（毕业论文）深孔加工低频振动钻削试验研究（可编辑）

（毕业论文）深孔加工低频振动钻削试验研究深孑L加工低频振动钻削试验研究摘要机械制造业是国民经济的支柱，在切削加工中，孔加工约占加工总量的三分之一，而深孔加工又占孔加工的百分之四十。由于深孔是在封闭或半封闭的状况下进行，因此不能直接观察刀具的切削情况、切削热不易传散，而且捧屑困难、工艺系统刚性差，切削效果不理想。本课题对深孔振动钻削的断屑机理进行了研究，并分析了实现可靠几何断屑的条件和影响力学断屑的因素；对振动参数的选取进行了分析，在理论分析的基础上，结合实际，提出振动钻削参数选取原则和方法；以现有理论为基础，设计出了频率、振幅可调的机械式双偏心轮振动发生器；对DF系统的负压抽屑器进行了设计，并对DF的油路系统进行了改进；设计制造出了用于振动钻削系统的新型小直径内排屑深孔钻头；设计了具有振动断屑负压排屑功能的新型深孔加工系统。本课题利用设计制造好的小直径DF振动钻削系统，用45刚进行了深孔振动钻削试验研究，试验结果证明该系统钻削效果良好、工艺可靠，并且还对产生良好工艺效果的原因进行了分析。关健词深孔加工；振动钻削；断屑；负压抽屑；内排屑深孔钻STUDYONTHETEMPER_UENTSOFDRILUNGABSRRACTMACHINEBAC跏NCOF山EM曲NALISABOUTMETHIRDOFN碡鲥【ALBILILD吨IS血CECONOMY,HOLEDIGAM0蚰TISABOUTHOKOF眦HINMGDEEPHOKDRILLINGFORTYPCR吣0FESPECIALLYDFILLINBEU辩CONDITIONBCISOF蝴锄NOIO嘶VEDDEEPHOLEDIRECTLYDRILLED缸CIOSCDHAL|硪LSED删吐ON也CMD酬T姐DRIODIWOFPROCESSSYSTEMISL眠MECUT血G胁删ISNOTC螂MC邮DISPOSALISC嘶赡睡如M耐IDEALTHEREASONOFME儆PA芦咖DICSCMPCONDIOFIN也CTHEFACTORSOFMHA面嚣CMPCOMPLE把CMP慨AKINGWAYOF簪OME时ANDINNUENCINGANDOFME触FORBREAKINAMD她MTHODSPRINCIPLEPARAMETCRUSI蟾INVIB咖YDRILFING勰FO蚰以FIONOFTHEOREFICAL枷MCM蛐畦WI血D叫BKMFICVITORYOWBY柚LAIY商唱也CDRILLINGWHICHISMADESUCTIONH鹞硼USTABLE姻UENCY柚DAMPLIMDCBYU蚰喀SEEXISTING也RYTHCCMPONDLICL煳V蛆雠妇U她INTHCDFSYSTEMISDESI删姐D也CDFINNERREMOVALBITISTONEWN坼SMALL龇DFCHIPN嵋VIBRATOLYDRILLINGSYS岫札1KDESI印ED幻丘TVIBIATOFYDRILLINGSYS胁JSD器IGNED45SICCLINME锄丑LLMAMC蛔DFIS姗幽玳吐柚DDRILLINGVII椭TOFYDRILLINGSY咖M蚴THISPAPEREFFECTSTHCMIS枷ABK1KM啷STUDYGOODDTC妇199YRESULT11LC嗍D协SHW岫T雠DFIUINGOFTECHNICALE疵CTSAFEANALYZEDKEYWORDB哳HOLEHINING；BMT叫YDRILLING；CHIPBIEALDNG；SUCTIONNMMVALBIT原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名丝丛日期2扩07、4，D关于学位论文使用权的说明本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容保密学位论文在解密后遵守此规定签名鱼主二坠日期肋L，7、4，。导师签名墨堡垒日期兰竺中北大学学位论文第一章绪论11课题研究的背景及意义深孔加工在切削领域占有很重要的地位。由于深孔是在封闭或半封闭的状况下进行，因此不能直接观察刀具的切削情况切削热不易传散，而且排屑困难、工艺系统刚性差，切削效果不理想“1。深孔加工过程切屑顺利排出十分重要，由于深孔加工捧屑空问有限，因此对切屑形状、大小都有严格的要求。小口径深孔钻削加工时所形成的切屑，在切削液的带动和冲击下必须能够顺利地通过排屑通道排出。切屑能否断成一定的形状并能顺利摊出关系到能否加工的问题；而切屑的排出量和切屑切除率是否适应，决定了刀具能否连续、高效地加工。通过实验得知，只要有一片切屑不能进入排屑入口，就会造成切屑在入口处的聚集和堵塞，从而引起打刀，此时若不立即停车，退出钻头，就会造成钻杆扭曲、变形、甚至折断或钻头扭断、冷却液喷出而中断加工。