深孔加工的振動(dòng)鉆削與斷屑

【摘 要】本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，針對深孔加工存在的問題，通過切削實(shí)驗(yàn)，探討了切屑形態(tài)變化與切削參數(shù)之間的關(guān)系，總結(jié)出斷屑的最佳切削條件。

【關(guān)鍵詞】深孔加工；振動(dòng)鉆削；斷屑；加工精度

一、振動(dòng)鉆削簡介

所謂振動(dòng)切削就是在傳統(tǒng)的切削過程中給刀具或工件以適當(dāng)方向、一定頻率和振幅的可控振動(dòng)，使切削用量按給定的規(guī)律進(jìn)行工作，一邊切削，一邊振動(dòng)，形成一種本質(zhì)上與傳統(tǒng)切削過程不同的新穎的切削方式，實(shí)際上是一種脈沖切削。其突出特點(diǎn)：瞬時(shí)切削速度高；刀具與工件接觸是間斷的、變化的。

二、振動(dòng)鉆削機(jī)理

（1）振動(dòng)切削原理。低頻軸向振動(dòng)鉆孔是在鉆頭的軸向加上有規(guī)律的振動(dòng)。鉆孔時(shí)，工件旋轉(zhuǎn)，鉆頭邊進(jìn)給邊做軸向振動(dòng)。振動(dòng)切削時(shí)，根據(jù)刀具的振動(dòng)頻率和工件的運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系，均等地分割出工件上的Lt的大小，并且使這一部分有規(guī)律地變形成為切屑。如圖1所示。

切削時(shí)，Lt越短，Lt越容易變形。由于Lt=V/f，那么，改變V或f，都能控制Lt的長度。振動(dòng)切削的效果是受Lt的大小影響的。決定振動(dòng)切削性能的Lt，在振動(dòng)頻率f一定的情況下，切削速度V越低，Lt就越短；在切削速度V一定的情況下，振動(dòng)頻率f越高，Lt就越短。（2）振動(dòng)鉆削的斷屑機(jī)理。假定以鉆頭開始切入的起始點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，鉆頭進(jìn)給方向?yàn)檎较?，則鉆頭切削刃上任意一點(diǎn)的軸向位移為：x=ms+■+asin（wt+φ） （1）。當(dāng)振動(dòng)鉆頭相鄰的波形不發(fā)生干涉時(shí)，切削層面積是連續(xù)不斷的；而發(fā)生干涉時(shí)，切削層重復(fù)性間斷，切削層單元保持一致。如圖2所示。圖中陰影部分是切削層面積。圖2所示為一周內(nèi)切屑的形態(tài)與振動(dòng)波形及其相位角的關(guān)系?？梢姡寒?dāng)φ=0°時(shí)，波形無干涉，切屑為連續(xù)的帶狀切屑。當(dāng)φ=120°時(shí)，波形干涉，刀具由于切出、切入點(diǎn)不斷變化，使得切屑間斷，以利斷屑、排屑。相位角φ=0°時(shí)的波形。

發(fā)生干涉時(shí)的條件為：■<1（2），令λ=60f/n并代入（2）式得：■<1 （3），即■>1（4）。由（4）式可知，要發(fā)生干涉，振幅和進(jìn)給量必須滿足以下條件：2a/s≥1，即s≤2a。由以上分析可得發(fā)生干涉的必要條件為：一是進(jìn)給量s必須小于雙振幅2a；二是發(fā)生干涉時(shí)，入不能為整數(shù)，即f/n不能為整數(shù)。由于相位角φ=2π（60f/n-k）=2π（λ-k），相位角入不同時(shí)，干涉情況不同，當(dāng)φ接近于兩個(gè)邊界值φ1和φ2時(shí)，干涉區(qū)域很小。

三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

（1）斷屑實(shí)驗(yàn)分析。第一，斷屑實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由表1可得出如下結(jié)論：一是當(dāng)2a/s固定不變，使60f/n變化時(shí)，60f/n越接近整數(shù)，斷屑效果越不好。且當(dāng)頻轉(zhuǎn)比f/n增大，切屑變小。由理論分析可知，此時(shí)刀具振動(dòng)波長減小，切削單元變小，因而有利斷屑。二是當(dāng)2a/s、k（刀具振動(dòng)一周內(nèi)完整波形個(gè)數(shù)）固定時(shí)，相位角變化，實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)φ=126°、φ=252°這兩種條件下切屑大小基本相同，由理論分析可知：對稱于180°位置，切削路程基本相同，因而切屑大小基本相同。第二，斷屑原因分析。一是切屑厚度的不斷變化有利于斷屑。振動(dòng)切削時(shí)，切屑厚度方向上留下與振動(dòng)頻率相關(guān)的波紋，在高壓切削液和容屑空間作用、限制下，很容易從切屑的強(qiáng)度較差部位折斷，達(dá)到斷屑效果。二是刀桿的軸向振動(dòng)有利于斷屑。由于鉆頭的進(jìn)給量很小，當(dāng)軸向的振動(dòng)雙振幅大于進(jìn)給量時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了分離切削，切屑也就被強(qiáng)制性切斷。（2）加工精度分析。第一，加工精度數(shù)據(jù)。尺寸精度對比：普通切削時(shí)，圓度：9μm；振動(dòng)切削，f=20Hz，a=0.07mm時(shí)，圓度7μm；振動(dòng)切削，f=28Hz，a=0.07mm時(shí)，圓度6μm。表面粗糙度對比：普通切削時(shí)，表面粗糙度Ra：0.69μm；振動(dòng)切削f=20Hz，a=0.07mm時(shí)，表面粗糙度Ra：0.33μm；振動(dòng)切削f=28Hz，a=0.07mm時(shí)，表面粗糙度Ra：0.32μm。第二，原因分析。切削扭矩的減小有利于提高表面加工質(zhì)量；良好的斷屑效果有利于提高表面加工質(zhì)量；抑制了積屑瘤的形成，有利于提高表面加工質(zhì)量。

四、結(jié)論

綜上可得如下結(jié)論：一是振動(dòng)鉆孔是由刀具運(yùn)動(dòng)造成斷屑，比其它形式斷屑可靠，是目前較為有效的斷屑方法。二是振動(dòng)鉆孔的切屑形態(tài)可通過改變切削參數(shù)來控制，以達(dá)到最佳狀態(tài)。三是振動(dòng)鉆孔是改善加工表面質(zhì)量的有效途徑，可廣泛適用于深孔、精密孔的加工，應(yīng)用前景廣闊。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]隈部淳一郎著.振動(dòng)切削與深孔加工[M].北京：科學(xué)出版社，1986

[2]頤崇銜著.金屬切削原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982