（机械制造及其自动化专业论文）小直径深孔超声振动钻削技术的研究及应用.pdfVIP

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 小直径深孔超声振动钻削技术的研究及应用 机械制造及其 杨立合( 签名 刘战锋( 签名 摘要 在科技高速发展的今天，对小直径深孔的加工精度要求越来越高，其加工难度也在不 断上升，给小直径深孔加工技术提出了更高的要求。小直径深孔的加工问题，一直是机械 制造业中的一个难点。 小直径深孔超声轴向振动钻削加工技术是将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肖方法，该方法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。本文就是针对小直径深孔的精密及超精密加工 问题，基于高频振动切削原理，以及我校研究所现有实验条件的基础上，研制了一套小直 径深孔超声轴向振动钻削装置。对该装置各主要组件的独立调试以及系统的集成调试后， 利用该装置在摇臂钻床上进行小直径深孔的超声轴向振动钻削，并与普通钻削效果进行比 较，从而对超声轴向振动钻削技术的加工机理和应用进行分析和研究。 关键词：小直径深孔；振动切削；超声轴向振动钻削；精密加工 论文类型：应用研究 i i 英文摘要 s u b j e “：as t u d ya n da p p l i c a t i o no f u l t r a s o n i cv i b r a t i o nd r i l l i n gt e c h n o l o g y i ns m a l ld i a m e t e rd e e p h o l e s s p e c i a l i t y ：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 n a m e ： y a n gl i h e ( s i g n a t u r e ) l i l 越如如 l n s t r u c t l i z h a n f e n g ( s i 弘a t u 哦出血弊 a b s i r a c i w i t ht h eh i 曲s p e e dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h em a c h i n i n ga c c u r a c yo f s m a l ld i a m e t e rd e o p - h o l e sr e q u e s tm o r ea n dm o r eh i g h e r , i t sm a c h i n i n gd i f f i c u l t ya l s oa r e m o r ea n dm o r en i g h e r t h em a c h i n i n gp r o b l e mo fs m a l ld i a m e t e rd e e p - h o l e sh a sb e c o m ea d i f f i c u l tp r o b l e mi nm a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y t h eu l t r a s o n i cl o n g i t u d i n a l 、，i b m f i o nd r i l l i n gi san e wt y p eo fm a c h i n i n gm e t h o df o r s m a l l - d i a m e t e rd e e p - h o l e s ，w h i c hi sc o m b i n e dt h er o t a r yc u t t i n gm o v e m e n to fd r i l lw i t h u l t r a s o n i cl o n g i t u d i n a lv i b r a t i o n 耐n i n g t l l i sn e wm e t h o dc h a n g e st h ec u t t i n gm e c h a n i s mi n t h ec u l l 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 lc o n t i n u o u sc u t t i n gp r o c e s si st r a n s f o r m e di n t oa p u l s e dd i s c o n t i n u o u sc 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 eu l 订a s o n i cl o n g i t u d i n a l v i b r a t i o n d r i l l i n g h 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 l n i n o nm e t h o d si n s 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 nm a c h i n