因此，断屑和排屑问题在钻削加工中，尤其是小口径的深孔钻削中十分重要，它是关系到钻头及加工系统存在和发展的一个关键。在深孔加工过程中，排屑顺利取决于分屑、卷曲和折断1IP断屑。这三个过程反映在切屑上就是切屑的宽窄、卷曲的形状和切屑的长短等，它将直接影响排屑是否顺利。前面提到的这三个过程的实现在旧的加工方法中主要是依靠在切削刃上增设适当尺寸高度、宽度及过度圆弧的断屑台，并根据工件材质合理匹配切速、每转进给量两个参数值来实现。这些要求，不但对于用户，而且对钻头的制造厂家都是难题。刃磨断屑台不仅增加了刀具的制造难度和成本，尤其是无法确知用户的工件材质和设备情况，而只能磨成某种通用的尺寸，对用户来说，要求按加工材质匹配切削用量是不可行的。即使能获得理想的切屑形态，要求用户在钻头用钝时自行重磨断屑台，也是困难的“。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1中北大学学位论文地位。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KH声波振动的频率通常在16Z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时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”。12深孔钻削发展简况及深孔振动钻削的进展121国内外深孔钻削发展简况深孔钻削加工技术是18世纪后期，由于制造的枪管和炮管要求有较精密的孔，由早期的枪匠们发展起来的。开始人们发明的是扁钻进行加工。到1860年美国发明了麻花钻，在钻孔领域中迈出了重要的一部。尽管麻花钻还有一些缺点，例如，当深度超过排屑槽长度时麻花钻头需要多次从孔中抽出进行多次的润滑和排屑；还有麻花钻的抗扭矩性能是有限的，因此进入孔的速度低。最重要的是扁钻和麻花钻不能连续排屑、冷却和润滑，钻头自导性差，走偏严重，工件报废率大而工效极低嘲。1930年，高速钢枪钻开始用于枪炮管制造，开创了现代化深孔加工技术的新世纪。其突破性体现在孔和冷却润滑。2开创了单边刃钻孔刀具在自导向条件下从实体材料上加工出形位尺寸精度都很高的深孔。这种自导单边刃切削钻头成为了现代深孔加工刀具的鼻祖。二战后，为了在国际上交换以德国海勒公司和瑞典卡尔斯德特公司的经验为主的孔加工情报，成立了一个以德、瑞典、英、法国为主要参加国的国际孔加工协会BORINGANDTREPANNING内排屑深孔钻，称为BTA钻或称为BEISNER内排屑深孔钻。它能够自动地排屑冷却、润2中北大学学位论文滑，又有单边刃自导向功能，属于外进油内排屑。它可以加工中18以上的孔，并且理论上孔径越大采用BTA钻效果越明显，所以它对于只能加工035以下孔的枪钻是很好的补充嘲钻应用了硬质合金后切速比原来提高了35倍，加工精度等于用高速钢钻一次加铰一次，成为二十世纪无可替代的先进技术，是当时小口径020以下深孔加工的唯一有效途径。经过几十年的生产实践，BTA法内排屑加工法已经形成一套较完整的加工系统，钻头的发展也已经基本定型。瑞典SANDVIK公司把直径3毫米以上的深孔钻全面系列化，BTA钻采用单边刃或双边刃、双出屑口结构。065以上BTA钻头采用多刃、双出屑口、机夹结构。由于BTA钻系统存在密封装置制造复杂问题，为克服BTA系统存在的不足之处，1963年瑞典SANDVIK公司发明了喷吸钻系统。喷吸式深孔钻DOUBLEBUBE是在内排屑深孔钻基础上发展起来的新型实心深孔加工方法。它是利用流体的喷吸效应原理，当高压流体经过一个狭小的通道喷嘴高速喷射时，在这股喷射流的周围形成一个低压区，可以将喷嘴附近的流体吸走。它比较巧妙的解决了BTA系统的复杂压力头制造及密封问题。它不需要专用的深孔钻床，只要求普通机床具有足够的功率，必要的切速与机床结构的稳定性就能使用。枪钻为外排屑深孔钻，钻杆刚性差，只能适用于小孔径的零件加工，加工效率低，加工质量较差。但枪钻的密封问题容易解决。STS系统的产生是深孔加工技术的一大突破。BTA系统的特点是冷却润滑液由钻杆和已加工孔壁之间的环形通道输入切削区，而后带着切屑一起由钻杆捧屑通道排出。钻杆刚性好，可钻直径60哪以上的实心孔；由于切屑从钻杆内排出，避免了切屑划伤孔壁，孔壁与钻杆之间的冷却液对钻杆还起到减振作用，但BTA系统存在密封装置制造复杂问题。喷吸钻系统的发明克服了BTA系统的不足，比较巧妙地解决了BTA系统的压力头密封问题。喷吸钻的特点是采用内外钻杆，冷却液通过二管之间隙输入，其中一部分冷却液经二管之间的空间进入切削区，起润滑、冷却、排屑的作用；而另一部分冷却液通过内管上的喷口进入内管排屑通道，在排屑通道内形成一个局部真空区，对切削区冷却液和切屑产3中北大学学位论文生抽吸作用。