基于超聲振動切削的麻花鉆入鉆精度研究*

孔凡霞 張 麗

(①山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東淄博 255049;②青島工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 266300)

孔鉆削加工是工程中經(jīng)常采用的制造方式。鉆削時(shí)存在鉆頭的剛度低、入鉆位置易偏移［1－2］、切屑不易排出、鉆頭易折斷［3－4］等問題。尤其對于難加工材料和深孔鉆削，定位精度差是工程中的難題之一。超聲振動切削是近代出現(xiàn)的一種先進(jìn)的切削加工方法，其優(yōu)良的工藝效果得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的一致認(rèn)可。超聲振動鉆削是超聲振動切削的一個分支，是在傳統(tǒng)的鉆削過程中給鉆頭(或工件)加上有規(guī)律的高頻振動。幾十年來，國內(nèi)外專家學(xué)者對超聲振動鉆削做了大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究工作［5－7］，許多實(shí)驗(yàn)和研究結(jié)果都表明:振動鉆削可明顯提高入鉆的定位精度及孔的尺寸精度、表面質(zhì)量，降低切削力和切削溫度，延長鉆頭壽命，為孔鉆削加工提供了可靠的技術(shù)保障。本文針對麻花鉆入鉆偏移問題，從普通鉆削偏移機(jī)理開始對超聲振動鉆削糾偏機(jī)理進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 超聲振動鉆削提高入鉆精度機(jī)理

1.1 普通鉆削的入鉆機(jī)理

鉆頭入鉆過程是橫刃進(jìn)行切削的過程。由于鉆頭的軸線與工件表面不能保證垂直，鉆尖會受到側(cè)向力的作用而產(chǎn)生偏移，產(chǎn)生入鉆引偏。本文從鉆頭完全入鉆前橫刃的滑移趨勢來分析入鉆引偏的過程。

圖1a是入鉆過程中橫刃的滑移軌跡，其中O點(diǎn)是鉆頭在自由狀態(tài)下的回轉(zhuǎn)中心，如果鉆頭是一個剛體，則橫刃應(yīng)該以O(shè)為中心，A0B0為直徑的圓弧軌跡進(jìn)行切削。即旋轉(zhuǎn)切削一定角度后，橫刃在A'B'的位置。然而，這個切削過程只有橫刃的DB來完成，因此會產(chǎn)生側(cè)向力P，使鉆頭發(fā)生彎曲變形，中心點(diǎn)偏移到O'，因此，工件的B0BB'區(qū)域就不能被切除。

普通鉆削是一個連續(xù)的切削過程，所以鉆頭的偏移誤差也是不斷累加的。所以，最終橫刃實(shí)際切削部分為B0BBnDB0，殘留部分為B0B'BnDB0。

當(dāng)鉆頭完全入鉆后，鉆頭的偏移量達(dá)到e(e=OOn)，如圖1b所示，KLMN不能被切除，所以普通鉆削入鉆偏移問題不能避免。

1.2 超聲縱向振動鉆削入鉆機(jī)理

超聲振動鉆削，橫刃上各點(diǎn)按正弦軌跡運(yùn)動，鉆頭橫刃有較大的負(fù)前角，所以在振幅較大時(shí)，前刀面的沖壓作用會產(chǎn)生橫刃的斷續(xù)切削過程，如圖2。橫刃的運(yùn)動軌跡為M0A0M1A1M2A2，當(dāng)橫刃切削到最近點(diǎn)A0，前刀面在工件上形成沖壓面A0C0和隆起面C0D0，然后橫刃從A0點(diǎn)開始沿A0M1N1空切到N1，然后橫刃以相對較大的正前角進(jìn)行下一次切削，切削軌跡沿N1A1，因此N1A1D0C0部分的金屬受到前刀面的沖壓，形成新的沖壓面A1C1和隆起面C1D1，N1A1A0部分受到后刀面的擠壓，由于塑性變形形成N1A1A0部分的殘留金屬。同理，橫刃進(jìn)行第三次切削，形成了沖壓面A2C2和隆起面C2D2，以及殘留金屬N2A2A1。超聲縱向振動的橫刃斷續(xù)切削過程使入鉆機(jī)理發(fā)生了本質(zhì)的變化。

超聲縱向振動實(shí)現(xiàn)斷續(xù)切削的條件是A0M1的斜度大于A0D的斜度，也就是滿足:

式中:A為振幅，r為鉆頭橫刃的回轉(zhuǎn)半徑，Wf為鉆頭每轉(zhuǎn)的振動次數(shù)。這時(shí)，每一振動周期內(nèi)橫刃實(shí)際切削的時(shí)間tc和空切時(shí)間ti分別為:

