機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-鉆削精密深孔扭振發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)【全套圖紙】

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1、編編 號號 無錫太湖學(xué)院 畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)（論論文文） 題目：題目： 鉆削精密深孔扭振發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)鉆削精密深孔扭振發(fā)生裝置的設(shè)計(jì) 機(jī)電 系系 機(jī)械工程及自動化 專專 業(yè)業(yè) 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： （職稱：副教授 ） 2013 年 5 月 25 日 無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 誠誠 信信 承承 諾諾 書書 全套圖紙，加全套圖紙，加 153893706 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 鉆削精密深 孔扭振發(fā)生裝置的設(shè)計(jì) 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究 所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo) 注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)

2、計(jì)（論文）不包含任何 其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級： 機(jī)械 91 學(xué) 號： 0923024 作者姓名： II 2013 年 5 月 25 日 I 無無錫錫太太湖湖學(xué)學(xué)院院 機(jī)機(jī) 電電 系系 數(shù)數(shù) 控控 專專業(yè)業(yè) 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì)論論 文文 任任 務(wù)務(wù) 書書 一、題目及專題：一、題目及專題： 1、題目 鉆削精密深孔扭振發(fā)生裝置的設(shè)計(jì) 2、專題 二、課題來源及選題依據(jù)二、課題來源及選題依據(jù) 近年來，新型非金屬工程材料的應(yīng)用不斷擴(kuò)展，其中不乏難加 工材料，這對振動鉆削工藝提出了新的挑戰(zhàn)，同時也為展示其優(yōu)良 工藝效果提供了機(jī)遇。隈部教授采用超聲波扭轉(zhuǎn)振動和低頻軸向復(fù) 合振動鉆削

3、工程陶瓷，石川惠一采用單一的低頻軸向振動鉆削工程 陶瓷，均取得了改善加工能力、提高鉆頭壽命的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。北京航 空航天大學(xué)陳鼎昌教授和哈爾濱工業(yè)大學(xué)張其馨先后用超聲波振動 鉆削碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)，不但改善了對硬而韌的碳纖維的 切削能力，同時還可抑制鉆削中材料的層間剝離。 三十多年來，國內(nèi)外學(xué)者對振動鉆削作了大量理論與實(shí)驗(yàn)研究 工作，振動鉆削能提高鉆孔質(zhì)量、延長刀具壽命和改善對難加工材 料切削能力等優(yōu)良工藝效果已在機(jī)械加工領(lǐng)域得到普遍承認(rèn)。綜觀 國內(nèi)外振動鉆削的研究現(xiàn)狀，目前主要存在以下問題：對振動鉆 削的理論研究尚不充分，還未形成完整的理論體系，現(xiàn)有理論具有 II 較大局限性，尚需修

4、正和完善，以充分揭示振動鉆削的動力學(xué)本質(zhì)； 對振動鉆削工藝效果的研究大多局限于直徑大于 1mm 的孔徑區(qū) 域，而直徑小于 0.5mm 的微小孔加工條件最為惡劣，且加工數(shù)量與 日俱增，所以對振動鉆削微小孔的研究更具實(shí)際意義，需予以更多 關(guān)注；迄今對振動鉆削的研究均屬于定參數(shù)振動鉆削，無法同時 滿足鉆削三區(qū)段不同鉆削機(jī)理的要求，難以達(dá)到進(jìn)一步提高鉆孔整 體加工水平的要求。因此，三區(qū)段變參數(shù)振動鉆削，特別是對微小 孔的三區(qū)段變參數(shù)振動鉆削是在定參數(shù)振動鉆削基礎(chǔ)上的一次飛躍， 是具有重要科研及應(yīng)用價值的研究課題。 三、本設(shè)計(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求：三、本設(shè)計(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求： 熟悉低頻振

5、動深孔鉆削的發(fā)展歷程，特別是近十幾年來提出的直 徑小于 0.5mm 的微小孔加工； 熟悉低頻振動深孔鉆削的工藝效果； 熟練掌握低頻振動深孔鉆削的三種振動方式：軸向振動(振動方 向與鉆頭軸線方向相同)、扭轉(zhuǎn)振動(振動方向與鉆頭旋轉(zhuǎn)方向相同) 和復(fù)合振動(軸向振動與扭轉(zhuǎn)振動迭加)； 掌握了解針對不同的材料所需要的加工參數(shù)； 能夠熟練使用振動鉆削的自動控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)振動鉆削的自動化 和智能化。 四、接受任務(wù)學(xué)生：四、接受任務(wù)學(xué)生： 機(jī)械 91 班班 姓名姓名 III 五、開始及完成日期：五、開始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 7 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、

6、設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問）：六、設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問）： 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 簽名簽名 簽名簽名 簽名簽名 教教研研室室主主任任 學(xué)科組組長研究所學(xué)科組組長研究所 所長所長 簽名簽名 系主任系主任 簽名簽名 2012 年年 11 月月 7 日日 IV 摘摘 要要 孔加工是金屬切削加工中最常用的加工工藝。據(jù)統(tǒng)計(jì),孔加工的金屬切除量約占切削 加工總金屬切除量的 1/3,鉆頭的產(chǎn)量約占刀具總產(chǎn)量的 60%。目前用于加工微小孔的工藝 方法雖然較多,但應(yīng)用最廣泛、生產(chǎn)實(shí)用性最強(qiáng)的仍是采用麻花鉆鉆削加工。隨著對孔加 工質(zhì)量和效率的要求不斷提高,傳統(tǒng)的鉆削工藝已顯示出極大的局限性,而近年來迅速發(fā)展 的振動

7、鉆削工藝則日益顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢及廣闊的應(yīng)用前景。本文主要介紹了振動鉆 削，振動鉆削是振動切削的一個分支，它與普通鉆削的區(qū)別在于鉆孔過程中通過振動裝 置使鉆頭與工件之間產(chǎn)生可控的相對運(yùn)動。振動方式主要有三種,即軸向振動、扭轉(zhuǎn)振動 和復(fù)合振動。 本文講述了如何匹配加工參數(shù)來實(shí)現(xiàn)精密深孔的加工，并設(shè)計(jì)了扭振發(fā)生裝置，綜 合分析了振動鉆削的工藝效果。低頻振動切削技術(shù)目前已應(yīng)用于孔加工(包括鉆、擴(kuò)、鉸、 鎖、攻絲等)和外圓車削加工等領(lǐng)域，解決實(shí)際生產(chǎn)中諸如切屑處理、改善切削加工性、 提高加工質(zhì)量、延長刀具壽命等問題，理論上也獲得了許多發(fā)展。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 ： 麻花鉆 ；振動鉆削 ；振動裝置 ；低頻振動

8、 V Abstract Hole processing is the most commonly used metal cutting machining processing technology. According to statistics, hole machining of metal removal accounted for about one-third of the total machining metal removal of the, drill production accounted for about 60% of the total tool producti

9、on. Process methods now used for machining small holes while more, but the strongest is still the most widely used, the production practicality is uses the twist drill drilling processing. As the hole of the requirement of increasing the quality and efficiency, the traditional drilling technology ha

10、s shown great limitations, in recent years the rapid development of the vibration drilling technology is increasingly shows its unique advantages and broad application prospects.Vibration drilling is mainly introduced in this paper, the vibration drilling is a branch of vibration cutting, the differ

11、ence between it and common drilling through vibration device in the process of drilling bit and generate controllable relative movement between parts. Vibration mode mainly has three kinds, namely axial vibration, torsional vibration, and vibration compound. This article tells the story of how the m

12、atching processing parameters to achieve precision deep hole machining, and torsional vibration generator is designed, the comprehensive analysis of the vibration drilling technology effect. Low frequency vibration cutting technology has been applied to the machining (including drilling, expanding,