i n ga r e a s ，c a nr e m a r k a b l yi m p r o v em a c n i n i n g q u a l i t ya n de f f i c i e n c y ma r t i c l eb a s e do nh i 曲f r e q u e n c yv i b r a t i o nc u t t i n gt h e o r i e s ，a n do u r s c h o o l se x p e r i m e n te q m p m e ma tp r e s e n t ，u l l r a s o n i cl o n g i t u d i n a lv i b r a t i o nd r i l l i n gd e v i c ef o r s m a l l - d i a m e t e r d e e p - h o l e s h a sb e e n d e v e l o p e d w ea p p l y t h ed e v i c et om a c h i n e s m a l l - d i a m e t e rd e e p - h o l e so nb e a md r i l lb yu l t r a s o n i cl o n g i t u d i n a lv i b r a t i o nd r i l l i n ga f t e rt h e m a i ni n d e p e n d e n c ec o m p o n e n ta n dt h es y s t e m a t i ci n t e g r a t i o no fd e v i c ew a sd c b u g e d ，a n dw e c o m p a r et h eu l t r a s o n i cl o n g i t u d i n a lv i b r a t i o nd r i l l i n ga n dc o m m o nd r i l l i n g s ow ec a ns t u d y a n da n a l y s i st h ep r o c e s sm e c h a n i s mo f u l t r a s o n i cl o n g i t u d i n a lv i b r a t i o nd r i l l i n g k e y w o r d s ：s m a l l - d i a m e t e rd e e p - h o l e s ；v i b r a t i o nm a c h i n i n g ；u l t r a s o n i cl o n g i t u d i n a l v i b r a t i o nd r i l l i n g ；p r e c i s i o nm a c h i n i n g t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y i 主要符号表 m 等效质量，k g c 粘性阻尼系数 弹性系数，n c m n 工作在半径方 向上的固有频率，r a d s 1 ，阻尼比 巾相位角 乙c 临界粘性阻尼系数 玎刀具的转速，r m i n j r 刀具每转进给量，m r a 振幅，舢 ，频率，h z t 时间，s h 实际切削速度，m s i ，刀具进给速度，m s b 钻头横刃宽度，m m p 半顶角，度 主要符号表 v l 杨氏模量( 弹性模量) 长度系数； 位移节点长度系数 机械品质因数，m s 动态电阻，o h m 动态电感，m h 动态电容，心 角频率，r a d s 变幅杆长度，硼 超声波波长，咖 超声波在杆件中的声速，m s 临界切削速度，m s 周期，s 放大系数 形状因数 位移节点，咖 e吼呸级墨g w 上x c 屹r坼缈而 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己在论文中做 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：考白童金日期：立鲤7 z 二壶! 万 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。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 啦 日期：超z 主! 箩 导师虢辎蹴掣 - 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技术的目的、意义 在现代工业产品不断向轻、薄，短、小方向发展的过程中，其组成零件也越来越趋于 小型化和精密化，对小直径深孔的加工精度要求也越来越高，其加工难度也在不断上升， 给小直径深孔加工技术提出了更高的要求。小直径深孔的加工问题。一直是机械制造业中 的一个难点。 目前，国内机械零件中的小孔加工尤其是垂3 m m 以下的小孔加工，普遍存在效率低， 钻头易折断和加工质量差等问题。在难加工材料上钻小孔或加工精度要求较高的小孔，问 题就更多。小孔加工往往成为影响产品质量和生产效率的关键问题之一。在分析钻小孔加 工工艺时我们发现，国内目前对小孔，特别是中3 珊以下的小直径深孔加工，普通钻削仍 然是应用最广的加工方法。