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轴向振动钻削微小钻头静动特性分析 中文摘要 微小孔轴向振动钻削加工技术是将微小钻头的旋转切削和轴向振动两种运动形 式相结合的一种新颖的钻削加工方法，该方法从根本上改变了钻入机理，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，已在微小孔精密加工实践中表现 出普通钻削无法比拟的工艺效果，可显著提高产品的加工质量和效率。本文主要针 对难加工材料上的微小孔的精密加工问题，从而对轴向振动钻削微小钻头的静动特 性展开了一些研究。 微小钻头的结构参数，如芯厚、刃沟形状、螺旋角、刃沟长度等，决定了钻头的 刚度和强度，影响钻头的耐用度、容屑排屑和切削性能。微小钻头的设计和制造时， 如何合理地选择这些参数，对改善微小钻头的性能和提高钻削效率，具有重要的意 义。 本课题在对振动钻削机理进行深入研究的基础上，利用p r o e n g i n e e r 软件建立微 小钻头三维实体模型，分别改变其钻芯厚度与钻头直径比、刃沟螺旋角、刃沟长度 等参数，综合利用有限元软件a n s y s 中的模态分析、瞬态动力学分析以及静态分析 技术对微细钻头钻入力学特性进行了深入地分析，比较研究了普通钻削加工和轴向 振动钻削加工的钻入特性差异。并基于微小钻头钻入动力学模型，定性地分析了振 动及切削参数对钻头钻入定心精度的影响以及钻头刚度的变化情况。上述分析为微 小孔振动钻削工艺实验奠定了一定的理论基础。 尽管初步分析已显示出轴向振动钻削技术的良好工艺效果，但要将其应用于生 产实际，还需进行大量的实验研究，以进一步优化工艺参数和获得更好的加工效果。 关键词：轴向振动钻削；微小钻头；钻入定心精度；刚度 轴向振动钻削微小钻头静动特性分析 t h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i so fm i c r o d r i l lb a s e do n a x i a lv i b r a t i o nd r i l l i n g g r a d u a t en a m e ：l i ux i a o c h u a n d i r e c t e db y ：z h a n g p i n g k u a n a b s t r a c t t h ea x i a lv i b r a t i o nd r i l l i n gt e c h n o l o g yi san e wt y p eo fm a c h i n i n g m e t h o df o rm i c r oh o l e s ，w h i c hi sc o m b i n e dr o t a r y c u t t i n gm o v e m e n to f m i c r od r i l lw i t ha x i a lv i b r a t i o n i ts h o w st h a tt h en e wm e t h o dc h a n g e st h e c u t t i n gm e c h a n i s m i nt h ec o u r s eo fd r i l l e n t r ya n dt h ec o n v e n t i o n a l c o n t i n u o u s c u t t i n gp r o c e s s i st r a n s f o r m e di n t oap u l s e dd i s c o n t i n u o u s c u t t i n gp r o c e s sb yu s i n gv i b r a t i o nd r i l l i n g t h ea x i a lv i b r a t i o nd r i l l i n g t e c h n o l o g yh a sm o r ee x c e l l e n tt e c h n o l o g ye f f e c tt h a nc o m m o nm e t h o d si n m i c r oh o l e sp r e c i s i o nm a c h i n i n ga r e a s ，c a r lr e m a r k a b l yi m p r o v em a c h i n i n g q u a l i t ya n de f f i c i e n c y t h i sp a p e ri sf o c u so nt h ep r e c i s i o nm a c h i n i n go f m i c r oh o l e si ns o m em a t e r i a l sh a r dt ob em a c