13、hinge, lock, tapping, etc.) and cylindrical turning processing, etc, to solve practical production in cutting machining, such as chip removal, improve processing quality, prolong tool life and other issues, theory also received many development. Keywords： Twist drill ；Vibration drilling；Vibration de

14、vice；Low frequency vibration V 目目 錄錄 摘 要 .IV Abstract.V 目 錄.VI 1 緒論 .1 1.1 振動鉆削技術(shù)的發(fā)展歷史 .1 1.2 振動鉆削的工藝效果 .2 1.3 振動鉆削的應(yīng)用前景及前沿課題 .4 2 振動鉆削的原理 .7 2.1 振動鉆削的機(jī)理 .7 2.2 振動鉆削系統(tǒng)的穩(wěn)定性與振幅損失 .8 2.2.1 振動鉆削時的切削力 .9 2.2.2 振動鉆削系統(tǒng)的穩(wěn)定性 .10 2.2.3 產(chǎn)生橫向擺振與鉆桿彎曲振動的原因 .12 2.2.4 振幅損失 .13 3 深孔加工的高效解決方案 .14 3.1 深孔加工 .14 4 裝置設(shè)計(jì)

15、.16 4.1 裝置總體方案 .16 4.2 電機(jī)的選擇 .18 4.3 帶傳動設(shè)計(jì) .20 4.3.1 確定計(jì)算功率 Pca.20 4.3.2 選擇帶型 .20 4.3.3 確定帶輪的基準(zhǔn)直徑 .20 4.3.4 確定中心距 a 和帶的基準(zhǔn)長度 Ld21 4.3.5 驗(yàn)算主動輪上的包角 1 21 4.3.6 確定帶的根數(shù) Z21 4.3.7 確定帶的預(yù)緊力 F0.22 4.3.8 計(jì)算帶傳動作用在軸上的力（簡稱壓軸力）Fp22 4.3.9 V 帶輪設(shè)計(jì)22 4.3.10 V 帶傳動的張緊裝置23 4.4 偏心軸及其附件設(shè)計(jì). .24 4.4.1 軸承的選用 .26 4.4.2 軸承底座 .2

16、7 4.4.3 端蓋和透蓋 .28 4.4.4 偏心銷釘 .29 4.5 主軸及其附件設(shè)計(jì) .29 4.5.1 主軸 .29 VI 4.5.2 彈性夾頭 .30 4.5.3 軸承的選用 .31 4.5.4 軸承座 .32 4.5.5 夾緊螺母 .32 4.5.6 軸承蓋 .33 4.5.7 擺桿 .33 4.6 底板設(shè)計(jì) .33 5 致謝 .35 參考文獻(xiàn) .36 鉆削精密深孔扭振發(fā)生裝置的設(shè)計(jì) 1 1 緒論緒論 1.1 振動鉆削技術(shù)的發(fā)展歷史振動鉆削技術(shù)的發(fā)展歷史 據(jù)統(tǒng)計(jì)，孔加工是金屬切削加工中最重要的工序之一。約占所有金屬切削加工工序 的 33%。我國每年生產(chǎn)鉆頭用的高速鋼消耗量約占刀具生

17、產(chǎn)中高速鋼消耗總量的 70%。 可見，在機(jī)械加工中孔加工占有很重要的地位，尤其是航空、航天、汽車、電子和計(jì)算 機(jī)等行業(yè)，孔加工更顯示出其得天獨(dú)厚的地位。例如，一架波音 747 約有 200 萬個連接 孔，機(jī)械連接工作量（不包括總裝）約占機(jī)械加工工作量的 20%。 隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，高科技產(chǎn)品層出不窮，孔加工的數(shù)量與日俱增!孔加工 的地位也在不斷地上升。同時對孔加工質(zhì)量的要求也越來越高，這無疑給孔加工帶來巨 大挑戰(zhàn)。目前用來加工微小孔的方法很多，但在國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛、生產(chǎn)實(shí)用性最強(qiáng)的 要數(shù)麻花鉆的鉆削加工。然而!以往的大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，普通鉆削很難承擔(dān)起這一歷史 使命，非傳統(tǒng)的振動鉆削新

18、工藝越來越顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢。目前用于加工微小孔的工 藝方法雖然較多,但應(yīng)用最廣泛、生產(chǎn)實(shí)用性最強(qiáng)的仍是采用麻花鉆鉆削加工。隨著對孔 加工質(zhì)量和效率的要求不斷提高,傳統(tǒng)的鉆削工藝已顯示出極大的局限性,而近年來迅速發(fā) 展的振動鉆削工藝則日益顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢及廣闊的應(yīng)用前景。振動鉆削是振動切削 的一個分支,它與普通鉆削的區(qū)別在于鉆孔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(yùn)動。振動方式主要有三種,即軸向振動(振動方向與鉆頭軸線方向相同)、扭轉(zhuǎn)振 動(振動方向與鉆頭旋轉(zhuǎn)方向相同)和復(fù)合振動(軸向振動與扭轉(zhuǎn)振動迭加)。其中,軸向振動 易于實(shí)現(xiàn),工藝效果良好,在振動鉆削中占主導(dǎo)地位。振動的激

19、勵方式主要有超聲波振動、 機(jī)械振動、液壓振動和電磁振動。其中,超聲波振動的頻率通常在以上,所以也稱為kHz16 高頻振動鉆削;其它三種振動方式的頻率一般為幾百赫茲,故稱為低頻振動鉆削。振動鉆削 改變了傳統(tǒng)鉆削的切削機(jī)理。在振動鉆削過程中,當(dāng)主切削刃與工件不分離(不分離型振動 鉆削)時,切削速度、切削方向等參數(shù)產(chǎn)生周期性變化;當(dāng)主切削刃與工件時切離(分離型振 動鉆削)時,切削過程變成脈沖式的斷續(xù)切削。當(dāng)振動參數(shù)(振動頻率和振幅)、進(jìn)給量、主 軸轉(zhuǎn)速等選擇合理時,可明顯提高鉆入定位精度及孔的尺寸精度、圓度和表面質(zhì)量,減小出 口毛刺,降低切削力和切削溫度,延長鉆頭壽命。振動鉆削良好的工藝效果已引起國

20、內(nèi)外研 究者的普遍關(guān)注,自 1954 年日本宇都宮大學(xué)的隈部淳一郎教授提出振動鉆削理論以來,各 國學(xué)者對振動鉆削進(jìn)行了大量理論研究及實(shí)驗(yàn)分析,取得了許多有價值的研究成果,其中一 些成果已逐步應(yīng)用于加工領(lǐng)域。 低頻振動切削技術(shù)目前已應(yīng)用于孔加工(包括鉆、擴(kuò)、鉸、鎖、攻絲等)和外圓車削 加工等領(lǐng)域，解決實(shí)際生產(chǎn)中諸如切屑處理、改善切削加工性、提高加工質(zhì)量、延長刀 具壽命等問題，理論上也獲得了許多發(fā)展。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 1.2 振動鉆削的國內(nèi)外研究狀況振動鉆削的國內(nèi)外研究狀況 1970 年代中期，在人們發(fā)現(xiàn)了振動鉆削具有的一些優(yōu)良工藝效果之后，為尋求科學(xué) 的支持，國內(nèi)外一些學(xué)者開始從理