但是，这种加工方法，存在钻头容易引偏，定心差，排屑不畅、 散热难、孔口毛刺等缺陷。使小直径深孔的精密和超精密加工质量受到限制。为了提高小 直径深孔的加工质量，国内外的专家和学者在普通钻削的基础上还对其它方法和手段进行 了大量的研究，探索出高速钻削、电火化加工、离子束加工、激光加工等先进方法。由于 这些加工方法受到工件材料、精度要求、生产率、生产费用的限制，因此都不是适应性最 广的小孔加工方法。如电火花加工只能加工金属材料，而且要在液体绝缘介质中进行， 离子束加工需要在真空中进行。电火花加工由于放电间隙以及电极的损耗，孔的圆度和 孔径精度都较差，而且单孔的加工时间较长；高速钻孔通常采用打中心孔钻孔一扩孔 等加工工序，其加工精度优于电火花加工，单孔加工时间也比电火花加工时间短的多， 但其缺点是无法避免产生毛刺；激光打孔是使材料局部加热，进行非接触加工，它与超 声波加工一样，适应于各种难加工材料，但加工孔的几何精度和形位精度都不高，排屑 也很困难“】【2 】 3 小”。对于小直径深孔的加工，电火化加工、激光加工、离子束加工和 高速钻削同样存在上述缺陷。目前，高速钻削是比较经济的微孔和小直径深孔加工方法， 但由于受孔尺寸的限制，很难用铰、珩、研等精整工艺来提高加工质量，一般都是一次 钻成，这就给钻孔技术提出了极高的要求。对微孔和小直径深孔来说，由于还受到钻头 刚度的影响，其钻孔深度也受到一定的限制。因此，应在不断完善现有加工工艺及设备的 同时，突破传统加工方法的局限，探求本质上新颖的小孔加工方法，以适应材料性能参 数和产品质量不断提高的要求，已成为钻削领域里的一个重要而又迫切的问题。 国内外大量的研究经验表明，把各种形式的物理、化学作用或不同能量转换形式结 合起来，取其所长，综合应用到切削过程中去，形成综合的加工方法，是当今切削加工 的一个重要发展方向。振动钻削就是在这种前提条件下产生和发展起来的。振动钻削是 一种先进的工艺方法，振动钻削与普通钻削的根本区别是在钻孔过程中通过振动装置使 钻头和工件之间产生可控的相对运动，从而突破了传统孔加工的连续切削机理，同时国 内外专家和学者的研究表明：振动钻削在加工小孔方面已表现出普通钻削无法比拟的工 西安石油大学硕士学位论文 艺效果，可显著提高产品的加工质量和效率。 超声振动钻削是超声振动在钻削中的应用，比普通钻削有着优异的工艺效果，可大大 提高加工精度和加工效率。对于直径在2 m m 左右的小直径深孔加工来说，由于受空间和结 构的限制，普通的超声振动枪钻或其它内排屑深孔钻都无法实现其加工。直接利用标准钻 头的超声振动来加工直径在2 m m 左右的小直径深孔，是比较经济、实用、高效的小直径深 孔加工方法，目前是国内外超声振动加工研究的重点。因此，本课题的研究具有较高的理 论和应用价值。 本课题的目的是通过对超声振动钻削加工机理的分析和研究，设计一套结构简单，经 济、实用的轴向超声振动钻削装置，利用该超声振动装置钻削小直径深孔，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，探索振动参数和切削参数的合理 匹配，以改善加工质量，提高切削效率和效能，将超声振动钻削小直径深孔这一新颖的孔 加工方法应用于生产实践中去。 本课题的意义在于：通过对超声轴向振动钻削加工机理的分析和研究，探索振动参数 和切削参数的合理匹配，在提高孔加工精度的同时，提高加工效率，扩大钻削孔的长径比， 扩大超声振动切削的加工范围。同时，为今后进一步研究变( 混合变) 参数智能振动钻削 技术奠定坚实的基础。 1 2 振动钻削的研究进展 1 2 1 振动钻削的发展现状 振动切削是一种脉冲切削，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。刀具与工件时切时离，在一个切削循环过程中，刀具在很小的 位移上得到很大的瞬时速度和加速度，在局部产生很高的能量，对工件作冲击作用，这 有助于塑性金属趋向脆性状态，塑性变形减小，摩擦系数降低，切削力大大降低。 由于振动钻削具有普通钻削无法比拟的工艺效果，因此对它的研究和应用在美、日、 俄、英、德等先进工业国受到了重视并取得了很大的发展，有些已经进入实际应用阶段。 1 9 2 7 年，美国物理学家伍德和卢米斯最早做了超声加工实验，利用强烈的超声振动对 玻璃板进行雕刻和快速钻孔，但当时并未应用到工业上。后来，美国学者w h a n s e n 又对 低频振动钻削进行了研究，提出了低频振动钻削的概念和方法，研制了安装在自动车床上 的用凸轮控制的机械式轴向振动钻削装置，并进行了实验研究，结果发现低频振动钻削能 够减少钻头烧伤，提高钻头寿命，加快排屑过程以及提高孔的位置精度。这一研究成果为 “钻头刚性化效果”理论及脉冲能量和应力集中理论提供了强有力的依据，并为振动断屑理 论的提出奠定了基础。俄罗斯学者在前苏联时期就已经发表了一些有价值的学术论文，1 9 7 3 年，鲍乌曼工学院的鲍德拉耶夫通过实验研究提出了振动钻削的冲击理论，认为振动时 钻头横刃的冲裁作用能明显改善横刃的切削条件，并用弹塑性理论进行了分析论证。之后， 该学院还成功地开发出了液压低频振动深孔钻床，用于加工直径在3 m m 以上的难加工材料， 使加工效率提高了两倍。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 2 第一章绪论 装置，对4 5 8 r a m 钢件的钻削实验不但证明了该装置使用的可靠性，并且获得了排屑顺利、 孔加工精度提高和刀具寿命延长等效果。