（机械制造及其自动化专业论文）超声振动钻削机理试验研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 超声振动钻削机理试验研究 摘要 超声振动钻削技术能很好的解决小孔的精密加工问题，它从根本上改变了钻削机理， 使普通钻削的连续切削过程转变为断续的脉冲式切削过程，已经在小孔加工中体现出普通 钻削无可比拟的工艺效果。尤其对于难加工材料以及小直径精密深孔加工来说，振动钻削 是强化传统加工工艺的有效途径。 本文分析了振动钻削的基本原理和振动钻削过程，介绍了试验中所用的超声振动钻削 加工系统，在现有试验条件的基础上，开展了如下研究工作： l 对带圆锥过渡段的阶梯形复合变幅杆进行了修正改造，设计制造了新的工具系统， 通过对变幅杆的细微修正，最终实现了声振系统( 换能器、变幅杆、工具) 的共振，揭示了 变幅杆的修正规律，并在机床主轴旋转情况下对声振系统的谐振频率进行了测量，结果表 明：主轴转速越高，系统的谐振频率越稳定，漂移越小； 2 根据变幅杆的设计原理，设计、制造了阶梯形变幅杆，并对由其组成的声振系统作 了试验分析，最终实现了声振系统的共振，但所测声振系统的导纳特性为一不规则的圆， 为保护超声波发生器，决定只用由复合变幅杆组成的声振系统来进行超声钻孔试验； 3 对典型材料进行了超声振动钻削试验，在钻入：f l , o 偏移量、孔扩量、出口毛刺和加 工质量等方面与普通钻削对比，充分体现了超声振动钻削的优越性，并对相应机理进行了 分析、探讨。 关键词：超声振动钻削变幅杆谐振试验钻削机理 论文类型：应用基础研究 i i 英文摘要 s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： t h ee x p e r i m e n ts t u d yo fu l t r a s o n i cv i b r a t i o nd r i l l i n gm e c h a n i s m m a c h i n eb u i l d i n ga n da u t o m a t i o n l ip e i f a n ( s l i uz h a n f e a b s t r a c t n et e c h n o l o g yo fu l t r a s o n i cv i b r a t i o nd r i l l i n gc a l lb eag o o ds o l u t i o no ns m a l lh o l e p r e c i s i o nm a c h i n i n gp r o b l e m s i th a sc h a n g e dd r i l l i n gm e c h a n i s mb yt h er o o t s i tc h a n g e d o r d i n a r y - c o n t i n u o u sc u t t i n gp r o c e s si n t od i s c o n t i n u o u sp u l s e c u t t i n gp r o c e s s i n c o m p a r a b l e a d v a n t a g ei sr e f l e c t e dw h e nd r i l l i n gs m a l l h o l e s v i b r a t i o nd r i l l i n gh a ss t r e n g t h e n e do r t h o d o x w o r k i n gw a y s ，e s p e c i a l l yf o rh a r dt om a c h i n em a t e r i a l si ns m a l l d i a m e t e rd e e p h o l e sp r e c i s i o n m a c h i n i n ga r e a s n et e x ta n a l y z e dt h eb a s i cp r i n c i p l ea n dp r o c e s so fv i b r a t i o nd r i l l i n g ，a n di n t r o d u c e d u l t r a s o n i cv i b r a t i o nd r i l l i n gd e v i c ei nt h ee x p e r i m e n t b a s e do nt h ee x p e r i m e n tc o n d i t i o n ， r e s e a r c hh a sc o m p l e t e da sf o l l o w s ： 1t h es t e p p e dc o m p o s i t es o l i dh o mw h i c hh a sac o n i n gc h a n g e o v e rp o r t i o nw a sa m