h i n e d s o m er e s e a r c hh a sb e e n c a r d e do u to nt h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i so fm i c r o - d r i l l b a s e do na x i a lv i b r a t i o nd r i l l i n g t h et o r s i o n a l r i g i d i t y a n dt w i s t y r i g i d i t y a r ed e t e r m i n e d b y t h e s t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fm i c r o - d r i l l ，s u c ha st h ec o r e b i tt h i c k n e s s ，b l a d e f i g u r e ，h e l i xa n g l e ，t h eb l a d el e n g t h t h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa l s oi n f l u e n c e t h ec u t t i n gp e r f o r m a n c ea n dt o o l l i f eo ft h ed r i l l i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t h a tt h er a t i o n a lc h o i c eo ft h e s e p a r a m e t e r sc a ni m p r o v et h ec u t t i n g p e r f o r m a n c ea n dd r i l l i n ge f f i c i e n c yw h e nt h em i c r o - d r i l li sd e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e d t h e3 dd r i l lm o d e li sb u i l tb yu s i n gp r o e t h ev a r i o u sr a t i o so ft h e c o r e b i tt h i c k n e s st ot h ed i a m e t e r , t h eh e l i xa n g l ea n dt h eb l a d el e n g t ha r e c a l c u l a t e db ya n s y s t h ed y n a m i cb e h a v i o ro fm i c r o d r i l li s d e e p l y 摘要 s t u d i e do nu s i n gm o d a la n a l y s i s ，t r a n s i e n td y n a m i ca n a l y s i sa n ds t a t i c a n a l y s i st e c h n o l o g yi nf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e t h ed r i l l e n t r yc h a r a c t e r i s t i c d i f f e r e n c eb e t w e e nc o n v e n t i o n a ld r i l l i n ga n dr o t a r ya x i a lv i b r a t i o nd r i l l i n gi s c o m p a r e d b a s e do nd y n a m i cm o d e lo fm i c r o d r i l l ，t h ee f f e c t so fv i b r a t i o n p a r a m e t e r s a n dc u t t i n gp a r a m e t e r so nd r i l l e n t r ys p o t t i n ga c c u r a c y i s a n a l y z e db yu s i n gm a t h e m a t i c sc o m p u t i n gs o f t w a r e a b o v e m e n t i o n e d a n a l y s e si nt h i sp a p e rl a yat h e o r e t i c a lb a s i sf o ri m p r