s o n o b o n d 公司利用超声波振动进行深孔钻削，使 生产效率提高了3 7 倍，而且还改善了表面粗糙度和切屑形成过程并延长了刀具寿命，同 时还消除了钻削加工中的刀振现象1 【7 m 】f g c l o 。 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， 最具有代表性的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，对高频振动钻削做了详细的介绍和实验研究，认为振动钻削具有普通钻削无 法比拟的优越性：断屑可靠，排屑顺畅，断屑力减小，加工精度提高，刀具耐用度延长等。 这之后，足力胜重等用麻花钻对黄铜进行了振动切削实验，使切削热下降了3 0 ，洼田英 毅将振动钻削和普通钻削的排屑能力提高了3 0 4 0 倍的结论；鬼鞍宏酋等用麻花钻对振 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加工精度。 在振动钻削的理论研究方面，隈部淳一郎教授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，提出了钻头的刚性化和静止化理论：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。足立胜重则提出了断屑理 论，即认为若相邻切屑存在非零相位差，则相邻两转的振动相位差为零，则无论如何都无 法断屑。以上这些理论已被世界上许多国家的专家学者所接受。在振动钻削装置的设计方 面，隈部淳一郎成功地研制出了超声波扭转和低频轴向复合振动钻孔设备，极大地增强了 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n ” 【1 2 】 o 我国对振动钻削的研究始于6 0 年代末，但直到8 0 年代初期，这项技术才得到真正的 认可和发展。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，应该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，但在钻削硬韧性材料时对钻头主切削刃的冲击较严重，振幅较大对反 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即能发挥脉冲切削的良好 工艺效果又能提高钻头寿命。1 9 8 2 年，陕西机械学院的薛万夫教授等成功地研制了安装在 机床溜板上的低频振动刀架，用直接伺服电机驱动偏心凸轮实现了钻头的低频轴向振动， 并相继对不锈钢1 c r l s n i 9 t i 、高温合金n i - c r - c o 以及钛合金t c - i l 等进行了一系列的振 动钻削实验。实验证明，采用振动钻削方法钻削难加工材料，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排屑顺利等都有明显效果。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观点。1 9 9 4 年，由薛万夫教授主持研制 的“z z 5 1 2 5 z 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，切削力和切削温度都明显地降低“”c 3 1 。 1 9 8 4 年以来，吉林工业大学的王立江教授和他的课题组对高频和低频振动钻削都进 西安石油大学硕士学位论文 行了系统的研究 9 】c 1 4 i t s 。首先，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，通过分析计算还迸一步指出，零相位差振动钻削时随着振幅的增大，切屑 由不断屑到局部断屑，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钴削分析时得出的 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。其次，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 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“钻入一偏移一退回一恢复一重新钻入”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。 在这些断屑理论中，都是从能否断屑方面进行分析。对于不同振动参数和切削参数下 切屑的形态分析是不全面的，如在动态切屑厚度的分析中认为切屑是由两条运动轨迹围成 的，实际上，在振动参数和切削参数间的关系发生变化时，切屑或者说切削图形可能是由 两条或多条轨迹线包络而成的，而且在一个振动周期内，钻头处于切削状态的时间是变化 的，切削刃上任点的动态角度的变化不是单调的。切削力学和钻削力学的研究由来已久， 但根据切削力学的知识构造振动钻削的切削模型以及应用有限元法对振动钻削进行研究 的报道一直没有，直到1 9 9 7 年王立平博士根据斜角切削理论，建立了振动钻削轴向力与 扭矩的数学模型“6 】 1 7 1 , 对振动钻削复杂的动态切削过程进行了计算机仿真仿真结果与 实验结果均表明，与普通钻削相比，振动钻削能明显减小钻削过程的轴向力和扭矩。