45鋼超聲振動(dòng)鉆削加工機(jī)理及其試驗(yàn)研究

陳 碩，鄒 平，吳高勇，張振江，景曙光

（1.東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧沈陽110819；2.遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，遼寧沈陽110023）

45鋼超聲振動(dòng)鉆削加工機(jī)理及其試驗(yàn)研究

陳 碩1,2，鄒 平1，吳高勇1，張振江1，景曙光1

（1.東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧沈陽110819；2.遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，遼寧沈陽110023）

通過超聲振動(dòng)加工技術(shù)對(duì)45鋼進(jìn)行鉆削加工試驗(yàn)，研究超聲振動(dòng)加工技術(shù)的鉆削機(jī)理、加工孔的表面微觀形貌、切屑形態(tài)，以及超聲振幅和主軸轉(zhuǎn)速對(duì)加工孔表面粗糙度的影響規(guī)律。結(jié)果表明：在普通車床CA6140上利用超聲振動(dòng)發(fā)生器、換能器、變幅桿連接鉆頭對(duì)45鋼進(jìn)行鉆削，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)鉆削加工與超聲振動(dòng)鉆削加工的良好結(jié)合，有效改善孔內(nèi)表面的形貌，降低表面粗糙度值，且切屑形態(tài)規(guī)整；同時(shí)，超聲振幅控制在20 μm最佳，主軸轉(zhuǎn)速在320～400 r/min范圍內(nèi)的加工效果較好。

超聲振動(dòng)；鉆削；45鋼；超聲振幅；主軸轉(zhuǎn)速

鉆削加工是所有加工工藝中的一個(gè)重要組成部分（約占40%）[1]，是進(jìn)行冷加工的重要方法。45鋼在生產(chǎn)和應(yīng)用上較普遍，故選擇45鋼進(jìn)行超聲振動(dòng)鉆削研究具有廣泛的實(shí)際意義。45鋼又稱作優(yōu)質(zhì)碳素鋼，屬于常用中碳調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，含碳量0.30%～0.60%，傳統(tǒng)的鉆削加工很難達(dá)到較好的孔內(nèi)表面質(zhì)量。最近，一種在鉆削過程中加入超聲振動(dòng)的方法被應(yīng)用[2]，用于改善鉆削加工過程[3]，有效提高孔內(nèi)表面加工質(zhì)量。

在鉆削過程中加入高頻、低振幅的振動(dòng)，這種復(fù)合鉆削加工方法稱為超聲振動(dòng)鉆削[4]。與普通鉆削相比，超聲振動(dòng)鉆削可提高孔內(nèi)表面質(zhì)量，減少毛刺的產(chǎn)生[5]，加工效率高、溫度低[6]，加工時(shí)刀具不易損壞，能減小刀具的磨損，非常適合金屬材料的加工。目前，超聲振動(dòng)加工技術(shù)向振動(dòng)車削、振動(dòng)鉆孔和鏜孔及復(fù)合加工等方面發(fā)展，取得了一定的成果[7]。但超聲振動(dòng)鉆削過程仍存著很多不確定因素，如超聲振動(dòng)的振幅、主軸轉(zhuǎn)速等對(duì)孔內(nèi)表面質(zhì)量的影響，亟待進(jìn)一步研究與探索。

本試驗(yàn)利用自行設(shè)計(jì)的套筒法蘭裝置，通過螺栓固定變幅桿和對(duì)應(yīng)的法蘭盤，在變幅桿的頂端連接鉆夾頭，夾緊鉆頭進(jìn)行超聲振動(dòng)鉆削加工。鉆削后，對(duì)部分孔進(jìn)行線切割加工，再利用三維輪廓儀和超景深三維顯示系統(tǒng)清晰地顯示孔的內(nèi)表面粗糙度及切屑形態(tài)。本試驗(yàn)采用不同的振幅和主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行超聲振動(dòng)鉆削，得出了合理的振幅及主軸轉(zhuǎn)速，能有效改善孔的內(nèi)表面粗糙度。

