（机械制造及其自动化专业论文）轴向振动钻削机理及其工艺效果实验研究.pdf

jl 一， 、 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 王 。押 弓垆 ，1】 孙 月 签 易 者 年 作 哆 文 扣 捌 z1l七岁 学 日 一、_、 分类号殴5 逝1 5 u d c ! 丝堇! 窆窆31 2 博士学位论文 密级 越蜜 编号 羔q 垫窆曼q 鲤! 鲣 轴向振动钻削机理及其工艺效果 实验研究 马利杰 指导教师 王贵应教授 申请学位级别 墟士专业名称扭越剑造及甚自麴焦 论文提交日期2 q q 2 生垒目论文答辩日期至q q z 笙鱼曰 学位授予单位和日期 江菱太堂笙且 答辩委员会主席 评阅人 2 0 0 7 年4 月 卜 ， 、 1 苎 一 0 c l a s s i f i e di n d e x ：t g 5 0 6 5 u d c ：6 2 1 9 9 3 2 p h d d i s s e r t a t i o n s t u d yo nm e c h a n i s ma n dp r o c e s se f f e c to fa x i a l v i b r a t i o nd r i l l i n g b y m a l i j i e m a j o r ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ea n da u t o m a t i z a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o f w a n gg u i c h e n g j i a n g s uu n i v e r s i t y a p r i l ，2 0 0 7 套 ri一11 摘要 摘要 振动切削是集金属切削理论、材料科学理论、振动理论、控制理论等为一体的 一种先进切削加工工艺方法，作为振动切削技术的一个分支振动钻削技术( 尤 其是轴向振动钻削技术) 以其独特的工艺效果，受到国内外机械工程专家和学者们 的广泛关注。 小孔钻削是钻削加工的难点之一，加工稳定性、断屑排屑、工艺效果已经成为 小孔钻削所必须解决的关键问题。当前，小孔振动钻削的工艺效果已得到初步验证， 但研究工作仍处于起步阶段，巨大的潜在价值急需探讨。本文主要以小孔轴向振动 钻削为研究对象，对其运动学特性、动力学特性及减振机理、断屑排屑机理、工艺 效果等进行了深入的研究。本论文的研究工作有： 1 基于压电陶瓷的逆压电效应和压电致动器的工作原理，研制了一种用于小孔 振动钻削的压电式轴向振动工作台，并对压电振动台的静态、动态输出特性及实际 加工中的振动特性进行了测试和分析，结果表明：该振动装置完全可以用于小孔的 振动钻削加工。 2 对轴向振动钻削的运动学特性进行了系统地分析，深入揭示了轴向振动钻削 的变厚切削、变速切削、变角切削和分离冲击特性，并进一步研究了振动参数对振 动钻削运动学特性的影响规律。 3 基于机械系统动力学理论，建立了麻花钻扭转、弯曲振动的动力学模型，在 此基础上，对轴向振动钻削过程中钻头的扭转、弯曲特性进行了初步的探讨，从而初 步揭示了轴向振动钻削“以振治振 提高工艺系统稳定性的实质。 4 对分离型、不完全分离型以及零相位差振动钻削的断屑机理进行了深入系统 地研究，阐述了分离型振动钻削的切屑尺寸的预测预报方法，并编制了相应的程序， 绘制出钻削过程中切削刃的运动轨迹和切削厚度变化示意图。基于钻削加工的切屑 运动学原理和振动减摩机理，研究了普通麻花钻轴向振动钻削时，不连续型切屑的 排屑机理，并进行了相应的实验验证。 5 针对不锈钢和硬铝的小孔普通钻削和振动钻削试验，对钻削过程中的切削力、 钻头的磨损破损形式，以及内孔的出口毛刺、表面形貌、尺寸精度等问题进行了对 比研究。 江苏大学博士学位论文：轴向振动钻削机理及其工艺效果实验研究 6 开展了m q l 技术在轴向振动钻削中的应用研究。 本研究是国家自然科学基金项目“精密零件棱边的形成机理及其控制 ( 项目 编号：5 0 2 7 5 0 6 6 ) 的重要组成部分。本文的研究工作将进一步丰富和发展振动钻削 理论，对于进一步发挥振动钻削的优势、促进该项技术的推广应用具有重要的理论 价值和应用意义。 