但喷吸钻存在的缺点是由于采用内外枪杆，排屑空间受到限制，所以钻和喷吸钻系统的优点，将推吸排屑加以结合，大大提高了摔屑能力，钻孔最小直径可达由6M。但是喷吸钻钻本身也存在缺点，应用二根管子，捧屑空间受到限制，所以钻削直径不能低于18毫米，同时，冷却液供给方式不能控制刀杆振动，刀杆易擦伤，因而刚性和加工精度略低于BT系统。为了补偿喷吸钻的不足，日本冶金股份有限公司发展了DFDOUBLEFEEDERSYSTEM系统。他对双管喷吸钻“去伪存精”，淘汰了双管的衬管。先恢复BTA的已有简单结构，并借用了双管喷吸钻的负压抽屑机理，在钻杆末端的输油器空腔中设置产生负压作用的喷嘴；其改善了BTA钻中1420衄一段最容易发生堵屑故障的区间。从目前发展情况来看，这是一种很有前途的加工方法。DF系统在日刊“机械技术”1980年4期上发表后，即为我国工程界所重视，经过努力，已试制成功，应用与生产，现在已在我国各地普遍得到广泛应用叫。122深孔振动钻削研究的进展1970年代中期，在人们发现振功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。20世纪50年代，日本的隈部淳一郎教授提出的了振动切削理论，并在不同的加工领域进行了应用，取得了良好的加工效果。在深孔加工领域，引入了振动切削理论之后，成功的解决了断屑和切屑处理问题，同时通过工艺参数的合理匹配，其加工精度和表面质量均有明显改善。深孔振动加工就是在钻削加工过程中，对刀具施加一个轴向的振动，使刀具周期性地与切屑分离以达到断屑的目的。如果振动参数和切削参数选择合适，在一定范围内，就可按照预定的要求控制切屑的大小，达到稳定可靠地断屑和排屑，极大地改善加工条件。限部淳一郎教授在他的著作精密加工振动切削基础及应用中，率先提出了超声4中北大学学位论文波振动钻削的“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X和自由端具有集中等效质量M、相互垂直的两个方向X向和Y向上的等效刚度为KKC、周期为T、两个垂Y、等效阻尼系数为CX和CY的悬臂梁，并受到脉冲宽度为T直方向幅值分别为HX和HY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。进而指出，普通钻削钻入时钻头的位移是静态位移，不随时间变化，这种现象称为“振动钻头的静止化效果”，原因是T倍，相当于钻头的弯曲刚度增加到振动钻削钻入时，钻头位移减小到普通钻削时的TC原来的TTC倍，从而提高了钻头抗弯曲的能力，使钻头垂直钻入工件，因而具有“钻头刚性化效果”，而且他还通过实验验证了这一理论的正确性，隈部教授的这一“钻头刚性化效果”为超声波振动钻削的钻入定位精度奠定了理论基础，曾被学者们多次引用并加以论述。其次，隈部教授还提出了脉冲能量与应力集中理论嘲，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。他还将脉冲式切削形象地比喻为石匠用錾子錾石料，这种情况下如同储存在电容器中的电能在瞬间释放一样，利用瞬时能来加工，然后再充电再加工，与周期性重复放电加工机理类似。从能量角度来看，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即发挥脉冲切削的良好工艺效果又能提高钻头寿命嗍。ANSE之后，美国学者WHN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，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。ODURAE1973年，前苏联鲍曼工学院的VNPV通过实验研究提出了振动钻削的冲击理论，认为振动钻削时钻头横刃的冲击作用能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11。1979年，足立胜重在研究中5中北大学学位论文提出了振动断屑理论，指出振动钻削时进给方向的实际切削厚度FT是周期性变化的“4。钻削时若能使FTO，则可以实现断屑，能否断屑与FR、A和F有关，若选择的F使刀刃相邻运动轨迹波形相位差为零，则相邻运动轨迹的轴向距离相等，进给方向的切削厚度FT不变，此时无论FR和A取何值，都不能实现断屑。同时，他还认为在振动钻削过程中刀具的工作角度是周期性变化的，并给出了主切削刃的动态前角计算公式“”。