e n d e d a n di m p r o v e d ，a n dt h en e wt o o l ss y s t e mw a sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d w i t ha m e n d i n gt h e s o l i dh o m ，t h ev i b r a t i o ns y s t e m s ( t r a n s d u c e r 、s o l i dh o r n 、t o o l s lr e s o n a n c ew a sr e a l i z e d t h e t e x ts h o w e dt h er u l e so fa m e n d i n gs o l i dh o m ，t h e nm e a s u r e dt h er e s o n a n c ef r e q u e n c yo ft h e v i b r a t i o ns y s t e m f r o mm e a s u r i n g ， c o n c l u s i o n sw e r eg o t ：t h eh i g h e ro ft h em a c h i n et o o l s p r i n c i p a la x i sr o t a t i n gs p e e d ，t h es t a b l e ro ft h er e s o n a n c ef r e q u e n c y ，t h e nt h es a m l l e ro ft h e d r i r 2a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nt h e o r yo fs o l i dh o r n ，as t e p p e ds o l i dh o r nw a sd e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e d t h et e x ta n a l y z e dv i b r a t i o ns y s t e mt h r o u g he x p e r i m e n t t h ev i b r a t i o ns y s t e m s r e s o n a n c ew a sr e a l i z e d ，b u tc h a r a c t e r i s t i cc u r v ei sai r r e g u l a rc i r c l e t op r o t e c tt h eu l t r a s o n i c g e n e r a t o r , t h ee x p e r i m e n tw i l lb ed o n ew i t ht h et h ev i b r a t i o ns y s t e mc o m p o s e do fc o m p o s i t e s o l i dh o m 3u l t r a s o n i cv i b r a t i o nd r i l l i n ge x p e r i m e n th a sb e e nd o n eo nt y p i c a lm a t e r i a l c o m p a r e d w i t ho r d i n a r yd r i l l i n gi nh o l e c e n t e rd e f l e c t i o n 、h o l e d i a m e t e ri n c r e m e n t 、e x p o r tb u r ra n d m a c h i n i n gq u a l i t y ， u l t r a s o n i cv i b r a t i o nd r i l l i n gs h o w e dg r e a ta d v a n t a g e s t h et e x tt h e n a n a l y z e da n d d i s c u s s e dt h er e l a t e dm e c h a n i s m k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cv i b r a t i o nd r i l l i n g ； s o l i dh o r n ； r e s o n a n c e ； e x p e r i m e n t ； d r i l l i n gm e c h a n i s m t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y i i i 主要符号表 主要符号表 口振幅，m i l l b 钻头横刃宽度，r a i n p 半顶角，度 f ， 入切角，度 v l 刀刃的实际切削速度，m s 1 ，刀具进给速度，m s ， 钻头的线速度，m s 以 主轴转速，r m i n ，频率，h z ，刀具每转进给量，m m r f ，净切削时间，s v ，临界切削速度，m s 丁 周期，s 国。