基于轴向位置的振动钻削切削力计算
超声轴向振动钻削机构的设计与研究
类 型 。选择 变 幅杆 时一 般 可
从 三 方 面 来 考 虑 ， 是 根 据 一
振 动 切 削 的具 体 要 求 ， 别 特 是放 大倍 数 ， 作 稳 定 性 、 工 切
削 用量等 来 选 择 合适 的变 幅
杆； 二是设 计 简单 ， 获得 较 可
准 确 的设 计 数 据 ； 是 加 工 三 制 造容 易 。此 设 计 选择 了 比 图２超声圆 变幅杆 锥形 较 容易加 工 的 圆 锥 型 变 幅 杆 （ ２） 材 料 为 调 质 ４ 图 ， ５
Ｅ ｅｔ ｃｌ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｃ ａ ｇｈ ４ ００， Ｈ ｌ ｒ ａ Ｅ ｇｎｅ ｎ ， ｈ ｎｚｉ ６ ０ Ｃ Ｎ） ｃ ｉ ｉ ０
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｂａ ｅ ｎ ｖｂ ａｉｎ ｃ ｔ ｎ ｈ ｏｙ，ｈ ｓｐａ ｅ ｅ ｅｏ ｄ ａ ｘ ａ ｉ ｒ ｔ ｎ ｄ ｌｉｇ ｍｅ ｈ ｎ ｓ ， ｎ ｄ ｓ ｄ ｏ ｉｒ ｔｏ ｕｔ ｇ ｔ ｅ ｒ ｔ ｉ ｐ ｒｄ ｖ ｌｐｅ ｎ ａ ｉ ｖｂ ａｉ ｒ ｌ ｃ ａ ｉｍ ａ ｄ ｍａ ｅ ｉ ｌ ｏ ｉ ｎ ｄ ｌｉ ｘ ｅ ｉ ｎ ｓｏ ｈ ｔｒａｓ ｗｈ ｃ ｓ ｄ ｆ ｃ ｌ ｔ ｒ ｃ ｓ ｎ ｔ ｅ ｖ ￣ｉａ ｃ ｉ ｉ ｇ ｃ ｎｅ ．Ｔｈ ｉ ｎｇ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ｎ ｔ ｅ ｍａｅ ｌ ｉｈ ｉ ｉｆ ｕ ｔ ｏ ｐ ｏ ｅ ｓ ｉ ｈ ｅ ｃ ｌｍａ ｈ ｎ ｎ ｅ ｔｒ ｒｌ ｉ ｉ ｅ ｒ ｓ ｌ ｈ ｗｅ ｈａ ｃ ｍｐ ｒ ｄ ｗｉｈ ｔ ｅ ｔａ ｉｉｎ ｌｄ ｌ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ，ｕｔａ ｏ ｉ ｉ ｒ ｔ ｎ ｄ ｌｉ ｇ ｈ ｄ ａ ｅ ｕｔ ｓ ｏ ｄ ｔ ｔ， ｏ ａ ｅ ｔ ｈ ｒ ｄｔｏ ａ ｒ ｌ ｇ ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｓ ｉ ｉ ｌ ｓ ｎ ｃｖ ｂ ａ ｉ ｒ ｌｎ ａ ｒ ｏ ｉ ｂ ｔｅ ｒ ｃ ｓ ｅ ｕ ｔ ， ｉｈ ｃ ｎ ｉ ｒ ｖ ｈ ｒ ｃ ｓ ｉ ｇ ｑ ａ ｉ ｎ ｆｉｉ ｎ ｙ ｏ ｍａｌｄａ ｔｒｄ ｅ ｅｔｒ ｐ ｏ ｅ ｓｒ ｓ ｌｓ ｗｈ ｃ ａ ｍｐ ｏ ｅ ｔ ｅ ｐ ｏ ｅ ｓｎ ｕ ｌ ｙ ａ ｄ ｅｆｃｅ ｃ ｆａ ｓ ｌ ｉｍｅｅ ｅ ｐ ｔ ｈ ｌ ｎ ｋ ｔａ ｈ ｅ ｅ ｔ ｒｌ ｄｅ ｐ ｈ ｌｓ ｏ ｈ ｔｒａ ｓｗｈ ｃ ｓｄ ｆ ｃ ｌ ｔ ｏ ｅ ｓ ｏｅ ａ ｄ ｍａ ｅ ｉ ｃ ｉｖ ｏ ｄ ｌ ｅ ｏ ｅ ｎ ｔ ｅ ｍａｅ ｌ ｉｈ ｉ ｉ ｕ ｔ ｏ ｐｒ ｃ ｓ ． ｉ ｉ ｉ Ｋｅ ｙｗｏ ｄ ｒ ｓ：Ｕｌ ａ ｏ ｉ ｂ ａｉ ｎ； ｂ ａ ｉｎ Ｄｒｌｉ ｇ； ｍａｌＤｉｍｅ ｅ ｅ ｌ ｔ ｓ ｎ ｃ Ｖｉｒ ｔｏ Ｖｉ ｒｔｏ ｉ ｌｎ Ｓ ｌ ｒ ａ ｔｒＤｅ ｐ Ｈｏｅ
轴向超声振动辅助磨削的磨削力建模_唐进元
Modeling on Grinding Force Assisted with Axial Ultrasonic Vibration
TANG Jinyuan ZHOU Weihua HUANG Yulin
(State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, Central South University, Changsha 410083)
1
轴向超声振动下单颗磨粒的运动 特性分析
图 1 为轴向超声振动辅助磨削的运动模型图，
从图 1 可以看出，砂轮上的单颗磨粒的运动由绕砂 轮轴线做等速圆周运动、相对于工件做等速平移运 动以及沿砂轮轴向的高频振动合成。
图1
轴向超声振动辅助磨削运动模型
图 2 为轴向超声振动下，单颗磨粒的运动轨 迹图。
图2
轴向超声振动下单颗磨粒的运动轨迹图
摘要：以单颗磨粒为对象，分析轴向超声振动下磨粒的运动特性。在此基础上，将磨削力分为切屑变形力和摩擦力两部分， 分别分析了轴向超声振动对切屑变形力和摩擦力的影响。在切屑变形力方面，轴向超声振动改变了磨粒运动方向与主切削方 向间的夹角；在摩擦力方面，轴向超声振动降低了磨粒与工件间的摩擦因数。基于此建立了轴向超声振动辅助磨削的磨削力 模型。 通过对 21NiCrMo5H 进行了轴向超声振动辅助磨削的磨削力试验， 确定了模型中的常数， 并验证了所建模型的正确性。 建立的磨削力模型是轴向超声振动辅助磨削的磨削力预测的一种有效方法， 对轴向超声振动辅助磨削机理的认识具有较大意 义。 关键词：轴向超声振动；磨削力建模；切屑变形力；摩擦力；磨削力预测 中图分类号：TG58
在轴向超声振动中超声振动作用下的摩擦力与没添加超声振动下的摩擦力之比为19将式16和17代入12中并乘以磨削接触区2023磨削力模型根据以上的分析可以得出轴向超声振动辅助磨削的磨削力模型如式21所示sincoscoscoscossin21由于超声振动的添加使得磨削力随时间呈现周期性的变化因此一个周期内的平均磨削力可以表示为ncncacaccb则超声振动辅助磨削加工的磨削力模型第52卷第15期期188fafa为常数通过试验数据确定
回转振动钻削切削力分析
・ 机械研究与应用 ・
3
回转振动钻削切削力分析
杜宇波
(陕西理工学院 ,陕西 汉中 723000)
摘 要 : 回转振动钻削是针对某些难加工材料的微小孔或加工工序而实施的有效方法之一 , 这种钻削方法改变了传 统的钻削机理 ,笔者对振动钻削的工作原理和特点进行了综述 , 并分析了回转振动钻削切削力的产生 , 总结 了影响回转振动切削力的主要因素 。 关键词 : 回转振动 ; 钻削 ; 切削力 ; 切削单元 中图分类号 : TG52 文献标识码 : A 文章编号 : 1006 - 4414 ( 2009 ) 06 - 0021 - 03
;③ 断续切削的周期性使回转钻屑层参数呈周
期性变化 ,实现强制断屑 ,使切屑容易处理 ,有效减少 刀具磨损 ,延长了刀具的寿命 , 同时还可减少或消除 切削加工中的自激振动 ,提高了生产效率 。
3 项 目 : 陕西省教育厅省级重点实验室科研计划基金资助项目 ( 05JS14)
收稿日期 : 2009 - 09 - 29 作者简介 : 杜宇波 ( 1963 - ) ,男 ,陕西兴平人 ,副教授 ,研究方向 : 精密加工技术 。
[3]
2 振动钻削的基本原理
在钻削加工过程中 , 当加工孔径较小时 , 刀具的 强度 、 刚度难以提高 ,钻头抗弯和抗扭强度大大减小 , 如果工件材料为难加工材料 ,这时孔的加工问题就成 为精密机械零件的关键 。回转振动钻削在钻头和工 件之间除了原有的匀速旋转运动外 ,引入了可控的周 期性回转振动 ,若刀具的振动速度与匀速旋转速度满
