深孔加工的振動鉆削與斷屑

【摘 要】本文結合生產實際，針對深孔加工存在的問題，通過切削實驗，探討了切屑形態變化與切削參數之間的關系，總結出斷屑的最佳切削條件。

【關鍵詞】深孔加工；振動鉆削；斷屑；加工精度

一、振動鉆削簡介

所謂振動切削就是在傳統的切削過程中給刀具或工件以適當方向、一定頻率和振幅的可控振動，使切削用量按給定的規律進行工作，一邊切削，一邊振動，形成一種本質上與傳統切削過程不同的新穎的切削方式，實際上是一種脈沖切削。其突出特點：瞬時切削速度高；刀具與工件接觸是間斷的、變化的。

二、振動鉆削機理

（1）振動切削原理。低頻軸向振動鉆孔是在鉆頭的軸向加上有規律的振動。鉆孔時，工件旋轉，鉆頭邊進給邊做軸向振動。振動切削時，根據刀具的振動頻率和工件的運動速度的關系，均等地分割出工件上的Lt的大小，并且使這一部分有規律地變形成為切屑。如圖1所示。

切削時，Lt越短，Lt越容易變形。由于Lt=V/f，那么，改變V或f，都能控制Lt的長度。振動切削的效果是受Lt的大小影響的。決定振動切削性能的Lt，在振動頻率f一定的情況下，切削速度V越低，Lt就越短；在切削速度V一定的情況下，振動頻率f越高，Lt就越短。（2）振動鉆削的斷屑機理。假定以鉆頭開始切入的起始點為坐標原點，鉆頭進給方向為正方向，則鉆頭切削刃上任意一點的軸向位移為：x=ms+■+asin（wt+φ） （1）。當振動鉆頭相鄰的波形不發生干涉時，切削層面積是連續不斷的；而發生干涉時，切削層重復性間斷，切削層單元保持一致。如圖2所示。圖中陰影部分是切削層面積。圖2所示為一周內切屑的形態與振動波形及其相位角的關系?？梢姡寒敠?0°時，波形無干涉，切屑為連續的帶狀切屑。當φ=120°時，波形干涉，刀具由于切出、切入點不斷變化，使得切屑間斷，以利斷屑、排屑。相位角φ=0°時的波形。

發生干涉時的條件為：■<1（2），令λ=60f/n并代入（2）式得：■<1 （3），即■>1（4）。由（4）式可知，要發生干涉，振幅和進給量必須滿足以下條件：2a/s≥1，即s≤2a。由以上分析可得發生干涉的必要條件為：一是進給量s必須小于雙振幅2a；二是發生干涉時，入不能為整數，即f/n不能為整數。由于相位角φ=2π（60f/n-k）=2π（λ-k），相位角入不同時，干涉情況不同，當φ接近于兩個邊界值φ1和φ2時，干涉區域很小。

三、實驗數據分析

（1）斷屑實驗分析。第一，斷屑實驗數據。由表1可得出如下結論：一是當2a/s固定不變，使60f/n變化時，60f/n越接近整數，斷屑效果越不好。且當頻轉比f/n增大，切屑變小。由理論分析可知，此時刀具振動波長減小，切削單元變小，因而有利斷屑。二是當2a/s、k（刀具振動一周內完整波形個數）固定時，相位角變化，實驗中還發現φ=126°、φ=252°這兩種條件下切屑大小基本相同，由理論分析可知：對稱于180°位置，切削路程基本相同，因而切屑大小基本相同。第二，斷屑原因分析。一是切屑厚度的不斷變化有利于斷屑。振動切削時，切屑厚度方向上留下與振動頻率相關的波紋，在高壓切削液和容屑空間作用、限制下，很容易從切屑的強度較差部位折斷，達到斷屑效果。二是刀桿的軸向振動有利于斷屑。由于鉆頭的進給量很小，當軸向的振動雙振幅大于進給量時，就實現了分離切削，切屑也就被強制性切斷。（2）加工精度分析。第一，加工精度數據。尺寸精度對比：普通切削時，圓度：9μm；振動切削，f=20Hz，a=0.07mm時，圓度7μm；振動切削，f=28Hz，a=0.07mm時，圓度6μm。表面粗糙度對比：普通切削時，表面粗糙度Ra：0.69μm；振動切削f=20Hz，a=0.07mm時，表面粗糙度Ra：0.33μm；振動切削f=28Hz，a=0.07mm時，表面粗糙度Ra：0.32μm。第二，原因分析。切削扭矩的減小有利于提高表面加工質量；良好的斷屑效果有利于提高表面加工質量；抑制了積屑瘤的形成，有利于提高表面加工質量。

四、結論

綜上可得如下結論：一是振動鉆孔是由刀具運動造成斷屑，比其它形式斷屑可靠，是目前較為有效的斷屑方法。二是振動鉆孔的切屑形態可通過改變切削參數來控制，以達到最佳狀態。三是振動鉆孔是改善加工表面質量的有效途徑，可廣泛適用于深孔、精密孔的加工，應用前景廣闊。

參 考 文 獻

[1]隈部淳一郎著.振動切削與深孔加工[M].北京：科學出版社，1986

[2]頤崇銜著.金屬切削原理[M].北京：機械工業出版社，1982