同时， 他还开发了钻头的三维有限元模型“”，用有限元法对钻头的寿命机理进行了分析，进 一步证实了振动钻削提高钻头寿命理论的正确性。 1 9 8 6 年，哈尔滨工业大学刘华明教授研制出了安装在台钻上的电磁振动工作台啪】， 并探讨了钻头耐用度和振幅之间的关系。同年，他又和焦定江对碳素钢及硬铝进行了超声 振动钻削实验，通过对试件刨面金相组织的观察，得出了普通钻削的变质层厚度大于振动 钻削的变质层厚度理论。 自1 9 9 0 年以后，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 9 9 2 曩f ， 啥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，提出了 超声振动钻削的旋转切剁概念。自1 9 9 4 以来，西安石油大学王世清教授等设计制造了囊 幅和频率均连续可调的机械式轴向激振装置，并首先在振动钴削中使用了自行设计制造的 小直径内排屑深孔钻，在用6 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 o 8 6 7 u m 、圆度为1 5 5 0 u m 的钻削效果”“l 2 1 。在理论研究方面，张德远博士 4 第一章绪论 从几何学角度对倾斜表面上超声波振动钻削时钻头横刃的入钻特性进行了理论分析噶】，指 出横刃在每一振动周期中有两种过程：一是瞬时切削产生小于普通钻削时的横向偏移，并 给出了横向偏移的理论公式：二是在空切时使偏移恢复到零，这种减小偏移的能力和使偏 移恢复的能力决定了超声波振动钻削具有精密入钻特性。1 9 9 5 年，杨兆军博士对微小钻头 低频轴向振动钻削的动力学特性进行理论与实验研究时发现舻儿，微小钻头的固有频率 极高，在低频振动钻削时根本不满足隈部淳一郎教授假设的w 铆 1 ，即不满足刚性化理论， 并且对低频振动钻入时的动力学行为从理论上进行了论证，指出由于微小钻头的固有频率 极高。即使在阻尼比较小的情况下，振动能量迅速衰减，恢复变直后再重新钻入，具有低频 振动钻削时微小钻头的“分离衰减多次校正”的动力学特性。另外，国内学者还在切削尺 寸控制、振幅损失对切屑断屑的影响以及振动钻削的减振、减小孔轴线偏斜、降低孔壁粗 糙度等工艺效果的机理方面进行了富有成效的研究工作。 由于材料科学的飞速发展，具有良好机械性能和物理性能的新兴材料不断涌现。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， 对这些材料，采用定参数振动钻削工艺很难得到优良的孔加工质量。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。王立江教授在国际上首 次提出了多元变参数振动钻削理论。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嘲嘲侧。 此外，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： ( 1 ) 超声波振动钻削装置”8 1 4 1 2 7 1 4 1 别叫 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， 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一。 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2 n - r 。 电磁振动装置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 西安石油大学硕士学位论文 动装置的负载能力较差，效率低。 ( 3 ) 液压振动钻削装置” 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 o o 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 置嘲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“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删，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。们汹1 。h g t o e w s 所进行 的低频振动钻削研究哪! ，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 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。 除了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 新的振动钻削装置啪1 。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 。 综上所述，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。而振动钻削装置的发展是随着振动钻黼理论研究的深入与发 展，是对其优良的工艺效果的认识与传播。