关键词：轴向振动钻削、压电振动台、运动学特性、动力学特性、断屑排屑、工艺 效果、m q l， r f a b s t r a c t a b s t r a c t v i b r a t i o nc u t t i n gi sak i n do fa d v a n c e dm a c h i n i n gt e c h n o l o g yt h a tu t i l i z e sm u c h k n o w l e d g es u c h a sm e t a lc u t t i n gt h e o r y , m a t e r i a l ss c i e n c e ，v i b r a t i o nt h e o r y , c o n t r o l e n g i n e e r i n ge t c v i b r a t i o nd r i l l i n gi sab r a n c ho fv i b r a t i o nc u t t i n g b e c a u s eo f i t su n i q u e p r o c e s se f f e c t ，v i b r a t i o nd r i l l i n g ，e s p e c i a l l y a x i a lv i b r a t i o nd r i l l i n g ，h a sb e e nn o t i d n g w i d e l yb ym a n ys p e c i a l i s t sa n ds c h o l a r s t h em a c h i n i n go fs m a l lh o l ei so n eo fd i f f i c u l t yo fd r i l l i n ga n dt h ek e y p r o b l e mo f m a c h i n i n gs m a l lh o l ei sc h i p - b r e a k i n g ，c h i p - r e m o v i n g , m a c h i n i n gs m b f l i t ya n dp r o c e s s e f f e c t a tp r e s e n t ，t h ep r o c e s se f f e c to fm a c h i n i n gs m a l lh o l eb yv i b r a t i o nd r i l l i n gh a sb e e n v e r i f i e df i r s t l y b u tt h er e s e a r c ha b o u tt h i sa s p e c ti sj u s tb e g u na n dt h e r ea r es o m e p r o b l e m st h a tn e e db es o l v e dq u i c k l y t h e r e f o r e ，b a s e d o i lv i b r a t i o nd r i l l i n go fs m a l lh o l e ， t h ea u t h o rs t u d i e d d e e p l y k i n e m a t i c sc h a r a c t e r i s t i c s ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ， c h i p - b r e a k i n g ，c h i p - r e m o v i n ga n dp r o c e s se f f e c to fa x i a lv i b r a t i o nd r i l l i n g t h ec r e a t i v e w o r ka n dr e s e a r c hc o n t e n to ft h i sp a p e ri sm a i n l ya sf o l l o w s ： 1 b a s e do nc o n v e r s ep i e z o e l e c t r i ce f f e c to fp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c sa n db a s i c p r i n c i p l eo fp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r , w eh a dd e v e l o p e da k i n do fp i e z o e l e c t r i cv i b r a t i n gt a b l e t h a tc a nb eu s e dt oa x i a lv i b r a t i o nd r i l l i n g a n dt h e ni t sa c t u a lo u t p u ta n