21、論上對振動鉆削的機(jī)理與特性進(jìn)行探索，至今 30 多年 來，主要對振動鉆削的“鉆頭剛性化效果”理論、動態(tài)角度理論、振動斷屑理論、脈沖 能量和應(yīng)力集中理論等進(jìn)行了分析研究。 隈部淳一郎教授在他的著作精密加工振動切削基礎(chǔ)與應(yīng)用中，率先提出了超聲 波振動鉆削的“鉆頭剛性化效果”理論。在他構(gòu)造的鉆頭動力學(xué)模型中，把鉆頭抽象為 自由端具有集中等效質(zhì)量 、 相互垂直的兩個方向（x 向和 y 向）上的等效剛度為M 和 、等效阻尼系數(shù)為和 的懸臂梁，并受到脈沖寬度為、周期為 T、兩個 x K y K x C y C c t 垂直方向幅值分別為和的脈沖力作用使鉆頭產(chǎn)生橫向位移 x 和 y，從而構(gòu)造出鉆頭 x H

22、y H 在兩個方向上的運(yùn)動微分方程，并進(jìn)行了求解和分析。 1984 年開始，王立江教授和他的課題組對高頻和低頻振動鉆削都進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。 他在研究中還提出了低頻振動提高鉆入定位精度的新觀點(diǎn)，指出振動鉆入時雖然由于某 種原因產(chǎn)生的橫向力作用使鉆頭產(chǎn)生橫向偏移，但由于振動的存在，使鉆頭迅速退回脫 離工件，并在再次鉆入前的一段時間內(nèi)受阻尼力的作用橫向偏移迅速衰減，待衰減近平 衡位置時再次鉆入，故明顯地提高了鉆入定位精度，即具有“鉆入偏移退回恢復(fù) 重新鉆入”的動力學(xué)特性。這一特性的發(fā)現(xiàn)無疑豐富了剛性化理論，推動了振動鉆削 理論研究的進(jìn)程。 1986 年劉華明教授在自制的超聲波振動鉆床上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究

23、，結(jié)果發(fā)現(xiàn)振動鉆削 使切削力下降、表面質(zhì)量和孔徑精度提高，并進(jìn)一步探討了鉆頭耐用度與進(jìn)給量之間的 關(guān)系!給出了兩者的關(guān)系曲線。 1998 年，楊兆軍教授根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，提出通過改變進(jìn)給量來減少入鉆位置誤 差的理論。微孔鉆削入鉆時，鉆頭橫刃連續(xù)刮削工件，由于工件表面的不平整、鉆頭兩 切削刃的不對稱等各種因素，鉆尖受到橫向力的作用而產(chǎn)生偏移，使鉆頭偏移鉆入工件， 而產(chǎn)生入鉆定位誤差。振動鉆削則改變了微孔鉆削的入鉆現(xiàn)象。入鉆時，鉆頭相對于工 件做軸向振動，橫刃作脈沖式旋轉(zhuǎn)楔入工件，與工件表面時切時離。楔入時，鉆尖因橫 向力作用而產(chǎn)生偏移， 設(shè)偏移量，但進(jìn)入工件表面分離后，鉆頭將做以 為初始位 移

24、激勵的偏移衰減振動，其動力學(xué)模型可簡化為單自由度振動系統(tǒng)。通過計(jì)算和分析得 出主切削刃全部鉆入工件之前，楔入次數(shù)越多，修正次數(shù)就越多，入鉆位置誤差就越小 的結(jié)論。顯然，減小鉆頭的進(jìn)給量，就增加修正次數(shù)，但將降低加工效率。若控制機(jī)床 進(jìn)給系統(tǒng)，在入鉆階段施以較小的進(jìn)給量，而在鉆削階段再轉(zhuǎn)變成正常的進(jìn)給量，則在 保證加工效率的前提下可減少微孔鉆削的入鉆定位誤差。 出口毛刺是鉆削加工中嚴(yán)重影響加工質(zhì)量的難題，長期未能有效解決。隨著振動鉆 鉆削精密深孔扭振發(fā)生裝置的設(shè)計(jì) 3 削實(shí)驗(yàn)研究的深入，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)振動鉆削可有效減小出口毛刺。1984 年，日本學(xué)者鞍古 文保采用鉆頭每轉(zhuǎn)振動 1 次的頻轉(zhuǎn)比，在鋁制

25、工件(AL1050-0)上鉆削 f5mm 的孔，結(jié)果出 口毛刺高度由普通鉆削時的 4.55.2mm 下降到 0.60.9mm。他指出，低頻軸向振動鉆削 能緩解切屑阻塞，有利于排屑；此外，由于鉆頭鉆出工件的瞬間切削力并不增加，因此 可減小出口毛刺。1986 年，足立勝重等人在相同實(shí)驗(yàn)條件下分別對鋁(AL1050-0)和碳素結(jié) 構(gòu)鋼(S45C)工件進(jìn)行了低頻振動鉆削實(shí)驗(yàn)，鋁件和鋼件的出口毛刺平均高度分別由普通鉆 削時的 5mm 和 0.5mm 下降到 0.7mm 和 0.3mm，說明軸向振動鉆削對于減小塑性材料的 出口毛刺效果更為明顯。1989 年，王立江教授分析了零相位差低頻振動鉆削時出口處金

26、屬的殘留特性和橫刃的特殊機(jī)理，揭示了振動與毛刺的關(guān)聯(lián)性，并通過實(shí)驗(yàn)證明在 1Cr18Ni9Ti 不銹鋼和 L5 工業(yè)鋁上鉆削 f3mm 的孔時，若振動參數(shù)選擇合理，甚至可實(shí)現(xiàn) 無毛刺鉆削。1991 年，H.Takeyama 通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，超聲波振動鉆削也具有明顯減小出口 毛刺的作用。1997 年，王立江教授的課題組用 f0.5mm 鉆頭鉆削黃銅(H62)時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加 工參數(shù)選擇合理時，出口毛刺可由普通鉆削時的 31.52下降到 0.12，基本上實(shí)現(xiàn)了 m m 無毛刺鉆削。 提高鉆頭壽命及對難加工材料的切削能力也是鉆削加工中的重要課題。1958 年， W.Hansen 在碳素鋼工件上低頻振動鉆削

27、深孔( f4mm,孔深 58mm,頻轉(zhuǎn)比為 3)時，發(fā)現(xiàn)振動 鉆削可顯著提高鉆頭壽命，并指出鉆頭軸向振動降低了切削溫度,減輕了鉆頭燒傷，改善 了排屑性能，因此可提高鉆頭壽命14 。1962 年，E.A.Satel 采用低頻振動鉆削加工屬于 難加工材料的不銹鋼和耐熱合金鋼，結(jié)果使鉆頭平均壽命提高了 300%,加工效率提高了 250%。他認(rèn)為，低頻軸向振動鉆削時刀具與工件切削表面的周期性分離可改善排屑性能， 所以提高了鉆頭壽命。1972 年，前蘇聯(lián)學(xué)者 采用低頻扭轉(zhuǎn)振動鉆削也 獲得了切削扭矩降低、鉆頭壽命提高 1.5 倍的加工效果。1989 年以來，日本學(xué)者新井典 久等人對低頻振動鉆削提高難加工材

28、料的鉆削能力進(jìn)行了較為深入的系統(tǒng)研究。他們用 f10mm 的高速鋼(SKH51)麻花鉆先后對鈦合金(Ti-6Al-4V)、鎳鉻鐵耐熱合金(Inconel600)和 奧氏體不銹鋼(SUS304)進(jìn)行了低頻振動鉆削實(shí)驗(yàn)，并與碳素結(jié)構(gòu)鋼(S45C)對比，用壓電晶 體三相測力儀測量動態(tài)切削力，用熱電偶測量切削溫度，并用有限元法分析溫度分布， 以主后刀面刃區(qū)外緣處的磨損寬度來衡量刀具壽命。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：振動鉆削時鉆削 軸向力和扭矩靜態(tài)分量(動態(tài)力的平均值)明顯下降，其中鉆削 Ti-6Al-4V 時分別下降 19% 和 24%，效果最為明顯；鉆削 S45C 時分別下降 4%和 10%，下降幅度最??；振動鉆