o v i n gp e r f o r m a n c eo f t h ed e v i c ea n dd o i n gt e c h n o l o g i ce x p e r i m e n t so fv i b r a t i o nd r i l l i n g t h o u g hp r e l i m i n a r ye x p e r i m e n t s s h o wt h ev i b r a t i o n d r i l l i n gh a s e x c e l l e n tt e c h n o l o g i c a le f f e c t s ，t oa p p l yt h en e wm e t h o dt op r a c t i c a l i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，h o w e v e r , al a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t sh a v et o c a r r i e do u tf o rf u r t h e ro p t i m i z a t i o no fd r i l l i n gp a r a m e t e r sf o ra l lk i n d so f d i f f e r e n tm a t e r i a l k e y w o r d s ：a x i a lv i b r a t i o nd r i l l i n g ；m i c r o d r i l l ；d r i l l e n t r ys p o t t i n g a c c u r a c y ；r i g i d i t y m 承诺书水话吊 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导 下独立完成的，学位论文的知识产权属于太原科技大 学。如果今后以其他单位名义发表与在读期间学位论文 相关的内容，将承担法律责任。除文中已经注明引用的 文献资料外，本学位论文不包括任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的成果。 学位论文作者( 签章) ：奠l ，t 2 0 0 8 年5 , e j2 0 日 。 绪论 第一章绪论 在金属切削加工中，孔加工的量约占切削加工总量的三分之一，而深孔加工又 约占全部孔加工工作量的二分之一【1 1 。由于深孔加工是在封闭或半封闭的状况下进行 的，因而不能直接观察刀具的切削情况。深孔加工切削条件特别恶劣，切削热不易 传散，而且排屑困难，工艺系统刚性差，切削效果不理想。尤其是难加工材料的小 直径深孔钻削加工是目前国内外的技术难题。 随着科学技术的不断进步，特别是宇航、航空事业的发展，对机器及其零部件 的性能和质量的要求越来越高，为保证整机及零部件的高性能和高质量，广泛应用 了具有特殊性能的工程结构材料，如：不锈钢、钛合金、高温合金、纤维增强复合 材料、工程陶瓷等。对这些材料进行钻削加工时，由于普遍存在切削力大、温度高、 刀具磨损严重、断屑和排屑困难等问题，使传统钻削加工几乎到了无法进行的程度， 传统的钻削工艺已显示出极大的局限性 2 - 4 。因此探求一种本质新颖的钻削加工方法， 以适应材料性能参数和产品质量不断提高的要求，成了国内外钻削领域里重要而又 迫切需要解决的研究课题。 振动钻削就是在这种前提条件下产生和发展起来的。所谓振动钻削，就是在传 统钻孔方法的基础上，给刀具( 或工件) 人为地增加一种可控的有规律的振动，使 刀具( 或工件) 一边振动，一边钻孔。它改变刀具与工件的运动关系和相互作用的 条件，可以改善材料的可加工性，提高了刀具的切削性能p 巧】。其最大的特点是可以 根据工件材料的性能和加工要求，改变振动参数与切削用量的匹配关系，从而达到 改变切削条件，控制切屑的大小和形状，无论加工何种材料都能稳定可靠地解决断 屑、排屑问题。故应用振动钻削来解决难加工材料小直径深孔钻削难题是一种重要 而有效的方法。 1 1 微小孔钻削简介 孔加工是在一个封闭的环境内完成，加工条件受被加工孔径、孔深的限制，刀 具的刚度、冷却润滑、排屑条件都很差，切削区无法观察等，所以孔的i j n - 5 1 衍l 2 j ；有的资料认为深孔是指长径匕k l d 3 0 的孔。微 小孔钻削常用的钻头有：扁钻、麻花钻、半圆钻、金刚石微型钻。目前主要有高速 钢麻花钻及整体硬质合金麻花钻，是微d , 孑l 2 n 工的主要刀具。 1 2 振动钻削概述 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。