式中:F為振動頻率。

橫刃每次切削可能產(chǎn)生的最大偏移量是在tc時(shí)間內(nèi)主軸旋轉(zhuǎn)α1產(chǎn)生的，如圖3，超聲波縱向振動鉆削入鉆過程中，橫刃在切入金屬時(shí)，在tc時(shí)間里產(chǎn)生的側(cè)向偏移OO'，滑移到A'B'位置。其中，

對于超聲波振動鉆削，Wf值很大，從而每次鉆削的偏移量OO'很小，而且ti遠(yuǎn)大于tc，這樣偏移量OO'就會有相對較長的時(shí)間恢復(fù)到原位偏移量A1B1，從而進(jìn)行下一輪切削。從而其起切削過程如圖4，鉆尖接觸工件瞬間也會產(chǎn)生橫向偏移，使鉆頭彎曲;但當(dāng)鉆尖與工件分離時(shí)，鉆頭以自身的固有頻率做彎曲衰減振動，恢復(fù)變直后再重新入鉆，使入鉆偏移經(jīng)過多次校正，最終使入鉆定位精度得到提高。

2 實(shí)驗(yàn)

采用如圖5實(shí)驗(yàn)裝置，用φ1.4 mm的硬質(zhì)合金鉆頭對不銹鋼進(jìn)行鉆削實(shí)驗(yàn)。主軸轉(zhuǎn)速n=1 200 r/min，進(jìn)給量vf=1.5 μm/r，鉆頭振幅A=0、3.5、5 μm。切削液采用金微油。試件是直徑6 mm的不銹鋼試件，厚度為2 mm，有中心孔。在工具顯微鏡(×100)下測量孔入口中心點(diǎn)位置，計(jì)算孔中心位置相對外圓中心位置的最大偏移量，依此分析定位精度(偏移量小，則定位精度高)。

圖6表示主軸轉(zhuǎn)速n=1 200 r/min，進(jìn)給量vf=1.5 μm/r，不同振幅條件下微孔入鉆定位精度的對比曲線。從圖6可看出，普通鉆削時(shí)，最大偏移量為14 μm左右;當(dāng)振幅為5 μm，最大偏移量降低到大約4 μm。

經(jīng)過以上分析，振動鉆削的入鉆定位精度相對普通鉆削有很大提高，當(dāng)振幅為5 μm時(shí)，定位精度提高了約4倍;在一定范圍內(nèi)，隨振幅增大，定位精度提高。

另外，筆者還進(jìn)行了細(xì)長麻花鉆鉆削45號鋼的嘗試性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示，鉆頭回轉(zhuǎn)并進(jìn)給，工件軸向超聲振動。直徑為3 mm的HSS普通麻花鉆，懸長60 mm。鉆削參數(shù):轉(zhuǎn)速1 000 r/min，進(jìn)給量0.008 mm/r，超聲振動頻率 19 490 Hz，振幅 7 μm。普通鉆削至深度35 mm時(shí)鉆頭折斷，而超聲振動鉆削深55 mm至通孔。兩個工件入口端面如圖8所示。由此實(shí)驗(yàn)，也表明:超聲振動鉆削可以大大提高入鉆精度。

3 結(jié)語

由于鉆頭剛性差或材料硬度高，普通鉆削入鉆時(shí)鉆尖易偏移，定位精度很低。振動鉆削入鉆，當(dāng)鉆尖與工件分離時(shí)，鉆頭以自身的固有頻率做彎曲衰減振動，恢復(fù)變直后再重新入鉆，使入鉆偏移經(jīng)過多次校正，最終使入鉆定位精度得到提高。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:超聲振動鉆削不銹鋼、細(xì)長麻花鉆鉆削45#鋼時(shí)，入鉆定位精度均有所提高。且鉆削不銹鋼時(shí)，當(dāng)振幅為5 μm，定位精度提高了約4倍;在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，隨振幅增大，定位精度提高。

［1］楊兆軍，王勛龍，楊趙華.微小孔鉆削加工的難點(diǎn)及其技術(shù)對策［J］.機(jī)械工程師，1997(5):15－16.

［2］謝大綱，趙清亮，袁哲俊，等.麻花鉆剛度的有限元分析［J］.中國機(jī)械工程，2001，12(5):154 －156.

［3］劉利，譯.微深孔鉆頭設(shè)計(jì)要點(diǎn)［J］.機(jī)床與工具，1987(6):130－135.

［4］張明，周錦進(jìn).微細(xì)鉆頭折斷原因探討［J］.工具技術(shù)，1999，33(7):5－7.

［5］王立江，張德遠(yuǎn)，張明.振動鉆削微小孔提高加工精度的研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，1992，28(1):31 －35.