29、削 使切削液冷卻潤滑作用增強(qiáng)，鉆頭外緣處切削溫度下降；磨損寬度減小，鉆頭壽命延 長。因此，新井的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有力地證明了低頻振動鉆削具有提高難加工材料鉆削能力的 工藝效果。王立江教授及課題組著重對振動鉆削提高微小鉆頭壽命進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，他 們根據(jù)微小鉆頭不重磨的特點(diǎn)，以鉆頭折斷前的鉆孔個數(shù)或鉆孔長度作為鉆頭壽命指標(biāo)， 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 先后做了超聲波振動鉆孔和低頻振動鉆孔實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，不但低頻振動鉆削能成 倍提高微小鉆頭壽命，超聲波振動鉆削提高微小鉆頭壽命的效果也十分明顯，如參數(shù)選 擇合理，壽命可提高 4.5 倍以上。 三十多年來，國內(nèi)外學(xué)者對振動鉆削作了大量理論與實(shí)驗(yàn)研究工作，

30、振動鉆削能提 高鉆孔質(zhì)量、延長刀具壽命和改善對難加工材料切削能力等優(yōu)良工藝效果已在機(jī)械加工 領(lǐng)域得到普遍承認(rèn)。綜觀國內(nèi)外振動鉆削的研究現(xiàn)狀，目前主要存在以下問題：對振 動鉆削的理論研究尚不充分，還未形成完整的理論體系，現(xiàn)有理論具有較大局限性，尚 需修正和完善，以充分揭示振動鉆削的動力學(xué)本質(zhì)；對振動鉆削工藝效果的研究大多 局限于直徑大于1mm的孔徑區(qū)域，而直徑小于0.5mm的微小孔加工條件最為惡劣，且加工 數(shù)量與日俱增，所以對振動鉆削微小孔的研究更具實(shí)際意義，需予以更多關(guān)注；迄今 對振動鉆削的研究均屬于定參數(shù)振動鉆削，無法同時滿足鉆削三區(qū)段不同鉆削機(jī)理的要 求，難以達(dá)到進(jìn)一步提高鉆孔整體加工水平

31、的要求。因此，三區(qū)段變參數(shù)振動鉆削，特 別是對微小孔的三區(qū)段變參數(shù)振動鉆削是在定參數(shù)振動鉆削基礎(chǔ)上的一次飛躍，是具有 重要科研及應(yīng)用價值的研究課題。 1.3 振動鉆削的發(fā)展趨勢振動鉆削的發(fā)展趨勢 當(dāng)今，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，一些具有優(yōu)良的機(jī)械和物理性能的新型材料不斷 涌現(xiàn)，并逐漸在各個領(lǐng)域開始得到應(yīng)用，這為振動鉆削的發(fā)展提供了有利的條件。由于 振動鉆削是一種先進(jìn)的加工工藝，振動參數(shù)對孔加工質(zhì)量的影響非常大，而且要根據(jù)不 同的加工對象、不同的鉆削區(qū)段作相應(yīng)的變化，因此靠以往的鉆削設(shè)備不能實(shí)現(xiàn)這一目 標(biāo)，必須增加能進(jìn)行改變振動參數(shù)的自動控制系統(tǒng)，充分實(shí)現(xiàn)振動鉆削的自動化和智能 化。 振動鉆削的最

32、終目的是適應(yīng)新型材料的出現(xiàn)，優(yōu)化切削過程，全面提高孔加工質(zhì)量， 而受實(shí)驗(yàn)設(shè)備等客觀因素的限制不可能在實(shí)驗(yàn)中大幅度地隨意改變參數(shù)，因此用計(jì)算機(jī) 仿真來全方位地分析和優(yōu)化切削過程是必須的，這就要求在對系統(tǒng)辨識的基礎(chǔ)上根據(jù)振 動理論、切削理論、控制理論等對系統(tǒng)進(jìn)行形象的描述并構(gòu)造振動鉆削的仿真模型，實(shí) 現(xiàn)對振動鉆削的動態(tài)仿真。 近年來，由于材料科學(xué)的飛速發(fā)展，具有優(yōu)良機(jī)械和物理性能的新型材料不斷涌現(xiàn)， 并逐漸在各個領(lǐng)域得到應(yīng)用。高強(qiáng)度、高硬度金屬材料、正交纖維束增強(qiáng)復(fù)合材料及涂 層材料等的應(yīng)用日益廣泛，尤其是正交纖維束增強(qiáng)復(fù)合材料以其優(yōu)良的比強(qiáng)度、比剛度 和加工性能被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，然而其主要

33、弱點(diǎn)之一是層間剪切強(qiáng)度低，采用普 通鉆削加工時因軸向力較大，使層間容易產(chǎn)生脫層現(xiàn)象，尤其鉆出時脫層更為嚴(yán)重。針 對這一問題，采用振動鉆削工藝，并在鉆入和鉆出時采用不同的加工參數(shù)(振幅 A、振動 鉆削精密深孔扭振發(fā)生裝置的設(shè)計(jì) 5 頻率 F、進(jìn)給量 f、主軸轉(zhuǎn)速 n 等)以減小軸向力，無疑可顯著提高孔的加工質(zhì)量。 由多種材料(如鈦合金、鋁合金及復(fù)合材料)組合構(gòu)成的疊層材料已逐漸應(yīng)用于新型飛 機(jī)的制造中，其應(yīng)用前景十分廣闊，但由于其切削性能很差，成為推廣應(yīng)用的主要障礙， 因此亟需解決其切削加工難的問題。對于這種材料采用定參數(shù)振動鉆削的加工方法難以 奏效，必須在鉆削不同材料層時相應(yīng)改變加工參數(shù)，才能

34、在性能差別懸殊的不同材料層 上鉆出高質(zhì)量的孔。 極有發(fā)展前途的金屬基(主要是鋁基)非連續(xù)增強(qiáng)復(fù)合材料以及最近出現(xiàn)的一些具有晶 須、短纖維和陶瓷顆粒結(jié)構(gòu)的材料，不僅性能優(yōu)異，而且價格也可與傳統(tǒng)金屬材料競爭， 國外已在導(dǎo)航系統(tǒng)、航空發(fā)動機(jī)、汽車連桿、活塞、汽缸體、工業(yè)機(jī)器人傳動齒輪上投 入應(yīng)用。但是這類材料中的增強(qiáng)相(纖維、晶須或顆粒)硬度很高，且在材料中隨機(jī)分布， 故鉆削加工中刀具磨損嚴(yán)重，加工表面質(zhì)量差，且隨鉆削深度的增加而加劇。所以，必 須采用變參數(shù)振動鉆削工藝才能較好解決其加工問題。 針對上述材料的加工難題，振動鉆削應(yīng)根據(jù)加工孔的材料組合特性、孔的長徑比和 技術(shù)要求等靈活選擇參數(shù)變量(A，

35、F，f，n)，并將參數(shù)變量作為鉆削深度的函數(shù)，即 A(l)， F(l)，f(l)，n(l)，最終目的是使整個鉆削過程處于優(yōu)化狀態(tài)，全面提高孔的加工質(zhì)量。因 此，對振動鉆削的研究主要應(yīng)從以下幾方面進(jìn)行： 在充分考慮各種復(fù)雜因素尤其是非線性因素的基礎(chǔ)上，構(gòu)造能夠真實(shí)反映鉆削過程 機(jī)理的動力學(xué)模型，深入進(jìn)行振動鉆削動力學(xué)特性的研究：由于振動鉆削系統(tǒng)是一個 包含非線性因素的復(fù)雜動力學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)諸如分叉、混沌等方面的 動力學(xué)特性，這方面內(nèi)容在以往的振動鉆削研究中很少涉及；鉆頭的結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù) 比較復(fù)雜，以往國內(nèi)外對振動鉆削進(jìn)行理論研究時都是把鉆頭近似看作具有兩自由度且 自由端具有集中質(zhì)