1 超聲振動(dòng)鉆削模型

1.1 鉆削機(jī)理

普通鉆削鉆頭切削刃最外端任一點(diǎn)的軌跡方程式可表達(dá)為：

式中：x、y、z1為鉆頭切削刃上的坐標(biāo)；R為鉆頭半徑；n為工件轉(zhuǎn)速；fr為工件每轉(zhuǎn)的進(jìn)給量；t為切削時(shí)間。

在超聲振動(dòng)鉆削時(shí)，超聲波在進(jìn)給方向附加一個(gè)振動(dòng)，其位移為：式中：z2為超聲振動(dòng)的位移；A為超聲振幅；f為振動(dòng)頻率。

超聲振動(dòng)總的軸向位移可認(rèn)為是普通鉆削和超聲振動(dòng)位移的疊加，則超聲振動(dòng)鉆削鉆頭的軸向位移可表示為：

根據(jù)式（1）和式（3），得到超聲振動(dòng)鉆削鉆頭切削刃最外端任一點(diǎn)的軌跡方程式：

根據(jù)式（1）和式（4），選擇一組參數(shù)進(jìn)行普通鉆削和超聲鉆削的鉆頭切削刃最外端任一點(diǎn)位移的對(duì)比，選取R=3 mm，fr=0.08 mm/r，n=320 r/min，A= 20 μm，f=20 kHz。

利用Matlab分別繪制出普通鉆削和軸向超聲鉆削刀刃運(yùn)動(dòng)軌跡的三維曲線圖。由圖1可看出，與普通鉆削相比，軸向超聲振動(dòng)鉆削的刀刃運(yùn)動(dòng)軌跡不再是一條規(guī)則的螺旋線，而是在縱向（即鉆頭進(jìn)給方向）發(fā)生有規(guī)律的周期性變化，使鉆頭產(chǎn)生往復(fù)振動(dòng)，能有效實(shí)現(xiàn)斷屑，避免切屑在螺旋槽內(nèi)堵塞，使排屑更通暢，從而減小了切屑與孔內(nèi)壁之間的刮擦，提高了孔的內(nèi)表面質(zhì)量。

1.2 試驗(yàn)材料

試件選用45鋼，為了便于鉆削及加工效果對(duì)比，采取對(duì)直徑40 mm的棒料進(jìn)行切割（切割長度15 mm），再進(jìn)行表面去毛刺處理的方式。45鋼的主要化學(xué)成分見表1。

鉆頭選用含鈷高速鋼材料，鋼號(hào)為W6Mo5Cr4-V2Co5（M35），直徑為6 mm。該類鋼材料是在通用高速鋼的基礎(chǔ)上加入5%～8%的鈷，可顯著提高鋼材的硬度和耐熱性能，且韌性較好，應(yīng)用較廣泛。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用功率發(fā)生器、換能器、變幅桿及設(shè)計(jì)加工的套筒、法蘭、鉆夾頭、鉆頭等進(jìn)行裝配連接，在普通車床CA6140上鉆削試件。安裝過程如下：將變幅桿插入套筒中，通過套筒和法蘭固定變幅桿，變幅桿的法蘭盤在套筒與法蘭之間用螺栓進(jìn)行夾緊；套筒尾部伸入機(jī)床尾座，用機(jī)床的鉆夾頭夾緊；套筒利用中心架固定在機(jī)床上，安裝鉆夾頭和鉆頭。鉆孔時(shí)，變幅桿、鉆頭、主軸回轉(zhuǎn)中心線各部分的同軸度需有一定的要求，車床的尾座中心線與主軸回轉(zhuǎn)中心線需重合，系統(tǒng)中心線保證統(tǒng)一，確保鉆頭準(zhǔn)確地鉆削試件，防止鉆削過程中因鉆頭偏擺而出現(xiàn)影響孔加工精度、形狀變化及表面質(zhì)量等問題。發(fā)生器通電后，換能器和變幅桿把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，使鉆頭產(chǎn)生超聲振動(dòng)。超聲振動(dòng)鉆削實(shí)物見圖2。