工作在半径方向上的固有角频率，r a d s m 等效质量，埏 c 粘性阻尼系数 咖相位角，弧度 p 能量密度，j m 3 p 弹性介质密度，k g m 3 c 弹性介质波速，m s a 超声波波长，m m w 角频率，r a d s m ，放大系数 妒形状因数 位移节点，m i n e 杨氏模量( 弹性模量) 鳊机械品质因数，m s 冠动态电阻，q 厶动态电感，m h g动态电容，刀f 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：巷话秧日期： 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师躲鹕 日期：型7 日期：墨! 缢：! ：驴 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究超声轴向振动钻削的目的、意义 在现代科技和生产领域中，深孔加工和深d , - 孑l 的加工数量与日俱增，已引起了国内 外学者的普遍重视。目前深孔加工，尤其是较精密的小深孔加工，难度在不断上升，所 以，小孔的高效及高质量加工是现代制造技术中国内外一直十分关注的极重要的研究课 题之一。 那么，对深小孔的加工精度要求越来越高，加工难度也不断的提高，传统的加工工 艺存在着切削热难于排除，切削温度高；钻头刚性差，定心困难且钻偏和折断等问题。 如果遇到难加工材料，则更是难上加难。因此，加工效率低，质量差，成本高，废品率 也高。已无法适应现代化生产对深孔加工提出的较高要求。许多学者从刀具、机床、切 削液等诸多方面入手，不同程度地改善了切削状态，使切削水平提高。但并未从本质上 减小切削力和切削热。近年来，人们把现代加工技术与传统工艺相结合，研究出了一些 新的加工方法，超声振动切削技术很好地解决了小孔加工的问题。 超声加工技术是一种将超声振动运用于精密或超精密加工的技术，特别是在超硬材 料、复合材料的难加工方面显示出优越性，具有低切削力、低切削温度、低的表面粗糙 度，被加工零件有良好的耐磨性、耐腐蚀性。 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制的相对运动。它的实质是在传统的切削过程中给刀具 或工件加入1 6 k h z 以上的某种有规律的脉冲振动，使切削速度、进给量、切削深度按 一定规律变化。振动切削改变了工具与工件之间的空间一时间存在条件，从而根本上改 变了加工( 切削) 机理，使钻头的振动发生质的变化，由非周期性的自由振动变成在周期 性激励下的有规律的强迫振动，不但抑制了钻头的无规律振动，而且增强了钻削系统的 动态稳定性，显著提高了孔的质量和钻头寿命。达到减小切削力、切削热，提高加工质 量和效率的目的。 本课题的研究具有十分重要的意义。超声波振动钻削小孔技术是一种新颖的先进工 艺，通过对超声振动钻削的试验研究，正确解决好导向精度，钻头几何参数以及切削参 数，改善材料的切削性能，可以大大地提高微f l , 孑l 的加工质量，其形状精度、尺寸精度 有较大的提高，表面粗糙度降低。钻头的寿命也大大地提高，入钻过程和排屑变得十分 容易，并且大大提高了生产率。 1 2 国内外现状 1 2 1 振动钻削的国内外研究状况 自1 9 5 4 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 动钻削进行的大量理论研究和实验分析可以说方兴未艾，已取得了许多有价值的研究成 果并应用于加工领域。尤其是近几年发展更为迅速，显示出独特的优势和广阔的应用前 西安石油大学硕士学位论文 景。 隈部淳一郎教授还提出了脉冲能量和应力集中理论【l 】，认为在分离型振动钻削时， 钻头由普通钻削时的连续切削转变成振动钻削时的脉冲式切削，特别是横刃由连续挤压 工件转变成脉冲式楔入工件，从能量的角度来看，这是一种合理的加工方法。国内的学 者对脉冲式切削观点也进行了肯定的论述，并进一步指出脉冲式切削能够提高横刃的切 削能力。然而，应当指出脉冲能量和应力集中理论对振动钻削软金属有良好的工艺效果， 但在钻削硬脆性材料时对钻头主切削刃的冲击较严重，振幅较大时反而可能加重刀具磨 损甚至产生崩刃，为此必须合理选择振幅使之既发挥脉冲切削的良好的工艺效果又能提 高钻头寿命。 1 9 7 3 年，前苏联鲍曼工学院的v n p e d u r a e v 通过实验研究【2 1 ，提出了振动钻削时钻 头横刃的冲击作用能够明显改善横刃的切削条件，并运用弹塑性理论对振动钻削的动力 学机理进行了分析论证。日本的足立胜重提出了振动断屑理论【3 】，指出振动钻削过程中， 刀具的工作前角是周期性变化的，实际工作前角和后角的周期性变化引起剪切角的周期 性变化，这样能促进切屑与前刀面分离，改善切屑与前刀面的摩擦条件，并给出了主切 削刃的动态前角计算公式。 