1982年，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，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A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NQ。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“”蠲。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。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。此后，张德远博士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，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零，6中北大学学位论文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。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振幅之间的关系，给出了两者的关系曲线“目1995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，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MN1，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，即使在阻尼比极小的情况下，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“”由于振动钻削具有特殊的工艺效果，从80年代末至今国内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。13低频深孔振动钻削存在的主要问题尽管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，但要真正实现加工过程的高可靠性和自动化，则还有很大的距离。还存在以下许多问题“”振动钻削的参数匹配现在仍然停留在加工经验基础上，对这样重要的问题进行理论分析和试验研究，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意义。我国所使用的枪钻基本上都是由国外购买，钻削成本高，麻花钻由于其先天性的缺陷，难以在超深孔加工中发挥作用。内排屑深孔钻不但设计制造成本低，而且可以实现对超深孔的加工，所以设计制造内排屑深孔钻进行振动钻削加工能带来显著的经济效益。7中北大学学位论文振动钻削的优良工艺效果已得到国内外许多专家的肯定，但其推广使用速度却很慢。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存在结合面松动，发热疲劳以及振幅波动等缺点而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最主要的制约因素，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。14本课题的来源及主要研究内容1课题的来源中北大学深孔加工工艺研究所多年来一直从事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取得很大成就，在深孔振动钻削方面也有很大进展。为了对深孔振动钻削进行进一步的研究，根据工艺研究所项目的需要设计了稳定可靠的激振装置，并使该技术能尽快投入生产应用，将“深孔加工低频振动钻削试验研究”项目作为研究生的论文题目。2主要研究内容A理论分析研究在研究轴向振动钻削机理的基础上，分析了轴向振动钻削断屑几何断屑和力学断屑机理，提出了轴向振动钻削参数选择原则。B结构设计与改造设计制造适应加工材料的新型小直径深孔内排屑钻头；设计制造激振装置，用直流电机变频器控制，使得振动频率调节实现无级调节，操作简单、易控；振幅调节采用双偏心轮机构，使得振幅可以适合不同工况连续调节将负压抽屑机理应用于深孔钻削中，设计制造出小直径深孔钻削系统，该系统可用于小直径内排屑DF振动钻削；对DF油路系统进行了改进设计；在各个分系统设计制造完成后，对振动钻削系统整体进行布局和改造。C试验研究与分析用此振动钻削系统进行小直径深孔内排屑试验，根据检测孔的尺寸精度、形状精度8中北大学学位论文和表面粗糙度来判断钻削工艺的可行性，并对振动钻削带来的良好工艺效果的原因进行分析。