加工完畢后，為了便于三維輪廓儀和超景深三維顯示系統(tǒng)的測(cè)量，對(duì)加工孔實(shí)施線切割后，在儀器上觀察孔內(nèi)表面微觀形貌和鉆削產(chǎn)生的切屑形態(tài)，并對(duì)圖像進(jìn)行分析，測(cè)量孔內(nèi)表面粗糙度，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效選取及圖表處理，研究超聲振幅和主軸轉(zhuǎn)速對(duì)孔內(nèi)表面粗糙度的影響。

2 孔內(nèi)表面微觀形貌分析

測(cè)量孔的內(nèi)表面粗糙度是確定表面質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。首先，對(duì)孔內(nèi)表面進(jìn)行形貌分析，選擇有效的測(cè)試面積。當(dāng)面積較大時(shí)，測(cè)試時(shí)間較長，且由于人為因素放置時(shí)存在一定的偏差，加上試件的外表面是凹面形，測(cè)得的表面粗糙度值會(huì)偏大。經(jīng)試驗(yàn)分析，測(cè)試面邊長選擇為100 μm較合適，能充分反映加工孔的內(nèi)表面微觀形貌。在加工參數(shù)的選擇上，主軸轉(zhuǎn)速320 r/min、超聲振幅20 μm的情況下，對(duì)孔內(nèi)表面微觀形貌進(jìn)行對(duì)比分析。

普通鉆削和超聲振動(dòng)鉆削的孔內(nèi)表面微觀形貌見圖3。未加超聲振動(dòng)的孔內(nèi)表面質(zhì)量較差，表面形貌凹凸不平且波峰、波谷變化較大，具有加工缺陷，其表面粗糙度值為Sa1.77 μm（圖3a）。這是由于鉆削時(shí)鉆頭和試件表面持續(xù)接觸，加工產(chǎn)生的熱逐漸升高，就會(huì)導(dǎo)致孔內(nèi)表面粗糙度值升高[8]。

添加超聲振動(dòng)后，鉆削得到的孔內(nèi)表面質(zhì)量有較大改善，表面形貌整體較均勻，波峰、波谷的變化較平緩，其表面粗糙度值為Sa1.40 μm（圖3b）。這是由于添加超聲振動(dòng)會(huì)進(jìn)行高頻斷續(xù)鉆削，鉆頭與試件的接觸形式發(fā)生變化，與普通鉆削的壓擠滑移過程有區(qū)別，鉆頭以沖擊載荷作用于試件，每次瞬時(shí)微小沖擊都使材料趨于脆性，產(chǎn)生的破壞量減少，其脈沖狀鉆削力的時(shí)間極短，鉆頭不易產(chǎn)生大量的熱，降低了鉆削溫度，避免了普通鉆削時(shí)因溫度高而造成的工件熱變形及加工精度下降；同時(shí)，超聲振動(dòng)鉆削更有利于排屑，降低了切屑劃傷孔壁的可能性，從而達(dá)到降低表面粗糙度值的效果，最終形成良好的表面形貌。

3 鉆削切屑形態(tài)

切屑對(duì)孔的加工質(zhì)量有很大影響[9]。圖4是在超景深三維顯示系統(tǒng)擴(kuò)大20倍的情況下，普通鉆削和超聲振動(dòng)鉆削時(shí)切屑的不同形態(tài)。可看出，未加超聲振動(dòng)時(shí)，切屑呈不規(guī)則狀態(tài)，且有明顯的鋸齒形邊緣，切屑表面具有魚鱗狀的裂痕（圖4a）。這是由于鉆削時(shí)鉆頭與孔內(nèi)表面持續(xù)接觸，加劇了鉆頭磨損，導(dǎo)致不規(guī)則切屑的產(chǎn)生。而超聲振動(dòng)鉆削的切屑形狀較規(guī)整，加工紋理較清晰（圖4b）。這是由于加入超聲振動(dòng)后產(chǎn)生了斷續(xù)鉆削，鉆頭與試件不連續(xù)接觸，在間斷鉆削的瞬間，切屑底層會(huì)生成一層氧化層，防止切屑底層與鉆尖的粘結(jié)，進(jìn)一步減小了鉆頭與試件的摩擦系數(shù)，進(jìn)而使切屑形狀更規(guī)整。

