調(diào)幅式振動(dòng)刀柄的設(shè)計(jì)與有限元仿真分析

劉輝 王馳 王鯤 孫力強(qiáng)

關(guān)鍵詞：低頻振動(dòng)鉆削;刀柄設(shè)計(jì);調(diào)幅;有限元分析

0引言

隨著機(jī)械制造技術(shù)的不斷發(fā)展和新型材料應(yīng)用的日益增多，對(duì)于孔加工技術(shù)的要求和難度也在不斷提升，尤其是在難加工材料的小深孔鉆削時(shí)，由于鉆頭直徑小、剛度差、強(qiáng)度低，因而極易折斷，同時(shí)材料韌性高，不易斷屑和排屑，深孔鉆削溫度高使得鉆頭磨損嚴(yán)重，孔加工質(zhì)量難以保證，這使得傳統(tǒng)的鉆削工藝顯示出極大的局限性。自1954年日本學(xué)者隈部淳一郎提出振動(dòng)切削理論以來(lái)，越來(lái)越多的專家學(xué)者投身于振動(dòng)切削領(lǐng)域的研究。隨著近些年的發(fā)展，振動(dòng)鉆削在小深孔和難加工材料孔加工方面具有較好的工藝效果，能夠顯著降低鉆削力和切削溫度、提高孔尺寸精度和表面質(zhì)量、降低出口毛刺等翻，突顯出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)及廣闊的應(yīng)用前景。

振動(dòng)鉆削工藝的優(yōu)越性很大程度上依賴于振動(dòng)鉆削裝置系統(tǒng)的性能，因此對(duì)于振動(dòng)鉆削裝置的研究，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者們也付出了不少努力并取得了一些研究成果。常見(jiàn)振動(dòng)鉆削裝置的主要形式有機(jī)械式、液壓式、電磁式和超聲式，其中機(jī)械式振動(dòng)鉆削裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉，切削過(guò)程中振動(dòng)參數(shù)受負(fù)載影響較小，使用維護(hù)方便，因而得到廣泛應(yīng)用。法國(guó)MITIS振動(dòng)鉆削技術(shù)通過(guò)在恒定的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上，疊加正弦往復(fù)運(yùn)動(dòng)而形成周期性振動(dòng)，該技術(shù)主要用于鉆削飛機(jī)引擎加工中的難加工孔，如疊層鉆孔、深孔鉆削和難加工材料鉆孔等;董香龍等利用偏心輪原理設(shè)計(jì)了一種輥筒式振幅無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)振動(dòng)臺(tái)。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于振動(dòng)鉆削裝置的研究，多以有源的高頻振動(dòng)為主，且大多都是安裝在工作臺(tái)上，存在占用空間大問(wèn)題;法國(guó)MITIS公司雖已開(kāi)發(fā)研制出多種型號(hào)振動(dòng)刀柄，但由于其核心技術(shù)保密且售價(jià)高昂，難以在國(guó)內(nèi)推廣使用。針對(duì)上述問(wèn)題，為了提高孔加工質(zhì)量，降低加工成本，本文設(shè)計(jì)了一種振幅可調(diào)式軸向低頻振動(dòng)刀柄，并經(jīng)過(guò)模型簡(jiǎn)化通過(guò)Abaqus CAE有限元軟件研究了GH4169高溫合金軸向低頻振動(dòng)鉆削相對(duì)于普通鉆削的部分工藝特性。

1調(diào)幅式軸向低頻振動(dòng)刀柄的設(shè)計(jì)

1.1工作原理

所設(shè)計(jì)的調(diào)幅式軸向低頻振動(dòng)刀柄是一種自激式激振裝置，通過(guò)端面為圓環(huán)形正弦曲面的“激振子”實(shí)現(xiàn)主軸周向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為刀柄軸向振動(dòng)，振幅在0～0.2mm范圍內(nèi)可調(diào)，無(wú)需再增加額外的激振裝置，刀柄尾部采用DIN 69871型，適用于通用機(jī)床，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、應(yīng)用方便、適應(yīng)性強(qiáng)。