do p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i ca r et e s t e da n da n a l y z e d t h er e s u l ts h o w st h a tp i e z o e l e c t r i cv i b r a t i n gt a b l e c a nb eu s e da sv i b r a t i o ne q u i p m e n to fm a c h i n i n gs m a l lh o l e 2 t h ef o u rk i n e m a t i c sc h a r a c t e r i s t i c so fa x i a lv i b r a t i o nd r i l l i n ga r ea n a l y z e d t h e i n f l u e n c eo fv i b r a t i o np a r a m e t e r so nk i n e m a t i c sc h a r a c t e r i s t i c si sd i s c l o s e d 3 a c c o r d i n gt ot h ed y n a m i ct h e o r yo fm e c h a n i c a ls y s t e m ，w eb u i l tt h eb e n da n d t o r s i o nv i b r a t i o nm o d e lo ft h et w i s td r i l la n da n a l y z e dt h eb e n da n dt o r s i o nv i b r a t i o nr u l e s o fd r i l li nv i b r a t i o nd r i l l i n g s o ，t h ee s s e n t i a lo fd e c r e a s i n gv i b r a t i o no fv i b r a t i o nd r i l l i n gi s p r i m a r i l yo p e n e d o u t 4 w ee x p o u n d e dm e c h a n i s mo fc h i p b r e a k i n ga n dt h ep r e d i c t i v em e t h o do fc h i p d i m e n s i o no fs e p a r a t ev i b r a t i o nd r i l l i n g b yc o m p u t e rp r o g r a m ，t h ed i a g r a m m a t i cs k e t c h o ft h ec u t t i n gl o c u sa n dt h ec u t t i n gt h i c k n e s so fa x i a lv i b r a t i o nd r i l l i n ga r ep l o t t e d t h e m e c h a n i s mo f c h i p b r e a k i n g o f i n c o m p l e t e - s e p a r a t e v i b r a t i o n d r i l l i n g a n d m 江苏大学博士学位论文：轴向振动钻削机理及其工艺效果实验研究 z e r o p h a s e - d i f f e r e n c ev i b r a t i o nd r i l l i n gi ss t u d i e d a c c o r d i n gt oc h i pm o v i n gp r i n c i p l ea n d v i b r a t i o na n t i f r i e d o ne f f e c t , t h er e m o v i n gm e c h a n i s mo fd i s c o n t i n u o u sc h i pi sa n a l y z e d 5 a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t so fc o m m o nd r i l l i n ga n dv i b r a t i o nd r i l l i n go fs m a l lh o l e o ns t a i n l e s ss t e e l ( 0 c r l 