日本目前有专门研究超声振动加工技术的研究所，而且各大专院校也开设展本技术 的研究工作。他们不仅已将超声加工用于普通设备上，还用于精密机床和数控机床，并 试图将超声加工引入超精密加工机床。前苏联也是丌展超声振动加工技术研究工作较早 的国家，上世纪五十年代末到六十后代初已经发表了不少有价值的研究论文，并将超声 振动车削、钻孔、磨削和光整加工及复合加工方法用于生产，取得了很好的加工效果和 经济效益。约在上世纪六十年代初期，美国也开始了超声振动加工技术的研究，但直到 七十年代中期，在超声振动钻中心孔、光整加工、磨削、拉管和焊接方面才达到生产应 用阶段，而超声车削、钻孔和镗孔还处于设备原理样机阶段。目前，美国某些超声振动 切削系统已供工业应用，并形成了部分标准。此外，德国和英国也对超声加工技术进行 了大量的研究工作，并发表了许多有价值的研究报告，在生产上也得到了一些积极的应 用【4 1 。 我国超声加工技术的研究工作始于上世纪五十年代后期，当时曾在全国掀起了群众 性的超声振动技术研究的热潮，但由于当时在超声波发生器、换能器及变幅杆等振动系 统的元器件方面在技术上不够成熟，且缺乏合理的组织和持续的研究，所以不久就冷了 下来。一直到七十年代后期，国内的一些大专院校和工厂才再次开展了超声振动车削和 压力加工的试验研究，并于1 9 8 2 年研制成功我国的第一台拉管设备，填补了超声加工在 塑性材料加工中应用的空白，并于1 9 8 3 年在西安召开了我国第一次“振动切削专题研讨 会”，这次会议对于促进超声加工技术的应用和推广起了非常重要的作用。其后，国内又 相继开展了对于玻璃、陶瓷等硬脆材料加工技术的研究，取得了优异的加工效果，同时 在各种金属孔的精密孔珩磨加工中进行了生产应用，曾前后在国内外发表了三百多篇有 2 第一章绪论 关超声加工技术方面的研究论文【5 l 。 1 9 8 2 年，陕西机械学院的薛万夫教授对用枪钻振动钻削时刀刃相邻运动轨迹波形进行 了理论分析和计算【6 】，得出了保证断屑的条件，进一步丰富了足立胜重的振动断屑理论。 同时，他在实验研究的基础上，进一步提出了振动钻削的动态角度理论，指出主切削刃的 前角和后角在钻削过程中是动态变化的，并给出了实际动态后角的计算公式和计算图。在 后续的研究工作中，动态后角的提出给加工塑性金属时可以改善刀具与工件的摩擦条件提 供了理论依据。 从1 9 8 4 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【7 】【8 1 9 1 1 0 】【l l 】。他在研究中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_ 偏移一退 回_ 恢复一重新钻入”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。在研究振动与毛刺的关联性和切屑形成过程时指出，当采用较 大振幅振动钻削一些软金属时会出现零相位差振动断屑现象，理由是根据动态角度理论， 振幅较大时会产生负后角，这时后刀面挤压已加工表面，破坏了刀刃形成的等距离波形表 面，使得刀刃运动轨迹在零相位差时能够穿越被后刀面挤压形成的表面，实现零相位差振 动断屑。同时，通过分析计算还进一步指出，零相位差振动钻削时随着振幅的增大，切屑 由不断属到局部断屑，最后到整体断屑，分别产生带状切屑、锯齿形切屑和针状单元切屑 等多种切屑形态。这一研究成果无疑弥补了足立胜重从运动学角度对振动钻削分析时得出 的零相位差不能断屑的缺陷和不足，使振动断屑理论进一步完善化。 1 9 8 6 年，哈尔滨工业大学刘华明教授通过实验发现【l2 】【1 3 1 ，超声波振动钻削可以使切 削力下降、表面质量和孔径精度提高，进一步探讨了钻头耐用度与振幅之间的关系，给 出了两者的关系曲线。次年，他用超声波轴向振动钻削直径7 5 、孔深3 0 的铝件，使孔 扩量由普通钻削时的0 2 1 下降到0 1 1 ，圆度误差不大于0 0 0 5 ，表谣粗糙度也有很大的 改善。通过对试件剖面金相组织的观察，得出了普通钻削的变质层厚度大于振动钻削的 变质层厚度的结论。 1 9 9 2 年，北京航空航天大学的陈鼎昌教授和哈尔滨工业大学的张其馨教授先后用超 声波振动钻削碳纤维增强复合材料( c f r p ) 0 7 1 ，不但改变了刀具对硬而韧的碳纤维的切削 能力，同时，还抑制了钻削中材料的层间剥落。 哈尔滨工业大学进行了碳素钢和铝合金超声振动的钻孔试验研究l l 引，分析了微孔振 动钻削机理，提出了钻削过程存在“静止化效果”和“刚性化效果”的综合作用。 山东工业大学张勤河教授1 9 9 7 年对金刚石工具钻削加工工程陶瓷孔进行了研究【l 引， 理论分析了材料去除机理，建立了钻削加工工程陶瓷孔时的材料去除率模型，推导出了 超声振动钻削工程陶瓷材料时材料的去除率的表达式，并进行了试验研究。结果表明： 西安石油大学硕士学位论文 超声振动钻孔的效率较高，加工质量较好，工具振动振幅、静载荷、转速和金刚石磨料 的纯度是影响材料去除率的重要因素。 1 9 9 8 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【l 6 j l l7 | 。