大量的实验结果表明；与酱通钻削相比，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。 由于振动钻削具有特殊的工艺效果，从8 0 年代末至今，国内外有更多的学者开始对振 动钻削进行研究，并逐渐开始向应用方向发展。同时，各国学者对振动钻削理论的研究推动 6 第一章绪论 了振动钻削的历史进程，为振动钻削的优良工艺效果提供了理论依据。但理论研究工作还 远远不够全面、深入和系统，对某些工艺效果还不能做出有说服力的解释，有的理论还具有 局限性，尚缺少严密的科学论证，所以振动钻削理论的研究工作仍是振动钻削新工艺的薄 弱环节，有待于进一步发展和完善。 3 0 多年来，国内外专家学者对振动钻削做了大量的理论与实验研究工作，振动钻削提 高钻孔质量、延长刀具寿命和改善对难加工材料切削能力的优良工艺效果已在机械加工领 域得到普遍承认，振动钻削在国内外呈现一派蓬勃发展的景象。 1 2 2 振动钻削存在的问题与研究展望 a 超声振动钻削面临的挑战、不足和缺陷 1 ) 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，刀具工件系统的弹性变形，也将极大地破坏己定的切削几何关系， 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 ) 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。 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误的，因 此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钻头 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，三区段交参数振动钻 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许多专家学者的肯定，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；丙机械激振系统 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。 西安石油大学硕士学位论文 7 ) 近些年来，由于材料科学的飞速发展，不断涌现出一些具有优良机械和物理性能的 新型材料，并逐渐在各个领域开始得到应用。多种材料( 如钛合金、铝合金及复合材料) 组 合的叠层材料也正逐渐地应用于新式飞机的制造中，应用前景十分广阔，但是其切削性能 很差，成为推广应用的主要障碍。因此，解决其切削加工难的问题非常紧迫。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。 8 ) 极有前途的金属基( 主要是铝基) 的非连续增强复合材料以及最近出现的一些质优 价廉的具有晶须、短纤维和陶瓷颗粒结构的材料，使其不仅保持了优异的性能而且价格也 可以与传统金属材料相竞争，故获得了高速发展并进入实用，国外在导航系统、航空发动 机、汽车连杆，活塞、汽缸体、工业机器人传动齿轮上都已应用。但是这类材料的增强相 ( 纤维、晶须或颗粒) 硬度很高，又是随机分布的，故刀具磨损和加工表面粗糙度高是关键， 而且随钻削深度的增加愈加严重，所以必须采取变参数振动钻削以解决其加工问题。 b 超声振动钻削的发展趋势： 由于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，根据这种模型进行的理论分析求出的解只能是近似的，根本不能反映真实钻 头结构及切削过程的动力学特性，因此需要进一步深入地从振动理论上分析振动钻削的动 力学特性，寻找更为有效的求解方法，为振动钻削的发展适应现代化的需要提供更充分、更 精确的理论依据。 从切削力学角度看，振动钻削实质是变厚切削、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以及零相位 差振动断屑机理，尤其是在广域内确定钻头横刃和主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，为以后的实验研究奠定基础。 开发先进的振动钻削设备。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 往的钻削设备根本不能实现这一目标，必须增加能进行变参数振动钻削的自动控制系统， 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。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，并发挥出其先进的工艺水平。 8 第一章绪论 1 3 本课题的来源及主要研究内容 1 3 1 题目来源 西安石油大学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， 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，该所设计的内排屑深孔 钻，采用振动钻削法可加工最小直径为6 衄的小直径深孔。但对直径在2 珊左右的大长径 比、高精度、高效率小直径深孔的超声振动钻削加工的研究还处于起始阶段。在生产中这 类孔的加工愈来愈多，加工的方法也多种多样，但都不能取得较理想的效果。