釬桿內孔的液壓低頻振動擴孔工藝實驗*

徐林紅，劉志凡，高 尚，饒建華

(中國地質大學(武漢) 機械與電子信息學院， 湖北 武漢 430074)

釬桿是井巷工程連接鉆頭和鑿巖的機具，礦山井巷工程中使用的釬桿一般多為六角中空鋼和圓形中空鋼。中空鋼釬桿在熱軋成形過程中，其內孔表面容易產生0.1～0.3 mm深度的脫碳層和裂紋層，而使得釬桿強度降低，從而影響釬桿的使用壽命[1-3]。目前國內外常用的解決方法是內孔防腐處理[4]和內襯合金管處理[5]，但這兩種方法只是覆蓋裂紋，延緩裂紋擴散的時間，并不能根除釬桿孔內的脫碳層和裂紋層。為完全去除脫碳層和裂紋層的影響，本文采用擴孔工藝對中空鋼釬桿內孔表面進行加工，從而達到完全去除脫碳層和裂紋層的目的。由于釬桿內孔的長徑比為30～100，屬于典型的深孔加工。同時H22-SiMnCrNiMo中空鋼釬桿為中碳硅錳結構鋼，釬桿中的Cr元素會增加刀具和材料之間的黏結性能，釬桿中的Ni元素會產生加工硬化。上述情況將導致在擴孔過程中出現排屑困難、鉆削溫度高、加工精度低、刀具壽命短等問題。針對以上問題，本文利用振動擴孔的方式來去除釬桿內孔中的脫碳層和裂紋層。

目前研究振動擴孔的文獻較少，但對振動鉆削的研究則比較深入。由于兩者都屬于典型的孔加工工藝，因此對振動擴孔的研究可借鑒振動鉆削工藝。振動鉆削是在加工孔過程中為鉆頭(或工件)增加規則和受控的振動，從而可以周期性改變切削量。Okamura等[6]對Ti-6Al-4V進行低頻振動鉆削實驗，發現低頻振動鉆削會減小切屑厚度、降低鉆孔溫度。Debnath等[7]使用TriboMAM刀具對碳纖維增強基復合材料(Carbon Fibre-Reinforced Polymer, CFRP)層壓板進行頻率振幅可調的振動鉆削實驗，發現脈沖式鉆削特性可降低加工溫度，提高內孔表面的加工質量。Bleicher等[8]采用液壓磁浮軸承系統對CFRP/C45E進行低頻振動鉆削實驗，發現低頻高振幅會更容易產生短切屑，同時會減少工件邊緣毛刺的形成和刀具磨損。Paulsen等[9]使用電磁激振器對Al7075進行低頻振動鉆削實驗，發現振動軌跡為正弦曲線時可以改變切屑形狀。Lotfi等[10]采用超聲振動輔助鉆削45號鋼，發現超聲振動減少了工件和鉆頭之間的傳熱時間，且產生更短的切屑。Sugihara等[11]提出了利用超低頻振動進行切削，超低頻振動范圍為1～10 Hz。實驗結果表明：在干加工條件下，此方法顯著減少了加工中的月牙洼磨損。

目前針對振動鉆削的研究大多集中在鉆削深度小、采用麻花鉆的振動鉆削，對于深孔的振動鉆削工藝研究較少。由于低頻振動比高頻振動能夠更加有效地控制斷屑，因此在振動頻率的選擇上本文選擇低頻振動。目前常用的低頻激振器包括電磁激振器、機械激振器和液壓激振器等，其中液壓式激振器由于輸出功率大、負載能力強、振幅頻率調節方便、性能穩定，更適合本文中的深孔擴孔加工條件。因此，本文借鑒低頻振動鉆孔工藝，采用液壓低頻振動輔助槍鉆對中空鋼釬桿進行深孔擴孔，研究振動參數對擴孔表面質量、斷屑情況及鉆削溫度的影響和加工參數對振動擴孔表面質量、斷屑情況的影響。

1 實驗條件

1.1 低頻振動鉆削的完全幾何斷屑條件

振動鉆削中若被切削層的厚度能夠達到零，即刀具和工件完全分離，在一定的時間內不存在切削層的厚度，屬于完全幾何斷屑。滿足完全幾何斷屑條件時，最小軸向切削厚度hmin<0，可表示為：

(1)

即

(2)