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，设偏移量艿，但进入工件表面分离后，钻头将做以万为初 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。 1 9 9 9 年，池龙珠等人提出改变进给量能降低出口毛刺的高度的理论【l 引，指出进给量 越小，出口毛刺也越小，与恒进给量相比可降低出口毛刺的4 3 5 5 9 8 。 2 0 0 0 年，赵宏伟、李白军等人又利用电控式微孔振动钻床对多层复合材料的微孔振 动钻削进行了试验研究【1 9 】【2 0 1 ，对不同材料层的加工参数进行优化，进而提出多层复合材 料阶跃式三参数振动钻削新工艺。试验表明，阶跃式三参数振动钻削的入钻定位误差、 孔扩量、出口毛刺高度值比普通钻削的相应值显著降低。 2 0 0 0 年1 0 月杨兆军教授、王立平教授提出了三区段变参数振动钻削微孔的新工艺， 探讨并研究了用非线性回归求取各区段最佳振动参数的方法，验证了以三区段最佳振动 参数作变参数时，可以全面降低微孔加工误差的工艺效果。 振动钻削理论方面的研究推动了振动钻削的历史进程，为振动钻削优良的工艺效果 提供了理论依据。大量的实验结果均表明，与普通钻削相比，振动钻削可以明显降低钻 削力、提高孔加工质量并且能够提高钻头的耐用度。 近年来，随着振动钻削理论的发展，其优良的工艺效果为越来越多的学者所接受， 因此投入到这个领域中的学者也越来越多，主要集中在包括：振动钻削设备、振动钻削 减小出口毛刺、减小孔扩量和圆度误差、减小入钻定位误差、减小钻削力、以及提高刀 具耐用度等方面的实验性研究。 1 2 2 振动钻削装置的发展 振动钻削工艺效果的好坏，很大程度上取决于振动钻削装置，迄今为止，国内外学者 研制的振动钻削装置主要有以下几类： l 超声波振动钻削装置f 1 3 】【2 m 1 1 2 1 1 2 3 】【2 4 】【2 5 1 超声波振动钻削装置较早被应用于振动钻削实验，隈部淳一郎教授在研究振动钻削初 期就先后研制了安装在车床溜板上的超声振动钻削装置和振动主轴的振动钻床。1 9 8 9 年， 4 第一章绪论 隈部淳一郎教授又研制了超声波扭转振动与低频轴向复合振动钻削装置。1 9 9 2 年，吉林工 业大学的赵继教授研制了微小孔超声波振动钻床，其主轴系统可同时完成旋转、进给和轴 向振动。超声波振动系统依靠与换能器共同工作在谐振状态的变幅杆来提高振幅，因此， 这种装置的振动频率一般不能改变，而且振动系统各部件的结合部分会在超声激励下容易 松动、容易发热。 2 电磁振动钻削装置 隈部淳一郎教授介绍了产生轴向振动的电磁振动激振器。1 9 8 8 年哈尔滨工业大学的刘 华明教授用电磁铁改造研制了电磁振动钻削工作台，采用2 2 0 v 交流电经调压变压器为电 磁铁提供激振能量【2 4 1 。 这种装置结构简单，振动频率较高，频率与振幅负载特性较好，常用于对小孔的加工。 它的核心是电磁激振器，振动能量来源于铁心对衔铁的在不闭合状态下的磁场吸引力，可 以通过改变励磁电压的方式来控制振幅输出，但由于磁铁的刚度相对较小，衔铁上负载的 变化对衔铁振幅的影响较大，钻头与工件接触后，振幅明显减小，所以电磁振动装置的负 载能力较差，效率低。 3 液压振动钻削装置【2 6 1 1 9 7 9 年，日本学者岸本等人研制出了安装在立铣上的电液侍服阀控制油缸的振动钻削 装置。后来，足力胜重和前苏联的科学家也相继开发了与此类似的液压振动钻削装置。液 压振动钻削装置的输出功率大，负载能力强，适用于钻削大直径孔和深孔，但由于增加了 液压系统，成本较高，液压油的体积和弹性模量较小，反映比较迟钝，因此频率不大于 2 0 0 h z 。 4 机械振动钻削装置 1 9 5 8 年，美国学者首先研制了安装在自动车床上用凸轮控制的机械式轴向振动钻削装 置【2 7 1 。后来日本学者研制了一种特殊万向节式的轴向振动钻削装置。8 0 年代初，薛万夫教 授研制了利用直流调速电机驱动偏心凸轮旋转，并推动滚子使刀具产生轴向振动的装置 3 6 1 。这种装置输出功率大，结构简单，便于调整振动参数，振动机构刚度大，负载能力强， 但由于机构存在偏心质量，振动频率受到限制，通常不大于2 0 0 h z 。 5 永磁式振动钻削装置 1 9 9 7 年，原吉林工业大学高印寒教授研制开发出永磁振动钻削装置【2 8 】1 2 9 ，能够产生 复合振动。由于振源能量来自于永磁体的磁能，使整个振动装置具有操作方便，无发热的 特点。 6 压电材料作为振源的振动钻削装置 上述介绍的各种振源，均不适合作微小振动钻削装置的振源。1 9 9 3 年杨兆军博士研制 开发了利用压电陶瓷的电磁伸缩效应来实现低频振动的钻削装置【1 7 1 1 3 0 。h g t o e w s 所进行 的低频振动钻削研究【3 1 1 ，使用的振源也是压电传感器，他们用压电传感器激振工件：测力 仪置于工作台上，压电传感器固定在测力仪上表面，最上面连接用于夹持工件的夹具。