Fr + Ff ,如图 2 所示 。
2 2 [5] [4]
小 ,从而使切削力明显下降 。所以 , 振动切削更适宜 于难加工材料 。 ( 2 ) 刀具摩擦副对切削力的影响 。切屑与刀具 前刀面 、 刀具后刀面与加工表面构成摩擦副以摩擦力 形式产生切削力 ,在回转振动切削加工过程中 , 由于 振动切削的麻花钻切削刃与工件时切时离 ,使刀具与 切屑 、 刀具与加工表面摩擦时间缩短 ,同时 ,切削液也 很容易进入切削区 ,减小摩擦系数 ,从而降低摩擦力 , 使切削力明显减小 。 ( 3 ) 切削层参数对切削力的影响 。在回转振动 切削加工过程中 ,切削宽度与刀具直径有关 , 在刀具 确定时 ,切削宽度即为确定量 ,由于回转振动的影响 , 切屑层厚度无论是沿回转方向还是沿径向都是变化 的 。沿回转方向 ,刀具切入时切屑层厚度较大 , 切出 时切屑层厚度几乎减小为零 ; 沿径向 , 由于离钻心越 远 ,回转振幅越大 , 离钻心越近 , 回转振幅越小 , 这就 导致沿径向切屑的塑性变形程度不同 ,切屑层厚度也 不同 ,于是切削力就表现出强烈的脉动性 , 其切削过 程中的平均切削力大大减小 ,切屑形貌如图 3 所示 。
切削力计算的经验公式
切削⼒计算的经验公式切削⼒计算的经验公式切削⼒计算的经验公式2011-12-0521:31通过试验的⽅法，测出各种影响因素变化时的切削⼒数据，加以处理得到的反映各因素与切削⼒关系的表达式，称为切削⼒计算的经验公式。
在实际中使⽤切削⼒的经验公式有两种:⼀是指数公式，⼆是单位切削⼒。
1.指数公式主切削⼒(2-4)背向⼒(2-5)进给⼒(2-6)式中Fc--主切削⼒(N);Fp--背向⼒(N);Ff--进给⼒(N);Cfc、Cfp、Cff--系数，可查表2-1;xfc、yfc、nfc、xfp、yfp、nfp、xff、yff、nff--指数，可查表2-1。
KFc、KFp、KFf--修正系数，可查表2-5，表2-6。
2.单位切削⼒单位切削⼒是指单位切削⾯积上的主切削⼒，⽤kc表⽰，见表2-2。
kc=Fc/Ad=Fc/(apf)=Fc/(bdhd)(2-7)式中AD---切削⾯积(mm2);ap---背吃⼑量(mm);f----进给量(mm/r);hd--切削厚度(mm);bd--切削宽度(mm)。
已知单位切削⼒kc,求主切削⼒FcFc=kcapf=kchdbd(2-8)式2-8中的kc是指f=0.3mm/r时的单位切削⼒，当实际进给量f⼤于或⼩于0.3mm/r时，需乘以修正系数Kfkc，见表2-3。
表2-3进给量?对单位切削⼒或单位切削功率的修正系数Kfkc，Kfpsf/(mm/r)0.10.150.20.250.30.350.40.450.50.6Kfkc，Kfps1.181.111.061.0310.970.960.940.9250.9切削⼒的来源、切削分⼒⾦属切削时，切削层及其加⼯表⾯上产⽣弹性和塑性变形;同时⼯件与⼑具之间的相对运动存在着摩擦⼒。
如图2-15所⽰，作⽤在⼑具上的⼒有两部分组成:1.作⽤在前、后⼑⾯上的变形抗⼒Fnγ和Fnα;2.作⽤在前、后⼑⾯上的摩擦⼒Ffγ和Ffα。
这些⼒的合⼒F称为切削合⼒，也称为总切削⼒。
切削振动的产生及解决
90的主偏角铣刀比如CoroMill390刀体，配 以轻快的切削刃口刀片和正前角槽型的刀 片，切削力最为轻快。
内孔镗削时刀片刃形角越小越好
55 °
80°
这样副主偏角很大，副刃口与被加工面的颤动接触区小，颤动很难变 成振动，副切削刃挤屑的机会也小，例如在镗削内孔时，镗刀的主偏 角假设为93度，使用CCMT的刀片其副主偏角为7度，使用DCMT的 刀片副主偏角为32度，切削要轻快的多。但是刃形角小的刀片安全 性差。
细长杆立铣刀铣削深型腔时 常采用插铣方法
插铣就是刀具象钻头一样轴向 进刀，当铣削深的型腔时，通 常长杆的悬伸大于3倍的刀杆 直径，我们推荐使用轴向进刀 的插铣方法，但是立铣刀刀片 刃口有一定的径向切削刃，刀 具供应商有技术资料证明此刀 具在插铣时的最大吃刀宽度 PlungeMill是专门用于模具和 航空工业的大直径插铣刀，它 最大的特点是高效率和超大切 宽，通常用于大型深腔模具的 开粗。
调整切削参数的方法
调整切削参数只对切
削振动不严重的刀具 可能有效，一般的调 整方法如下：降低刀 具或者工件的回转速 度，减小切深并提高 刀具每转或者铣刀每 齿走刀量。在内螺纹 的车削中若产生振动 ，可将完成螺纹车削 的进刀步骤减少1至2 刀。。
合理安排走刀的工艺路线
合理安排走刀的工艺路线对于铣削加工 非常重要。铣削有顺铣和逆铣之分，传 统的铣削理论将逆铣有利于减少铣削振 动，其实是指有利于抑制丝杠的间隙产 生的振动。如今的铣削设备大都安装了 滚珠甚至滚柱丝杠，所以逆铣消振的意 义不大。无论是顺铣还是逆铣只要铣削 力的方向与工件的夹持方向一致就有利 于消除弯板类零件的振动如图
类似鱼鳞
类似鱼鳞但是之间的波纹很 大又平缓
高温合金轴向超声振动钻削减摩机理
高温合金轴向超声振动钻削减摩机理陈硕;邹平;田英健;毛亮【摘要】针对高温合金钻削困难、钻削过程中摩擦力大等问题,采用超声振动技术加工.首先,分析了超声振动减摩机理,构建了平均摩擦力与振动参数之间的关系,并得出了平均摩擦力与振幅之间的变化趋势.建立轴向超声振动钻削系统,利用该系统对高温合金进行钻削加工.结果表明:振动振幅对孔壁表面质量的影响符合超声振动钻削的减摩特性.利用优化后的振幅超声振动钻削,与普通钻削相比,切屑形态更加规整,孔壁表面粗糙度值更小,表面质量更好.【期刊名称】《东北大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(039)010【总页数】5页(P1485-1489)【关键词】超声振动钻削;减摩;振幅;切屑形态;粗糙度【作者】陈硕;邹平;田英健;毛亮【作者单位】东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳 110819;辽宁轨道交通职业学院机械工程系,辽宁沈阳 110023;东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳110819;东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳 110819;东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳 110819【正文语种】中文【中图分类】TG506.5;TH161高温合金GH4169是一种难加工材料[1],属于镍基合金的一种,具有高硬度、高韧性和高耐磨性,能够制造出各种形状复杂的零部件,广泛应用于宇航、核能、石油工业等领域.目前,GH4169高温合金孔加工多采用钻削加工,但传统钻削加工由于摩擦力大,极易使钻头出现磨损,切屑不易折断,缠绕在螺旋槽中,导致工件容易划伤,难以保证加工质量[2].