36、量(或均勻分布質(zhì)量)的懸臂梁來建立動力學(xué)模型，根據(jù)這種模型進(jìn)行理 論分析，求出的解只能是近似解，不能完全、真實(shí)地反映鉆頭結(jié)構(gòu)及切削過程的動力學(xué) 特性，因此需要從振動理論上進(jìn)一步深入分析振動鉆削的動力學(xué)特性，尋找更為有效的 求解方法，為振動鉆削技術(shù)在現(xiàn)代加工條件下的完善和發(fā)展提供更充分、更精確的理論 依據(jù)。 開發(fā)先進(jìn)的振動鉆削設(shè)備。振動鉆削是一種先進(jìn)的加工工藝，振動參數(shù)對孔加工質(zhì) 量的影響非常大，而且需要根據(jù)不同的加工對象和鉆削區(qū)段作相應(yīng)變化。因此，依靠傳 統(tǒng)的鉆削設(shè)備很難實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須配置能進(jìn)行變參數(shù)振動鉆削的自動控制系統(tǒng)，實(shí) 現(xiàn)振動鉆削的自動化和智能化。 開拓新的分析方法。振動鉆削研究的

37、最終目的是適應(yīng)新型材料的加工要求，優(yōu)化切 削過程，全面提高孔加工質(zhì)量。但受實(shí)驗(yàn)設(shè)備等客觀條件的限制，不可能在實(shí)驗(yàn)中大幅 度地任意改變參數(shù)，因此采用計(jì)算機(jī)仿真對切削過程進(jìn)行全方位的分析和優(yōu)化是必不可 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 少的，這就要求在系統(tǒng)辨識的基礎(chǔ)上根據(jù)振動理論、切削理論、控制理論等對系統(tǒng)進(jìn)行 形象的描述并構(gòu)造振動鉆削的仿真模型，實(shí)現(xiàn)對振動鉆削的動態(tài)仿真。 綜上所述，振動鉆削為了適應(yīng)現(xiàn)代化高科技發(fā)展的需要，要從各方面進(jìn)行不斷地自 我發(fā)展和完善，并發(fā)揮出其特有的優(yōu)勢。為此我們應(yīng)該不斷積累前人的經(jīng)驗(yàn)，繼續(xù)努力 鉆研，爭取在這方面有更大的突破。 鉆削精密深孔扭振發(fā)生裝置的設(shè)計(jì) 7 2 振動

38、鉆削振動鉆削的原理的原理 2.1 振動鉆削的機(jī)理振動鉆削的機(jī)理 振動切削是在普通切削過程中給刀具 或工件 人為地加上某種有規(guī)律的、可控的振 動,從而形成在機(jī)理上不同于普通切削的切削方法.振動切削按振動頻率,可分為高頻振動切 削 超聲振動切削 和低頻振動切削 .實(shí)踐證明,不論是高頻還是低頻振動切削,Hzf200 只要振動參數(shù)和切削用量選擇得當(dāng),都能產(chǎn)生普通切削所無法比擬的切削效果,如改善難加 工材料的可加工性,可靠地?cái)嘈?、排?顯著減小切削力,降低切削溫度,降低表面粗糙度,提 高切削液的使用效果,從而大大地提高刀具的耐用度.尤其在難加工材料和精密零件的加工 中,振動切削已成為一種不可忽視的加工方

39、法.用麻花鉆進(jìn)行振動切削時,振動形式有扭振 主切削方向上的振動 、軸向振動 進(jìn)給方向上的振動 和復(fù)合振動 同時進(jìn)行扭振和軸向 振動。 圖 2-1 振動方式 一般認(rèn)為,當(dāng)鉆頭進(jìn)行扭振時,僅僅改變了切削速度,并沒有形成切削厚度的變化,因而, 從運(yùn)動學(xué)上分析,在認(rèn)為刀具是剛性的條件下,扭振并無斷屑條件,對于復(fù)合振動中的扭振成 分也是如此.但是,由于扭振是在鉆頭外緣部分的主切削方向上的振動,能起到減小切削力的 作用;另一方面,它所產(chǎn)生的圓周方向上的切削速度的波動,與進(jìn)給運(yùn)動合成,仍然形成了切 削厚度的變化,也有利于斷屑.軸向振動對鉆芯部分的切削刃而言,振動方向與切削方向一致,使 橫刃部分的沖剪作用有規(guī)

40、律地進(jìn)行,從而使作用在橫刃上的脈沖力發(fā)揮作用,這時,對鉆頭外 緣附近的切削刃而言,就形成吃刀方向振動切削機(jī)理.另一方面,振動切削過程中,由于刀具 與工件之間斷續(xù)接觸,使得切削溫度降低,正應(yīng)力減小,內(nèi)摩擦向外摩擦轉(zhuǎn)化,而且刀具的動 態(tài)沖擊力產(chǎn)生了高于靜態(tài)剪應(yīng)力的波前剪切應(yīng)力,這些也是切削力降低,工件材料更容易被 破壞的原因. 鉆削工藝引入振動方式以后,由于受到振動、切削力、沖擊等互相作用,加工表面的各 種參數(shù)呈周期性變化,切屑不像麻花鉆鉆出來呈帶狀的切屑,而是片狀、顆粒狀、線性狀等 導(dǎo)向部分 內(nèi)切削刃 （a）軸向振動 外切削刃 導(dǎo)向部分 內(nèi)切削刃 外切削刃 外切削刃內(nèi)切削刃 導(dǎo)向部分 （b）扭轉(zhuǎn)

41、振動 振動 （c）復(fù)合振動 nnn 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 不同的形式。 切屑原理分析: 設(shè)由于施振系統(tǒng)的作用，刀頭產(chǎn)生振動特征函數(shù)為： PtSinA2 1 式中:為振幅,（m） 1 A 為振動頻率,P)(Hz 為時間。t) s ( 刀頭的軸向位移) t (X (2-1)PtSinA2ftn/60X(t) 1 式中:為走刀量;f)/(rmm 為主軸轉(zhuǎn)速。nmin)/(r 設(shè)為前后兩刀波紋的重迭系數(shù) (2-2)iNnP/60 式中:為整數(shù);。N1i0 設(shè) (2-3) 2/)2()(2312 10 iPtCosiSinAfa 當(dāng),即 (2-4)0 0 a)(2 1 iSinAf 實(shí)現(xiàn)斷屑(理

42、論上)。 實(shí)驗(yàn)證明，振動鉆削在加工過程中都能斷屑,其原理是刀具與工件進(jìn)行間歇、斷續(xù)的 切削，所形成的切屑在切削力振動擠壓。沖擊負(fù)荷的周期變化的共同作用下形成斷裂,所 以斷屑在振動鉆削加工中最易形成。 2.2 振動鉆削系統(tǒng)的穩(wěn)定性與振幅損失振動鉆削系統(tǒng)的穩(wěn)定性與振幅損失 振動鉆削是通過給鉆削加工系統(tǒng)施加某種有規(guī)律的振動(振幅 A，頻率 p)，通過周期 性地實(shí)現(xiàn)刀具與工件的接觸和分離，從而在圓周上形成切屑的薄弱環(huán)節(jié)，人為控制切屑 的形成與折斷過程。只要振動參數(shù)(振幅 A，頻率 p)匹配合適，無論加工何種材料，選擇 何種切削角度，都能可靠地實(shí)現(xiàn)斷屑和自主控制切屑尺寸。但加工經(jīng)驗(yàn)證明：在振動加 工的凸