8 n i 9 ) a n dd u r a l u m i n ( 2 a 1 2 ) ，t h ec u t t i n gf o r c e ，c u t t i n g - t o o lw e a r , s u r f a c e t o p o g r a p h y , d i m e n s i o n a la c c u r a c ya n de x i tb u r ra r eo b s e r v e da n ds t u d i e di n d r i l l i n g 二 6 t h er e s e a r c ho fa p p l i c a t i o no fm q lo nv i b r a t i o nd r i l l i n gh a sb e e nd e v e l o p e d t h i sr e s e a r c hi sa n i m p o r t a n tp a r t o fn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e sf u n dp r o j e c t 气 f n o 5 0 2 7 5 0 6 6 ) t h ew o r k i n ga c h i e v e m e n to ft h i sp a p e rw i l l f i c h e sa n dd e v e l o p s t h e t h e o r yo fv i b r a t i o nd r i l l i n g i th a sh i 曲t h e o r e t i c a la n da p p l i e dv a l u ei np r o m p t i n gt h e a p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n t o ft h i st e c h n i q u e k e yw o r d s ：a x i a l v i b r a t i o n d r i l l i n g , p i e z o e l e c t r i cv i b m f i n gt a b l e ，k i n e m a t i c s c h a r a c t e r i s t i c s ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ， c h i p b r e a k i n g a n d c h i p r e m o v i n g ，p r o c e s se f f e c t ，m q l i v l r l t 目 录 第1 章绪论 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 第2 章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 目录 l 弓l 言1 1 1 1 钻削加工的重要性1 1 1 2 小孔钻削加工的特点1 振动钻削的国内外研究现状2 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内研究现状4 振动钻削研究中存在的主要问题一5 本论文的主要研究内容和意义7 本章小结9 压电式振动钻削工作台及其性能测试一一一一一一”一n 振动钻肖装置1 1 2 1 1 振动钻削装置的设计要求1 1 2 1 2 现有振动钻削装置概述1 1 压电现象及压电致动器- 1 5 2 2 1 压电电致伸缩效应1 5 2 2 2 压电致动器的特点及应用1 6 2 2 3 压电致动器的工作特性1 8 2 2 4 压电致动器的驱动与控制2 0 压电式振动台的结构形式2 1 2 3 1 振动钻削装置的激振方式2 1 2 3 2 压电致动器的选型2 2 2 3 3 压电振动台的结构2 3 压电式振动台的性能测试2 5 2 4 1 静态特性“2 5 2 4 2 动态性能2 6 压电振动台在钻削加工中的振动特性2 8 本章小结3 1 v 江苏大学博士学位论文：轴向振动钻削机理及其工艺效果实验研究 第3 章轴向振动钻削的运动学分析 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 第4 章 4 1 4 2 4 3 第5 章 5 1 5 2 5 3 5 4 振动钻削的原理、分类及实现方式3 3 轴向振动钻削的变厚切削特性3 4 轴向振动钻削的变速切削特性3 6 轴向振动钻削的变角切削特性3 8 3 4 1 麻花钻的主要几何角度3 8 3 