为了改善钻削加工,采用超声振动加工技术[3],在钻削过程中,加入高频、低振幅的振动[4],可以实现更好的加工效果[5-6],有效降低刀具与切屑之间的摩擦力,易于断屑排屑[7],改善孔壁表面质量[8-9],非常适合难加工材料加工.1 振动减摩机理一个滑块放在一个倾斜的斜面上,使滑块与斜面处于临界状态,此时,如果对滑块施加一个振动,滑块就会沿着斜面滑下,说明了超声振动的减摩特性,如图1所示.图1 斜面滑块图Fig.1 Slope slider diagram根据对超声振动减摩机理的分析,建立了1个简单的摩擦副模型,如图2所示.物体1和物体2组成一个简单的摩擦副模型,物体2在以速度v运动的过程中,在静载荷W 的作用下作垂直于与物体1接触面的振动z.在振动z的作用下,物体1和物体2之间的实际载荷会发生变化,不再是固定的载荷,而是动载荷[10-11].振动z和物体1与物体2之间的动态载荷Wd的表达式为z=Acosωt ,(1)Wd=W-CAcosωt .(2)式中:A为振动振幅;ω为振动频率;C为常数.图2 摩擦副模型Fig.2 Model of friction pair对固体摩擦润滑理论的分析和相关参数的计算,可得在振动z的作用下,物体1与物体2之间的平均摩擦力F与振动之间的关系:(3)式中:为振动周期;c1为常数; v为物体2的运动速度;μk为临界摩擦系数.令常数c1=1 μm-1,W=100 N,v=0.1 m/s,C=8 N/μm,μk=0.25,当f=20 kHz时,通过改变振幅值得出平均摩擦力与振幅的关系,如图3所示.图3 平均摩擦力与振幅A的关系Fig.3 Relationship between average friction forceand amplitude由图3可知,振动频率固定时,随着振幅的逐渐增大平均摩擦力先逐渐减小,达到某一最小值后再逐渐增大,其中的最小值是随着参数的改变而改变的.虽然最小值不是统一的,但平均摩擦力随着振幅的增大有先减少后增大的趋势是统一的,因此,振动频率已知时,选择合适的振幅就会使平均摩擦力比没加振动时的低,而且,存在一个最佳的振幅,使得平均摩擦力最小.2 试验材料和加工方法试验钻削加工选用GH4169高温合金试件,直径25 mm,长30 mm.其泊松比、密度、弹性模量及抗拉强度分别为0.3,8 240 kg · m-3,200 GPa,965 MPa.所选的钻头材料为含钴高速钢,在高速钢的基础上加入5%～8%钴,钻头的硬度、耐热性能和韧性都显著提升,直径为6 mm.本试验中,轴向超声振动钻削加工系统基于CA6140型普通车床进行创建,换能器、变幅杆装入套筒并夹紧,之后将套筒固定在中心架上,套筒尾部伸入机床尾座固定夹紧.安装过程中使换能器、变幅杆、钻头的中心线保持一致,车床的尾座中心线与主轴回转中心线要保证统一,确保钻头准确钻削试件,防止钻头偏摆,换能器通过导线连接发生器,通电之后进行轴向超声振动钻削加工试验,加工过程不使用冷却液.超声振动钻削实物图见图4.图4 轴向超声振动钻削装置实物图Fig.4 Schematic diagram of axial ultrasonic vibrationdrilling device3 结果与讨论3.1 振幅对孔表面粗糙度的影响及分析在钻削试验中,先采用普通钻削,之后分别以振幅12,15,18,21,24 μm进行超声振动钻削,通过三维表面轮廓仪测量,考察振幅有无及振幅大小对孔壁表面粗糙度Sa的影响.在主轴转速为320 r/min时,分别加工试件,得出Sa随振幅的变化关系图如图5所示.普通钻削时, Sa值为2.16 μm.辅助超声振动技术钻削,粗糙度值均低于普通钻削.可以看出,超声振动钻削改善了孔的加工质量.超声振动钻削振幅从12 μm到15 μm,孔的表面粗糙度降低,表面质量较好,振幅15 μm时表面质量最好.之后随着振幅的升高,孔壁的粗糙度值升高,表面质量较差,可以看出,表面粗糙度随振幅的变化关系趋向于前述推导出的平均摩擦力随振幅的变化趋势.图5 表面粗糙度随超声振幅变化的关系曲线Fig.5 Relationship between surface roughness andultrasonic amplitude这是因为在钻削加工中,摩擦力对加工质量起至关重要的作用.在初始阶段,振幅较小时,钻头与孔之间摩擦力较大,孔表面粗糙度值高.随着振幅的逐渐增大,平均摩擦力相对普通钻削时的摩擦力有所降低,减小了刀具与孔的摩擦,使加工孔的表面粗糙度降低.当振幅达到15 μm时,平均摩擦力最小,即刀具与孔的摩擦最弱,加工孔的表面粗糙度值最低.但当振幅超过15 μm之后,随着振幅进一步增大,振动过程会产生比较大的冲击力,大的冲击力会增大刀具与孔的摩擦,加工孔的表面粗糙度值增大.通过上述分析可以看出,超声振动钻削加工振幅影响孔壁的表面质量,并趋向于平均摩擦力随振幅的变化趋势.3.2 钻削切屑形态分析切屑形态是反映钻孔加工中一个重要的因素,切屑的形状和排屑是否顺畅会导致加工表面质量和加工精度的不同.图6是在相同加工参数下得到的切屑形态.图6a为普通钻削的切屑形态,不易断屑,而且切屑较长,易缠绕钻头,显然增加了钻头-切屑-孔壁之间的摩擦力,加工过程不稳定,降低孔壁表面质量.图6b为超声振动钻削后的切屑形态,振动钻削最大的优点就是可以顺利实现断屑,钻削过程并不是发生在整个振动周期内,而是在振动周期内极短的一段时间内完成了切削过程,其他时间钻头与工件分离不进行切削过程,只有很小一部分的时间处在钻削状态,因此,振动钻削过程中,钻头和工件会周期性的接触和分离,平均摩擦力会小于普通钻削过程中的平均摩擦力,切屑的厚度也在周期性的改变,从而在切屑的薄弱环节(即切屑厚度为零或很小时)处使切屑折断.图6c 和图6d是将切屑放大20倍后普通钻削与超声振动钻削得到的切屑形态.从图6c可以看出,高温合金普通钻削的切屑具有锯齿化的特点,切屑表面呈鱼鳞状,相对粗糙,这是因为钻削加工中摩擦力大,促使钻削过程不稳定,切屑变形严重,形成边缘不规则的切屑,影响孔壁加工质量.从图6d可以看出,超声振动钻削的切屑变化明显,外形规整,切屑边缘比较光滑,表面具有清晰的纹理.另外,从切屑的变形程度上看,超声振动钻削的切屑明显优于普通钻削,证明超声振动钻削的摩擦阻力更小,促进了切屑的断裂,防止切屑缠绕,加工过程更加平稳,加工效果也更加理想.图6 切屑形态Fig.6 Chip formation(a)—普通钻削； (b)—超声振动钻削； (c)—20倍后普通钻削； (d)—20倍超声振动钻削.3.3 已加工孔表面形貌分析图7 是在主轴转速为320 r/min条件下,普通钻削和以振幅为15 μm超声振动钻削孔,并分别将孔壁放大20倍得到的对比表面形貌.从图7a中可以看出,孔表面具有明显的切痕,凹坑和裂纹较多,表面质量不好.这是由于高温合金钻削时摩擦力大,切屑不易断屑排出,导热性低,导致孔内部温度升高,刀具、切屑容易和孔壁表面粘连,钻削时划伤孔壁.同时,高温合金钻削过程也会产生硬化现象,易在加工表面形成裂纹,进而影响加工质量.与普通钻削相比,从图7b可以看出,超声振动钻削孔壁整体光滑均匀,基本上没有明显的划痕,表面质量改善明显.这是由于振动钻削中钻头和工件表面直接周期性的分离和接触,降低钻头与孔内部之间的平均摩擦系数,减小平均摩擦力,切屑易排出,有效降低了钻削温度,加工硬化效果不明显,从而改善加工质量.