和田玉機械式振動深孔鉆削系統(tǒng)設(shè)計

余 理，劉新英，廖結(jié)安

(塔里木大學(xué)機械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾 843300 )

和田玉由透閃石Ca2(Mg,Fe2+)5[Si8O22](OH)2微粒礦物集合體組成,主要為致密塊狀構(gòu)造,質(zhì)地細膩；主要結(jié)構(gòu)為毛氈狀變晶結(jié)構(gòu),其次為放射狀變晶結(jié)構(gòu)和纖維狀柱狀變晶結(jié)構(gòu)。和田玉摩氏硬度高，韌度極大，和田玉的研韌度可以達到摩氏硬度9?；诤吞镉竦窨碳庸すに嚨男枰?，小直徑加工占有的比例很高，小直徑深孔加工是在封閉或半封閉復(fù)雜狀態(tài)下進行的，不能直接觀察刀具的切削情況，切削熱不易傳散，而且排屑困難、工藝系統(tǒng)剛性差，切削效果不理想。本研究作為和田玉超聲波振動深孔鉆削機理研究的重要組成部分，主要進行和田玉軸向機械振動深孔鉆削系統(tǒng)設(shè)計的研究。

1 振動方式的選擇

振動鉆削是振動切削的一個分支，與普通鉆削的根本區(qū)別是在鉆孔的過程中通過振動裝置使鉆頭與工件之間產(chǎn)生可控的相對運動。振動方式有3種，一是軸向振動，即振動方向與鉆頭軸線方向相同；二是扭轉(zhuǎn)振動，即振動方向與鉆頭旋轉(zhuǎn)方向相同；三是復(fù)合振動，即上述兩種振動的迭加。常見的振動裝置有超聲波振動裝置、電磁振動鉆削裝置、液壓振動鉆削裝置、永磁式振動鉆削裝置、機械式振動鉆削裝置。目前機械振動裝置多數(shù)采用偏心機構(gòu)實現(xiàn)鉆頭或工作臺的振動。這種裝置輸出功率大，結(jié)構(gòu)簡單，便于調(diào)整振動參數(shù)，振動機構(gòu)剛度大，負載能力強。其中軸向振動易于實現(xiàn)，工藝效果明顯，故選用軸向機械振動深孔鉆削的方式。

2 機械式振動深孔鉆削系統(tǒng)總體設(shè)計

和田玉軸向機械振動深孔鉆削車床主要由機床部分和振動系統(tǒng)部分組成。機床部分主要有中心架、授油器和聯(lián)結(jié)器3大附件；油路部分主要含進油路、回油路以及排屑箱、儲油箱。和田玉軸向振動深孔鉆削系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

1—車床主軸；2—工件；3—中心架；4—授油器；5—鉆桿；6—振動裝置

車床的系統(tǒng)設(shè)計的要求不高，可以用C6140車床進行改造。不改變原車床的性能，只需將原車床上的刀架及拖板拆除，將聯(lián)結(jié)器、授油器和中心架分別裝在車床內(nèi)導(dǎo)軌上即可。原車床主運動和進給系統(tǒng)機構(gòu)不變，另行配置儲油箱并用相應(yīng)的油管與授油器和聯(lián)結(jié)器連接，接通進、出油路。

3 振動系統(tǒng)設(shè)計

3.1 振動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

1—電機；2—箱體；3—定位體；4—振動軸；5—軸套；6—彈簧；7—滾動軸承；8—小軸；9—凸輪軸；10—雙偏心輪

傳統(tǒng)的機械式偏心振動裝置存在偏心量(即振幅)不能調(diào)節(jié)的缺點,即使采用更換偏心輪的辦法來調(diào)節(jié)振幅,也必須拆下相關(guān)零件,調(diào)節(jié)很不方便,且只能斷續(xù)調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)范圍也很窄;加工工藝參數(shù)變化時，偏心輪的偏心精度難以及時進行變換；滾輪和小軸間是滑動摩擦,其潤滑效果差,在高速旋轉(zhuǎn)下,摩擦發(fā)熱量大,油溫升高,滑動副零件更易磨損,進而影響振幅和振動特性的穩(wěn)定。

針對傳統(tǒng)的機械式偏心振動裝置不足之處，本文設(shè)計了一種雙偏心輪結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)的單偏心輪結(jié)構(gòu)，從而克服了傳統(tǒng)機械偏心式振動裝置在振幅調(diào)節(jié)上的缺陷。振動裝置原理簡圖如圖2所示。