其中：f是進給量，單位為mm/r；n是主軸轉速，單位為r/min；A為振動的振幅，單位為mm；F為振動頻率，單位為Hz；K為工件旋轉一周包含的完整振動周期數目。

經過計算，當轉速為500 r/min、進給量為0.10 mm/r時，達到完全幾何斷屑的振動頻率范圍是18.1～23.6 Hz、26.4～31.9 Hz和35.7～41.2 Hz，振幅最大值需大于0.05 mm。

1.2 工作臺搭建及振動參數確定

本實驗采用的液壓低頻激振器裝置結構如圖1所示，包括振動軸、彈簧、活動閥門、振動器主體。調速電機旋轉帶動活動閥門旋轉，實現液路的導通與關斷，液路關斷時液腔內液壓驟增發生液擊現象，高壓產生的脈沖力使活塞向下運動壓縮彈簧，液路導通時活塞受彈簧力作用向上運動，液路周期性地導通與關斷，振動軸受迫上下運動形成振動。該激振器可通過調節調速電機轉速控制振動頻率，通過調節泵站液壓控制振動振幅。

圖1 液壓激振器內部結構Fig.1 Hydraulic vibrator internal structure

振動擴孔實驗在CA6140車床上完成，液壓激振器、液壓泵站、激振器固定架等的安裝如圖2所示。將激振器安裝在原車床刀架的位置，槍鉆通過刀具夾頭固定于激振器振動軸處，釬桿試樣裝夾在機床三爪卡盤上，槍鉆末端利用中心架進行輔助支撐，安裝時需保持激振器振動軸軸心、槍鉆軸心和釬桿試樣軸心處于同一條水平直線上。

圖2 液壓振動擴孔工作臺示意圖Fig.2 Schematic diagram of hydraulic vibration reaming platform

激振器頻率及振幅測量系統如圖3所示。系統主要由位移傳感器、壓力傳感器、數據采集卡、數據采集器、計算機和相關附件組成。在本實驗中，位移傳感器和壓力傳感器安裝于激振器振動軸前端。位移傳感器用于測量激振器振動軸前端的位移，即激振器的振幅。壓力傳感器用來測量振動器輸出端的壓力特性。

圖3 激振器頻率與振幅測量系統Fig.3 Measurement system of vibrator frequency and amplitude

由于位移傳感器固定在機床上，槍鉆的進給運動會影響激振器振幅測定。因此，激振器振幅需要在靜態時測得。為大致確定鉆削力范圍，在轉速為500 r/min、進給量為0.10 mm/r的普通擴孔條件下，對內孔直徑為10 mm的釬桿內孔進行擴孔實驗，利用測力儀測得軸向力約為500 N。根據上述完全幾何斷屑條件及激振器的工作頻率，本實驗設置的頻率為20.4 Hz、28.2 Hz、36.7 Hz。在此3種頻率下，對負載為500 N的激振器的振幅進行測試。測試結果分別為：頻率為20.4 Hz時，振幅為1.11 mm；頻率為28.2 Hz時，振幅為0.89 mm；頻率為36.7 Hz時，振幅為0.58 mm。

2 實驗材料及實驗方法

實驗所用試樣為某鋼廠生產的H22-SiMnCrNiMo中空鋼釬桿，屬中碳硅錳結構鋼，其各元素質量分數如表1所示。經測試，該試樣表面硬度為50HRC，芯部硬度為40HRC。試樣橫截面外輪廓為正六邊形，對邊長度為35 mm，中心為直徑為10 mm的通孔，長度為0.3 m和0.5 m，熱軋成形后的中空鋼釬桿及其內孔表面如圖4所示。

表1 釬桿各元素質量分數Tab.1 Chemical composition of the drill rod %

圖4 熱軋成形后的中空鋼釬桿及其內孔表面Fig.4 Hollow steel drill rod and its inner hole surface after hot rolling process

實驗選用整體硬質合金單刃槍鉆，尺寸為Φ12 mm×700 mm，尾部刀柄尺寸為Φ16 mm×70 mm，槍鉆整體和主切削刃如圖5所示。

圖5 硬質合金槍鉆及其主切削刃Fig.5 Carbide gun drill and its main cutting edge

本實驗的目的是研究不同振動參數和加工參數如轉速及進給量對加工過程的影響。根據完全幾何斷屑條件及激振器特性與車床特性，選取的實驗參數分別如表2、表3和表4所示。

表2 振動參數對加工過程影響實驗方案Tab.2 Experimental scheme of the influence of vibration parameters on the machining process