15对深孔振动钻削技术的展望近年来，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，、进给量，、主轴转速雄等以减小轴向力，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N蝴。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，放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在下世纪初被大量广泛应用，而其加工难题还远未很好解决，且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4，V，N，并将参数变量作为钻削深度9中北大学学位论文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、更精确的理论依据嘲。2从切削力学角度看，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、尤其是在广域内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伽。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。10中北大学学位论文第二章振动钻削的断屑机理研究在切削加工中，如果工件韧性良好，且刀具不设断屑槽，通常进给运动与旋转运动共同作用下，会产生厚薄均匀连续之带状切屑，这种长长的带状切屑在孔加工中，会聚集在狭窄的已加工好的孔里面，它们极易卷成团，这一方面会划伤已加工好的孔之表面另一方面也极易发生卡钻甚至断钻事故。深孔排屑常常应用先进的负压原理，而只有断屑才能使负压将切屑顺利吸出。关于断屑的方法有许多种，但是归结起来按机理分为两大类。一种是通过改变切削层的几何参数，使切削面积规律地变为零值，实现断屑另一种是通过改变切屑形成的外部环境，以产生新的力学机制，使切屑内部应力超过其应力极限，使其产生薄弱环节而达到断屑的目的。前者可以称为完全几何断屑，后者称为不完全几何断屑或力学断屑。在振动钻削中，其断屑方法同时具有了这两种断屑方法的特点。下面分别讨论这两种断屑方法的原理九。21振动钻削的完全几何断屑机理211振动切削为什么能断屑及断屑之充分条件韧性材料不断屑之原因在于切削时有一个匀速的进给运动，致使切屑厚薄均匀一致，如图21，图21图22图23如果给一变化的进给运动，到切屑两侧面出现波浪形，但图22中因波形在两侧面之频率、振幅、相位点会一致，切屑厚度墨IS没有改变，因而也不会实现完全断屑，11中北大学学位论文在图23中虽然切屑两侧腰形在频率和振幅是相同的，切屑厚度墨沁且形成周期性变化。当选择好合理的振幅可以使S20，这就是完全断屑之充分条件。212偏心凸轮式振动发生器振动方程厂。陟厂J、。协I幽。V1一J网心2里乡0IC1一图24偏心机构矿O。图25偏心机构B一图24是偏心凸轮机构，该位置凸轮转角妒O。，从动件位移S0。图25，凸则偏心轮转过妒QP。，从动件位移SASIN驴，令，是凸轮每秒钟转数，则妒2窟VT，凸轮式振动发生器的振动方程是SASIN2WVT21这样A是振动方程之振幅，是振动之频率。这种振动发生器的优点是振动方程能精确地反映机构振动情况，而有些振动发生器由于机构上的原因近似地符合正弦波曲线从而按正弦波推出来的一些振动方面的结论，也只能近似地符合发生器振动情况。213钻头单刃镗刀的瞬时进给运动方程图26钻削加工示意图中北大学学位论文在图26中工件作旋转运动，钻头作轴向进给运动，设进给量为，将工件右端面作为进给的起码位置，则钻头只在进给运动情况下某个瞬时离开右端点的距离为。LRN声2260。其中弹是工件每分钟转数，是钻头在工件转时轴向移动量，F是秒。在通常的情况下弗和厂是常数，所以Z，是F的线性函数。在图26工况条件下，钻头单刃切削，切屑厚度之两个侧面是刀刃在工件旋转360。时形成的，所以切屑厚度是钻头每转进给量，即，。当使用偏心凸轮机构作为振动切屑发生器所产生的轴向振动和钻头的进给运动复合在一起之后，由于它们运动方向是一致的即两者速度方向之夹角或者是O。或者是该合运动瞬间钻头离右端面距离为F。，A2TS23即T，60“夕彳SIAZCVT23式之F。，虽然已不再是F的线性函数，即不再是匀速直线运动，而是非匀速的直线运动。瞬时工件前半转之时间是F，F一詈，。单位是秒。设在，时问段内刀具走过的距离为Z。，则CZA，Z。2杀以一SIN2XVT，。