在钻削过程中，钻头与工件周期性 地离开和接触，其运动速度的大小和方向在不断地变化，这些特点使振动钻削在对 难加工材料的微d , 孑l n 工中，得到了普通钻削难以想象的效果，如切削力减小、切 削温度降低、加工精度提高、刀具寿命延长等，使钻削加工技术有了一个质的飞跃。 1 2 1 振动切削的起源 振动切削是由日本宇都宫大学的偎部纯- - n 教授最先提出来洲6 1 。从1 9 5 0 年到 1 9 5 3 年期间，偎部纯一郎教授测定了刀具所承受的平均切削抗力，并对直角自由切 削时刀刃附近金属组织的变化过程、因滑移线而出现的应力分布状态以及残余应力、 形成切屑时作用在刀刃上的切削力、高速摄像下的切屑生成等，进行了就当时来说 的独特的探索性的观测和研究。结果发现，普通切削时，固定在刀架上的刀具，其 刀刃在切削过程中并不是处于静止状态，而是以不规则的振动频率和振幅，以复杂 的振动形态进行微小的振动，切削现象也时刻在作无规则的变化。而当时的切削机 理研究方法是以静力学的观点进行的，即通过高速连续摄像及瞬间取样，来概括研 究切削的全过程。偎部纯一郎教授认为，这种传统的研究方法相对于实际的切削情 形显得太过于勉强了，由于刀具在切削时一直处于不规则的颤动过程中，刀刃上的 动力学作用对切削机理肯定有着重要的影响，因此，切屑不是根据刀刃和工件之间 的静力学关系形成的，而应该是根据冲击性的动力学关系形成的，切削过程其实就 是刀具对工件的连续的不规则的撞击过程。 基于以上的学术思想，偎部纯一郎教授开始了他对振动切削的初步设想：加工 过程中的刀刃颤动对加工精度的影响是显而易见的，若能使刀刃的不规则颤动被抑 制，或者使这种不规则的弹性振动变得有规则，那么就可以提高加工精度，改善加 工表面的质量。1 9 5 6 年1 1 月在日本冈山地方机械学会临时报告会上，偎部纯一郎教 授对他的研究成果进行了第一次口头发表，指出若对工件或刀具主动施加某种有规 律的振动，就可能使刀刃的无规律的颤动受到抑制，从而实现提高加工精度的目的。 至此，振动切削在金属切削领域正式登台亮相。这之后，随着振动切削试验研究工 2 绪论 据加括罐 3 轴向振动钻削微小钻头静动特性分析 美国学者则研制出了结构简单、操作方便的机械式轴向振动钻削装置，对中4 5 8 r a m 的钢件的钻削试验不但证明了该装置使用的可靠性，并且获得了排屑顺利、孔 的加工精度提高和刀具寿命延长等效果【7 】。s o n o b o n d 公司利用超声波振动进行深孔 钻削，不仅使生产效率提高了3 7 倍，而且还改善了表面粗糙度和切削形成过程， 消除了钻削加工中的刀振现象，延长了刀具寿命。 日本对振动钻削的研究比较深入，许多大学和研究机构都设有这个研究课题。 其中最具代表性的是提出振动切削概念的偎部纯一郎教授，他在其专著中，对高频 振动钻削作了详细的介绍和试验研究，认为振动钻削具有普通钻削无可比拟的优越 性：断屑可靠、排屑顺畅、切削力减小、加工精度提高、刀具耐用度长等。这之后， 足立胜重等用麻花钻对黄铜进行了振动切削试验，证实切削热下降了3 0 ；新井典久 等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；鬼鞍宏 猷等用麻花钻对振动钻削的加工精度进行了研究，认为施加超声振动后，将有效的 提高微孔表面的加工质量。在振动钻削的理论研究方面，偎部纯一郎率先对超声振 动钻削获得良好加工效果的机理进行了探索，提出了钻头的“静止化 和“刚性化 理论：即由于切削刃与工件的周期性分离，使切削力成为脉冲力，因此在钻削过程 中出现钻头的位移并不随时间变化的“静止化效果 和脉冲切削力使钻头低抗弯曲 变形的能力提高的“刚性化效果 。这些理论尽管还存在不完善的地方，但其工作已 为许多专家所肯定。在振动钻削装置的结构设计方面，偎部纯一郎教授成功研制出 了超声波扭转和低频轴向复合振动钻孔设备，极大的增强了振动钻削的加工能力。 可以说，振动钻削在日本的发展水平代表了整个世界的领先水平。 我国对振动钻削的研究在六十年代末已开始，但到八十年代初期，这项技术才 真正得到认可和发展。1 9 8 2 年，西安理工大学成功研制了安装在机床溜板上的低频 振动刀架，用直流伺服电机驱动偏心凸轮实现了钻头的低频轴向振动，并相继对钛 合金t c 一1 1 、不锈钢i c r l 8 n i 9 t i 、以及n i - c r c o 高温合金等进行了一系列的振动钻 削实验【8 。10 1 ，实验表明，采用振动钻削方法钻削难加工材料，钻头的耐用度提高，对 降低切削力、抑制刀杆振动和保证断、排屑顺利等都有明显的效果。他们还结合实 验研究提出了轴向振动切削的动态角度理论，指出钻头的主切削刃的前角和后角在 钻削中是周期性交化的。 吉林工业大学的王立江教授等从1 9 8 4 年开始，对高频轴向振动钻削微小孔的理 论和工艺效果进行了深入的研究，提出了振动钻削的入钻定位理论、超声亚谐区钻 头独立振动模式理论等，分析了振动钻削提高加工精度的机理，并先后研制了超声 4 绪论 波、机械、液压和电磁等振动钻削激振装置【l l - 13 1 。 