这 5 西安石油人学硕士学位论文 种激振方式，使得无论钻削进行与否，由于压电传感器的作用，对于测力仪总是有输入， 需要对测量数据进行相应的处理。另外，该系统很难对重量较大的工件进行激振。 除上述振动钻削装置外，2 0 0 2 年p n c h h a b r a 等人在立式铣床基础上开发了一种新的 振动钻削装置【32 。该装置的主轴进给运动由直线电机驱动，装置采用直流电源驱动来实现 连续的进给运动：通过信号发生器产生按照正弦规律变化的电压信号，从而实现在进给方 向的振动，只要改变正弦电压信号的频率和幅值就可调整振动频率和振幅，频率变化范围 由0 到4 0 0h z 。 1 2 3 振动钻削面临的挑战及前景展望 振动钻削能达到良好的工艺效果，但是在发展过程中仍存在一定的难点亟待解决： 1 对振动钻削的理论研究尚不充分，还没有形成完整的理论体系，已经提出的理论具 有较大的局限性，需要修正和完善，以充分揭示振动钻削的动力学本质，因此，进一步深 入研究并揭示振动钻削的加工机理和规律还很有必要。 2 目前对振动钻削过程的探讨，基本局限在刀具与工件间的几何运动关系的分析研 究。实际上，不管何种切削的切削力都是动态变化的，振动钻削时切削力的动态变化则更 加突出；与此同时，刀具一工件系统的弹性变形，也将极大地破坏已定的切削几何关系， 甚至使钻削过程完全改变。即使把钻头近似地看成具有两自由度的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，其分析求出的解也只能是近似的，不能真实反 映钻头结构及切削过程的动力学特性。所以寻找更为有效的求解方法来开展振动钻削的动 态研究，对理论研究和应用都有重要的实际意义。 3 振动钻削系统是一个包含非线性因素的复杂动力学系统，目前的理论分析过程中还 都把它作为线性系统对待，显然由此得出的结论是不够准确或者说根本就是错的，因此对 其非线性特性进行分析是研究其切削机理不可忽视的切入点。 4 振动钻削的振幅损失。它是一个极其重要的参数，但由于加工系统的机床一钻头一 激振装置等的弹性因素，使振动钻削系统不可避免地存在振幅损失，给振动钻削的顺利进 行带来很大的困难。所以建立振动损失量的前期估算和补偿对控制振动钻削的顺利进行有 着重要意义。 5 迄今为止，对振动钻削的研究都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，以达到进一步提高钻孔的整体加工水平。因此，三区段变参数振动钻 削，特别是对小孔的三区段变参数振动钻削是定参数振动钻削基础上的一次飞跃，是一个 具有重要科学价值和意义的研究课题。 6 振动钻削的优良工艺效果已得到国内外专家学者的肯定，但其推广使用速度则很缓 慢，这主要是由于目前振动钻削的激振装置还很不稳定，如超声振动系统往往由于结合面 松动、发热疲劳以及振幅波动等原因限制了在生产中的广泛应用；而机械激振系统的频率 受负载影响较大，一般在加工过程中难以控制，振幅则因系统弹性也会与预先的设定值相 差甚远，电磁激振系统也存在着类似的问题。激振装置的稳定性已成为振动钻削技术应用 6 第一章绪论 和推广的制约因素，研究和制造稳定的激振装置成了从事振动钻削加工科技人员的一个重 要课题。 7 由于材料科学的飞速发展，具有良好机械和物理性能的新材料不断涌现，高强度、 高硬度的金属材料、纤维增强复合材料、涂层材料及各类叠层材料的应用日益广泛，但是 其切削性能差，成为推广的主要障碍。这时再用定参数振动钻削的加工方法是根本不行的， 必须在钻到不同材料层时改变加工参数才能完满地钻出材料性能差别悬殊的孔。因此根据 不同材料的特性，选择合理的变参数振动钻削工艺无疑是一个有效的途径。目前，针对各 种材料的变( 混合变) 参数智能振动钻削技术研究已成为新的研究热点，是振动钻削研究领 域的前沿课题。 8 在振动钻削实验中，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。 1 3 本课题来源及主要研究内容 1 3 1 本课题来源 我校深孔加工技术研究所多年来一直从事深孔加工技术方面的研究和开发，生产已 具规模，在深孔加工刀具和加工工艺方面的研究已经达到国内先进水平，加工的方法也 多种多样。在机械制造业中面临的小直径超深孔加工难题越来越多，且孔径越小而孔 越深，加工难度也越大，如果遇到难加工材料，更是难上加难。目前，国内外已采用振 动钻削来解决这一问题。我校对振动钻削的研究开展较早。冯凯针对振动系统调幅困难， 以及小直径枪钻制造工艺上的困难这两类问题，设计了振幅连续可调、操作简便的振动 装置和设计了制造工艺简单的小直径内排屑深孔钻，并进行了矽8 x 3 0 0 m m 和矽6 x 5 0 0 m m 的小直径深孔钻削实验【3 3 】，取得了良好的效果，有效的解决了小直径内排屑深孔钻削时 的排屑问题，大大提高y d , 直径深孔加工的效率。徐旭松在冯凯研究的基础上，进行了 对低频机械式振动钻削装置的进一步的理论分析，设计制造了新型低频机械式深孔振动 钻削装置，采用双偏心轮机构进行调节振幅，结构新颖，可在大范围内连续调节，解决 了振幅不能无级调节和调节振幅需要更换偏心轮的f - j 题【3 制。