數控機床振動鉆削運動學特性及加工參數優化

（泰州技師學院，機電工程系，江蘇泰州市，225300） 程林林

鈦合金作為一種具備抗高溫氧化、耐腐蝕、低彈性模量等多項優異特性的合金材料，目前已經成為航空航天器件、高鐵、精密機械結構等領域獲得廣泛使用[1-2]。但鈦合金存在難加工的問題，對其進行切削加工時會出現溫度明顯升高，引起組織發生冷硬轉變的過程，顯著增大了單位面積的切削作用力，最終導致刀具產生明顯的磨損缺陷[3-4]。

目前，少數學者開展了低頻振動鉆削方面的分析。本文通過麻花鉆對鈦合金實施振動鉆削測試，比較了不同加工參數下振動鉆削方式與普通鉆削方式形成的切屑特征與切削力差異。該研究有助于提高鈦合金振動鉆削加工參數參數，為后續的綜合性能提高奠定理論基礎。

1 振動鉆削的運動學特性

振動輔助鉆削時，振動施加方向分別為軸向振動和周向振動。相比較周向振動，軸向振動更易實現對孔壁質量的控制。振動輔助鉆削時，振動施加方向分別為軸向振動和周向振動。相比較周向振動，軸向振動更易實現對孔壁質量的控制。通過在刀具施加軸向振動后，切削刃的刀尖點運動軌跡。

2 試驗方案

圖1 所示，本實驗所使用的測試系統。三向測力儀型號為Kistler 9119AA2型動態測力儀，實現鉆削力和扭矩的測試功能。

圖1 試驗測量系統示意圖

表1所示本實驗的具體條件，鉆孔直徑為6mm，鉆孔深度為18mm，刀具選用的是高速鋼標準麻花鉆(M2)，振動刀柄的頻轉比1.8 和振幅0~0.20mm。本研究總共設計了三測試條件，包括切屑形態比較、鉆削力單因素測試與正交測試。正交試驗選擇鉆削速度v、振幅a、進給量s組成測試因素。

表1 正交試驗方案及結果

3 試驗結果及分析

表1 給出了正交試驗的具體方案與測試結果。圖2是對表1測試鉆削力進行作圖得到的鉆削力與鉆削用量、振幅的關系。

圖2 加工參數對鉆削力的影響

提高鉆削速度后，形成了明顯波動的軸向力與扭矩，但整體波動程度很小。進行鈦合金鉆削時，不同鉆削速度下的積屑瘤和摩擦力存在差異，從而引起鉆削力的變化，采用振動鉆削方式時則不會產積屑瘤，此時切屑和前刀面之間保持間斷接觸整體，發生了小幅摩擦變化，并未引起鉆削力的明顯改變。由于振動鉆削相對常規鉆削方式可以達到更小鉆削力，此時可以略微增加鉆削速度來提升加工效率。

當進給量持續增加后，軸向力與扭矩發生了顯著增大。這是因為提高進給量后會產生更大的切削面積，形成了更大的切削功與鉆削力，隨著進給量的提高，切削厚度發生了線性增加，并且變形系數與摩擦系數也發生了下降，由此形成了更小的鉆削力，從而使鉆削力和進給量之間并未形成正比變化趨勢[15]。

對0.05～0.15mm區間內進行測試時發現，當振幅提高后，發生了軸向力的降低，而扭矩則表現為先降低再升高的變化特征。這是因為當振幅增加后，橫刃處形成了變化幅度更明顯的工作角，使橫刃工作狀態獲得明顯優化，具備更強切削性能，導致軸向力發生降低，但也需注意當振幅太大時，會運氣切削刃切入階段發生工作后角的顯著降低，甚至形成負后角而出現刀具嚴重磨損的問題。

4 結語

本文開展數控機床振動鉆削運動學特性及加工參數優化分析可知，與常規鉆削方式相比，鉆削力發生了動態分量的顯著提升，更易生成切屑。本實驗振動鉆削形成的軸向力與扭矩均值相對常規鉆削方式下降比例為10%～15%。提高鉆削速度后，形成了明顯波動的軸向力與扭矩，但整體波動程度很小。軸向力與扭矩回歸值和測試值的誤差都未超過10%，表明本模型能夠達到可信度要求。