4 2 普通钻削情况下麻花钻几何角度的局限和不足”4 0 3 4 3 轴向振动钻削情况下麻花钻的工作角度”4 0 轴向振动钻削的分离冲击特性4 4 本章小结”4 6 振动钻削动力学特性及其减振机理一”一一一”一一一一4 7 钻头的周向扭转振动4 7 4 1 1 周向扭转自由振动方程”4 7 4 1 2 周向扭转振动的固有频率4 8 4 1 3 振动钻削时钻头的扭转振动动力学特性分析”5 0 钻头的横向弯曲振动5 2 4 2 1 横向弯曲自由振动方程5 2 4 2 2 钻头横向弯曲振动的固有频率”5 4 4 2 3 振动钻削时钻头横向弯曲受迫振动5 5 本章小结5 8 轴向振动钻削的断屑排屑分析一一一一一一一一5 9 钻削加工的切屑形成及断屑方式5 9 5 1 1 钻削加工中切屑的形成5 9 5 1 2 钻削加工的断屑方式一6 0 分离型振动钻削的断屑机理6 1 5 2 1实现分离型振动钻削的前提6 1 5 2 2 切屑单元的尺寸控制6 2 不完全分离型振动钻削的断屑机理6 7 零相位差振动钻削的断屑机理6 9 5 4 1 后刀面挤压断屑机理6 9 5 4 2 前刀面拉伸断屑机理7 1 目录 5 5 5 6 5 7 5 8 第6 章 6 1 6 2 6 3 6 4 6 5 6 6 第7 章 基于切屑运动学的排屑分析7 3 5 5 1 单元切屑的运动学分析7 3 5 5 2 振动钻削的排屑分析7 8 基于振动减摩机理的排屑分析7 9 5 6 1 振动减摩机理7 9 5 6 2 振动钻削的摩擦力及其对排屑的影响8 2 振动钻削断屑排屑实验研究8 3 5 7 1 断屑效果实验8 3 5 7 2 切屑尺寸验证实验8 5 5 7 3 排屑效果实验8 6 本章小结8 7 轴向振动钻削工艺效果实验研究一一一一一一一一一”一眇 实验设备和实验材料8 9 振动加工的钻肖0 力9 0 6 2 1 钻肖0 加工中的轴向力与切削扭矩9 0 6 2 2 振动钻削力的构成与特点9 1 轴向振动钻削的出口毛刺9 7 6 3 1 钻削毛刺的形成”9 7 6 3 2 振动钻削减小孔出口毛刺的原因分析”9 8 6 3 3 实验结果1 0 1 振动钻削时钻头的磨损破损”1 0 2 6 4 1 麻花钻的磨损与破损分析1 0 2 6 4 2 振动钻削时麻花钻的磨损破损形态1 0 4 轴向振动钻削的加工质量1 0 6 6 5 1 尺寸精度1 0 6 6 5 2 表面粗糙度1 0 8 本章小结1 1 0 m q l 技术在振动钻削中的应用 0 0 0 q 0 0 0 0 “一一一一”1 1 1 7 1m o l 技术及其特点1 1 1 7 1 1m o l 技术的形成1 1 1 7 1 2m o l 技术的特点1 1 2 v 江苏大学博士学位论文：轴向振动钻削机理及其工艺效果实验研究 7 2 振动钻削提高m o l 作用效果的原因分析1 1 2 7 2 1m q l 油雾的渗透1 1 2 7 2 2 振动钻削提高m q l 作用效果的原因1 1 4 7 3m o l 在普通钻削和振动钻削中作用效果的试验研究1 1 5 7 3 1m q l 喷雾系统1 1 5 7 3 2m q l 在普通钻削中的作用效果1 1 6 7 3 3m q l 在振动钻削中的作用效果1 1 7 7 4 本章小结1 1 9 第8 章研究结论与发展展望一一一”一一一1 2 1 8 1 研究结论”1 2 1 8 2 发展展望1 2 2 致谢一”一”一”一”一”一”一一一一”一”“”0 0 0 0 0 0 0 0 一一一”1 2 4 参考文献一一一一一一一”一”一一一一”一一一一”一”一一1 2 5 攻读博士学位其间发表的论文及科研成果一”一一一一一”一”一”一一”1 3 1 第1 章绪论 第1 章绪论 【摘要】孔加工是机械加工中的重要工序，当前，钻削加工仍是内孔加工的主要手 段。本章首先概述了振动钻削的国内外研究现状，进而分析了当前振动钻削技术研 究中存在的问题。在此基础上，对本论文的研究内容及意义进行了说明。 1 1 引言 1 1 1钻削加工的重要性 孔加工是机械加工中的重要工序之一，据统计t 孔加工量约占所有金属切削加 工总量的三分之一【1 1 。在孔加工中，尤以小孔、深孔的加工最为困难，特别是近年来 随着材料向着高强度、高硬度的方向发展，经常需要在模具钢、硬质合金、陶瓷材 料和聚晶金刚石等一些高硬度、高强度、难加工材料上进行小孔、深孔加工。此外， 随着科学技术的飞速发展，在宇航、电子、仪器仪表等行业中孔的直径要求越来越 小，精度要求越来越高，因此小孔和深孔加工往往成为影响加工质量和生产效率的 关键问题之一【2 1 。 内孔的加工方法很多，据统计，至少大约有5 0 多种，主要包括：钻削加工、冲 压加工、电火花n - r 、电解加工及三束( 激光、超声波、电子束) 加工等等。