进一步通过三维表面轮廓仪扫描孔壁上0.1 mm×0.1 mm的区域,对该区域的微观表面形貌进行分析,如图8所示.从图8a可以看出,普通钻削加工所形成的表面出现耕犁现象,通过轮廓仪得到的区域Sa值为2.16 μm.图8b为振幅15 μm超声振动钻削后孔的表面形貌,加上超声振动后孔的波峰和波谷的变化规则平缓,超声振动钻削得到的孔壁表面Sa值为1.98 μm,可以看出,超声振动钻削的孔壁表面质量要好于普通钻削.图7 孔壁形貌Fig.7 Chip formation(a)—普通钻削； (b)—超声振动钻削.摩擦力对于加工质量都起着至关重要的作用,由于超声振动的附加作用,钻头和工件之间的接触形式发生改变,以一定的频率和振幅间断接触,钻头和切屑周期性的分离改善了钻头与切屑的摩擦边界条件,减小钻头与孔壁的摩擦力,降低了切屑划伤孔壁的可能性,从而达到降低表面粗糙度的效果,最终形成良好的表面形貌.图8 孔表面微观形貌Fig.8 Microscopic morphology of hole surface(a)—普通钻削； (b)—超声振动钻削.4 结论1) 根据超声振动钻削的减摩机理,推导出平均摩擦力与振幅之间的关系,并得到一个最佳振幅15 μm,使得平均摩擦力最小.在该振幅下,孔壁表面粗糙度值最小,表面质量最好.2) 普通钻削切屑不易折断,切屑易缠绕,锯齿化严重,容易划伤孔壁.超声振动钻削易于断屑排屑,形状规整,钻削过程也更加平稳.3) 普通钻削孔壁粗糙,切痕严重.超声振动钻削孔壁均匀,无明显切痕.普通钻削微观形貌区域粗糙度Sa值为2.16 μm,超声振动钻削Sa值降低到1.98 μm,降低了约8.3%,超声振动钻削有效地改善孔壁的表面形貌.参考文献：【相关文献】[1] 徐英帅,邹平,王伟,等.超声振动辅助车削高温合金和铝镁合金研究[J].东北大学学报(自然科学版),2017,38(1):95-100.(Xu Ying-shuai,Zou Ping,Wang Wei,et al.Investigation on ultrasonic vibration assisted turning of Ni-based superalloy and Al-Mg alloy[J].Journal of NortheasternUniversity(Natural Science),2017,38(1):95-100.)[2] 陈硕,邹平,吴高勇,等.45钢超声振动钻削加工机理及其试验研究[J].电加工与模具,2017,330(1):48-51.(Chen Shuo,Zou Ping,Wu Gao-yong,et al.Drilling mechanism and experimental study on ultrasonic vibration machining of 45 steel[J].Electromachining & Mould,2017,330(1):48-51.)[3] Jin T,Cai G.Analysis of ultrasonic-assisted drilling of Ti6Al4V[J].Journal of Manufacturing Science and Engineering,2001,12(2):185-190.[4] Pujana J,Rivero A,Celaya A,et al.Analysis of ultrasonic-assisted drilling ofTi6Al4V[J].Tools Manufacture,2009,49(3):500-508.[5] Patil S,Joshi S,Tewari A,et al.Modeling and simulation of effect of ultrasonic vibrations on machining of Ti6Al4V[J]. Ultrasonics,2014,54(2):694-705.[6] Muhammad R,Hussain M S,Maurotto A,et al.Analysis of a free machining α+β tita nium alloy using conventional and ultrasonically assisted turning[J]. Journal of Materials Processing Technology,2014,214(4):906-915.[7] 肖子英.超声振动钻削系统设计及其试验研究[D].福州:福建农林大学,2010.(Xiao Zi-ying.Ultrasonic vibration drilling system design and experimentalresearch[D].Fuzhou:Fujian Agriculture and Forestry University,2010.)[8] Babitsky V I,Kalashnikov A N,Meadows A,et al.Ultrasonically assisted turning of aviation materials[J].Journal of Materials Processing Technology,2003,132(1):157-167.[9] Koshimizu S.Ultrasonic vibration-assisted cutting of titanium alloy[J].Key EngineeringMaterials,2009,389(1):277-282.[10]Adachi K,Kato K,Sasatani Y.The micro-mechanism of friction drive with ultrasonic wave[J].Wear,1996,194(2):137-142.[11]Zhang B,Yang F L,Wang J X.Fundamental aspects in vibration-assistedtapping[J].Journal of Materials Processing Technology,2003,132(3):345-352.。
机械式低频轴向振动钻削装置的设计与分析
机械式低频轴向振动钻削装置的设计与分析李章东;田军伟;焦锋;李亚鹏;刘旭辉【摘要】在深孔的钻削加工过程中,经常会有连续的带状切屑导致断钻事故发生,如果在钻削过程中对切屑进行周期性地断屑,就能有效解决深孔加工过程中断屑排屑困难的问题.设计一种机械式低频轴向振动钻削装置,研究其工作原理、振幅和频率的调整方法以及振动钻削装置的整体结构布局;对振动钻削装置的主要技术参数进行分析计算;利用ANSYS Workbench对其进行刚体动力学仿真分析,并进行振动钻削装置的振动特性试验.结果表明,所设计的钻削装置结构简单,振幅与频率调整方便,能够解决断屑排屑困难的问题,可以有效提高深孔加工质量.【期刊名称】《河南理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(038)003【总页数】7页(P89-95)【关键词】深孔加工;低频振动钻削;刚体动力学;仿真建模【作者】李章东;田军伟;焦锋;李亚鹏;刘旭辉【作者单位】河南理工大学机械与动力工程学院,河南焦作454000;河南理工大学机械与动力工程学院,河南焦作454000;河南理工大学机械与动力工程学院,河南焦作454000;河南理工大学机械与动力工程学院,河南焦作454000;河南理工大学机械与动力工程学院,河南焦作454000【正文语种】中文【中图分类】TH120 引言深孔加工在切削领域中占有很重要的地位。