斋X，R一詈爿咖撕，一詈在F，至F时间段内刀具进给量设为形睨扣“凼丽NX小一詈一触撕R一等经化简后得形，半S加一半汜S，13中北大学学位论文显然W有两部分组成，一部分是匀速进给量，另一部分由振动引起迸给量暇即形一，彬所以彬I塑N1咖伽一等眩6，彬进给量是时间的F的函数，说明加上振动切削后，形成了一个随时间而交的进给量它可以沿切屑面形成波浪形，这就给断屑创造了条件。214切屑形成切屑形成是在两个运动下形成的，一个是轴向进给运动；另一个是工件作转动。将轴向运动作为Y方向，工件在切削点的速度之反方向即切屑形成方向为X方向，由于轴向进给量相对工件切削速度来说比较小，可以认为Y上X，具体来说切屑厚度方向是Y方向而切屑长度方向是X方向。而切屑宽度是扩孔时的工件内外半径之差。即Z方向，图中未画出嘲所以图21，22，23就是将Y轴作为横坐标，X轴作为纵坐标的切屑图。在T。之F时间内，工件转360。，刀具完成切屑侧面一转。形成了切屑侧面波浪形，当然我们希望获得图23之切屑侧面图形为此作以下分析。215断屑的数学分析由26式可见，当SIN60XV0，则兰竺为整数。此时26式彤。0。它以厅可分为两种情况I、因为工件转速N不会是O，但皇竺0，则必须，0，即振动频率为0，即没有振打动。当然彬为0，由25式可知形，是匀速进给量即切屑侧面没有波形，即图21切屑图。14中北大学学位论文NN转，即工件转360。时，偏心凸轮正好转一转，完成一个完整的正弦曲线振动波形。工件一转完成一个完整的正弦波形，接着下一转又完成一个完整的正弦波形，所以切屑的侧面之波形、振幅、频率、相位完全相同。这就是图22，虽然切屑在轴向上Y方向以厅均出现图22情况。总结I，II情况当堕竺取整数时是不会产生完全断屑的。九从26式可见，只有堕不是整数，使切屑的侧面波形从工件一转到下一转中打不是完整波形，这样切屑两侧面波形之相位差形。这就有可能形成断屑。由25式可知形I，竿S撕一半_0时刚好实现完全断屑形对时间的导数为D形DF2ASINOCOS20RVT一互警2出C拓经化简结果得27警一撕SIN睾SIN研F一半如果令里堕0，即求变化中的形之极植。由于SIN竺，O只有使SIN三坐一万马0，4疵阼、60押7一由此解出F来，即F撕F一半一012RVT一华石30FL一一则尼301F2。I万中北大学学位论文将TL、TZ代入25得I丝爱I一“是暇一暇，竿孚如果使睨O，形，和形2必有一个等于零。即厂弘咖塑竺O或，一列咖竺竺0疗N则舢L228X_咖_L华_1或彳一专X砰1从28则可以看出竺不可能是0，1，3，4，否则彳。，因为振幅彳是不行可能无穷大。因为4取正值。所以将凼垡兰加上绝对值符号，由此厅，拍卜剖形。，一拟卜剖29舢专南5601,137可知当2I，JJJ得0S抽刳I缸专把它代入29式可得墨霉，210Y2A图27切屑形态图由图可知实现了完全几何断屑，切屑形成切削层由薄到厚再由厚到薄的切屑形态。216环孔钻、扩孔钻等多刀刃钻头的振动切削断屑机理通常多刀刃的刀齿排列在圆周上是等分的，常见的有三齿、四齿居多，设其有K个均布刀齿，则上面相应的公式有些作些修改，具体如下1、振动发生器的振动方程SASIN2脯T2112、振动切削刀具瞬时位移离右端面方程名一啬户爿SIN2窟VT2123、钻头从右端面瞬时前壶转之时间0。一面2134、0时间的钻头轴向位移离右端面方程啦一言XFT一盟一SMZ,N,T一渤2145、振动切削时切屑瞬时厚度方程17中北大学学位论文忙盟24SIN60删SF撕一60UVL215KNKNKN【J6、使切屑侧面虽有波纹但厚度在轴向上是相等的，不能断屑的条件是；竺0，K，2K，3K，4K2167、使切屑轴向厚度有变化，其变化率方程；譬一蛳豳警血撕一衄2178、完全断屑时的竺能使月取最小60YK3K5K7K了2I，T，了，了。2189、取上面皇竺值时切屑最大厚度和最小厚度对应的时刻30FL。面219301，24面一2KV10、对应的切屑最大厚度和最小厚度及振幅一LKLK一警形_一0220缸一丢以下是KI，K2，K3，K4时的断屑范围示意图KIK2警霪露尝嗜髫ILLIEOVN60VN18中北大学学位论文K4K3彘鬻謇渣葛曦蔼1,54,57,560VN22力学断屑机理不满足几何断屑条件时要实现断屑得靠力学断屑。为探索其机理，引入了切削厚度相对变化率的概念切削厚度变化量对切削长度的变化梯度DA。JDYY为理论切削长度；而单位切削长度上的切削厚度变化率A。，Y即为平均切削厚度相对变化率【捌。根据实验结果，在切削厚度产生周期性变化时，如果保持切削厚度的薄弱环节不变，亦即最小切厚不变，那么切削厚度的相对变化率越大，则越有利于断屑。这就等同于通过增大切削厚度的相对变化率，在保持最小切厚不变的条件下也可以实现断屑。这种机理的简化模型如图28所示。图28振动切削简化模型由于切削厚度的变化，致使切削过程中产生一种新的力学机制，宏观地讲，切屑变中北大学学位论文形不再保持恒定。