自九十年代以来，国内对振动钻削的研究与日俱增，1 9 9 1 年，华中理工大学李 伟等用偏心机械扭转振动枪钻钻削铝合金，取得了钻削力下降、表面质量提高的工 艺效果【1 4 】。1 9 9 2 年，哈尔滨工业大学张其馨教授等对碳纤维增强复合材料( c f r p ) 进行了振动钻削试验，提出了超声振动钻削的旋转切剁概念i l5 1 。近几年，华中理工 大学的王立平、杨叔子，山东工业大学的张勤河、艾兴，中南工学院的彭庆林，北 京航空航天大学的张德远、西安石油学院深孔加工研究所的王世清教授等均对振动 钻削的理论和应用进行了有益的探索【1 6 2 0 1 ，取得了一些令人鼓舞的成果，振动钻削 在我国正呈现出一片勃勃生机。 1 4 振动钻削存在的问题和未来展望 1 4 1 振动钻削存在的问题 尽管微小孔振动钻削在各国科技人员的努力下，已经取得了很大的进展，但若 要真正实现微小孔振动钻削的最佳控制，实现加工过程的高可靠性和自动化，则还 有很大的距离。主要存在以下许多问题： ( 1 ) 目前对振动钻削过程的探讨，基本局限在对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。所以开展振动钻削的动态研究，突 破静态几何关系而寻找动态规律，对理论研究和应用都有重要的实际意义。 ( 2 ) 关于振动钻削机理问题的理论和观点大多还只是根据振动钻削现象和效果 进行分析和推测。目前意见还很不一致，甚至有些观点还大相径庭。因此，进一步 研究并揭示振动钻削的加工机理和规律还很有必要，而且对振动钻削系统的非线性 特性进行分析是研究其切削机理不可忽视的入点。 ( 3 ) 振动钻削的振幅损失是一个极其重要的参数。但由于加工系统的机床一工 件钻头一一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。 ( 4 ) 振动钻削的参数匹配现在仍然停留在加工经验的基础上。因此，对这样重要 的问题进行理论分析和实验研究，以便建立可供加工过程中选用的参数匹配工程表 格，对推广振动钻削有重要的意义。 轴向振动钻削微小钻头静动特性分析 ( 5 ) 振动钻削的优良工艺效果己得到国内外许多专家学者的肯定，但其推广使用 则很缓慢。这主要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。激振动装置 的稳定性已成为振动钻削技术应用和推广的制约因素，研究和制造稳定的激振装置 成了从事振动钻削加工可以人员的一个重要课题。 1 4 2 振动钻削的发展趋势 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( 振幅口，振动频率厂，进给量f ，主轴转速刀等) 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 的叠层材料己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s l t 2 1 1 。 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。 上述新型材料有可能被大量广泛应用，而其加工难题还远未很好解决，目前仅在车 削加工领域有极少的研究和报道。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( 口厂，刀) ， 并将参数变量作为钻削深度的函数，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： 6 绪论 ( 1 ) 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【2 2 2 训。 ( 2 ) 从切削力学角度看【2 5 】，振动钻削的实质是变厚切削、变角切削、变速切削和 冲击切削，要搞清各参数变量对切削过程的多维影响关系、分离型与不分离型振动 钻削的分界、零相位差振动断屑机理，尤其是在确定钻头各个切削刃的负后角禁区 及切削厚度的变化对动态切削力的影响，必须对动态切削过程进行深入研究，从而 为今后的实验研究奠定基础。 ( 3 ) 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 2 6 j 。 ( 4 ) 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。 综上所述振动钻削是- n 比较新的技术，其理论研究很不完备，振动方式也比 较多，但是振动钻削技术具有丰富的理论内涵和极为诱人的应用前景，需要进行不 懈的探索，可以预料随着人们对振动钻削理论研究的不断深入，工业化应用的不断 推行，振动钻削一定会取得实质性的进展，为人类做出更大的贡献。 7 轴向振动钻削微小钻头静动特性分析 1 5 本论文的研究内容和研究意义 本文主要针对难加工材料上的微小孔的精密加工问题，从而对微小孔轴向振动 钻削技术展开了一些研究。