深孔一般是指其长度大于直径5倍以上的孔。
深孔加工通常是在封闭或半封闭状况下进行，加工产生的带状切屑不易排出，切削热不易逸散，容易造成切削效果不理想，特别是小直径深孔的加工，排屑空间小，切屑的宽窄、长短、形状都将影响到排屑。
因此，小直径深孔加工必须采取强制排屑和强制冷却的措施[1-4]。
振动切削的实质是在工件(或钻头)正常进给的同时，对工件(或钻头)施加某种有规律的振动，以达到改善切削效能的目的。
普通钻削时，切屑经常会堵塞在钻头的螺旋槽内，不仅和钻头产生剧烈的摩擦，而且还会划伤已加工的孔表面，降低孔的表面质量。
轴向振动钻削的排屑性能分析
ａ ｄａ ｌｕ ｅｅ ｉｅ ｔ ． ｎ ｍｐｉ ｄ ｖｄ ｎ ｌ ｔ ｙ
Ｋ ｅ ｒ ｓ Ｕ ｉｃ ｉ ； ｘ ｌ ｉｒｔ ｎ ｄ ｌｎ ；ｏｃ ｎ ｌ ｉ； ｈｐ ｅｅ ｔ ｎ ｙ ｗｏ ｄ ： ｎｔ ｈｐ Ａ ｉ ｂ ａ ｏ ｒ ｌ ｇ Ｆ ｒｅ ａ ｓ Ｃ ｉ— ｊｃ ｏ ａｖ ｉ ｉ ｉ ａ ｙｓ ｉ
增 大 ． 此 ， 普 通 钻 削 相 比 ， 向 振 动 钻削 具有 更好 的排 屑效 果 和加 Ｔ 质量 ． 因 与 轴
关键 词 ： 单元切削 ； 轴向振动钻削 ； 受力分析 ： 屑 排 中 图分 类 号 ： Ｇ ０ Ｔ ５６ 文献标 识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：６ ３ ６ ６ （０ ９ ０ — ０ ７ ０ １７ — ０ ０ ２ ０ ）４ ０ ４ — ４
Ｓｕ ｙｏ ｈｐ ｅｅ ｔ ｎｐ ｒｏ ｍａ ｃ ｆ ｘａ ｉｒ ｔ ｎ ｄ ｉｉｇ ｔ ｄ ｎ ｃ ｉ－ ｊｃｉ ｅｆｒ ｎ ｅｏ ｉｌ ｂ ａｉ ｒｌｎ ｏ ａ ｖ ｏ ｌ
Ｍａ ｉｅ Ｌｊ ｉ
（ ｎ ｎＩｓｉ ｔ ｆ ｃｅ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｘｉｘａ ｇ ４ ３ ０ Ｃ ｉａ Ｈｅ ａ ｎ ｔｕ ｅｏ ｉｎ ｅａ ｄＴ ｃ ｎ ｌｇ ， ｎ ｉｎ ５ ０ ３， ｈｎ ） ｔ Ｓ
普通 钻削 时 ， 通过 修磨 分 屑槽 、 大锋 角 、 常 加 提高 转速 等措施 来改 善排 屑状 况 ， 往往 不能 收到 理想 但 的效 果 ， 尤其 是 小钻 头 ， 本身 尺 寸小 ， 易修 磨 ， 屑 问题 更 是难 以解决 口． 量研 究 表 明 ： 动 钻 削时 ， 不 排 ］大 振 通过 合 理选择 和优化 切 削参 数 ， 屑 不但 能 够有 效折 断 ， 切 而且 排 屑效果 也 明显 改 善 。 由于排 屑不 畅 而导
【CN110032794A】一种振动作用下的铣刀动态切削力模型构建与验证方法【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910284912.9(22)申请日 2019.04.10(71)申请人 哈尔滨理工大学地址 150080 黑龙江省哈尔滨市南岗区学府路52号(72)发明人 姜彬 张庭政 赵培轶 赵俊峰 (74)专利代理机构 哈尔滨市伟晨专利代理事务所(普通合伙) 23209代理人 李思奇(51)Int.Cl.G06F 17/50(2006.01)(54)发明名称一种振动作用下的铣刀动态切削力模型构建与验证方法(57)摘要一种振动作用下的铣刀动态切削力模型构建与验证方法，属于铣刀技术领域，本发明为了解决已有关于切削力建模的研究，不能揭示刀齿铣削微元瞬时切削力的分布及其变化特性，不能揭示刀齿与刀齿之间瞬时切削力关系，无法准确反映出切削力的动态变化过程的问题。
步骤a，对铣刀瞬时切削行为求解；步骤b，对振动作用下的单齿切削边界条件求解；步骤c，建立铣刀刀齿瞬时切削层参数模型并计算；步骤d，建立铣刀刀齿瞬时切削力模型并求解；步骤e，完成铣刀动态切削力模型的构建与验证。
本发明的一种振动作用下的铣刀动态切削力模型构建与验证方法能准确反映切削过程中切削力的动态变化的动态切削力模型，对动态切削力预测模型进行三重验证。
权利要求书2页 说明书15页 附图8页CN 110032794 A 2019.07.19C N 110032794A权 利 要 求 书1/2页CN 110032794 A1.一种振动作用下的铣刀动态切削力模型构建与验证方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤a，对铣刀瞬时切削行为求解；步骤b，对振动作用下的单齿切削边界条件求解；步骤c，建立铣刀刀齿瞬时切削层参数模型并计算；步骤d，建立铣刀刀齿瞬时切削力模型并求解；步骤e，完成铣刀动态切削力模型的构建与验证。
2.根据权利要求1所述的一种振动作用下的铣刀动态切削力模型构建与验证方法，其特征在于：所述步骤a中对铣刀瞬时切削行为求解包括以下步骤：步骤a1，构建铣削振动和刀齿误差影响下的刀齿瞬时接触关系模型；步骤a2，根据步骤a1建立刀尖切削运动轨迹模型，该模型反映了铣削钛合金过程中刀尖受到铣削振动的影响，产生位移增量，从而使刀尖实际切削运动轨迹发生变化状态；步骤a3，铣削振动造成铣刀整体发生了偏转，从而使铣刀相对于初始状态形成一个姿态夹角增量，根据步骤a1建立铣刀瞬时切削姿态模型，该模型反映铣刀偏转前后的姿态变化；步骤a4，根据步骤a3中各模型关系建立函数方程，对铣刀瞬时姿态夹角求解。
切削力计算的经验公式资料
您要打印的文件是：切削力计算的经验公式打印本文切削力计算的经验公式作者：佚名转贴自：本站原创度压缩比有所下降，但切削力总趋势还是增大的。
强度、硬度相近的材料，塑性大，则与刀面的摩擦系数μ也较大，故切削力增大。
灰铸铁及其它脆性材料，切削时一般形成崩碎切屑，切屑与前刀面的接触长度短，摩擦小，故切削力较小。
材料的高温强度高，切削力增大。
⑵切削用量的影响①背吃刀量和进给量的影响背吃刀量ap或进给量f加大，均使切削力增大，但两者的影响程度不同。
加大ap 时，切削厚度压缩比不变，切削力成正比例增大；加大f加大时，有所下降，故切削力不成正比例增大。
在车削力的经验公式中，加工各种材料的ap指数xFc≈1，而f的指数yFc=0.75～0.9，即当ap加大一倍时，Fc也增大一倍；而f加大一倍时，Fc只增大68%～86%。
因此，切削加工中，如从切削力和切削功率角度考虑，加大进给量比加大背吃刀量有利。
②切削速度的影响在图3-15的实验条件下加工塑性金属，切削速度vc＞27m/min 时，积屑瘤消失，切削力一般随切削速度的增大而减小。