并用自己制造的6 m m 和 矽8 m m 内排屑深孔钻头进行小深孔振动钻削实验【3 5 】。实验结果表明断屑效果明显，排屑 顺畅。 他们研究的范畴是低频振动钻削的振动，主要是依靠机械或电磁等激振装置来实现， 以断屑为主要目的。为了进一步改善加工精度，提高切削效率和效能，扩大切削加工适应 范围，杨立合开展了超声波振动钻削小孔的研究，主要对超声振动钻削装置做了设计研究 3 6 l ，为了进一步完善超声振动钻削的研究分析，特立“超声振动钻削机理试验研究”为研 究的课题，对特定材料进行试验和分析，以便解决难加工材料小直径深孔的钻削问题。 1 3 2 研究内容 7 两安石油大学硕十学位论文 本文的主要研究内容如下： 1 小直径精密深孔加工方法： 2 振动钻削基本原理和振动钻削过程分析： 3 超声振动钻削装黄研究： 4 超声变幅杆的设计与研究； 根据变幅杆的设计原理设计一合理的变幅杆，并与换能器连接进行谐振试验，看能否 达到谐振，若不谐振，则修正变幅杆或重新制造一变幅杆，直到实现声振系统的谐振。 5 特定材料的超声轴向振动钻削试验研究 以摇臂钻床为基础平台进行超声轴向振动钻削试验，通过试验来观察和分析影响超声 振动钻削小直径深孔加工质量的因素，以改善加工质量，提高切削效率和效能。 1 4 创新点 1 进一步改善原有超声振动钻削装置的结构，设计比较合理的变幅杆结构； 2 解决难加工材料小直径深孔钻削问题； 3 典型材料超声振动钻削试验研究及机理分析。 8 第二章超声轴向振动钻削过程分析 第二章超声轴向振动钻削过程分析 2 1 振动钻削分类 1 按振动性质分为自激振动钻削和强迫振动钻削 自激振动钻削是利用切削过程中产生的振动进行的，强迫振动钻削是利用专门的振动 装置，使钻头( 或工件) 产生有规律的可控的振动进行切削。 2 按振动频率分为高频振动钻削和低频振动钻削 钻头( 或工件) 的振动频率在1 6 k h z 以上的称高频振动钻削或超声波振动钻削，其高频 振动是利用超声波发生器、换能器、变幅杆来实现的。这种振动钻削方式以改善加工精度 和表面粗糙度、提高切削效率和效能、扩大切削加工适应范围为主要目的；钻头( 或工件) 的振动频率最高仅为几百赫兹的称低频振动钻削，低频振动主要依靠机械或电液等激振装 置来实现，这种振动钻削方式以断屑为主要目的，同时也可以有效地提高孔的加工精度。 3 按刀具振动的方向分为轴向振动钻削、扭转振动钻削和同时具有轴向和扭转两种振 动的复合振动钻削 轴向振动钻削是钻头的振动方向与钻头的轴线方向相同；扭转振动是钻头的振动方向 与钻头的旋转方向相同；复合振动是上述两种振动的迭加。其中轴向振动钻削易于实现、 结构简单，工艺效果明显，是振动钻削中占主要地位的振动方式。 4 按振动对象分为振动主轴和振动工作台 振动工作台时工件和夹具组成振源的惯性负载，其结构和质量的变化直接影响振幅输 出。振动主轴时，振源的惯性负载不因工件而发生变化，适应性强，一般都采用振动主轴 的方式。 2 2 振动钻削基本理论 振动钻削是振动切削的一个分支，是在传统的钻削过程中利用另外设置的可控振动源 ( 振幅、频率) ，人为地给钻头或工件加上某种有规律的、可控的振动，使切削用量按某种 规律变化，从而进行连续有规律的脉冲切削，这种钻削方式改变了传统钻削的钻削机理， 改变了切屑的形成条件，从而形成一种本质全新的加工方法。 在切削过程中，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。 振动钻削时，钻削速度的大小和方向产生周期性的变化，这种变化改变了整个工艺系统的 受力情况。在一个切削循环过程中，刀具在很小的位移上产生很大的瞬时速度和加速度， 在局部产生很高的能量。在振动的影响下，摩擦系数大大降低。而且振动的频率越高，降 低的比例就越大。 根据实际加工需要，当振动参数和切削用量选择适当时，可以按需要控制切屑的大小 和形状。细碎的切屑，可避免钻深孔时的切屑堵塞现象，使生产效率可以提高几倍甚至十 几倍。在振动参数和切削用量的适应范围内，无论加工何种材料，采用何种刀具角度和切 削用量，都可以实现可靠地断屑，可解决深孔加工中关键性的切屑处理问题。 9 西安石油人学硕士学位论文 振动切削破坏了产生刀瘤的条件，又由于切削力小，切削温度低，减小了切屑对孔壁 的划伤，提高了表面光洁度。此外，振动钻削( 尤其是超声振动钻削) ，提高了工艺系统的 刚度，明显提高了钻削过程中的动态稳定性，减轻或消除了普通钻削时经常发生的钻头摆 动现象，大大地提高了加工精度和表面光洁度。 只要振动参数选择适当，可以减轻或消除钻削过程中工艺系统的振动，获得稳定的钻 削过程。一般来说，频率越高，切削效果越好，不仅使切削力下降，同时工艺系统也更趋 稳定，相当于提高了钻头的刚度，振动钻孔的刀具寿命比普通钻削有大幅度提高。 在振动切削条件下，由于每次脉冲切削实际切削时间远远小于刀具、工件颤振的过渡 时间，颤振还来不及产生，刀刃就脱离了与工件的接触，所以振动切削能减小甚至消除 切削颤振，达到以振( 可控) 治振的目的。