑的效果，致使切削部位的温度会迅速上升，使刀刃急剧磨损，刀具寿命急速缩短。特别是在切削热易蓄积的孔加工中，熔结在刀具上的被加工材料脱落后会造成刀刃的显著损伤，再加上缺乏冷却液的排屑功效，切屑堵塞很容易造成钻头折断，使加工不稳定。令人遗憾的是，至今为止，孔的干式加工的实用化仍未能实现。被削材料：FCD700刀具直径：6（内冷型）切削条件：Vc=60m/min fr=0.15mm/r孔 深：150mm（通孔）切 削 液：乳性液 10% 7MPa 图3-1深孔加工用硬质合金整体钻头目前，除了铝合金、耐热合金材料的加工之外，采用最少量冷却剂的半干式加工正在得到推广和普及，在深孔加工中也已开始得到采用，如至今仍很难加工的以上的深孔已经能够用非步进法进行加工了。以往的深孔加工主要使用高速钢钻头、枪钻。为了避免孔弯曲而采用小进给方式加工，为防止切屑堵塞而采用步进方式加工，致使生产效率一直很低。现在，这个问题已经得到了解决，三菱公司开发出的可实现高效、高质量加工的硬质合金整体钻头（如图3-2所示），目前在汽车制造业已经得到应用。高速钢钻头（步进进给加工）高速钢钻头枪钻深孔加工用硬质合金整体钻头图3-2 切削性能比较这种硬质合金整体钻头的特点是螺旋排屑槽形状由窄变宽，加工的深孔时不需步进进给，可实现连续进给，一次完成加工。当加工球墨铸铁时，如图3所示，使用普通钻头切削，当时就会因切屑堵塞钻头发生折断现象而无法继续加工下去。而采用最新的深孔加工用硬质合金整体钻头，的深孔也可用非步进进给方式实现稳定加工，且未见切削动力消耗的上升。切削长度（m）0 20 40 60 80深孔加工用钻头以往钻头被削材料：S40C 曲轴刀具直径：6.18（内冷型）切削条件：Vc=89m/min fr=0.2mm/r孔 深：100mm（通孔）切削液压：1MPa M.Q.L加工（30cc/hr)图3-3 与以往加工方法的比较（加工时间） 图3-3所示的是最新深孔加工用硬质合金整体钻头与以往的深孔加工用钻头切削时间的对比情况。采用直径为6.18mm的内冷型钻头，加工的深孔，分别采用各自推荐的常规切削条件进行加工。结果显示，整体硬质合金钻头的加工时间大约是以往加工方式的1/5（与枪钻相比）1/10（与高速钢钻头相比），大幅提高了生产效率。4 发生装置设计4.1 装置总体方案精密深孔钻削是机械加工中较难的问题,特别是在难加工材料上的钻削小直径深孔,难度更大。一般情况下,用枪钻来加工小直径深孔,虽然冷却润滑和排屑都有较大的改善,但断屑并未解决。振动钻削技术是一种新的钻削方法,在小直径深孔加工中能有效地断屑,有利于深孔钻削中排屑问题的解决。由于振动钻削所具有的特点,国内外已在许多难加工材料的钻削中采用了振动钻削。实现振动钻削的关键之一是振动钻削装置。各种振动钻削装置所能产生的稳定的振动参数差别很大,因此,在实用上都有一定的局限性。枪钻是一种外排屑深孔钻，其结构如图1所示。通常切屑是被由刀具孔内流入切削区的高压切削油冲出孔的。如果切屑为连续不断的带状屑，即使增大供抽压力也难以可靠地冲出切屑，因此导致扭断刀头或刀杆的现象，所以枪钻加工深孔时的切屑处理主要是断屑问题。 图4-1 枪钻结构一般来说，振动装置应满足下列一些要求:1.单位功率要大，即在一定的功率下具有最小的轮廓尺寸，能够满足尽可能广泛的工艺要求；2.振动参数(频率与振幅)最好能单独无级调节，可调范围要尽可能大，以便使