在制造加工中引入振动,即振动加工,就是对被加工材料(或加工刀具)在原有运动的基础上施加一 定方向、一定频率和振幅的振动。振动加工改变了传统制造加工的机理,改善了加工条件,从而获 得满意的加工效果和显著的经济效益.国际上该项技术的发展尤以日本为代表,隈部淳一郎教授把 振动加工的不同方式在不同应用领域进行了深入、细致的实验研究和理论概括,出版了系统而严密 的理论专著;俄罗斯、美国都对此项技术领域作了深入研究;我国对振动加工的研究在60年代末 开始,但直到80年代初期才真正得到认可和发展,西安理工大学的薛万夫教授、哈尔滨工业大学 的刘华明教授、吉林工业大学的王立江教授以及北京航空航天大学的陈鼎昌教授等高校中的学者对 振动加工进行了许多理论研究与实验研究,取得了许多有价值的研究成果,其中有些成果已应用于 生产。振动钻削是建立在振动理论和切削理论等理论基础上的新颖的钻削加工方法,属于振动切削 的一个分支,与普通钻削的根本区别是在钻孔的过程中通过振动装置使钻头与工件之间产生可控的 相对运动。振动方式有三种,即轴向振动(振动方向与钻头轴线方向一致)、扭转振动(振动方向 与钻头或工件旋转方向一致)和复合振动(轴向振动与扭转振动迭加)。振动的激励方法主要有机 械振动、液压振动、电磁振动和超声波振动,其中超声波振动通常在16KHz以上,所以也称为 高频振动钻削,其它三种振动方式频率一般在数百赫兹左右,故称为低频振动钻削。枪钻是进行深 孔加工的有效方法。利用枪钻加工的孔直线度高,加之切削液供给充分、排屑槽大,孔的表面质量 和加工精度都比普通麻花钻提高两级以上。本篇文章主要探讨枪钻低频振动钻削中的振动问题。1 轴向振动枪钻低频振动钻削中轴向振动易于实现,工艺效果明显,是振动钻削中占主要地位的振动 方式。深孔钻削中的难题之一是排屑问题。为了能有效地排屑,首先应形成有利于排屑的短切屑, 即在钻削过程中能可靠断屑。自从振动切削工艺引入深孔加工领域之后,切屑处理技术有了新的发 展,它能通过人为施于工艺系统的轴向振动,使切削层几何参数周期地发生变化,不断地产生切屑 的薄弱环节,在切削力和高压油冲击作用下,实现断屑和切屑处理。现讨论其原理。为了便于分析 ,假定S为枪钻轴向进给量,a为枪钻轴向正弦振动振幅,枪钻进给方向为枪钻轴向位移正方向, 将切削刃上任意一点的轨迹在平面上展开,展开后的振动正弦曲线波长为λ,如图1所示。其轴向 位移为犤3犦图1工件旋转一周的振动波形图x0=stTn+asinωtx1=s+stTn +asin(ωt+m·φ)………xm=m·s+stTn+asin(ωt+m·φ)式中: a———振幅(mm);x0、x1、……、xm———分别为工件在第0、1、…、m转时的轴 向位移量(mm);φ———相邻两转之间波形的相位差(角度);t———时间(s);Tn— ——工件的转动周期(s)。切削刃上任意一点的回转周长与振动波形的关系为:πd=(K+i )λ(2)式中:d———切削刃上任意一点的回转直径(mm);K———工件旋转一周内包含 的完整正弦波个数;i———不足一个完整正弦波所占比例。当改变进给量s、振幅a和振动频率 f之间的搭配关系时,(1)若相邻两转之间的平面展开波形相交,则有xm-xm-10(3) 将式(1)和式(2)代入式(3),并令m=1,化简得s2asinπi=sin(60fn -K)π(4)式中:f———枪钻振动频率(Hz);n———工件转速(r/min)。当枪 钻低频振动钻孔的四个参变量s、a、f和n满足式(4)条件时,钻削过程就能从连续切削转变 为断续切削;若不考虑切屑的变形,只考虑刀具与工件的相对运动.在此条件下就能可靠断屑犤3 犦。并且根据式(4)可以画出枪钻振动钻孔的理论断屑图,见图2。图2理论断屑区域图上述断 屑条件也可用以下波形图形象地说明犤2犦。正弦振动波在钻削过程中必然会形成波形切削表面. 当钻头的振动频率f和工件转速n选择适当时,相邻两转的切削表面就产生一定的相位差φ=2π i,如图3所示。刀具在后一转就要切除前一转形成的波形,并形成同样相位差的新的波形表面。 当πd是λ的非整数倍时,因工件相邻两次进刀过程中造成切屑厚度明显变化,才可能断屑。图3 不同相位差的波形图关于轴向振动的其它已发现的工艺效果理论还有“钻头刚性化效果”、脉冲能 量和应力集中理论。隈部淳一郎教授在他的著作《精密加工振动切削基础与应用》中,率先提出了 振动钻削的“钻头刚性化效果”理论。他通过构造动力学模型进行了求解和分析,进而指出,普通 钻削钻入时的位移是静态位移,不随时间变化,这种现象称为“振动钻头的静止化效果”,原因是 振动钻削钻入时,钻头位移减小到普通钻削的tc/T倍,相当于钻头的弯曲刚度增加到原来的T /tc倍(其中tc为脉冲宽度,T为周期),从而提高了钻头抗弯曲的能力,因而具有“钻头刚 性化效果”。