本论文的主要工作如下： ( 1 ) 概述了振动钻削技术的发展现状，提出了振动钻削技术存在的问题以及未来 的发展趋势，为振动钻削技术的进一步研究作了有益的铺垫。 ( 2 ) 对振动钻削过程进行运动学分析，分析振动钻削的特性，以揭示振动钻削的 机理，进而指出振动钻削与常规钻削的区别； ( 3 ) 针对微小钻头的结构参数，如芯厚、刃沟形状、螺旋角、刃沟长度等，决定了 钻头的刚度和强度，影响钻头的耐用度、容屑排屑和切削性能。本文利用 p r o e n g i n e e r 软件建立具有各类不同参数的微小钻头三维实体模型。 ( 4 ) 综合利用有限元软件a n s y s 中的模态分析、瞬态动力学分析以及静态分析技 术对微细钻头钻入力学特性进行了深入地分析，比较研究了普通钻削加工和轴向振 动钻削加工的钻入特性差异。并基于微小钻头钻入动力学模型，定性地分析了振动 及切削参数对钻头钻入定心精度的影响以及钻头刚度的变化情况。 本课题在对振动钻削机理进行深入研究的基础上，分析改变钻芯厚度与钻头直 径比、刃沟螺旋角、刃沟长度、振动频率等参数对钻头钻入定心精度的影响，为微 小孔振动钻削工艺实验奠定了一定的理论基础。利用有限元软件a n s y s 对微钻头进 行刚度分析，对比微小钻头各有关结构参数变化对其刚度的影响，寻找适用于具体加 工对象以及切削条件的最优钻头结构参数，使振动切削过程达到最佳的切削效果，为 合理地选择振动参数，改善微小钻头的性能和提高钻削效率，提供了理论基础。 尽管初步分析已显示出轴向振动钻削技术的良好工艺效果，但要将其应用于生 产实际，还需进行大量的试验研究，以进一步优化工艺参数和获得更好的加工效果。 8 振动钻削理论基础 第二章振动钻削理论基础 振动钻削是振动切削技术在钻孔时的具体应用，是振动切削技术的重要组成 部分。振动钻削技术欲解决的问题有：提高钻孔精度，包括尺寸和形位精度；提 高孔加工质量；改善排屑状况；改善刀具切削性能，提高被加工材料的可切削性； 提高刀具寿命，减少钻通孔时的出口毛刺等。但在某- 1 0 n 工过程中，不一定就可 以全部获得改善，但是，只要能获得最想得到的改善项目，就可以认为取得了振 动钻削效果【2 引。 金属切削的实质就是刀具与工件之间产生相对运动，使刀具挤压金属，使金 属产生弹性、塑性变形，最终从金属基体上剥离而形成切屑。振动钻削也必然有 这样的过程，所以研究刀具与工件之间的运动关系是非常必要的。 2 1 振动钻削的运动学分析 2 1 1 周向振动钻削的运动学 图2 1 为周向( 扭转) 振动钻削时的工件与钻头之间的相对运动简图。设钻头 直径为d ( m m ) ，钻头和工件之间的相对角速度为，相对轴向进给速度为 ，( m m r ) ，扭转振动频率为厂( h z ) ，钻头外缘处振幅为a ( m m ) 。振动钻削时， 认为相对角速度，和相对轴向进给速度v ，是变化的，且可以分解为一个常量与 一个周期性交变分量的和。设周向( 扭转) 振动的运动规律为正弦运动，既 a s i n ( 2 n f t ) ，进给量为少，钻头运动的正方向为从钻头柄部向其切削部分观察时 的逆时针方向。钻头相对于工件的切削速度及轴向进给速度如下： v ，= 一斫一2 n f ( a f , r u a r ) e o s ( 2 z r j q ) s i n ( t a n 。1 ( ，积) ) 2 1 ，= 一砌一2 a 矿e o s ( 2 n f i ) 2 - 2 上述两式的第二相就是周向振动运动，由扭转系统实现。关于周向振动钻削 问题的研究归结为对振动运动的实现方法、装置及其钻削过程的影响规律的研究 【2 9 】。 9 轴向振动钻削微小钻头静动特性分析 图2 1 周向振动钻削工件与钻头之间的相对运动简图 2 1 2 轴向振动钻削的运动学 目前，轴向振动钻削方式是振动钻削技术研究的主流，在加工中大多数都是 采用轴向振动钻削加工。在这里定义当振动频率与刀具( 或工件) 的转动频率之比 在1 至5 之间，一般振动频率在几百赫兹以下，为低频轴向振动钻削，常简称低 频振动钻削。当振动频率在数万赫兹或者接近或超过声波的高限频率称高频轴向 振动钻削，也称超声轴向振动钻削。轴向振动钻削的激振规律随采用的激振结构 不同而有所区别，在高频振动时，一般采用信号发生器控制，通过换能器等实现 激振；在低频振动时，多采用机械方式激振，另外还有液压式、电磁式等。在众 多的振动机构中，以机械式最为可靠，且结构简单、造价低廉，使用和维护最为 方便，机械结构也有多种形式，先以偏心轮为例进行分析，它的运动规律是简谐 振动，这也是最常用的激振运动规律。 j 一 y 图2 2 轴向振动钻削钻头与工件的相对运动简图 图2 2 为轴向振动钻削时的工件与钻头之间的相对运动简图。图中刀表示刀 具转速( 也称转频) r s ，z 表示刀具每转进给量m m r ，a ，f 分别表示振动 1 0 振动钻削理论基础 的振幅m m 和频率舷。