振動系統(tǒng)的振動裝置由振動軸、定位體、彈簧、滾動軸承、凸輪軸、雙偏心輪、電機和連接底板等主要部分組成。電機通過皮帶輪帶動輪軸回轉(zhuǎn)，并由偏心輪推動軸承產(chǎn)生一定振幅和頻率的軸向振動，最后由振動軸將振動傳輸?shù)姐@桿上的鉆頭上，實現(xiàn)振動切削加工。

3.2 振動系統(tǒng)工作原理

圖3 a)和圖3 b)分別為偏心量達到最大和最小時的2個偏心輪位置。其中O是偏心輪1的回轉(zhuǎn)中心；O1是偏心輪1的幾何中心，也是偏心輪2的回轉(zhuǎn)中心；O2是偏心輪2的幾何中心。當(dāng)偏心輪2繞偏心輪1轉(zhuǎn)動時，實際就是O2繞O1轉(zhuǎn)動，在設(shè)計上保證兩偏心輪的偏心量相等，即O1O2=OO1。這樣，O，O2間的距離就是裝配好后的凸輪軸組件的偏心量，就是振幅A。通過調(diào)整偏心輪2與偏心輪1的徑向位置,可得到滿足不同的工藝要求所需要的不同振幅值A(chǔ)。

圖3 偏心輪的2個極限位置Fig 3 Two extreme positions of the eccentric gear

加工時，電機通過皮帶輪帶動輪軸回轉(zhuǎn)，利用雙偏心輪產(chǎn)生連續(xù)的周期振動；雙偏心輪帶動小軸上的滾動軸承周期性振動；滾動軸承再帶動振動軸周期振動，振動軸與鉆桿利用鉆桿夾持器連接，將周期振動傳遞給鉆桿，鉆桿與鉆頭利用螺紋直接連接，最終將振動傳遞給鉆頭，實現(xiàn)周期性振動鉆削。

4 和田玉機械振動深孔鉆頭設(shè)計

4.1 鉆頭的類型的選擇

槍鉆屬于典型的外排屑深孔鉆，最早用于鉆槍孔而得名，常用來鉆直徑1～20 mm，長徑比小于100的小深孔。槍鉆由鉆頭、鉆桿和鉆柄3部分組成。鉆頭部分是由高速鋼或硬質(zhì)合金鉆頭與無縫鋼管壓制成的V型鉆桿對焊而成的。由于和田玉硬度和韌度極大，鉆頭一部分選用硬質(zhì)合金，直接切削部分選用人造金剛石，直接燒結(jié)在鉆頭上。

1—切削刃硬質(zhì)合金部分； 2—切削刃金剛石部分

4.2 鉆頭幾何角度的選擇

由于槍鉆采用鉆尖偏心結(jié)構(gòu)，主刃通過鉆頭中心，故而內(nèi)、外刃前角一致，一般取γ=0°當(dāng)加工和田玉高硬度材料時，磨出過度切削刃，選用5.0°。外刃后角通常磨成雙重后角，外刃后角α1為15°；內(nèi)刃后角α2為10°，它能防止切屑堆積，使切削液到達切削刃。由于接近鉆心，實際后角減小較多，一般應(yīng)取上限。余偏角的大小可以影響切削力的分配，適當(dāng)?shù)臏p小余偏角，可以使徑向力減小，使導(dǎo)向塊略微壓向孔壁，進而改善導(dǎo)向塊的受力狀態(tài)。槍鉆的外刃余偏角通常取為25°，內(nèi)刃余偏角通常取35°。鉆頭幾何角度如圖4所示。

4.3 鉆頭的實體仿真

確定鉆頭幾何參數(shù)和材料參數(shù)，運用三維繪圖軟件對鉆頭進行實體仿真，圖5所示為槍鉆整體仿真圖，包括鉆頭、鉆桿、鉆柄3部分；圖6所示為鉆頭部分的實體仿真。