切削厚度大的部位，切屑变形小，瞬时卷屑半径增大。随着切削厚度的减小，切屑变形增大，卷屑半径减小，加工硬化程度增大，直到切削厚度达到最小，此时产生薄而脆的切屑薄弱环节。同时，切屑卷屑半径的减小，使得切屑卷曲速度加快。这种迅速卷起的切屑，在一定程度上阻碍了高压切削液的顾利通过，从而受到切削液的冲击，又一次的附加变形也易使切屑断裂，实现断屑。切削厚度的相对变化率越大，这意味着当刀尖运动到切削厚度最小点时，处于第二变形区的平均切屑厚度越大，致使此时切屑所受弯矩越大，剪切角越小，切屑变形越大，加工硬化越严重，所以越易断屑御。从上面式29中可以得到在振动钻削中得到的最大切厚形。和最小切厚形形，一拟咖毕形2一七一纠SIN毕所以切屑的厚度变化率U为；玑。学I4ASI虫60W1S荨IN60R亿Z，其中L为切屑的长度，D为所钻孔的直径，聊。从式221中可以看出，欲增大U。的值，可通过增大4的值或者SIN蔓堕芝的值来实现，但是前者对U有明显作用，而后者可以同时起到降低最小切厚的作用。因此，可以得出结论，要实现可靠断屑，增大爿的值或者SIN皇堡坚的值均有效，只弹要在加工过程中合理的选择A、露、，的值，就可以实现可靠的断屑。23本章小结综上所述，振动钻削条件不同时断屑也不同，可分为几何断屑和力学断屑两种情况，即使不满足完全几何断屑条件时，也是可以通过产生切屑的薄弱环节来实现力学断屑的。中北大学学位论文第三章试验装置的设计与制造31引言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超声波振动装置哺”超声波振动钻削装置较早被应用于振动钻削的实现，限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波振动钻削装置和振动主轴的振动钻床。1989年，限部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。1992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、迸给、和轴向振动。振动系统主要由超声波发生器、换能器，变幅杆和切削刀具几部分组成。改变超声波发生器的功率可方便地调整振幅，但超声波振动系统依靠与换能器共同工作在谐振频率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在超声激励下极易松动发热。当用麻花钻振动钻孔时，由于高频轴向振动影响，会加速刀具外缘切削刃后刀面磨损。2电磁振动钻削装置隈部教授口21介绍了产生轴向振动的电磁振动激振器。文献”1中也介绍了直接激振主轴或主轴套筒的两种电磁振动钻床。1988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，用220伏交流电经调压变压器为电磁铁提供激振能量洲。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。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，但由于磁隙的刚度相对较小，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，效率较低。3液压振动钻削装置嘲1979年，日本学者岸本等人研制出了安装在立铣上的电液伺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21中北大学学位论文置。液压振动钻削装置的输出功率较大，负载能力较强，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，液压油的体积弹性模量较小，所以反应迟钝，因此频率不大于200HZ。液压振动钻削装置又可分为机械一液压式和电气一液压式。机械一液压式振动装置的振动频率较低，一般不超过60HZ。在电气一液压式装置中，控制滑阀的运动是由电气一机械装置带动的，在保持足够大振幅情况下，可以得到更高的振动频率。4机械式振动钻削装置1958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装置九，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”1。八十年代初，薛万夫教授研制了利用直流调速电机驱动偏心凸轮旋转，并推动滚予使刀具产生轴向振动的装置“”。总的来说，目前机械振动装置多数采用偏心机构实现钻头或工作台的振动。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200HZ。