普通鉆削的切屑形態(tài)不好，鉆削時(shí)切屑易纏繞，且主軸轉(zhuǎn)速越高，纏繞越嚴(yán)重，從而降低了試件的加工質(zhì)量，且會(huì)影響操作者的安全；而超聲振動(dòng)鉆削易斷屑和排屑，切屑形狀規(guī)則，不易出現(xiàn)飛屑的現(xiàn)象，安全系數(shù)較高。因此，超聲振動(dòng)鉆削的加工效果更好。

4 超聲振幅對(duì)孔內(nèi)表面粗糙度的影響

超聲振幅是影響超聲振動(dòng)鉆削孔內(nèi)表面質(zhì)量的重要因素之一，不同的超聲振幅對(duì)孔內(nèi)表面粗糙度的影響也不同。在本次試驗(yàn)中，通過測(cè)量5個(gè)加工孔的試件，第1個(gè)試件不加超聲振動(dòng)進(jìn)行鉆削，另外4個(gè)試件分別以振幅10、15、20、25 μm進(jìn)行超聲振動(dòng)鉆削，然后將二組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析孔內(nèi)表面粗糙度隨振幅變化的情況。

由圖5可看出，超聲振動(dòng)鉆削時(shí)，在一定的范圍內(nèi)，隨著超聲振幅的增大，表面粗糙度值降低[10]，表面質(zhì)量提高，但超過一定的范圍后，會(huì)導(dǎo)致表面粗糙度值升高。在主軸轉(zhuǎn)速為320 r/min時(shí)，未加超聲振動(dòng)鉆削的孔內(nèi)表面粗糙度值為Sa1.77 μm，表面質(zhì)量較差。加入超聲振動(dòng)后，振幅越小，切屑與鉆頭分離不明顯，二者之間產(chǎn)生相對(duì)較大的壓力，導(dǎo)致摩擦力增大，從而使孔內(nèi)表面粗糙度值仍較高。隨著振幅的增大，孔內(nèi)表面粗糙度值降低，表面質(zhì)量提高，但并非振幅越大越好；當(dāng)振幅超過一定值后，超聲振動(dòng)鉆削時(shí)試件與鉆頭明顯間斷接觸，且接觸不緊密，甚至出現(xiàn)鉆頭與孔點(diǎn)接觸的情況，同時(shí)，振幅較大易產(chǎn)生大量的熱[10]，導(dǎo)致孔內(nèi)表面粗糙度值增大。因此，超聲振幅的選擇對(duì)于超聲振動(dòng)加工來說至關(guān)重要，合適的振幅會(huì)降低孔鉆削時(shí)產(chǎn)生的溫度，從而使切屑及時(shí)被排出。由圖5表明，當(dāng)超聲振幅為20 μm時(shí)，孔內(nèi)表面粗糙度值最低。

5 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)孔內(nèi)表面粗糙度的影響

主軸轉(zhuǎn)速是影響超聲振動(dòng)鉆削孔內(nèi)表面質(zhì)量的另一個(gè)重要因素，不同的主軸轉(zhuǎn)速對(duì)孔內(nèi)表面粗糙度的影響也不同。本試驗(yàn)中，對(duì)45鋼采用普通鉆削和超聲振動(dòng)鉆削，并在超聲振幅為20 μm的情況下，選用不同的主軸轉(zhuǎn)速200、320、400、500 r/min，分析孔內(nèi)表面粗糙度隨主軸轉(zhuǎn)速變化的情況。

研究表明，超聲振動(dòng)鉆削的孔內(nèi)表面質(zhì)量比普通鉆削更好[11]。由圖6可看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速為400 r/min時(shí)，超聲振動(dòng)鉆削得到的加工效果最佳。轉(zhuǎn)速過低或過高，孔內(nèi)表面粗糙度值都會(huì)不同程度地增大。這是由于轉(zhuǎn)速過低導(dǎo)致切屑不能及時(shí)排出，使鉆頭在鉆削時(shí)受到切屑的影響，同時(shí)鉆頭的橫刃磨損增大，進(jìn)而使孔內(nèi)表面粗糙度值增大；而轉(zhuǎn)速過高會(huì)使切削功率增加，鉆削時(shí)會(huì)產(chǎn)生相對(duì)摩擦熱，同時(shí)鉆頭的磨損程度相對(duì)增大，高溫狀態(tài)下孔內(nèi)表面產(chǎn)生變化，從而使其質(zhì)量下降。