其次,隈部淳一郎教授还提出了脉冲能量与应力集中理论,认为在分离型振动钻削时 ,钻头由普通钻削时的连续切削转变成振动钻削时的脉冲式切削,这种情况下如同储存在电容器中 的电能在瞬间释放一样,利用瞬时能来加工,从能量角度来看,这是一种合理的加工方法。后来其 他学者的研究也发现并验证了振动钻削能够减少钻头烧伤、提高钻头寿命、使切削力下降、提高钻 孔垂直度、提高加工表面质量和孔径精度。然而,应该指出脉冲能量和应力集中理论对振动钻削软 金属有良好的工艺效果,但在钻削硬韧性材料时对钻头主切削刃的冲击严重,振幅较大时反而可能 加重刀具磨损甚至产生崩刃,为此必须合理选择振幅使之即发挥脉冲切削良好工艺效果又能提高钻 头寿命。对于轴向振动,振幅损失是一个必须考虑的环节。通常情况下,施加于刀柄的振动与刀头 的振动是有差异的,尤其是在刀杆刚性较差的条件下。经初步实验后发现,在振动枪钻加工深孔过 程中,施加于刀柄的轴向振动传递到刀头后,振动频率保持不变、但产生显著的振幅损失。比如在 凸轮振动器作用下的振动钻削系统中,影响振幅损失的因素主要有:(1)凸轮高速旋转时,从动 件(即钻杆)的惯性力较大,整个机构会发生弹性变形,使得钻杆工作端的实际位移与凸轮轮廓所 预定的名义位移存在一定的差距;(2)对深小孔进行振动钻削时,由于振动刀杆的刚性较差,使 钻杆受压后产生弯曲变形;(3)对工件来说,由于受到周期性的强烈冲击,它将产生振动响应, 即出现一定振幅的振动,该振动在与激振力存在相位差时,会使部分振幅损失犤4犦。振幅损失显 然影响了振动钻削的加工质量,因此,了解振动钻削加工过程中的振幅损失因素,估算损失量并采 取相应措施进行预防或补偿,是振动钻削可靠断屑和稳定排屑的基础。2扭转振动扭转振动是深孔 加工中危害较大,且目前尚没有很好解决的问题。由于枪钻振动钻削的轴向振动,钻头受到的切削 力扭矩发生周期性波动,枪钻随之产生周期性的扭转。设进给方向和工件(或枪钻)旋转方向分别 为轴向和旋转方向的正向,当枪钻正向轴向振动时,枪钻受到较大切削力扭矩,枪钻正向扭转;当 枪钻负向轴向振动时,枪钻逐渐过渡到空切状态,切削力扭矩逐渐减小至零,枪钻的正向扭转恢复 ,并反向弹性扭转;在再次由空切状态过渡到切削状态的过程中,枪钻又进入正向扭转,如此周而 复始实现了扭转振动。通常这种效应和强迫振源是同频率而不同相的。枪钻深孔钻削的扭振过大, 易引起刀具的崩刃,加快刀具的磨损,严重影响加工精度和切削效率的提高。同时,钻杆的扭振会 在钻杆轴轴承上引起反作用力,使钻杆产生横向振动,直接影响加工精度,因此,抑制钻杆系统的 扭振是提高深孔加工精度的重要途径之一。周期性波动的切削力扭矩是产生扭转振动的驱动因素, 其被动因素主要有3个方面:(1)钻杆抗扭刚度差;(2)动力传递系统刚度差;(3)工件材 质不均匀。运用深孔钻床进行钻削加工犤5犦。由于振动钻削的自身机理,枪钻必然受到周期性波 动的切削力扭矩,因此,预防和抑制枪钻的扭转振动主要是针对被动因素解决该问题的。3问题及 发展趋势尽管振动钻削在广大科技人员的努力下,已经取得了很大的进展,但若要真正实现枪钻振 动钻削的最佳控制,实现加工过程的高可靠性和自动化,则还有很多问题需要解决。(1)目前对 振动钻削工艺过程的探讨,基本局限在分析研究刀具与工件间的几何运动关系。实际上,振动钻削 的切削力是动态变化的;与此同时,刀具—工件—动力传递系统的弹性变形,也将极大地破坏已定 的切削几何关系。所以开展振动钻削的动态研究,突破静态几何关系而寻找动态规律,对理论研究 和应用都有重要意义。犤6犦(2)关于振动钻削机理问题的理论和观点大多还只是根据振动钻削 现象和效果进行分析和推测,目前意见还不一致,甚至有些观点大相径庭。因此,进一步深入研究 并揭示振动钻削的加工机理和规律还很有必要。犤6犦(3)振动钻削系统是一个包含非线性因素 的复杂动力学系统,目前的理论分析过程中大多把它作为线性系统对待,显然由此得出的结论是不 够准确的,需要利用非线性理论做进一步研究。犤6犦(4)振动钻削的振幅损失是一个很重要的 参数,对于枪钻深孔钻削更是如此,建立振动损失量的前期估算和补偿对控制振动钻削的顺利进行 有着重要意义。犤6犦(5)枪钻振动钻削中的扭转振动的抑制问题还没有得到很好的解决,该部 分的理论和技术还有待深入研究和完善。(6)进些年来,由于材料科学的飞速发展,不断涌现出 一些具有不同加工工艺特性的新型材料,这给枪钻振动钻削提出了新的难题。(7)由于振动钻削的复杂性,开发先进的振动钻削设备,增加能进行变参数振动钻削的自动控制系统,充分实现振动钻削的自动化和智能化,是在理论研究基础上面临的又一问题及发展趋势。犤7犦枪钻低频振动钻削振动问题的研究@张彦波$北京航空航天大学机械工程及自动化学院!北京100083
@陈志同$北京航空航天大学机械工程及自动化学院!北京100083
@李建平
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