这些 加工方法特点不一，应用场合也各不相同。然而，从金属去除量、生产率及加工质 量上考虑，钻削加工仍是最经济实用的方法。据相关资料【3 】：当前，各国钻头的总产 量占刀具总产量的6 0 ，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7 0 。 1 1 2 小孔钻削加工的特点 小孔通常是指孔径为0 1 m 5 姗的孔，孔径在d ) l m m 以下的一般称为微孔。目前， 国内机械零件的小孔加工，尤其是 3 r a m 以下的小孔加工，普遍存在着加工效率低、 钻头易折断和加工质量低等问题，主要表现在1 2 】： 1 钻n d 孑l 时，所用的钻头直径小，强度低。钻削过程中，由于进刀时力量过 大或不均匀、工件材料组织不均匀、机床主轴的振摆以及排屑不良等所引起的振动 和不规则的冲击力往往都会将钻头折断。 江苏大学博士学位论文：轴向振动钻削机理及其工艺效果实验研究 2 钻小孔时，为避免切屑堵塞而折断钻头，希望加大排屑槽，这样却减小了钻 心厚度，使钻头的抗扭和抗弯能力大为降低，孔的直线度和圆柱度随之恶化。反之， 钻心厚度增大，轴向走刀抗力就随之增加，同样也会引起钻头弯曲和加剧钻头磨损， 这样不仅影响孔的加工精度，而且还会引起钻头过早地磨损或折断。 3 钻头的耐用度难以确定。作为判定钻头耐用度的客观表现有：钻刃磨损的程 度，加工温度的上升，钻削所需扭矩、走刀抗力和消耗功率的增加，加工精度及表 面粗糙度的恶化等。钻削小孔时，钻削力小、加工温度和钻削扭矩的变化不十分明 显，钻头磨损及粗糙度的变化不易观察。所以有时钻头已磨损了却还在继续使用， 钻头就折断在工件内，造成产品报废。 4 小孔钻削时，钻头直径小，刃磨成最佳钻尖形状比较困难。 5 钻削加工，尤其是小孔加工时，刀具处于半封闭状态，切削液很难到达切削 区，钻尖冷却润滑困难，加工条件恶劣。 纵上所述，断屑排屑、力h - r 稳定性、工艺效果已经成为小孔钻削所必须解决的 三大关键问题。尤其是加工不锈钢、耐热钢及其它难加工材料( 如钛合金、高温合 金、工程陶瓷等) 时，类似的问题就更加突出，因为这类材料的切削加工性一般较 差，表现在切削力大、切削温度高、刀具磨损严重、断屑排屑困难等，这就使得传 统的加工方法受到巨大挑战。而非传统的加工方法一振动钻削的优越性也就愈发 明显，大量的理论和试验研究表明：振动钻削在小孔和深孑l 的加工方面具有不可替 代的优势，断屑排屑效果、润滑状况、加工质量等都有很大的改善和提高。 1 2 振动钻削的国内外研究现状 1 2 1国外研究现状 自上世纪6 0 年代，人们发现了振动钻削具有一些优良的工艺效果后，为寻求科 学的支持，国内外不少学者开始从理论和实践方面对其的机理、特性、应用等方面 进行深入的研究和探索。 日本是对振动钻削技术研究最早也比较深入的国家，许多大学和研究机构都设 有这个研究课题。其中，最具有代表性的是宇都宫大学的隈部淳一郎教授，他在其 专著精密加工振动切削( 基础与应用) 中，对超声波振动钻削做了详细地介绍和 实验研究【6 】。在理论研究方面，他率先对超声波振动钻削获得良好加工效果的机理进 2 笫1 章绪论 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，因而在钻削过程中出现钻头的位移并不随时间发生变化 的静止化效果和脉冲切削力使钻头抵抗弯曲变形能力提高的刚性化效果。在试验研 究方面，他研制了安装在车床溜板上的超声波振动钻削装置，并结合钻头刚性化理 论率先对轴向振动钻削提高钻孔垂直度进行了试验研究，他采用轴向振动钻削方法 在山毛榉工件上钻削3 3 m m 的孔，结果使钻孔倾斜度从普通钻削时的1 1 2 x 1 0 3 t a d 下降到9 2 x 1 0 一r a d ，首次验证了振动钻削提高钻孔垂直度的工艺效果。 这之后，足立胜重则提出了低频振动断屑理论，提出振动钻削时进给方向上的 实际切削厚度是周期性变化的，当瞬时切削厚度小于零时，钻削过程就可以实现完 全几何断屑。但当钻头不同切削轨迹的相位差等于零时，由于瞬时切削厚度不可能 小于零，因此他认为：零相位差不能断屑 7 , 8 1 。此外，他还提出了振动钻削的动态角 度理论，即振动钻削中刀具工作角度是动态变化的。新井典久等人对难加工材料的 低频振动钻削进行了较为深入系统的研究。他 1 斥 t b l o m m 的高速钢( s k h 5 1 ) 麻花钻 先后对钛合金( n 6 a - 4 、镍铬铁耐热合金( i n c o n e l 6 0 0 ) 乘 奥氏体不锈钢( s u s 3 0 4 ) j 挂行 了低频振动钻削实验，并与碳素结构钢( s 4 5 c ) 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，并用有限元法分析了振动钻削的温度分布情况， 以主后刀面外缘处的磨损宽度来度量刀具寿命。