超聲振動擴孔糾偏研究*

鄭德友 孔凡霞

（①青島和力達電氣有限公司，山東青島266042;②山東理工大學農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院，山東淄博255049）

擴孔加工相對于鉆削具有較高的精度，相對于鉸削具有加工效率高的優(yōu)勢，如果能夠充分發(fā)揮擴孔的作用，可以大大提高效率、節(jié)省成本。擴孔加工工藝要求包括孔徑精度和表面質(zhì)量等方面。從擴孔加工目前的技術狀況來看，仍然處在改變刀具切削刃角度、工藝路線等層面［1－3］，存在加工效率低，探索周期長，不能從根本上解決擴孔加工效率低、成本高等缺點。超聲振動擴孔是在普通擴孔加工的基礎上，給刀具或工件施加軸向或周向的超聲振動，使刀具與工件間的運動發(fā)生變化。研究表明，采用超聲振動擴孔具有提高表面質(zhì)量、刀具壽命、加工精度等工藝效果［4－6］。本文就超聲振動擴孔糾偏進行理論分析和實驗驗證。

1 超聲振動擴孔糾偏機理

1.1 普通擴孔的鉆削過程［1］

普通擴孔鉆削，如圖1所示，假設刀具主切削刃是在AB位置與工件相接觸的，此時沒有產(chǎn)生偏斜，當切削刃轉到A1B1位置時，各切削刃所切的余量不一致，切削力不平衡，鉆頭發(fā)生彎曲變形，中心點偏移到O1位置，此時AA1A'區(qū)域不能被切除。當鉆頭旋轉到A2B2位置時，中心點偏移到O2位置，這時候AA2A″區(qū)域不能被切除，此時鉆頭的直徑是不變的，與之相對應的另一端必將多切除GMN區(qū)域。當鉆頭旋轉一周后，可以看出，普通擴孔鉆削必將把初始孔的誤差復映下來，并且這種偏差會導致鉆頭偏斜，隨著擴孔深度的增加，必將導致在下一個切削周期中，使偏差擴大。

經(jīng)由上面的分析可以看出，普通擴孔鉆削過程中產(chǎn)生的擴孔偏差是無法避免的。

1.2 超聲振動擴孔鉆削的鉆削過程

振動鉆削過程為斷續(xù)切削，主切削刃切削運動過程發(fā)生了變化。如圖2所示，假設切削刃還是從A1B1位置開始切入工件，經(jīng)過時間tc后旋轉一個角度θc，切削刃旋轉到A'1B'1位置，與普通鉆削一樣，中心點偏移到O'1位置，產(chǎn)生了最大偏移量OO'1。然后切削刃與工件分離，進入空切階段，鉆頭旋轉θi角度后切削刃從A'1B'1到A″1B″1。由于超聲振動頻轉比Wf很大，所以切削刃每次切削時偏移量OO'1很小，并且因為Wf和振幅A較大，所以θi相對于θc大得多，空切時間較長。所以，在空切階段鉆頭以自身的固有頻率做彎曲衰減振動，切削階段產(chǎn)生的變形得到恢復，偏移量減小到零，回轉中心又回到O。此后再一次切入，重復上一過程，直至完成整個擴孔過程。

由以上的分析表明，超聲振動擴孔鉆削時，切削刃接觸工件瞬間會產(chǎn)生橫向偏移，使擴孔鉆頭彎曲，但當切削刃與工件分離后，鉆頭以自身的固有頻率做彎曲衰減，鉆頭的彎曲變形恢復變直，然后再重新進行鉆削，即鉆頭的每次入鉆不是在上次鉆頭彎曲偏斜的基礎上繼續(xù)入鉆，而是在恢復校正了上一次偏差的基礎上入鉆。這就是振動鉆削的特殊的動力學行為，即:楔入—偏移—分離—復位—再楔入，這一過程勢必提高擴孔的糾偏精度。

2 超聲振動擴孔糾偏實驗

2.1 實驗條件及方法

實驗裝置如圖3所示，實驗材料為3J1不銹鋼，實驗件為圓柱形，實驗件長度為12 mm，上下端面經(jīng)過研磨處理。在實驗件上事先鉆好一個偏孔，孔的直徑φ=2.6 mm，孔偏量為0.1 mm，如圖4所示。刀具用φ3 mm硬質(zhì)合金粗柄麻花擴孔鉆頭，超聲振動頻率為20 700 Hz，其振幅選用 1 μm、2 μm。轉速n=600 r/min，進給量f=5 μm/r。切削液選用金微油。

2.2 實驗結果及分析

由圖5可以看出，普通擴孔鉆削后，孔的偏斜量在12～13 μm左右，而超聲振動擴孔后，振幅為2 μm時，孔的偏斜量在3～4 μm之間，總體上看孔的偏斜量減小1/4左右，并且可以看出，在一定程度上，隨著超聲振動振幅的增大，孔的偏斜誤差有減小趨勢。

這主要是因為在超聲振動擴孔時，鉆頭的每次入鉆不是在上次鉆頭彎曲偏斜的基礎上繼續(xù)入鉆，而是在恢復校正了上一次偏差的基礎上，從而避免了誤差的累積，同時超聲振動鉆削提高了工藝系統(tǒng)的工藝剛度，明顯提高了切削過程中的穩(wěn)定性，使普通鉆削時常發(fā)生的顫震現(xiàn)象得到很大的改善，這也有利于擴孔精度的提高。

3 結語

本文針對擴孔糾偏問題進行了探討，分析超聲振動擴孔糾偏機理，建立了普通擴孔和超聲振動擴孔的糾偏模型，說明普通擴孔時，糾偏誤差是逐步累積的，而超聲振動擴孔時，擴孔糾偏過程為:切入—偏移—分離—復位—再切入，對糾偏誤差起到多次校直的作用，切削時擴孔鉆頭的偏移量較普通鉆削時顯著減小，從而提高了擴孔糾偏的精度。擴孔糾偏對比實驗證明超聲振動擴孔相比普通擴孔的孔偏量減小了3/4以上。

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