为了解决大 长径比、高精度、高效率小直径深孔加工的问题，并使该技术能尽快应用于生产。2 0 0 4 年 我校深孔加工技术研究所根据生产中遇到的石油测井仪器和井下工具小直径深孔加工技 术需要，将“小直径深孔超声振动钻削技术的研究及应用”作为本论文的题目。 1 3 2 研究内容 本文的主要研究内容如下： 1 ) 小直径精密深孔加工方法研究； 2 ) 振动钻削机理的分析和研究； 根据振动切削机理，对超声轴向振动钻削小直径涤孔的的钻削机理进行分析和研究。 3 ) 超声轴向振动钻削装置的研制 通过消化吸收国内外有关振动钻削的最新技术成果，并按照模块化的设计思想，研制 一套超声轴向振动钻削装置，并对该装置进行单独和集成调试，以优化该装置的综合性能。 4 ) 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，探索振动参数和切削参数的合理匹配，以改善加工 质量，提高切削效率和效能。 1 4 创新点 基于高频振动切削原理，设计、制造了一套结构简单，经济、实用的可移植的刀 柄旋转式超声轴向振动钻削装置，该装置通过刀柄直接连接在摇臂钻床上就可以实现超 声振动钻孔，而原机床的结构和性能保持不变。 在旋转关节( 引电装置) 的研制方面借鉴了电机的碳刷集流环结构，并改进原 设计，可以根据实际情况调节碳刷在集流环上压力的大小，既可以弥补由于碳刷磨损引 起的压力变化，又可以防止放电现象，从而实现了超声能量从超声波发生器到旋转声振 系统的可靠传输。 9 西安石油大学硕士学位论文 第二章振动切削机理及其工艺效果分析 2 1 振动钻削基本理论 振动钻削是振动切削的一个分支，振动钻削就是在传统的钻削过程中利用专门设置的 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，这种钴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，从而形成一种本质新颖的加工方法。 振动切削是一种脉冲切削，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。刀具与工件时切时离，在一个切削循环过程中，刀具在很小的 位移上得到很大的瞬时速度和加速度，在局部产生很高的能量，对工件作冲击作用，这 有助于塑性金属趋向脆性状态，塑性变形减小，摩擦系数降低，切削力大大降低。同时， 由于切削过程中刀刃交变地与工件接触，使得被切削层几何参数周期性地发生变化，不 断地产生切屑的薄弱环节，较好地解决了断屑问题。脉冲式切削不仅减小了切削力，同时 提高了刀具的相对刚性。由于切削接触时间极短，在这样短的时间内很难生成大量的切削 热，而在切离阶段，刀具和工件处于散热状态，产生冷却效果，所以振动切削时温度很 低。 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。 2 2 振动钻削的分类 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 t d t z 以上的称蔫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 ) 按振动施加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、 1 0 第二章振动切削机理及其工艺效果分析 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两种形式。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 3 振动切削机理的主要观点及其理论研究9 1 m 2 刚5 m 1 1 对于振动切削的工艺效果，因为它是客观存在的，所以各国学者都公认不讳。但产生 这些效果的原因，各国学者目前还没有形成统一的看法。各种关于振动切削机理的观点或 理论都是根据各自的实验所表现的现象以及所得到的工艺效果分析而得。这些观点或理论 还有待于完善和统一，现将这些观点或理论进行概括和总结，可以描绘出振动切削机理的 大概轮廓。 a 摩擦系数降低理论 大多数学者都认为：振动可以降低互相接触材料之间的摩擦系数。采用如图( 2 - 1 ) 所示的实验方法。在一金属斜面上放一滑块，选择适当的q 角使滑块不下滑( 处于平衡 状态) ，一旦使其振动，无论那个方向的振动，滑块即刻下滑。 关于摩擦系数降低的原因，主要有以下三种观点： a ) 超声振动能使互相接触材料的动、静摩擦系数 降低。实验证明，在超声振动的影响下，高速钢试件 在铝、碳素钢、黄铜表面的滑动摩擦系数由0 2 0 3 降低到0 0 2 o 0 3 。 b ) 摩擦系数降低的原因是由于冷却液充分发挥 作用的结果。 在普通切削中，切屑在前刀面上的运动阻力来源 图2 1 于被切金属在切削刃附近区域的粘贴和在接触保持面上的滑动。振动切削中，刀具与切屑 脱离时，切削液储存于刀具与切屑下表面之间，充当润滑液，在刀具与切屑再次接触以及 它们分离之前防止生成粘结区。振动切削的作用是在刀具脱离切屑的瞬间，利用切削液防 止粘结区的形成。 c ) 在前刀面上生成氧化层从而降低了摩擦系数。这种观点认为：刀具在脱离切屑的瞬 间即形成了极薄的一层氧化层。这层氧化层减少了刀具与切屑之间的摩擦，而在氧化层为 完全磨损以前，刀具由于振动的原因已离