刀刃上任一点在轴线方向的位移为： y = ，玎f + a s i n ( 2 z n t ) 2 - 3 则刀刃上任一点在轴向方向上的速度为： v j = = ，7 + 2 r e f a c o s ( 2 7 r f t ) 2 4 上述两式的第二项就是轴向振动运动，由轴向振动系统实现。关于轴向振动 钻削问题的研究归结为对轴向振动运动的实现方法、装置及其钻削过程的影响规 律的研究【2 9 】。 将式2 3 ，2 - 4 用图形表示，如图2 3 所示。 图2 3 轴向正弦振动钻削运动图形 2 1 3 复合振动钻削 复合振动钻削是指轴向振动和周向振动的复合，即同时将两种振动加在钻削 过程中的钻孔方法【2 9 1 。 ，f 1 ： - 一 y 图2 4 复合振动钻削工件与钻头之间的相对运动简图 如上图所示的就是复合振动钻削的工件与钻头之间的相对运动关系，其相对 轴向振动钻削微小钻头静动特性分析 运动方程如下： y = 工n t + 向l f a v r d s i n ( 2 顽o s i n ( t g 叫仉n - x d ) + a 2s i n ( 2 n f 2 0 2 - 5 ，= 矾+ 2 z f , 向l f r = a z o s ( 2 顽0 s i n ( t g 1 诉a v r d ) + 2 矾口2c o s ( 2 n f 2 0 2 - 6 式中：z 为周向振动频率，五为轴向振动频率 a 为周向振动振幅，a ，为轴向振动振幅 此种情形的运动实现最复杂，相对运动方程式也很复杂，而且实践证明这种 方法加工很难得到理想的工艺效果。 2 2 轴向振动钻削的运动学方程 深孔钻削过程可以简化为图2 5 所示的力学模型，图中o x y z 构成空间直角 坐标系，其中x 表示进给方向( 轴向) ，y 、z 表示切深方向。在普通钻削中， 刀具相对工件的运动可以分解为主运动和直线进给运动，刀刃上一点在钻削加工 过程中形成一条空间螺旋线，其数学表达式为： 式中_ 刀具进给速度； 0 刀具周向角位移； 厂刀刃上一点到刀具轴心的距离。 图2 5 振动钻削运动模型 屠x = v s t m + p a 咖m 【z = ，c o s o 1 2 n 塔，出 y 厂 r = = = ，0j、l 振动钻削理论基础 则有：p = 2 删f ，_ = ，刀，耐= 丽0 = _ i 刀。 所以刀刃上同一点的运动方程式为变为： x ：五p + 彳s i n 臼 2 7 r 门 y = ，s i n 0 z = ，c o s 0 如果刀具相对工件每转中，刀具的振动次数称为重叠系数j ，则有： ， = 土= k + i 玎 上式中k 表示整数部分，i 表示小数部分，并规定一0 5 f 0 5 ，则相邻两 转之间的相位差9 为：妒= 2 石f 2 3 振动钻削过程中的力学分析 振动钻削过程中，切削力会发生较大的变化，切削效果将大大改善。刀具相 对切屑的振动状态，使摩擦系数大大减小是振动钻削工艺效果产生的主要原因 3 0 - 3 2 】。但这只是一个方面，深入研究钻削过程中力的规律和摩擦力的实质，还可 以从以下几方考虑： ( 1 ) 第一变形区，一般切削时，切屑与前刀面之间压力很大，再加上几百度 的高温，切屑底层粘结，形成很大的内摩擦，而振动钻削过程中，刀具与被切材 料之间间断作用，接触不紧密还可能出现点接触的情况，摩擦力大大减小【3 3 。3 4 1 。 ( 2 ) 由于振动切削过程中正应力减小，对材料的断裂抑制作用大大减弱，材 料容易破坏。 ( 3 ) 刀具以动态切削力作用于切屑。根据应力波作用规律动载荷作用时会有 高于静态剪应力的波前剪切应力， ( 对于同样幅值的力的接触紧密f 尊 锄) ， 由于较大的波前剪应力作用，材料易破坏。 ( 4 ) 一般认为切削速度提高，摩擦力降低。实际上，切削速度提高使摩擦系 数减小，是基于材料温度升高的机理，而振动切削时，刀具与工件总接触时间缩 短；切削温度也大大低于普通切削。因此可以认为单纯从减小摩擦力的角度，提 高相对切削速度是没有很大意义的，切削速度的提高，可以获得大的动态波前剪 切应力才是问题的实质。 2 4 工件的动态变化 机床是由各个弹性体组装而成，而工件是装夹在机床上进行切削加工的，因 轴向振动钻削微小钻头静动特性分析 此，加工时的工件及夹具，都会发生与切削力波形相对应的弹性振动。当前，在 需要精密加工乃至超精密加工之际，就需要我们去注意对与工件的加工精度、形 状精度有着密切关系的切削力波形【3 5 1 。 2 4 1 普通钻削和振动钻削切削力波形比较 普通钻削过程中，刀具以一定的力风挤压旋转的工件，这时刀具、工件、 刀架等组成一个弹性振动系统。在理想条件下，普通钻削中切削力波形的近似放 大图如图2 6 所示，在风之上叠加了两个交变力，一个是正弦形式的，一个是 非正弦形式的。非正弦形式的交变力无论随时间如何变化，总可以借傅立叶级数 展开成有限个或无限个随时间作简谐振动的正弦波变化量。