这主要是因为随着vc的增大，切削温度升高，μ下降，从而使ξ减小。
在vc＜27m/min时，切削力是受积屑瘤影响而变化的。
约在vc=5m/min时已出现积屑瘤，随切削速度的提高，积屑瘤逐渐增大，刀具的实际前角加大，故切削力逐渐减小；约在vc=17m/min处，积屑瘤最大，切削力最小；当切削速度超过vc=17m/min，一直到vc=27m/min时，由于积屑瘤减小，使切削力逐步增大。
图3-15 切削速度对切削力的影响切削脆性金属(灰铸铁、铅黄铜等)时，因金属的塑性变形很小，切屑与前刀面的摩擦也很小，所以切削速度对切削力没有显著的影响。
⑶刀具几何参数的影响①前角的影响前角γo加大，被切削金属的变形减小，切削厚度压缩比值减小，刀具与切屑间的摩擦力和正应力也相应下降。
因此，切削力减小。
但前角增大对塑性大的材料(如铝合金、紫铜等)影响显著，即材料的塑性变形、加工硬化程度明显减小，切削力降低较多；而加工脆性材料(灰铸铁、脆铜等)，因切削时塑性变形很小，故前角变化对切削力影响不大。
车削、钻削、铣削加工的标准切削力模型
车削、镗削、钻削、铣削加工的标准切削力模型M. Kaymakci, Z.M. Kilic, Y. Altintas摘要一个标准的切削力学模型是预测在铣削、镗削、车削和钻削加工过程中切削力系数的工具。
嵌入物在参考物的定向是数学建模遵循ISO工具的定义标准。
由作用在前刀面的摩擦力和法向力组成的变换矩阵转化成参考坐标系，取决于加工材料和切削刃的几何形状。
而这些力再进一步转化为铣床、镗床、车床和钻床坐标系中初步赋值的具体参数，在切削试验的标准模型进行了验证。
关键词切削力车削铣削镗削钻削1.前言目前研究的目的是开发一种可用于预测的进程模型，以完善之前代价昂贵、操作复杂的物理实验。
这种结合材料性能、切削方式、刀具种类、过程动力学和结构动力学的进程模型，是应用于预测在金属切削加工过程中的切削力、扭矩、工具、形状误差和振动。
仿真和加工工艺规划，可预测机床和其零部件的操作是否是可行的，或优化切削条件和刀具种类，以获得更高的材料去除率。
建立铣削、镗削、车削和钻削加工过程的力学模型，为以前的研究提供了宝贵的贡献。
切削力模型需要考虑切削力作用在切削刃的作用面积和切削力系数，再从加工测试中进行校准。
将沿切削刃的受力分布建模并相加，以预测作用在机械上的总负荷。
有Fu[1]等人提出的在端面铣削的机械方法是一个示范性的应用，对切削力模型的全面审查则已由埃曼等人[2]提出了，Armarego [ 3 ]提出的通过正交斜变换[ 4 ]，可以从平均剪切应力、剪切角和摩擦系数预测切削力系数，建模时，由于固体边沿和几何形状[5]的连续变化，通常都采用斜变换法来解决问题。
本文中将对由Luttervelt[6]和Altintas[7]等人发表的以机械切削力学为基础的方法进行回顾。
2000年以来，学者们更趋向于研究如何应用数值的方法来预测金属切削过程中的切削力系数。
有限元法和滑移线场模型用于预测切削力系数，也应用于对切削力的预测[8-10]，数值模型完全基于材料的在加工过程的应变、应变率、温度变化和摩擦系数。
超声振动铣削加工参数对切削力的影响
轴向振动钻削对进给方向毛刺形成的影响
力，从而减小了切削层材料的塑性变形，抑制了切出进给方向毛刺。
关键词：轴向振动钻削；切出进给方向毛刺；脉冲切削；变厚切削
中图分类号：ＴＧ５２；ＴＨ１６１ 文献标志码：Ａ
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－７００８．２０１９．０９．０１７
ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＡｘｉａｌＶｉｂｒａｔｉｏｎＤｒｉｌｌｉｎｇｏｎＦｅｅｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎＢｕｒｒ
本文以钻削理论和振动理论为基础，重点分析
收稿日期：２０１９年 １月了轴Leabharlann 振动钻削对切出进给方向毛刺的影响。
钻削毛刺的形成
在钻削加工中，在钻头钻入和钻出工件的表面 上都会产 生 毛 刺。 根 据 王 贵 成［５］提 出 的 毛 刺 分 类 方法，钻削加工过程中产生的毛刺属于进给方向毛 刺，钻头钻入工件表面生成的毛刺为切入进给方向 毛刺，钻头钻出工件表面上产生的毛刺为切出进给 方向毛刺。毛刺的生成受诸多因素的影响，钻削加 工时，毛刺的尺寸和形貌在不同的钻削条件下会有 明显的差异。图 １为钻削加工中毛刺的生成模型。
ＸｕＧｕｏｙｏｎｇ，ＰａｎｇＴａｏ，ＷａｎｇＧｕｉｃｈｅｎｇ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｔｈｅｏｒｙｏｆａｘｉａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎｄｒｉｌｌｉｎｇ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎｄｒｉｌｌｉｎｇｏｎｔｈｅｆｅｅｄｅｘ ｉｔｂｕｒｒｉｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔ，ｄｕｅｔｏａｘｉａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ｖｉｂｒａｔｉｏｎｄｒｉｌｌｉｎｇｈａｓｓｏｍｅｕｎｉｑｕｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｓｕｃｈａｓ ｖａｒｉａｂｌｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｃｕｔｔｉｎｇａｎｄｉｍｐｕｌｓｅｃｕｔｔｉｎｇ，ｗｈｉｃｈｎｏｔｏｎｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃｈｉｐｂｒｅａｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｗｏｒｋｉｎｇａｎｇｌｅｏｆ ｔｈｅｄｒｉｌｌ，ｂｕｔａｌｓｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｔｈｒｕｓｔｆｏｒｃｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｐｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｗｏｒｋｐｉｅｃｅｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｔｈｅｅｘｉｔｂｕｒｒａｒｅｅｆｆｅｃ ｔｉｖｅｌｙｒｅｓｔｒａｉｎｅｄａｎｄｄｅｃｒｅａｓｅｄ．
切削力计算公式
一、钻孔切削力和切削力矩计算按照主轴转速lOOOrpm，进给速度0.1mm/转，钻穿1.8mm约需要时间1s。