表3 進給量對加工過程影響實驗方案Tab.3 Experimental scheme of the influence of feed rate on the machining process

表4 轉速對加工過程影響實驗方案Tab.4 Experimental scheme of the influence of speed on the machining process

3 結果和分析

3.1 切屑分析

3.1.1 振動參數對切屑的影響

普通擴孔切屑主要為帶狀連續切屑和螺旋圓錐形切屑，切屑較長且卷曲嚴重，而低頻振動擴孔切屑主要為扇形切屑、梯形切屑和C形切屑，切屑較短，如圖6所示。在振動擴孔加工過程中，刀具與工件周期性的分離導致切屑底部瞬間氧化，減少了切屑與刀具之間的黏結，使斷屑更容易產生。

(a) F=0 Hz，A=0 mm (b) F=20.4 Hz,A=1.11 mm

(c) F=28.2 Hz，A=0.89 mm (d) F=36.7 Hz，A=0.58 mm圖6 不同振動參數擴孔加工切屑的總體圖Fig.6 Overall diagram of chips under different vibration parameters

在n=500 r/min、f=0.1 mm/r條件下，相對于普通擴孔，低頻振動擴孔切屑的鋸齒邊緣情況得到改善，且當F=36.7 Hz、A=0.58 mm時，鋸齒邊緣情況最輕，如表5所示。在普通擴孔加工過程中，積屑瘤和鱗刺的產生增大了零件表面粗糙程度，而低頻振動擴孔可以減少積屑瘤與鱗刺現象，使刀具與工件之間摩擦程度減小，同時降低了加工時的扭矩。

表5 不同振動參數振動擴孔的切屑形狀Tab.5 Chip shapes of vibrating reaming under different vibration parameters

由于長度較大的切屑能夠對纏屑和排屑產生較大的影響，因此對不同振動參數下擴孔加工中較長的的切屑分別進行10次測量，結果如表6所示。在n=500 r/min、f=0.1 mm/r條件下，相對于普通擴孔，低頻振動擴孔的切屑長度更短，且當F=36.7 Hz、A=0.58 mm時，切屑長度最短。這是因為普通擴孔的切屑積累到足夠長度達到應力極限會斷屑，而振動擴孔在未達到應力極限前，由于切削厚度逐漸減小，切屑與工件連接處材料逐漸減少至零，形成斷屑。當F=36.7 Hz、A=0.58 mm時，最大切削厚度最小，且切屑與工件連接處材料逐漸減少至零時所需的時間最短，因此切屑最短。

表6 不同振動參數下的切屑長度Tab.6 Chip lengths under different vibration parameters 單位：mm

3.1.2 進給量及轉速對切屑的影響

表7和表8為F=36.7 Hz、A=0.58 mm、n=500 r/min時，不同進給量下的切屑形態和切屑長度分別進行10次測量。當進給量在0.80～0.12 mm/r范圍內增大時，切屑的長度明顯增大。這是由于隨著進給量在0.80～0.12 mm/r增大，最大切削厚度變大，引起切屑尺寸的增大。

表7 不同進給量下的切屑形態Tab.7 Chipshapes under different feed rates

表8 不同進給量下的切屑長度Tab.8 Chip lengths under different feed rates 單位：mm

表9和表10為F=36.7 Hz、A=0.58 mm、f=0.1 mm/r時，不同轉速下的切屑形態和切屑長度分別進行10次測量。可以看出，轉速對振動擴孔加工切屑長度的影響不大。轉速對切屑長度的影響主要通過影響頻轉比(即F/n)，從而影響相位差來實現。在頻率一定的情況下，轉速的變化只改變了切削速度，沒有改變槍鉆在一個周期內的振動次數，故轉速對理論切屑長度影響不大。