结果表明：振动钻削时的轴向力和 扭矩的静态分量明显下降，切削液冷却润滑作用增强，钻头外缘处切削温度下降， 钻头寿命延长【”o l 。鞍古文保通过对铝制工件进行每转振动一次的低频振动钻削试验 后，发现：低频轴向振动钻削能缓解切屑阻塞，有利于排屑，可以减小出口毛刺【6 】。 鬼鞍宏酞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 有效地提高微孔表面的j j n - r 精度【1 1 , 1 2 。 美国的w h a n s e n 对低频振动钻削进行了研究，研制了安装在自动车床上的凸轮 控制的机械式轴向振动钻削装置，进行了碳素钢的振动钻削试验，从而发现低频振 动钻削能够降低切削温度、减少钻头烧伤，因而提高了钻头的使用寿命【1 3 l 。e a s a t e l 对不锈钢和耐热合金钢进行低频振动钻削加工，从而证明：低频轴向振动钻削过程 中，刀具与工件切削表面周期性分离可以使排屑顺利，从而延长了刀具寿命【1 4 1 。 s o n o b o n d 公司利用超声波振动进行深孔钻削，使生产率提高了3 7 倍，而且还改善了 表面粗糙度和切屑形成过程，延长了刀具寿命，同时还消除了钻削加工中的刀振现 象【1 5 】。 3 江苏大学博士学位论文：轴向振动钻削机理及其工艺效果实验研究 1 9 7 3 年，前苏联鲍曼工学院的v n p o d u r a e v 成功地开发出了液压式低频振动深孔 钻床，通过试验研究提出了振动钻削的冲击理论，认为振动时钻头横刃的冲击作用 能明显改善横刃的切削条件，并用弹塑性理论对钻削的动力学机理进行了分析【1 6 1 。 近年来，法国和俄罗斯的学者进行了自激振动钻削方面的研究，利用自制的自 激振动钻削刀具系统进行了试验研究，研究工作表明：自激振动钻削可以获得和强 迫振动钻削相同的工艺效剁1 7 2 0 1 。 此外，加拿大、印度等国家的学者和科研机构也从不同角度对振动钻削的理论 和实践进行了研究，并取得大量的研究成梨2 1 , 2 2 , 2 3 】。 1 2 2 国内研究现状 我国对振动钻削的研究开始于上世纪6 0 年代末，但直n 8 0 年代初期，这项技术 才真正得到认可和发展。1 9 8 2 年，西安理工大学的薛万夫教授等成功的研制了安装 在机床溜板上的低频振动刀架，用伺服电机直接驱动偏心凸轮实现了钻头的低频轴 向振动，并相继对不锈钢1 c r l 8 n i g t i 、高温合金n i c r c o 以及钛合金t c 1 1 等进行了 一系列的振动钻削试验。试验表明，采用振动钻削方法加工难加工材料时，钻头的 耐用度提高，此外对降低切削力、抑制刀杆振动和保证断屑排屑顺利等也都有明显 效果。他们还结合实验研究提出了主切削刃的前角和后角在钻削中是周期性变化的。 1 9 9 4 年，由薛万夫教授主持研制的“z z 5 1 2 5 振动立钻及其加工技术 得到了陕西省 科委的科学技术成果鉴定认证。该项技术己达到了国际同行业先进水平，使机床的 加工精度比普通钻削提高1 2 级，刀具寿命提高1 5 倍以上，切削力和切削温度也都 明显地降低【1 6 2 4 2 8 1 。 自1 9 8 4 年开始，吉林工业大学王立江教授等对轴向振动钻削的理论和工艺效果 展开了系统深入的研究。他突破了零相位差不能断屑的传统观念，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，并先后研制出了超声波、机械、液压及电磁等振动钻削激振装置。此 外，以王立江教授为首的课题组还提出了三区段变参数振动钻削理论。针对不同的 加工材料，提出了不同的变参数振动钻削优化方案：叠层材料的阶跃式多元变参数 振动钻削，非层状材料的连续式多元变参数振动钻削，层状材料的混合式多元变参 数振动钻削等，在相应的材料上进行了直径为o 5 m m 、( b 0 3 m m 的微小孔的变参数 振动钻削试验，并借助小波理论和神经网络对振动钻削的工艺参数进行了优化 2 9 3 1 。 4 i _ 第1 章绪论 1 9 8 6 年，哈尔滨工业大学刘华明教授研制了安装在台钻上的电磁振动工作台， 并探讨了钻头耐用度与振幅之间的关系【蚓。同年，他又和焦定江对碳素钢及硬铝进 行了超声波振动钻削实验，通过对试件剖面金相组织进行了观察，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【3 5 1 。 