式中弓—轴向切削力D —钻头直径mm]转逬给童(mm) 亏一修正系数，查表切削力Ff刀具材料：高速钢加工方式：钻公式：Ff=309*D*fA(0.8)*(Kp)参数:D = 8参数:f = 0.1参数:Kp = 0.75 (按铜合金多相平均HB>120)计算结果=293.839M= 0.2W2/0£^式中M—切削力矩D—诂头亘®(mm)/—每转ift给童(mm) %—修正系飙查表切削力矩M工件材料：灰铸铁(HB190)刀具材料：高速钢加工方式：钻公式：M=0.21*DA(2)*fA(0.8)*(Kp)参数:D = 8参数:f = 0.1参数:Kp = 0.75 (按铜合金多相平均HB>120)计算结果=1.597、铳削切削力计算D--- 抚7J 直径［mm)B --- 愤度〔nnm)F = C 冋価於％」躺宓^ 式中F —铳削力〔皿印——在用高速钢(阿盹匸47)铁刀従削时，考虑工件删艮铳刀尧型的系埶 其值查表 口$—锭削深度〔mm)j\—每齿进给車(血) z —铳刀的齿数斥一用高谨钢CW 吃跆v ＞饶刀链削时，苇慮工件村料机械性能不同的悔正条敌 丽丿 一 铳削切削力计算类别：工件材料：碳钢、青铜、铝合金、可锻铸铁等刀具材料：高速钢铳刀类型：端铳刀公式：F=(Cp)*(ap)A(1.1)*(fz)A(0.80)*DA(-1.1)*BA(0.95)*z*(Kp)参数:Cp = 294参数:ap = 1.8参数:fz = 0.5参数:D = 8参数:B = 8参数:z = 4参数:Kp = 0.75计算结果=707.914 对于结构歸铸钢；瓦0J8 1对于灰铸铁：K ¥ =。
车床切削力计算
车床切削力计算车床是一种常用的金属加工设备，用于加工零件的外形和内孔。
在车床加工过程中，切削力是一个重要的参数，它决定了车削的稳定性和加工质量。
因此，准确计算车床的切削力对于优化加工过程、提高加工效率和保证加工质量具有重要意义。
车床切削力计算是根据切削力理论和实验研究得出的，可以通过以下几个方面来计算：1. 切削力分量的计算车床切削力可以分为主切削力、副切削力和轴向切削力三个分量。
主切削力是指在车刀主切削方向上的切削力，副切削力是指在车刀副切削方向上的切削力，轴向切削力是指在车床主轴方向上的切削力。
主切削力的计算可以通过切削力公式来实现，该公式与材料的切削性质、切削速度、进给量和切削深度等参数有关。
副切削力和轴向切削力的计算一般通过实验测量得出。
2. 切削力的分布车床切削力的分布是指在车削过程中，切削力在不同位置的分布情况。
切削力的分布与工件材料、切削参数、切削方式以及车刀和工件的接触情况等因素有关。
切削力的分布可以通过实验测量或仿真模拟来得到。
通过分析切削力的分布情况，可以评估车削过程中的切削稳定性，以及确定切削参数的合理范围。
3. 切削力的影响因素车床切削力的大小受多种因素的影响。
主要影响因素包括材料的切削性质、切削速度、进给量、切削深度、切削方式、刀具的几何形状和刀具与工件的接触情况等。
不同的材料有不同的切削性质，因此在车削不同材料时，切削力的大小也会有所不同。
切削速度和进给量是切削过程中重要的切削参数，它们会直接影响切削力的大小。
切削深度的增加会增加切削力的大小，而切削方式的改变也会对切削力产生影响。
此外，刀具的几何形状和刀具与工件的接触情况也会对切削力产生影响。
4. 切削力的应用车床切削力的计算和分析可以为优化加工过程提供参考依据。
通过准确计算和分析切削力，可以确定合理的切削参数，提高加工效率和加工质量。
此外，切削力的计算和分析还可以用于刀具的选型和寿命评估，以及车削过程中的切削稳定性评估。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
［３］Ｖ
Ｎｉｃｋ
Ｍｅｌｕｉｋ．ｃｏｎｖｅ玛ｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ
ａ
ｏｐｅｍｔｏｒ—ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ６ｅｌｄ ｔｈｅｏｒｙ
凡ｒｓ￡Ａ眦胁ｒ：ｙ如地叩ｉ愕，＆幻ｏ￡Ｄ厂肘ｅｃ＾伽如口Ｚ口以眈ｃ・
ｆ廊口Ｚ
ｓｃｈｅｍｅ ｔｏ ｇｅｎｅｒａｌｉｓｅｄ
Ｅｎ百ｎ唧嘻ｎｇ，如砒ｏｕ踟西ｅｒｓｉ￡ｙ矿‰＾加锄，ｋ，珏抽ｕ
ｏｎ
Ｃａｌｃｌｌｌａｔｉｎｇ Ｃｕｔｔｉｎｇ Ｆｏｒｃｅ ｏｆ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ＤｒｉｌＵｎｇ Ｂａｓｅｄ
Ｌｉ
ＡｂｓｔＩ鼍ｃｔ：
Ａｘｉａｌ Ｌｏｃａｔｉｏｎ
Ｑｉａｏｙｉｎｇ，Ｚｈａｎｇ
Ｐｉｎｇｋｕａｎ
Ａｘｉａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｄｉｍｃｕｌｔ ｃｕｔｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｐｍｃｅｓｓｉｎｇ
２０１２年第４６卷Ｎｏ．１２
２３
屑几何形状的影响，同一个切屑不同加工时刻的瞬 时切削层厚度不同，应首先算出切人点、切出点之间 的极小值点￡。；ｍ然后判断分段讨论。由于相位角 的不同也会引起切削层厚度在极小值点两边分布的 差异，因此分两种情况： ①若相位角妒为负，不论切人角还是切出角， 靠近极小值点的振动切削时段的瞬时切削层厚度 ＾。近似为恒值，均约等于最后一次切削刃轨迹与切 出点所在切削刃轨迹的极小值之差（见图１）即
ｆｌ＝ｚＩ—ｍａｘ（ｚ２） （３）
判断：若上。＝ｚ。一ｍａｘ（ｚ：）＜０，则刀刃处于不切 削状态，连续计算下一时刻，若出现，。＝彳。一ｍａｘ （ｚ：）＝０，此刻为切人点；继续计算必然是，。＝名。一 ｍａ］【（ｚ：）＞０，再继续计算就会出现ｆ。＝ｚ。一ｍａ］【（ｚ：）
＝０，此刻为切出点。 输出对应的切人点￡。、ｍ。；切出点￡：、ｍ：。受切
律，而加工时刀刃上最外缘沿周向展开的表达式为
戈＝盯Ｄｍ
改成。’，ｆ。ｉ正改成ｆ’。ｉ。。另外相位角妒只与频转比÷
有关，上＝，＋ｉ（．『为整数部分，ｉ为小数部分），妒＝
（５）
２１Ｔ∥。
高、耐腐蚀等优点，广泛应用于航空航天等领域。其 单位切削力通过测力仪由实验测得为Ｋ＝１７１５Ｎ／
ｍｍ２。
选用高速钢标准麻花钻西１ｍｍ，螺旋角为２０。， 后角为６。，前角为２０。，设切削用量为：刀具转速ｎ＝
＾Ｄ＝ｚｌ—ｚ２＝ｆ眦…ｌ＋口ｓｉｎ（２１咖…１）一
州ｆ：ｉｎ．去）悃ｉｎ（２硕￡：ｉｎ－嘉））］
（８）
式中，ｚ‘为切人点所在轨迹（非时刻ｆ所在轨迹）在 时刻ｆ。最近的极小值点（ｍｍ）；为ｚ。所对应的时刻 由此即可求出切削面积Ａ。，继而求出切削力。 式中，Ｋ为单位面积切削力（其余加工因素均在此系 当妒＜０时，将式（４）和式（７）分别代人式（９），
ｓｅｔ
ｏｆ
ｐａｒ啪ｅｔｅｒｓ
ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｄｉｆＩ．ｅｒｅｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ
ｒｅ—
１
引言