43、輪刀具工件系統(tǒng)中，由凸輪機(jī)構(gòu)預(yù)設(shè)的振幅值，經(jīng)鉆桿傳到鉆頭進(jìn)行加工時， 盡管振動頻率保持不變，但是會產(chǎn)生顯著的振幅損失。由于振幅值對切屑的折斷以及控 制切屑尺寸都有很重要的影響，所以振幅損失給人為控制振動鉆削加工過程帶來極大的 障礙。因此，了解振動鉆削加工過程中的振幅損失因素、估算損失量并采取相應(yīng)措施進(jìn) 行預(yù)防或補(bǔ)償，是振動鉆削可靠斷屑和穩(wěn)定排屑的基礎(chǔ)。 振動鉆削中振幅損失因素分析 凸輪在外部電機(jī)的帶動下高速旋轉(zhuǎn)，迫使鉆桿作一定振幅和頻率的簡諧振動，對工 鉆削精密深孔扭振發(fā)生裝置的設(shè)計(jì) 9 件進(jìn)行振動加工。在該系統(tǒng)中，影響振幅損失的因素主要有：(1)凸輪高速旋轉(zhuǎn)時，從動 件(即鉆桿)的慣性力較大

44、，整個機(jī)構(gòu)會發(fā)生彈性變形，使得鉆桿工作端的實(shí)際位移與凸 輪輪廓所預(yù)定的名義位移存在一定的差距；(2)對深小孔進(jìn)行振動鉆削時，由于振動刀桿 的剛性較差，使鉆桿受壓后產(chǎn)生彎曲變形；(3)對工件來說，由于受到周期性的強(qiáng)烈沖擊， 它將產(chǎn)生振動響應(yīng)，即出現(xiàn)一定振幅的振動，該振動在與激振力存在相位差時，會使部 分振幅損失。上述三種因素所引起的振幅損失并不能進(jìn)行簡單的疊加，由于振動的存在， 使得振幅損失值也以一定的周期出現(xiàn)，而各因素所引起的振幅損失量之間存在相位差， 使振幅損失量在整體上表現(xiàn)為加強(qiáng)或減弱。因此，若分別計(jì)算三種振幅損失量，則很難 確切了解整個系統(tǒng)振幅損失值。 利用幾何斷屑機(jī)理低頻振動鉆削，解決

45、了小直徑深孔鉆削中的切屑處理問題。所謂 幾何斷屑是指通過改變切削層的幾何參數(shù)，使切削面積有規(guī)律地變?yōu)榱阒?，或產(chǎn)生薄弱 環(huán)節(jié)而達(dá)到斷屑的目的。前者稱為完全幾何斷屑，后者稱為不完全幾何斷屑。鉆削時， 由于附加振動引起了進(jìn)給量的周期性變化使得切削力也發(fā)生周期性變化，與普通鉆削相 比，系統(tǒng)的穩(wěn)定性發(fā)生了很大的變化，并產(chǎn)生了振動鉆削時特有的現(xiàn)象。 振動鉆削時，工件每轉(zhuǎn)中刀具的振動次數(shù)稱為重迭系數(shù) J，用表示，iknpJ/ 其中 k 表示整數(shù)部分，i 表示小數(shù)部分，那么相鄰兩轉(zhuǎn)之間的相位差為5 . 05 . 0i ，即后一刀比前一刀在圓周上超前。雖然進(jìn)給量 f 并沒有變化，但每一瞬時，刀ix2 刃兩轉(zhuǎn)之間

46、的軸向距離都在變化。把這一距離稱為瞬時進(jìn)給量，用表示，則 t f （2-2/ )()(2xtSinJASinfft 5） 瞬時進(jìn)給量的變化引起切削厚度的變化和切削面積的變化，因此對加工過程中的切 削力和鉆削穩(wěn)定性都有很大的影響。從變化規(guī)律上分析，瞬時進(jìn)給量的變化與所加振動 有相同的規(guī)律，只是相位上相差。2/ )(x 2.2.1 振動鉆削時的切削力振動鉆削時的切削力 振動鉆削時，鉆頭受力狀況見圖 2-2。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 圖 2-2 鉆頭受力狀況 由于瞬時進(jìn)給量的周期性變化，鉆削扭矩和軸向力也發(fā)生周期性的變化，同時，徑 向力和導(dǎo)向塊上的支撐反力也發(fā)生周期性的變化。在完全幾何斷屑時

47、，由于切屑在 y F N F 切削面積為零處自動分離，其理論切削力見圖 2-3。 圖 2-3 理論切削力 理論切削力是以為周期的函數(shù)，由于切削面積并非按正弦規(guī)律變化，所以瞬時切2 削力也并非按正弦規(guī)律變化。 2.2.2 振動鉆削系統(tǒng)的穩(wěn)定性振動鉆削系統(tǒng)的穩(wěn)定性 低頻軸向振動鉆孔時，鉆削系統(tǒng)實(shí)際上為彈性體，由于切削力的周期性變化，勢必 引起系統(tǒng)的振動，表現(xiàn)為：鉆頭的軸向振動； 鉆桿的扭轉(zhuǎn)振動；鉆桿的橫向擺振；鉆桿的彎曲振動。這些振動分別由變化的軸向 力、扭矩、主切削力所引起。假設(shè)軸向力、扭矩和主切削力隨軸向切削厚度而線性變化， 實(shí)際上對于不完全幾何斷屑，進(jìn)給量按正弦規(guī)律變化時，鉆削扭矩和主切削力

48、也是按正 弦規(guī)律變化的，軸向力的變化近似于正弦規(guī)律。為此，我們假設(shè)所有的激振力和扭矩都 是時間 t 的正弦函數(shù)，可以認(rèn)為各激振力(扭矩)的變化和切削厚度的變化間沒有相位差。 為研究軸向振動，建立見圖 2-4 所示的模型， 鉆削精密深孔扭振發(fā)生裝置的設(shè)計(jì) 11 圖2-4軸向振動模型 假設(shè)刀柄處的振動為,圖中 x 為鉆頭的瞬時位移，根據(jù)式(2-5)可得由于tASinx3 進(jìn)給量的變化而產(chǎn)生的瞬時軸向力為：Fxt 。 （2-6）2/ )()2/( 0 xtSinxSinFFxt 式中：x相鄰兩轉(zhuǎn)刀刃軌跡波形間的相位差。 于是，可以得出動力學(xué)方程： )2/()( 0 xSinFtASinxkmx )2

49、/()(2/1 0 xSinFkxmxtSin，即 (2-7)tAkSinxtSin)(2/1 解此方程可得： (2-8) tSinmn Ak xtmSinn xSinF x )22(2/1)22( )2/( 0 ( 這是兩個相同頻率的振動的合成，整理后得： (2-9)(tSinAx 其中，, )2/( )( 21 1 ASinA SinA tg 2/1 ) ,2/222/2( 222121 ASinAASinAA m Ak A m F A nn )( , )( 22 2 22 0 1 式中：振動鉆削時鉆頭的振幅； A 鉆頭的瞬時位移；x 鉆柄的瞬時位移； 3 x 激振力的力幅； 0 F 系統(tǒng)