表9 不同轉速下的切屑形態Tab.9 Chip shapes under different speeds

表10 不同轉速下的切屑長度Tab.10 Chip lengths under different speeds 單位：mm

3.2 表面形貌分析

3.2.1 振動參數對內孔表面形貌的影響

以平行于孔軸線為基準，采用電火花線切割，對不同振動參數加工下的試樣進行軸向剖分取樣，并利用NIKON SMZ745T體視變焦顯微鏡對釬桿內孔表面進行觀察。圖7為不同振動參數下擴孔加工的內孔表面形貌。經過普通擴孔和低頻振動擴孔加工，釬桿內孔表面的脫碳層與裂紋層都已完全去除。在n=500 r/min、f=0.1 mm/r條件下，相對于普通擴孔加工，低頻振動擴孔加工的內孔表面更光滑均勻，顆粒度低，無明顯劃痕、凸起和凹陷，其加工質量優于普通擴孔的情況，且當F=36.7 Hz、A=0.58 mm時，內孔表面刀痕和劃痕最少。在普通擴孔加工過程中，積屑瘤和鱗刺會損傷內孔表面，而低頻振動擴孔具有良好的斷屑、排屑效果，避免了切屑與孔壁在摩擦過程中所產生的劃傷，同時振動擴孔附加的軸向往復運動對加工工件產生一定的沖擊，降低了刀具與工件間的擠壓和摩擦，使金屬材料更具脆性，減小了切削熱的產生，降低了切削溫度，從而減少了對內孔孔壁的劃傷。此外，切屑的變長導致切屑在排出過程中會對孔壁表面造成劃傷，產生溝槽。因此當F=36.7 Hz、A=0.58 mm時，內孔表面刀痕和劃痕最少。

(a) F=0 Hz，A=0 mm

(b) F=20.4 Hz，A=1.11 mm

(c) F=28.2 Hz，A=0.89 mm

(d) F=36.7 Hz，A=0.58 mm圖7 不同振動參數下的內孔表面形貌Fig.7 Inner hole surface topographies under different vibration parameters

3.2.2 進給量及轉速對內孔表面形貌的影響

圖8為F=36.7 Hz、A=0.58 mm、n=500 r/min時，不同進給量下的內孔表面形貌。當進給量在0.80～0.12 mm/r范圍內增大時，內孔表面的刀痕和劃痕增多。這是由于隨著進給量的增大，切屑尺寸變大，切屑排出時劃傷內孔表面的概率增大。

(a) f=0.08 mm/r

(b) f=0.10 mm/r

(c) f=0.12 mm/r圖8 不同進給量下內孔表面形貌Fig.8 Inner hole surface topographies under different feed rates

圖9為F=36.7 Hz、A=0.58 mm、f=0.1 mm/r時，不同轉速下的內孔表面形貌。轉速對內孔表面形貌影響較小，主要影響內孔表面劃痕的疏密程度。

(a) n=320 r/min

(b) n=400 r/min

(c) n=500 r/min圖9 不同轉速下的內孔表面形貌Fig.9 Inner hole surface topographies under different speeds

3.3 加工溫度分析

采用DM6801A接觸式測溫儀對槍鉆刀尖處進行測溫，圖10為n=500 r/min、f=0.1 mm/r時，普通擴孔與低頻振動擴孔加工時的刀具溫度隨時間變化圖。在擴孔時間達到30 s時，各組溫度均進入穩定階段。在n=500 r/min、f=0.1 mm/r條件下，相對于普通擴孔加工，低頻振動擴孔加工可以明顯降低加工溫度，且當F=36.7 Hz、A=0.58 mm時，加工溫度最低。這是由于振動擴孔斷續加工的特性，刀具與工件周期性地分離使刀具在此時間段內得到一定的冷卻。此外在加工過程中，較小的切屑可以被快速排出，并帶走大量的切削熱。當F=36.7 Hz、A=0.58 mm時，切屑最短，短切屑帶走大量的切削熱。因此，當F=36.7 Hz、A=0.58 mm時，加工溫度最低。

圖10 不同振動參數下的加工溫度Fig.10 Processing temperatures under different vibration parameters

4 結論

1)在n=500 r/min、f=0.1 mm/r條件下，相對于普通擴孔，液壓低頻振動擴孔可減小切屑尺寸，減少切屑表面鋸齒邊緣現象，優化內孔加工表面，減少刀痕和劃痕，降低加工溫度。且當F=36.7 Hz、A=0.58 mm時，切屑尺寸最小，內孔表面劃痕最少，加工溫度最低。

2)在F=36.7 Hz、A=0.58 mm、f=500 mm/r條件下，隨著進給量在0.80～0.12 mm/r范圍內增大，切屑長度變大，內孔表面的刀痕和劃痕增多。

3)在F=36.7 Hz、A=0.58 mm、f=500 mm/r條件下，轉速對切屑長度及內孔表面形貌影響較小。