圖5 槍鉆整體仿真圖Fig.5 Whole simulation diagram of gun drilling

圖6 槍鉆鉆頭部分實體仿真圖Fig.6 Entity simulation diagram of gun drill front end

5 結(jié) 語

針對和田玉材料硬度高、韌性大的特性，采用低頻軸向振動鉆削裝置與外排屑槍鉆系統(tǒng)相結(jié)合的鉆削方法；根據(jù)和田玉在雕刻加工中孔徑比較小的特點，設(shè)計出外排屑小直徑深孔機械式振動鉆削系統(tǒng)；并對槍鉆進行針對的設(shè)計與實體仿真，整個系統(tǒng)工藝成本低，經(jīng)濟性好，對和田玉這樣一種難加工材料加工方法提出一種新方法，具有較高的實用價值，應(yīng)用前景良好。

參考文獻/References：

[1] 陳克樵，陳振宇．和田玉的物質(zhì)組分和物理性質(zhì)研究[J]．巖石礦物學(xué)雜志，2002，21(sup):34-39．

CHEN Keqiao, CHEN Zhenyu. The research of material composition and physical properties of Hetian jade[J].Acta Petrologica Et Mineralogica,2002,21(sup):34-39．

[2] 王立本，劉亞玲．和田玉、瑪納斯碧玉和岫巖老玉(透閃石玉)的X射線粉晶衍射特征[J]．巖石礦物學(xué)雜志，2002，21(9)：62-64.

WANG Liben, LIU Yaling. X ray diffraction characteristics of Hetian jade, Manasi green jade and Xiuyan old jade(tremolite jade)[J].Acta Petrologica Et Mineralogica,2002，21(9)：62-64.

[3] 徐旭松,劉戰(zhàn)鋒,彭 海.低頻機械式深孔振動鉆削裝置的設(shè)計與應(yīng)用[J]．新技術(shù)新工藝，2002(10)：16-17．

XU Xusong, LIU Zhanfeng, PENG Hai. Low frequency mechanical deep hole drilling device design and application[J].New Technology and New Process,2002(10):16-17.

[4] 吳 平．槍鉆機床的特點和設(shè)計[D]．大連：大連機床集團自動化裝備研究所，2002．

WU Ping. Characteristics and Design of Gun Drill Machine Tool[D]. Dalian: Automation Equipment Research Institute of Dalian Machine Tool Group, 2002．

[5] 黃 文.微細深孔超聲軸向振動鉆削裝置的設(shè)計[J].制造技術(shù)與機床，2007(9)：39-41.

HUANG Wen. The design of the micro deep hole ultrasonic axial vibration drilling device[J]. Manufacturing Technology and Machine Tool, 2007(9)：39-41.

[6] 李培繁.超聲振動鉆削機理實驗研究[D].西安：西安石油大學(xué)，2008.

LI Peifan. Experimental Study on the Ultrasonic Vibration Drilling Mechanism[D]. Xi'an: Xi'an Petroleum University, 2008.

[7] 高本河，熊鎮(zhèn)芹，吳序堂,等．振動鉆削技術(shù)綜述[J].機械制造，2001,39(1)：16-18．

GAO Benhe, XIONG Zhenqin, WU Xutang,et al. Vibration drilling technology roundup[J]. Machinery,2001,39(1)：16-18．

[8] WANG Liping，WANG Lijiang, YANG Zhaojun．Theoretical investigation and computer simulmion of the dynamic thrust and torque in vibration drilling[A]．Proceedings of the 6th SJ SUP[C].[S.l.]:[s.n.]，1996.573-578．

[9] 秦 娜．旋轉(zhuǎn)超聲波磨削制孔的切削力建模與實驗研究[D]．大連：大連理工大學(xué)，2011．

QIN Na. Cutting Force Modeling and Experimental Research on Rotary Ultrasonic Grinding Hole[D]. Dalian:Dalian University of Technology, 2011.

[10] 張平寬，王慧霖．微小深孔的超低頻振動切削機理研究[J]．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2002，33(2)：102-105．

ZHANG Pingkuan, WANG Huilin. Study on ultra low frequency vibration cutting mechanism of tiny deep hole[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2002,33(2):102-105.

[11] ZHANG Q H, WU C L, SUN J L,et al. Mechanism of material removal in ultrasonic drilling of engineering ceramics[J].Journal of Engineering Manufacture，2000，214(9)：805-810.

[12] 馬春翔，社本英二，森力俊道.超聲波橢圓振動切削提高加工系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究[J].兵工學(xué)報，2004，25(6)：752-756.

MA Chunxiang, SHAMOTO E,MORIWAKI T. Study on the processing system stability improvement of ultrasonic elliptical vibration cutting[J]. Journal of China Ordnance, 2004, 25(6):752-756.