普通钻削的切削力可 以写成：p ( t 1 = p o + p s i n 6 0 t p p o o p o + 耋p n s i n ( n w t + 帆) p s i n w t 、弋夕 t 图2 6 普通切削切削力波形图 在振动钻削过程中，刀具沿着切削方向做低频或高频振动，把整个切屑长度 分割成的细小部分来进行切割t 3 6 j 。其切削力波形如下图2 7 所示。 图2 7 振动切削切削力波形图 产生这种波形的原因是在振动钻削中，刀具周期性地离开和接触工件。当刀 具接触工件时，将产生切削力，而当刀具离开切削时，切削力为零。普通钻削中， 切削力是风+ p s i n r o t ，这种切削力必然导致工件的位移增大和切削热的增加。 但这种切削力在普通切削是不可少的。没有则不能形成刀具对工件的挤压和 切削作用。而有了岛后，由于风作用在弹性体上，必将产生p s i nw t 的力，从而 使位移增大，造成加工精度降低。而在振动钻削中，对形成切屑起主要作用的切 1 4 振动钻削理论基础 削力p s i n w t 不是由机床主电机提供的，是靠振动系统产生的，工件只作圆周运 动。刀具按规则的脉冲力进行切削，除了正常的切削运动和所加的规则振动之外， 在切削过程的极短时间内，刀具与工件之间没有其它的附加的相对运动，因此切 屑的宽度、厚度都没有变化。加工几乎所有常见材料，都能形成与母材相近、表 面光滑无毛刺、不发热的切屑f 3 7 】。 振动钻削是一个在极短时间内完成的微量切削过程，刀具在很小的位移上得 到很大的瞬时速度和加速度，这种局部产生的很高的冲击能量将使切削区材料快 速变形，摩擦系数降低，剪切区材料的塑性变形减小，因此振动钻削中的切削力 大大减低了。 2 4 2 普通钻削时工件的动态位移 由上面的切削力分析知，普通钻削时工件的运动微分方程为： 窘脚妄耐x 确切i n r 2 - 7 2 卢= y m ； 6 - 0 0 2 = k m 式中：x 是工件在水平方向上的位移；c o o 是固有角频率； ，是时间；m 是装在主轴上工作的等效质量； 卢是阻尼系数；y 是粘性阻尼系数； 风是p ( t ) 在一个周期内的平均值。 方程2 - 7 的解为： x 2 等+ 孑p 丽菰孬雨1 丽s i n ( c o t + t g - 1 研- 2 考c o c o o ) 2 8 长期以来，人们在切削加工中总是力求加工过程稳定，从而实现精密切削和 超精密切削，采用的主要方法是提高机床的刚度、主轴的回转精度以及改进刀具 角度等，希望在这个基础上实现高速切削。高速切削可以加大激振频率w ，从而 实现c o c o o 的情况，实现工件的位移x = p o c 0 0 2 使切削处于最佳的稳定状态。这 样一方面提高了车削的生产效率，同时提高了工件的加工精度和加工质量。但在 普通钻削中，c o c o o 是难以实现的，因为车床的刚性不是无限大的。同时，切削 速度的大幅度增加必将对刀具的耐热性提出新的更高的要求。所以其结果，在普 通钻削中，工件的位移( 在切削力作用下) 还是静位移与动态位移的叠加。 1 5 轴向振动钻削微小钻头静动特性分析 2 4 3 搌动切削时工件的动态位杉 根据切削力的分析，振动钻削时工件的运动微分方程为： 筹郴去+ 2 x 掣i 删】 2 9 把脉冲状切削力波形按傅立叶级数展开： 舯等风+ 争喜扣等s 蒯2 _ 1 0 将2 - 1 0 式代入2 - 9 式得方程的解为： x ：垒粤+ 艺名肇擎磐磐s 咄删博，1 - n ：0 2 ，o j o ：) 2 _ 1 1 t 铴。鲁、2 ，2 2 鳓2 + ( 1 一，2 2 锦2 ) 、 。 z 鸠国嘧 通过数学计算，我们比较普通钻削与振动钻削的数学解析式，得出普通钻削 与振动钻肖, jq - 件位移： 普通钻削： x = 粤+ 孑p 雨赢丽ii 雨s i n ( c o t + t g - 1 0 ) o 4 40 9 0 毒c o 等) 2 2 毒2 2 2 十( 1 一国2 2 ) 2 1 2 振动钻削： 丑毒+主穗襞赫s赋n0)t+tg-1t n f f i lc o 些2 n 考0 ) 丝c o o ) 2 - 4 毒2 刀2 2 2 + ( 1 一玎22 2 ) 、 7 x 乓( 普通钻削) x 1 p o 妥 ( 振动钻削) ：t 2 - 1 2 2 - 1 3 以下分析切削过程的几种情况： ( 1 ) 当c o 时 由于乞r 一般在1 3 1 1 0 之间，所以工件在振动钻削状态下位移将显著 减小，这对提高加工精度，保证加工质量将十分有利。普通钻削中c o 是不可 能的。而在超声振动钻削中，因刀具以f = 2 0 5 0 k h z 的频率振动，而工件、刀 具组成的振动系统的固有频率一般在2 0 0 0 0h z 以下，所以在超声振动钻削中， 实现 c o o 的情况是十分容易的。振动钻削真正实现了用静力学的观点解释钻削 1 6 振动钻削理