自1 9 9 0 年以后，国内对振动钻削的研究与同俱增，1 9 9 1 年，华中理工大学李伟 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【3 6 1 。1 9 9 2 年，哈尔滨工业大学张其馨教授对碳纤维增强复合材料( c f r p ) 进行了振 动钻削实验，并提出了超声振动钻削的旋转切剁概念，试验证明：振动钻削不但改 善了对硬而韧的碳纤维的切削能力，同时还可抑制材料的层间剥离【3 7 捌。自1 9 9 4 年 以来，西安交通大学高本河和西安石油学院王世清等人设计制造了振幅和频率均连 续可调的机械式轴向激振装置，并首先在振动钻削中使用了自行设计制造的小直径 内排屑深孔钻，在用t 0 6 m m 内排屑深孔钻对钛合金t c 4 的振动钻削中，获得了表面 粗糙度为r a 0 8 3 7 9 m 的钻削效果。在理论研究方面，他们认为振动钻削加快排屑的原 因是振动破坏了靠近管壁处切屑的流动死区。此外，他们还在切屑尺寸控制、振幅 损失对断屑的影响以及振动钻削减小孔轴线偏斜、降低孔壁粗糙度等的机理方面进 行了富有成效的研究工作【加，4 1 ，4 2 1 。 近几年来，北京航空航天大学、江苏大学等高校和科研院所也都对振动钻削的 理论和应用进行了有益的研究和探索，取得了一些令人鼓舞的成果，振动钻削研究 在我国正呈现出一派蓬勃发展的景象【4 3 伺。 1 3 振动钻削研究中存在的主要问题 迄今为止，国内外不少学者对振动钻削技术进行了大量的理论和试验研究，并 取得了大量的研究成果。但是，与传统的金属切削理论与方法相比，振动钻削技术 仍是一种“年轻的工艺方法，其理论体系尚不完善，相应的机床和装置的发展也 不成熟。不同学者都是针对各自研究的具体情况，做出的相应结论，因此大家对振 动钻削技术的认识还不统一，甚至还存在矛盾。此外，把振动钻削技术用于小孔加 工的研究还不多，还存在不少问题有待于进一步探讨和解决。当前，小孔振动钻削 技术研究中的问题和不足主要体现在： 1 缺乏可靠的振动钻削激振装置 性能稳定的振动钻削机床和装置是实现理论研究的前提和基础，是该项技术推 5 江苏大学博士学位论文：轴向振动钻削机理及其工艺效果实验研究 广应用的必要保障。当前，虽然国内外学者开发了不少用于振动钻削的装置( 如机 械式、电磁式、液压式等) ，但能真正用于小孔振动钻削的还不多。 2 关于振动钻削动力学特性的研究不足 要揭示振动钻削的实质就必须对其进行系统深入的动力学特性研究，而当前关 于振动钻削动力学特性的研究只是在振动切削基础上的简单延拓，是建立在最普通 的单自由度二阶振动方程基础上的。当前，机械系统动力学理论发展已经相当成熟， 且逐渐形成- f l 学科，所以应该尝试借助机械系统动力学理论进行振动钻削的动力 学特性研究。 3 振动钻削系统及加工过程稳定性的研究有待深入 稳定的加工系统是良好质量的可靠保证，目前关于超声波振动车削系统的稳定 性、减振机理方面的研究已经比较深入，但关于振动钻削系统稳定性、减振机理的 分析还鲜有多见。因此，开展振动钻削的稳定性和减振原理的研究是非常必要的。 4 振动钻削的断屑排屑理论尚不完善 按照钻削过程中刀齿运动轨迹的交叉情况，轴向振动钻削可以分为：分离型、 不完全分离型和零相位差振动钻削。当前国内外关于断屑理论的研究大都集中在分 离型振动钻削上，而对其它两种形式下的断屑情况的研究还不多，且不够系统。关 于排屑问题的分析，主要是针对内排屑枪钻进行的【4 7 镐】，而针对普通麻花钻排屑机 理的研究还很少见到。 5 关于振动钻削系统( 过程) 的非线性研究仍处于起步阶段 振动钻削系统( 过程) 是一个包含非线性因素的复杂动力学系统( 过程) ，钻 削过程中，系统的阻尼和刚度是不完全恒定，然而目前的研究大都把它作为线性系统 ( 过程) 对待，所以理论分析结果不够准确，与实验结果尚有一定的差距。 6 工艺效果和加工质量的理论和试验研究尚需深化 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。所以，应该开展不同材料、不同工矿下振动钻削加工质量和工艺效 果的理论分析和试验研究。此外，振动参数的选择对振动钻削的工艺效果和加工质 量有着极其重要的影响，并且不同材料要求的振动参数也各不相同。不合适的工艺 参数往往不能带来理想的工艺效果，因此开展不同材料的振动钻削参数优化研究， 对于促进该项技术的推广应用具有非常重要的实践意义。 此外，随着计算机技术的发展，计算机数值模拟和仿真技术已经逐渐成为一种 6 第1 章绪论 必要的、且必不可少的研究手段。因此，非常有必要深入开展振动钻削过程的计算 机数值模拟与仿真研究。 1 4 本论文的主要研究内容和意义 小孔加工时钻头的刚性很差，钻头的弯曲变形