振动频率可以从几十到几百赫兹，甚至超声波 振动，振幅的大小从几个微米至几十个微米。 总的来说，所加振动改善了刀具的工作条件，降低了作用在刀刃上的载荷，其所带来 的种种好处超过了交变载荷所产生的不利影响，因此可以期望在更大的范围内使用振动钻 削法代替普通钻削法。尤其是对于难加工材料以及小直径精密深孔( 如中3 以下的小孔) 加 工来说，可以认为振动钻削是强化传统加工工艺的有效途径。 2 3 轴向振动钻削过程分析 2 3 1 轴向振动钻削数学模型的建立 振动钻削与普通钻削的根本区别是在钻孔的过程中通过振动装置使钻头与工件之间 产生以一定频率和振幅的有规律的、可控的相对运动。其钻削示意图如图2 1 所示。 图2 1 轴向振动钻削不惹图 刀刃上任意一点在轴线方向上的位移为： y = ，n t + a s i n ( 2 n f i ) 刀刃上任意一点在轴线方向上的速度，即进给速度为： v f = l n + 2 矿e o s ( 2 n f l ) 式中，刀具的转速，r m i n ； l o ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 第二章超声轴向振动钻削过程分析 石刀具每转进给量，m m r ； 俨振幅，m m ； 产频率，h z ； 卜时间，s 。 2 3 2 轴向振动钻削过程 根据钻削机理可将振动钻削过程分为钻入、钻中和钻出三个不同的区段。在钻削过程 各区段，要解决的矛盾截然不同。入钻时提高定位精度；入钻后要求提高排屑能力，孔径 精度和延长刀具寿命；钻出时的关键是解决出口毛刺问题。如图2 2 所示，钻入区段由钻 头横刃接触工件开始到主切削刃刚好全部进入工件为止；钻出区段由钻头横刃钻出工件的 瞬间开始到主切削刃刚好全部钻出工件为止；介于钻入区段和钻出区段之间的就是钻中区 段。王立江教授和杨兆军博士结合各区段钻削机理的研究结果和指定特征参数的实验结果 进行了区段的划分，提出三区段的划分在数值上与钻头直径d 和振幅口有关【3 7 】。 钻入区段的长度啊： h a = 2 a + 恭 ( 2 - 3 ) 对于小直径标准麻花钻，通常6 = 0 3 d ；2 p 2 11 8 。；于是上式可以简化为： 忽= 2 a + 0 2 1 d( 2 - 4 ) 钻出区段的目标是减小出口毛刺，考察指标是出口毛刺高度从几何角度看，钻出区段 的长度与钻入区段的长度是相等的，即 h ，= 瓴 ( 2 5 ) 式中：卜振幅，m m 卜钻头横刃宽度，m i l l 嘣头直径，n l m 旷半顶角，度 图2 - 2 钻孔过程三区段划分 1 钻入过程 图2 3 ( a ) 所示为普通钻削过程的起钻，刀刃的实际切削速度u 是刀具进给速度和钻 l l 西安石油大学硕士学位论文 头的线速度v 的合成速度，h 与工件切削点切线的夹角称为入切角f 。，n y gv 1 时，_ 7 矛亏元夏笔萧卸，所以有 ( 1 一w 2 嵋) 2 + 4 f 2 w 2 以 x ：当 ( 2 _ 2 1 ) x = = -l z z lj 疗x 同理可得 ：了by(2-22)y2 _ 托j ， 由此可知，在切削过程中钻头的位移并不随时间发生变化，也就是说钻头的位移是静位移。 振动钻小孔时的这种现象称为“静止化效果”。在振动钻削加工中，旦 1 的情况很容易 w ” 实现，所以“静止化效果 在超声振动钻削中发挥着重要作用。 当脉冲切削力波形发生作用时，此时 日，c ，= 等日，+ 昙日，喜去s t n 等万c 。s ，z w ， c 2 - 2 2 ， 满足兰 i 的条件时，其位移 w n x = 嚣t 后。 、 同理可得，位移 1 6 第二章超声轴向振动钻削过程分析 y = 景( 2 - 2 4 ) 尤y f 上述两式表明，在这种情况下弹簧的表观弹性系数比原来的弹性系数增大t t c 倍。切 削条件不同，这个数值大体上为3 - 1 0 倍。也就是说，在振动钻孔过程中，由于脉冲切削 力的作用，原来直径小的钻头无形之中直径变大了，钻孔时钻头就更不容易弯曲了。我们 把这种现象叫做振动钻孔的“刚性化效果 。在振动精密钻小孔时，由于钻头的上述两种 “静止化效果”和“刚性化效果”的作用，可以有效地提高孔的力n t - - 质量和加工效率。 2 5 小结 本章主要介绍了： l 振动钻削的分类； 2 振动钻削的基本理论：振动钻削是一种脉冲切削，改变了传统钻削的钻削机理， 是一种新颖的工艺方法； 3 轴向振动钻削过程分析：对轴向振动钻削过程三区段( 入钻、钻中、钻出) 进行分析， 指出三区段过程中解决的主要矛盾截然不同； 4 超声振动钻削运动学分析； 5 介绍了超声振动钻削过程中的“静止化效果 和“刚性化效果 。 1 7 西安石油大学硕士学位论文 第三章超声轴向振动钻削加工系统 3 1 超声轴向振动钻削加工系统概述 超声振动钻削工艺因具有特殊动力学机理而使其可获得良好的加工效果。振动钻削效 果的好坏，在很大程度上取决于振动钻削加工系统。超声振动钻削加工系统包括超声发 生器、换能器、变幅杆和工具系统等。根据我校深孔加工研究所现有的试验条件，使用的 是一套刀柄旋转轴向超声振动钻削装置，通过刀柄直