50、的彈性系數(shù)；k 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 系統(tǒng)固有頻率，； n mk n / 2 激振力頻率； 模型的質(zhì)量。m 不難看出，當(dāng)時, 5 . 0i (2-tSinAA tmSin AkF x n )( )( )( 21 22 0 10) 該式說明時，變化的切削力減小了鉆頭的振動，使鉆頭的振幅達(dá)到最小值。5 . 0i 由式(2-5)可知，此時瞬時進(jìn)給量的變化幅度最大，由它引起的瞬時切削力的力幅也最大， 最大，鉆頭振幅最小。同樣可以分析出當(dāng)時，鉆頭振幅最大，顯然，時， 1 A0i A n 將趨于無窮大。 A 由以上分析可得出如下結(jié)論：當(dāng) i=0.5 時，鉆頭的軸向激振力的幅值最大，所受振 動沖擊

51、最大；當(dāng) i=0 時，鉆頭軸向激振力的幅值最小，所受振動沖擊最??；當(dāng) 時，鉆頭振幅將無限大，即系統(tǒng)達(dá)到共振，要設(shè)法避開；刀柄的振幅越大，鉆 n 頭的振幅越大。 2.2.3 產(chǎn)生橫向擺振與鉆桿彎曲振動的原因產(chǎn)生橫向擺振與鉆桿彎曲振動的原因 2.2.3.1 橫向振動橫向振動 由于徑向力以及主切削力的周期性變化，使得壓向?qū)驂K的合力及導(dǎo)向套上的支 g F 反力也周期性變化。在軸向位置上，導(dǎo)向塊滯后于切削力，這樣導(dǎo)向塊上形成的支反力 形成一對力偶，也隨周期性地變化。又由于導(dǎo)向塊的倒錐量，導(dǎo)向塊后部與 N F N M N M t f 孔壁間存在間隙，引起變化的力偶就使得鉆桿產(chǎn)生橫向振動，周期性變化的力偶

52、見圖 2- 5。 圖 2-5 周期性變化的力偶 導(dǎo)向塊的軸向滯后量很小，產(chǎn)生的力偶也很小，所以橫向振動一般不是太嚴(yán)重，但 如果振動頻率接近橫向振動的固有頻率時會發(fā)生共振，這是應(yīng)該避免的。 鉆削精密深孔扭振發(fā)生裝置的設(shè)計(jì) 13 2.2.3.2 鉆桿的彎曲振動鉆桿的彎曲振動 在橫向振動中，會引起鉆桿的彎曲振動。產(chǎn)生彎曲振動的另一個原因是采用了單刃 刀具，使軸向力不過軸心(見圖 2-6)。 圖2-6軸向力不過軸心 小直徑內(nèi)排屑深孔鉆頭一般都是單刃刀具，單刃切削時軸向力的合力不是作用在鉆 頭中心，偏置的軸向力必然引起鉆桿的彎曲，同時由于它周期性地變化，必然也會引起 鉆桿的彎曲振動。鉆桿的彎曲振動是這兩

53、種振動的合成。當(dāng)振動頻率接近系統(tǒng)的固有頻 率時，也會產(chǎn)生共振，當(dāng)然也應(yīng)該避免。 2.2.4 振幅損失振幅損失 由于鉆桿剛性較差，特別是當(dāng)孔徑越小，鉆桿越長時，剛性就越差。這就使得鉆柄 處的振幅傳到鉆頭時變小，即振幅損失。如果用 來表示振幅的損失率，則 (2- A ASinAASinA A A2/1 )2/(22)2/(2(11 222121 11) 顯然，當(dāng) i 越接近 05，即相位差接近 ，振幅損失越大，當(dāng) i=0.5 時，振幅損失 率為最大值： (2-12) A AA)(1 12 max 令, tm Ak xt m F x nn sin ),(2/1sin )( )2/sin( 22 2

54、22 0 1 由此式可知，鉆頭的振動是由和兩部分組成，其中，完全是由變化的切削力 1 x 2 x 1 x 引起的附加振動，是由鉆柄的振動引起的，二者的相位差為。當(dāng)時，鉆 2 x 2 )( 5 . 0i 頭的振幅最小，當(dāng)時，鉆頭的振幅最大?？梢?，當(dāng)變化的切削力引起系統(tǒng)的振幅越0i 大，振幅損失就越大。同時由式(7)可看出，減小振幅損失的的途徑有：減小相位差， 但這受到斷屑要求的制約；增大和，增大 A 太多會使得鉆頭承受的交變切削力幅 2 AA 值太大，沖擊增大，影響鉆頭壽命。增大必須增大彈性系數(shù) k，即增大鉆桿的剛度。鉆 2 A 桿剛性越好，振幅損失越小。所以，采用內(nèi)排屑深孔鉆的振幅損失將小于采

55、用槍鉆的振 幅損失。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 鉆削精密深孔扭振發(fā)生裝置的設(shè)計(jì) 15 3 深孔加工的高效解決方案深孔加工的高效解決方案 3.1 深孔加工深孔加工 就刀具本身而言，通過提高自身的加工效率、延長使用壽命可以降低其在生產(chǎn)成本 中所占的比例。為縮減過去占制造成本 15%20%的切削液成本，干式、半干式切削得到 逐步推廣，開始替代傳統(tǒng)的濕式切削。與此同時，刀具制造廠商開始將適應(yīng)干式、半干 式切削的刀具商品化，以進(jìn)一步降低零部件的制造成本。 在切削刀具中，孔加工用的鉆頭尤其不易實(shí)現(xiàn)干式、半干式切削。進(jìn)行干式加工時， 由于不能通過使用冷卻劑達(dá)到冷卻與潤滑的效果，致使切削部位的溫度會迅速

56、上升，使 刀刃急劇磨損，刀具壽命急速縮短。特別是在切削熱易蓄積的孔加工中，熔結(jié)在刀具上 的被加工材料脫落后會造成刀刃的顯著損傷，再加上缺乏冷卻液的排屑功效，切屑堵塞 很容易造成鉆頭折斷，使加工不穩(wěn)定。令人遺憾的是，至今為止，孔的干式加工的實(shí)用 化仍未能實(shí)現(xiàn)。 圖 3-1 深孔加工用硬質(zhì)合金整體鉆頭 目前，除了鋁合金、耐熱合金材料的加工之外，采用最少量冷卻劑的半干式加工正 在得到推廣和普及，在深孔加工中也已開始得到采用，如至今仍很難加工的以10/DL 上的深孔已經(jīng)能夠用非步進(jìn)法進(jìn)行加工了。 以往的深孔加工主要使用高速鋼鉆頭、槍鉆。為了避免孔彎曲而采用小進(jìn)給方式加 工，為防止切屑堵塞而采用步進(jìn)方式

57、加工，致使生產(chǎn)效率一直很低?，F(xiàn)在，這個問題已 經(jīng)得到了解決，三菱公司開發(fā)出的可實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量加工的硬質(zhì)合金整體鉆頭（如圖 3-2 所示） ，目前在汽車制造業(yè)已經(jīng)得到應(yīng)用。 被削材料：FCD700 刀具直徑：6（內(nèi)冷型） 切削條件：Vc=60m/min fr=0.15mm/r 孔 深：150mm（通孔） 切 削 液：乳性液 10% 7MPa 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 圖 3-2 切削性能比較 這種硬質(zhì)合金整體鉆頭的特點(diǎn)是螺旋排屑槽形狀由窄變寬，加工的深孔時20/DL 不需步進(jìn)進(jìn)給，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)給，一次完成加工。 當(dāng)加工球墨鑄鐵時，如圖 3 所示，使用普通鉆頭切削，當(dāng)時就會因切屑堵3 .