調(diào)幅式軸向低頻振動(dòng)刀柄的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，工作時(shí)，機(jī)床主軸經(jīng)過(guò)輸入軸1通過(guò)花鍵結(jié)構(gòu)將扭矩傳遞給輸出軸15，并通過(guò)卡簧16和夾緊螺母17帶動(dòng)鉆頭做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在環(huán)形曲面6下端面和輸出軸15的上端面，分別開(kāi)設(shè)有振幅為0.1mm，周期為3的2個(gè)相同的環(huán)形正弦曲面，分別記為第一正弦曲面和第二正弦曲面，如圖2～3所示。輸出軸15上端內(nèi)部通過(guò)花鍵結(jié)構(gòu)與輸入軸1連接，外部通過(guò)花鍵副帶動(dòng)分隔圓環(huán)9轉(zhuǎn)動(dòng)，上排滾珠保持架8和下排滾珠保持架11均周向等間距開(kāi)設(shè)有3個(gè)定位通孔，6個(gè)相同的滾珠分別一一對(duì)應(yīng)地滾動(dòng)放置于上排滾珠保持架8和下排滾珠保持架1l的3個(gè)定位通孔內(nèi)，要能保證滾珠既能夠沿著上排滾珠保持架8及下排滾珠保持架11跟隨輸出軸15轉(zhuǎn)動(dòng)，又能夠在復(fù)位彈簧12的作用下在第一正弦曲面和第二正弦曲面之間上下軸向浮動(dòng)。輸出軸15在壓縮復(fù)位彈簧12的作用下始終按照所設(shè)計(jì)的環(huán)形正弦曲線軌跡上下振動(dòng)，也即實(shí)現(xiàn)了刀具的振動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)在于輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)1周，刀具可以實(shí)現(xiàn)3個(gè)周期的振動(dòng)，正弦曲面的正弦周期數(shù)和機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速共同決定振動(dòng)刀柄的振動(dòng)頻率，而幅值的變化是通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)幅固定桿驅(qū)使環(huán)形曲面上第一正弦曲面與輸出軸上第二正弦曲面之間產(chǎn)生不同的相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)。由此，實(shí)現(xiàn)加工不同材料時(shí)采用不同振動(dòng)參數(shù)的目的，既而實(shí)現(xiàn)了深孔的振動(dòng)鉆削加工。

1.2振幅調(diào)整機(jī)構(gòu)與原理分析

軸向低頻振動(dòng)刀柄整體布局如圖4所示，在機(jī)床主軸外圈上設(shè)置3個(gè)不同位置的振幅固定塊，分別對(duì)應(yīng)0.1mm、0.15mm和0.2mm3種振幅，工作時(shí)主軸內(nèi)圈與輸入軸1、輸出軸15同步旋轉(zhuǎn)，調(diào)幅固定桿19始終與外殼4和環(huán)形曲面6連接為一體保持固定。振幅調(diào)整是通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)幅固定桿驅(qū)使環(huán)形曲面的第一正弦曲面與輸出軸上第二正弦曲面之間產(chǎn)生不同的相位差來(lái)進(jìn)行幅值的變化，由此達(dá)到調(diào)幅的目的。調(diào)幅時(shí)，下排滾珠在調(diào)幅前后的運(yùn)動(dòng)軌跡保持不變，即輸出軸15與輸入軸1的位置保持相對(duì)固定，而上排滾珠的運(yùn)動(dòng)軌跡隨著環(huán)形曲面6轉(zhuǎn)動(dòng)的角度不同，其運(yùn)動(dòng)軌跡也有所不同，既而會(huì)產(chǎn)生不同的相位差，疊加后所得到的鉆頭的運(yùn)動(dòng)軌跡也會(huì)不同，由此便實(shí)現(xiàn)了振幅的調(diào)整。

2軸向低頻振動(dòng)鉆削仿真分析

2.1仿真前處理

為了便于仿真分析，將設(shè)計(jì)的軸向低頻振動(dòng)刀柄模型簡(jiǎn)化為刀具，并在Abaqus CAE中建立三維鉆削仿真模型，如圖5所示。設(shè)置刀具為剛體，工件為塑性體。工件為4mmx1mm的圓柱形GH4169高溫合金材料;刀具為2mm YG8硬質(zhì)合金麻花鉆，為了簡(jiǎn)化模型，只取麻花鉆頭部一部分。表1所示為這兩種材料的基本參數(shù)。