5永磁式振动钻削装置1997年由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41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，无发热的特点本文采用机械式振动钻削装置，设计制造出振幅连续可调、操作简便的振动装置，并进行了深孔加工试验，取得了良好效果。32双偏心轮式振动钻削装置3。21振动钻削装置结构图如图32所示，通过皮带轮直流电动机带动中心轴，而中心轴与偏心套1为紧配合，偏心套2和偏心套1为松配合，可以方便调整两个偏心套的相对位置，然后通过两端螺母压紧未画出，随着中心轴一起作旋转运动。保持架可以把由滚动轴承传来的偏心套2的旋转运动转换成往复直线运动，实现轴向振动。钻杆通过夹紧螺母固定在保持架上，钻杆带动钻头，随着保持架做轴向振动。振动箱安装在车床大托板上，随大托板做轴向进给运动。工件转动，钻头边轴向进给边振动，这样就实现了振动钻削。中北大学学位论文图3I振动装置实体图32振动装置结构322振幅可调振动钻剖装置的理论分析如图3_3中，中心轴圆心为4、偏心套1外圆圆心为4、偏心套2外圆圆心为4，由于偏心套1和中心轴为紧配合，偏心套1的回转中心就是4，偏心套2绕偏心轮I转动时，实际就是4绕4转动，那么整体形成的偏心距就是4到4的距离。设偏心套1与偏心套2的偏心距都为E，4以与以以的夹角为口0；口T2万。如图33A所示振幅MI卜妞爿两个极限位置当口O时，4和以重合。如图33B所示振幅H4LO。当口玎时，4、以和成直线如图33C所示振幅HI2E。这样只要调节口的值就能调节振幅，而偏心套I和偏心套2为松配合，可以方便调整A的值，两可调最大振幅为2E，最小振幅为0。E取025棚抖，可调振幅范围00S小辨。中北大学学位论文A3OOA。A。A。ATA3AC图33振动装置工作情形图由上所知，振幅随两偏心套之间的转过的角度而变化，如图34所示图34振幅随转角变化曲线当EO25M由表3一L可得到所需振幅角度振幅角度振幅角度振幅OO00002100091420017930O013240O1044500191600026270O11748002039000393000，129510021212000523300142540022715000653600155570023918000783900167600O25表31EO25M时部分振幅表323振动装置的特点1用直流电机驱动振动装置，振动频率在0100HZ内连续调节；中北大学学位论文2偏心量可以调节，不仅降低了偏心轮的制造精度和制造难度，目使调整振幅方便可靠，振幅在00妇柳的较大范围内连续可调，适应性强；3用高精度轴承取代了传统机械偏心式振动装置中的滚轮，摩擦力小；滚动轴承依靠偏心轮甩起的润滑油自然润滑，效果良好，减小了磨损；4结构更加紧凑，易于在机床上安装、操作；整个装置使用寿命长，性能稳定、可靠。33内排屑深孔钻头设计与制造小直径DF内捧屑深孔钻的结构如图35所示，钻头刃形采用单刃内律屑深孔钻结构，由内刃、外刃、钻尖、分屑台、断屑槽、导向块和排屑孔组成。钻头头部采用“R型整体硬质合金直接与钻杆焊接而成，制造工艺简单，成本低廉。DQN翊镘船图35小直径内排屑深孔钻结构图其特点是1分屑槽为鱼肚形，既方便刃磨，又保证了左右两刃的侧后角Q，有利于提高中北大学学位论文钻刃的耐用度，有利于可靠完全分屑。2尖高_III和|112比较低，可以大大缩短入钻、出钻的时间，提高钻头的耐用度。3内刃偏角妒。比较大，有利于加高孔底反锥尖的高度，有利于加强定心精度，有利于提高钻削精度。4分屑槽将外刃分割成两段，且两段的余偏角妒，。及妒，各不相等，有助于完全分屑和加强孔底的定心作用，有利于可靠断屑和平稳钻削。34DF系统关键部件的设计制造影响DF系统加工效果的两个关键部件负压抽屑装置和授油器。本文根据DF内摊屑原理设计T7调N隙负压抽屑装置如图36所示，图37是其结构简图，把他结合振动装置用于振动深孔加工试验中。锥体壳体囡柱销套体调整体紧固螺母负压轴图36间隙可调负压装置实物图图37负压装置结构简图应用流体力学负压效应原理，使BTA产生一个从排屑通道后方抽吸切屑的作用，但是争议有二，DF系统将“鱼鳞槽”改为内外锥形喷嘴，将双管还原为单管，使钻杆与抽屑器分离，无疑为一大改进，但是存在争议1鱼鳞槽在结构和工艺方面无法充分发挥负压效应的目的，因而抽屑效果不显著；2为使前后液流分开而加设一根外管，既占用了供油、排屑通道的宝贵空间，又增加了刀具的制造成本中北大学学位论文抽屑器负压效应的大小，首先取决于切削液通过锥形喷嘴间隙后产生的轴向切削液动量。在已知钻头直径