通钻削断屑方式通常基于物理断屑，而物理断屑具 有断屑不可靠、切削长度不可控等特点；轴向振动断 屑方式基于几何断屑，使得钻削断屑及切削长度可 控…。随着科学技术的发展，产品的精密化、微小 化，微小深孔的应用越来越多，而深孔加工断屑、排 屑难，严重影响钻头寿命和钻孔精度。提高钻头寿 命和改善难加工材料的切削性能是钻削加工中急需 解决的问题，而钻头的使用寿命和材料的切削性能 与钻削过程中的切削力密切相关。 一直以来对振动钻削切削力的研究主要依赖于 经验和实验。２’３ Ｊ，虽然可靠，却只适用于当前实验材
［ｆｎ（ｆ枷一罢）Ⅷｉｎ（２矾‰正一鲁））］
（４）
式中，ｚ。为时刻￡时切削刃轴向位置所在轨迹在￡，、 ￡：时刻之间的极小值（ｍｍ）；￡。ｉ。。为极小值ｚ。对应的 时刻（ｓ）；彳：为切出点所在轨迹（非时刻￡所在轨迹） 在时刻ｆ：最近的极小值点（ｍｍ）；为ｚ：所对应的时
刻（ｓ）。
謦≤≥≯砬陋嚣） ｌ一去…ｓｉｎ（２硕‰以一》］｝ Ｐ段切削时段７
ｐｍｂｌｅｍ［Ｊ］．Ｊｏｕｍａｌ
ｏｆ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａ—
７３０Ｄ５Ｄ。傩ｉＭ
万方数据
２２
工具技术
料，难以推广应用。由于低频轴向振动钻削的钻削 过程仍符合几何模型，因此本文从理论方面借助几 何关系进行探讨，给出了一套适用于不同工件材料 加工要求的切削力的数学模型，此模型只需进行简 单计算即可得出具体数据，突破了以往只能进行理 论上的解析研究却不能计算出具体数值的屏障，以 便进一步优化工艺参数，为振动钻削工艺的推广应 用奠定了基础。
给量）的过程，要想通过一个单一理论公式来表达 切削力与各个参数之间的关系相当困难。因此假设 切削力只与切削面积有关，而把其他影响因素用适 当的系数来考虑，这就是瞬时切削力，本文通过讨论 相位角正负，分别给出一个计算瞬时切削力的理论
模型。
轴向振动钻削切削力的影响因素
设麻花钻钻头直径为Ｄ，由于振动钻削运动引 起工作角度的变化，工作前角增大，切削力减小，因 此可以分析加工参数对工作角度的影响，但是直接 分析比较麻烦，在这里可以采用单因素分析法进行 定性分析，了解各参数对切削力的影响趋势。 （１）转速ｎ的影响：随着转速减小，在每转刀具 轴向振动次数增加，相当于振频增加，即刀具振动一 周期所经过的路程加长，则工作前角变大，利于切
ｔｉｏｎｓ，１９９８，４（２）：１８５—２１２．
随着各种高性能材料（如高温合金、钛合金等） 的不断出现和广泛应用，对孔加工质量和效率的要
求不断提高，传统钻削工艺已不能满足要求，轴向振
动钻削工艺便应运而生。相较于普通钻削，轴向振 动钻削从根本上改变了切削机理，由普通钻削的连 续切削过程转变为轴向振动的脉冲式切削过程。普
削，切削力相应减小。
由于低频振动钻削符合几何模型，因此切削面 积近似估算可表示为
小矗。詈
在轴向振动钻削运动中，因刀具振动的同时轴 向进给，当轴向进给所移动的距离超过振动幅值的 ２倍，就不可能再和以前的刀刃轨迹相交，所以，对 于用普通麻花钻加工时，比较的数量应不小于ｃｅｉｌ
（２）振幅。的影响：振幅增大，振动剧烈，刀具 工作角度变化也剧烈，在刀具钻削的一周期内可能 出现较大的负前角和负后角，负前角使加工吃力，切 削力增加。理论上，负后角是不能实现切削的，这是 值得注意的问题。 （３）振动频率，的影响：振频增大对刀具工作角 度的影响和振幅增大具有相似的效果。 在振动钻削中忽略进给量的影响，但是瞬时进 给量却是一个重要的影响因素。各参数对瞬时进给 量正。的影响比较复杂，它不仅与各参数值有关，还 与参数之间的匹配关系有关，此处作简要分析。当 进给量、振幅、振动频率不变，转速变化，尤其是转速 较低时，会使两转之间振动的相位变化，导致瞬时进 给量发生很大变化，引起瞬时切屑厚度剧烈变化，切 削面积也剧烈变化，从而可能导致瞬时切削力的剧 烈变化。仅振幅增大时，瞬时进给量的变化也会加 大，对断屑有利；但是仅进给量增大，瞬时进给量也 增大，但影响不大。 另外，轴向振动钻削刀具作脉冲式切削，刀具 万方数据
２００７．
［４］刘国庆，杨庆东．ＡＮｓＹｓ工程应用教程一机械篇［Ｍ］．北
京：中国铁道出版社，２００３：２６３—２８０． ［５］Ｈｅｒｂｅｎ
ｓｃｈｕｌｚ，Ｅｂｅｒｈａｒｄ
Ａｂｅｌｅ，何宁．高速加工理论与应
用［Ｍ］．北京：科学出版社，２０１０：６８—９２． ［６］吴国梁．铣工简明实用手册［Ｍ］．南京：江苏科学技术出 版社，２００８：４７７—４８３． 第一作者：姚运萍，硕士生导师，兰州理工大学机电工程 学院，７３００５０兰州市
制。 ２．２理论模型的建立
２轴向振动钻削切削力的分析
影响低频轴向振动钻削加工质量的因素为：切 削力引起被加工材料塑性变形；轴向力引起钻头横 向变形、材料沿进给方向变形；切削热导致材料发生 热塑性变形等。可见切削力是影响钻削加工质量的 重要因素之一。
２．１
轴向振动钻孔加工各切削参数都随着时间发生
变化，实际上是一个变进给量钻削（以下称瞬时进
２０１２年第４６卷Ｎｏ．１２
２ｌ
基于轴向位置的振动钻削切削力计算
李巧英，张平宽
太原科技大学
摘要：轴向振动钻削提高了难加工材料的加工性能，但是至今还没有一套成熟的理论体系，能系统说明振动 过程机理，对切削力的公式也没有形成一致的观点和方法。本文通过对轴向振动钻削工艺参数分析的基础上，对 实际钻削加工区段分两部分进行计算，并利用轴向位置方法，建立了一套可以针对不同材料加工要求的瞬时切削 力与各参数的关系模型。 关键词：轴向振动钻削；轴向位置；切削面积；瞬时切削力 中图分类号：ＴＧ５０６．５ 文献标志码：Ａ
ｆ垄竽１。因而仅需计算主切削刃的轴向位置，具
、 ‘，ｒ ，
体计算步骤如下：
某一时刻￡时切削刃轴向位置为
ｚｌ＝，ｍ＋口ｓｉｎ（２形） 迹的具体轴向位置为
（１）
则在此之前可能达到该轴向位置的各切削刃轨
ｚ：（ｍ）＝Ｚｎ（￡一黑）＋口ｓｉｎ（２硕￡一黑））
式中，，ｎ从ｌ～ｃｅｉｌ（２×２口／ｆ）。
（２）
（１）用Ｍａｔｌａｂ软件利用轴向位置方法求得厶为
由几何关系得知．
（６）
杂性。本算例从第０秒开始算，结果为ｆ。＝０．０３８０、 ｍｌ＝１、ｆ２＝０．０５１ｌ、ｍ２＝８，￡１＝０．０９３５，理论上两个
ｃａｎ
ｐｅｄｂ姗ａｎｃｅ，ｂｕｔ
ｏｎ
ｕｎｔｉｌ ｎｏｗ，ａ ｓｅｔ ｏｆ
ｍａｔｕｒｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓｎ’ｔ ｆｏｎｎｅｄ，ｔｈａｔ
ｅｘｐｌａｉｎ ｖｉｂｍｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｐｒｏｃｅｓｓ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ａＪｌｄ ｔｈｅ
ｆｏ珊ｕｌａ
ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ
ｆｏｒｅｅ ａｌｓｏ ｎｏｔ ｒｅａｃｈ
ａ
ｃｏｎｓｅｎｓｕｓ ｏｎ
ｔｈｅ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ ｖｉｅｗｐｏｉｎｔ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