在超聲振動(dòng)鉆孔的加工過程中，試件回轉(zhuǎn)、鉆頭鉆削、排屑同時(shí)發(fā)生。在一定范圍內(nèi)，主軸轉(zhuǎn)速未達(dá)到400 r/min時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增大，孔內(nèi)表面質(zhì)量逐步提高，同時(shí)排屑能力也逐步增強(qiáng)。由于切屑的集聚對(duì)孔內(nèi)表面粗糙度的影響很大，所以表面粗糙度值隨著轉(zhuǎn)速的增大而降低。如圖6所示，轉(zhuǎn)速在320～400 r/min范圍時(shí)，孔內(nèi)表面粗糙度值可保持在Sa1.4 μm標(biāo)準(zhǔn)之下；而隨著主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高并超過400 r/min時(shí)，孔內(nèi)表面質(zhì)量會(huì)進(jìn)一步降低。因此，主軸轉(zhuǎn)速控制的最佳范圍為320～400 r/min。

6 結(jié)論

（1）與普通鉆削相比，在相同的加工參數(shù)下，對(duì)45鋼進(jìn)行超聲振動(dòng)鉆削可有效改善孔內(nèi)表面質(zhì)量，表面微觀形貌較均勻，波峰、波谷變化平緩。

（2）在主軸轉(zhuǎn)速400 r/min、超聲振幅20 μm的情況下，超聲振動(dòng)鉆削45鋼的孔內(nèi)表面粗糙度由普通鉆削時(shí)的Sa1.77 μm降低到Sa1.40 μm，降低約20.9%。同時(shí)，切屑易排出，形狀更規(guī)整。

（3）當(dāng)超聲振幅為20 μm時(shí)，超聲振動(dòng)鉆削45鋼的孔內(nèi)表面質(zhì)量最好。在超聲振動(dòng)鉆削的主軸轉(zhuǎn)速選擇上，應(yīng)控制在320～400 r/min。當(dāng)超聲振幅為20 μm、主軸轉(zhuǎn)速為400 r/min時(shí)，孔內(nèi)表面粗糙度值最低，達(dá)到Sa1.37 μm；而主軸轉(zhuǎn)速超過或低于400 r/min時(shí)，孔內(nèi)表面質(zhì)量均下降。

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Drilling Mechanism and Experimental Study on Ultrasonic Vibration Machining of 45 Steel

CHEN Shuo1,2，ZOU Ping1，WU Gaoyong1，ZHANG Zhenjiang1，JING Shuguang1
（1.School of Mechanical Engineering and Automation，Northeastern University，Shenyang 110819，China；2.Department of Mechanical Engineering，Guidaojiaotong Polytechnic Institute，Shenyang 110023，China）

The drilling experimental of 45 steel by ultrasonic vibration machining technology was studied.The ultrasonic vibration machining drilling mechanism，surface morphology of the hole，chip shape，and the influence of the amplitude and spindle speed on the surface roughness of the hole were studied.The results showed that 45 steel drilling processing with the ultrasonic vibration generator，transducer，horn and drill bit can achieve a well combination of traditional processing and ultrasonic processing in the CA6140 lathe.The surface roughness and the chip morphology are better after drilling with ultrasonic vibration.On the choice of processing amplitude，20 μm is best.In addition，on the choice of spindle speed，the processing effect is well when spindle speed is in range of 320～400 r/min.

ultrasonic vibration；drilling；45 steel；ultrasonic amplitude；spindle speed

TG663

A

1009-279X（2017）01-0048-04

2016-11-01

沈陽市科學(xué)技術(shù)計(jì)劃資助項(xiàng)目（F16-205-1-05）

陳碩，男，1982年生，博士研究生。