58、5/DL 塞鉆頭發(fā)生折斷現(xiàn)象而無法繼續(xù)加工下去。而采用最新的深孔加工用硬質(zhì)合金整體鉆頭， 的深孔也可用非步進(jìn)進(jìn)給方式實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定加工，且未見切削動力消耗的上升。25/DL 圖 3-3 與以往加工方法的比較（加工時間） 圖 3-3 所示的是最新深孔加工用硬質(zhì)合金整體鉆頭與以往的深孔加工用鉆頭切削時間 的對比情況。采用直徑為 6.18mm 的內(nèi)冷型鉆頭，加工的深孔，分別采用各mmLd150 自推薦的常規(guī)切削條件進(jìn)行加工。結(jié)果顯示，整體硬質(zhì)合金鉆頭的加工時間大約是以往 加工方式的 1/5（與槍鉆相比）1/10（與高速鋼鉆頭相比） ，大幅提高了生產(chǎn)效率。 被削材料：S40C 曲軸 刀具直徑：6.18（內(nèi)冷

59、型） 切削條件：Vc=89m/min fr=0.2mm/r 孔 深：100mm（通孔） 切削液壓：1MPa M.Q.L 加工（30cc/hr) 以往鉆頭 深孔加工 用鉆頭 0 20 40 60 80 切削長度 （m） 深孔加工用硬質(zhì) 合金整體鉆頭 槍鉆 高速鋼鉆頭 高速鋼鉆頭（步 進(jìn)進(jìn)給加工） 鉆削精密深孔扭振發(fā)生裝置的設(shè)計(jì) 17 4 發(fā)生裝置設(shè)計(jì)發(fā)生裝置設(shè)計(jì) 4.1 裝置總體方案裝置總體方案 精密深孔鉆削是機(jī)械加工中較難的問題,特別是在難加工材料上的鉆削小直徑深孔,難 度更大。一般情況下,用槍鉆來加工小直徑深孔,雖然冷卻潤滑和排屑都有較大的改善,但斷 屑并未解決。振動鉆削技術(shù)是一種新的鉆削方

60、法,在小直徑深孔加工中能有效地?cái)嘈?有利 于深孔鉆削中排屑問題的解決。由于振動鉆削所具有的特點(diǎn),國內(nèi)外已在許多難加工材料 的鉆削中采用了振動鉆削。實(shí)現(xiàn)振動鉆削的關(guān)鍵之一是振動鉆削裝置。各種振動鉆削裝 置所能產(chǎn)生的穩(wěn)定的振動參數(shù)差別很大,因此,在實(shí)用上都有一定的局限性。 槍鉆是一種外排屑深孔鉆，其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。通常切屑是被由刀具孔內(nèi)流入切削 區(qū)的高壓切削油沖出孔的。如果切屑為連續(xù)不斷的帶狀屑，即使增大供抽壓力也難以可 靠地沖出切屑，因此導(dǎo)致扭斷刀頭或刀桿的現(xiàn)象，所以槍鉆加工深孔時的切屑處理主要 是斷屑問題。 圖4-1 槍鉆結(jié)構(gòu) 一般來說，振動裝置應(yīng)滿足下列一些要求: 1.單位功率要大，即在

61、一定的功率下具有最小的輪廓尺寸，能夠滿足盡可能廣泛的工 藝要求； 2.振動參數(shù)(頻率與振幅)最好能單獨(dú)無級調(diào)節(jié)，可調(diào)范圍要盡可能大，以便使同一種 振動裝置能滿足不同工種、不同工序的特殊需要； 3.頻率特性要穩(wěn)定，即要求受負(fù)載的影響越小越好 e； 4.振動部分的質(zhì)量要適當(dāng)，即要求附加的振動部分質(zhì)量不會引起工藝系統(tǒng)的振動，以 保證在切削過程中工藝系統(tǒng)能平穩(wěn)工作； 5.要有足夠長的使用壽命，振動裝置中的易損件要便于更換； 6.工作要平穩(wěn),噪聲要小； 7.結(jié)構(gòu)要簡單，制造要方便，要容易和現(xiàn)有機(jī)床配套使用，甚至成為通用的機(jī)床 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 18 部件； 8.和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的連接要簡便、可靠，若用

62、螺紋一類的連接方式，必須采取防松措施。 振動裝置的類型若按振動的能源分類，可分為強(qiáng)迫振動裝置和自激振動裝置。強(qiáng)迫 振動裝置可根據(jù)實(shí)際需要，在一定范圍內(nèi)隨機(jī)改變振動參數(shù)，它受切削過程的影響較小， 在切削過程中容易維持振動參數(shù)的穩(wěn)定性,因此應(yīng)用最多。強(qiáng)迫振動切削裝置有機(jī)械、電 磁、電氣、氣動和液壓等形式；也可以根據(jù)具體需要組成各種組合形式的振動裝置，如 機(jī)械-液壓、電氣-液壓等。機(jī)械式振動裝置結(jié)構(gòu)簡單，造價低,使用和維護(hù)方便，切削過程 中振動參數(shù)受負(fù)載影響較小，其結(jié)構(gòu)有偏心式、曲柄-滑塊式、四連桿機(jī)構(gòu)等。偏心式振 動裝置由電動機(jī)、振動軸、偏心輪、偏心輪軸等組成。 本人設(shè)計(jì)的是可用在車床上的低頻扭振

63、裝置。 為了使制造簡單方便，并考慮到工廠生產(chǎn)時加工工序比較固定，所以本裝置采用偏 心量不可調(diào)的方案，取最常用的 1mm 作為偏心量。結(jié)合各種因素初步設(shè)計(jì)方案如下： 在普通車床上，卸下刀架,在小溜板上安裝上機(jī)械式扭轉(zhuǎn)振動鉆削裝置。這種裝置由 偏心式振動機(jī)構(gòu)、槍鉆、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和切削液循環(huán)系統(tǒng)等組成，車床主軸通過夾盤帶動工 件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(主運(yùn)動)，偏心振動機(jī)構(gòu)帶動槍鉆作圓周方向振動(扭振)，小溜板帶動槍鉆 作軸向進(jìn)給運(yùn)動，高壓切削液通過槍鉆中心孔注入切削液，通過這種方法實(shí)現(xiàn)小徑深孔 低頻扭振鉆削加工。 如圖 4-2 所示。電動機(jī)轉(zhuǎn)速為,經(jīng)一級皮帶帶動偏心軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)速使偏心旋轉(zhuǎn)，利 1 n 2 n 用偏心

64、軸軸端的偏心銷釘使擺桿上下擺動，擺桿與振動軸相連接，槍鉆夾持在振動軸的 中心內(nèi)，這樣槍鉆就在圓周方向以 100/左右的振動頻率進(jìn)行扭振鉆削加工。調(diào)節(jié)槍 鉆扭振頻率的方法：一是更換皮帶輪改變傳動比；二是采用調(diào)速電機(jī)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。本 裝置選用調(diào)速電機(jī)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。 圖 4-2 扭轉(zhuǎn)振動鉆削結(jié)構(gòu)簡圖 鉆削精密深孔扭振發(fā)生裝置的設(shè)計(jì) 19 圖4-3 機(jī)械式扭轉(zhuǎn)振動鉆削裝置 1. 機(jī)床 2. 工件 3. 中心架 4. 授油器 5. 鉆桿 6. 支撐架 7. 抽屑裝置 8. 電機(jī) 9. 振動裝置 4.2 電機(jī)的選擇電機(jī)的選擇 本裝置定為低頻扭振，所以取其振動頻率Hzf1000 設(shè)偏心軸轉(zhuǎn)速為 則由公式 1 n 可算出 (4-1)60/ 1 nf rpmn60000 1 圖 4-4 電機(jī)裝置結(jié)構(gòu)簡圖 如圖 4-4：中間軸為偏心軸，右端為電機(jī)，它們之間用帶傳動 當(dāng)偏心軸以 的速度高速旋轉(zhuǎn)時rpmn60000 1 設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)速為 n， 取帶傳動公比5 . 0i 由公式 nni/ 1 可得 rpmn30000 無