有限元分析中，網(wǎng)格劃分的優(yōu)劣對(duì)仿真結(jié)果有著很大的影響，為了平衡計(jì)算精度與計(jì)算效率，將工件加工區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密劃分，其余部分網(wǎng)格劃分比較粗糙。工件網(wǎng)格類型選擇八節(jié)點(diǎn)線性六面體縮減積分單元（C3D8R），單元數(shù)量為120780。刀具網(wǎng)格類型選擇四結(jié)點(diǎn)線性四面體單元（C3D4），單元數(shù)量為39396。

振動(dòng)鉆削與普通鉆削的根本區(qū)別是在鉆削過(guò)程中通過(guò)振動(dòng)裝置使鉆頭與工件之間產(chǎn)生有規(guī)律的、可控的相對(duì)振動(dòng)，從而進(jìn)行連續(xù)有規(guī)律的脈沖切削圈。振動(dòng)鉆削時(shí)，刀刃上任意一點(diǎn)在軸線方向上的位移表達(dá)式為

由上式可得，軸向振動(dòng)鉆削時(shí)，刀刃上任意一點(diǎn)在軸線方向上的速度表達(dá)式為：

2.2仿真結(jié)果分析

2.2.1鉆削軸向力分析

軸向力是鉆削過(guò)程中一個(gè)非常重要的工藝參數(shù)，軸向力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致鉆頭磨損和發(fā)熱嚴(yán)重，降低加工效率和孔加工質(zhì)量。圖6所示為GH4169高溫合金軸向低頻振動(dòng)鉆削和普通鉆削的軸向力對(duì)比波形圖，由圖可知，普通鉆削的軸向力隨著鉆頭的不斷鉆進(jìn)而逐漸增大，達(dá)到最大值后逐漸趨于平穩(wěn)，在某個(gè)值附近波動(dòng)，其后隨著鉆頭的不斷深入和鉆出，軸向力緩慢減小。而軸向低頻振動(dòng)鉆削的軸向力是一個(gè)振蕩上升的過(guò)程，這是由于軸向振動(dòng)鉆削間歇性的鉆削特點(diǎn)，使得鉆頭與工件并非持續(xù)作用，在鉆頭接觸工件的瞬間達(dá)到局部軸向力的峰值，而在鉆頭與工件分離時(shí)軸向力幾乎降為零。同時(shí)，從圖中可以看出，普通鉆削軸向力的最大值是4687N，軸向低頻振動(dòng)鉆削軸向力的最大值是2552N，相比于普通鉆削，軸向力最大值降低了46%。

2.2.2鉆削扭矩分析

在仿真時(shí)間1s時(shí)，分析兩種不同加工方式的扭矩分布，結(jié)果如圖7所示。扭矩的變化曲線與軸向力基本一致，普通鉆削的最大扭矩可達(dá)2187N·mm，而軸向振動(dòng)鉆削的最大扭矩是592 N·mm，相比降低了73%。取穩(wěn)定階段（0.7～1.1s）的平均扭矩，普通鉆削的平均扭矩是1749N·mm，而軸向振動(dòng)鉆削的平均扭矩是352N·mm，相比下降了80%。可見(jiàn)，軸向振動(dòng)鉆削能夠顯著降低GH4169高溫合金的鉆削扭矩，這對(duì)于提高加工效率和加工質(zhì)量有著重要意義。

3結(jié)束語(yǔ)

（1）本文設(shè)計(jì)了一種振幅可調(diào)式軸向低頻振動(dòng)刀柄，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，應(yīng)用和維護(hù)方便，振幅調(diào)整穩(wěn)定可靠，無(wú)需添加額外激勵(lì)裝置，可直接安裝于機(jī)床主軸上，不占用機(jī)床工作臺(tái)空間。

（2）基于ABAQUS有限元軟件，對(duì)比分析了GH4169高溫合金在兩種不同加工情況下，軸向力和鉆削扭矩之間的差異，仿真結(jié)果表明，軸向低頻振動(dòng)鉆削可以有效減小軸向力和鉆削扭矩，進(jìn)而改善鉆削條件，提高孔加工質(zhì)量。