振动钻削的国内外研究现状和发展趋势

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机械工程师
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钻头相对于工件做轴向振动 ! 横刃作脉冲式旋转楔入工 件 ! 与工件表面时切时离 " 楔入时 ! 钻尖因横向力作用而 产生 偏 移 ! 设 偏 移 量 ! ! 但 进 入 工 件 表 面 分 离 后 ! 钻 头 将 做以 ! 为初始位移激励的偏移衰减振动 ! 其动力学模型 可简化为单自由度振动系统 " 通过计算和分析得出主切 削刃全部钻入工件之前 ! 楔入次数越多 ! 修正次数就越 多 ! 入钻位置误差就越小的结论 " 显然 ! 减小钻头的进给 量 ! 就增加修正次数 ! 但将降低加工效率 " 若控制机床进 给系统 ! 在入钻阶段施以较小的进给量 ! 而在钻削阶段 再转变成正常的进给量 ! 则在保证加工效率的前提下可 减少微孔钻削的入钻定位误差 "
#G $! -""O&’.QN’.)& #-- $ 刘 华 明 & 低 频 振 动 钻 小 孔 的 实 验 研 究 #E $& 机 械 工 艺 师 !-")) !‘QLM
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#-* $ 杨兆军 ! 王立江 ! 王立平 & 变振幅 振 动 钻 削 提 高 微 小 孔 入 钻 定 位 精度的研究 #, $& 吉林 * 吉林工业大学学报 !-""’aP’‘-LMP.N%P& #-% $ 杨兆军 & 三区段变参数振动钻削微小孔的研究 #b $& 长春 M 吉林工 业大学 !-""’& #-# $ 池龙珠 ! 卢龙 ! 金全洽 ! 杨兆军 & 变进给量振动钻削降低出口毛刺 的研究 #E $& 机械工程师 !-""" !‘-LM#PN#%& #-’ $ 赵宏 伟 a 李 自 军 a 张 林 波 a 王 立 江 & 多 层 复 合 材 料 微 小 孔 振 动 钻 削 三 参 数 优 化 #E $& 吉 林 * 吉 林 工 业 大 学 自 然 科 学 学 报 !P+++ ! ‘-LM
频振动钻削都进行了系统的研究 -&"!#.$ 他在研究中还提出 了低频振动提高钻入定位精度的新观点 ! 指出振动钻入 时虽然由于某种原因产生的横向力作用使钻头产生横向 偏 移 ! 但 由 于 振 动 的 存 在 ! 使 钻 头 迅速 退 回 脱 离 工 件 ! 并 在再次钻入前的一段时间内受阻尼力的作用横向偏移迅 速衰减 ! 待衰减近平衡位置时再次钻入 ! 故明显地提高了 ’ 钻入 ! 偏移 ! 退回 ! 恢复 ! 重新 钻入定位精度 ! 即具有 钻入 ( 的动力学特性 $ 这一特性的发现无疑丰富了刚性化 理论 ! 推动了振动钻削理论研究的进程 $
&#% $ 可见 ! 在机械加工中孔加工占有很重要的地位 ! 尤
其是航空 % 航天 % 汽车 % 电子和计算机等行业 ! 孔加工更显 示出其得天独厚的地位 $ 例如 !一架波音 &’& 约有 $## 万 个连 接 孔 ! 机 械 连 接 工 作 量 & 不 包 括 总 装# 约 占 机 械 加 工 工作量的 $#% $ 随着现代化进程的不断推进 ! 高科技产品层出不穷 ! 孔加工的数量与日俱增 ! 孔加工的地位也在不断地上升 ! 同时对孔加工质量的要求也越来越高 ! 这无疑给孔加工 带来巨大挑战 $ 目前用来加工微小孔的方法很多 ! 但在国 内外应用最广泛 % 生产实用性最强的要数麻花钻的钻削 加工 $ 然而 ! 以往的大量实验结果证明 ! 普通钻削很难承 担起这一历史使命 ! 非传统的振动钻削新工艺越来越显 示出其独特的优势 $ 振动钻削是建立在振动理论和切削理论等基础上的 新颖的钻削加工方法 ! 属于振动切削的一个分支 ! 这种钻 削方法与以往的钻削根本区别在于在钻削的过程中通过 振动装置使钻头与工件之间产生可控的相对运动 $ 振动 钻削改变了传统的钻削机理 ! 在加工的过程中 ! 钻头与工 件时切时离 ! 整个切削过程变成了脉冲式的断续切削 $ 在 振动钻削中 ! 振动参数 % 加工参数对加工质量的影响特别 大 ! 通 过 改 变 振 动 参数 % 加 工 参 数 ! 能 够 明 显 提 高 钻 入 定 位精度 % 降低孔扩量 % 减少出口毛刺 % 提高钻头寿命 % 降低 孔的表面粗糙度 % 提高尺寸精度和圆度等 ! 其优良的工艺 效果已引起国内外学术界的普遍关注 $ 自 !()’ 年 由 日 本 宇 都 宫 大 学 的 隈 部 淳 一 郎 教 授 创 立振动钻削以后 ! 美 国 的 *+ ,-./0. % 前 苏联 的 1+ 2+ 34!
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王 立 江 ! 邱 少 波 & 振 动 与 毛 刺 的 关 联 性 #E $& 科 学 通 报 !-")" ! K)LM
OP)NOQ+& V0=> W<X<0=>! 2B 09&H=D2:B<>0B<@= @= Y28@NZT0:2N;<AA282=C2 D<?80# B<@= CT<Z ?8201<=> #E $& GT<=2:2 E@78=09 @A ,2CT0=<C09 U=><=228N <=> !-""+ !QK-LM’+N’.&
!(>? 年刘华明教授在自制的超声波振动钻床上进行
了实验研究 ! 结果发现振动钻削使切削力下降 % 表面质量 和孔径精度提高 ! 并进一步探讨了钻头耐用度与进给量 之间的关系 ! 给出了两者的关系曲线 -!!.$
567-08 和 9+ :+ ;-<0= % 日 本 的 足 立 胜 重 % 岸 本 % 和 小 山 富
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王 立 江 !张 德 远 !张 明&振 动 钻 削 微 小 孔 提 高 加 工 精 度 的 研 究 #E $& 机械工程学报 ! -""P !*)K-LMQ-NQ’& 张 德 远 !王 立 江 !张 明&超 声 波 振 动 钻 削 微 孔 的 横 刃 入 钻 特 性 #E $& 科学通报 !-""- !QO K-*LM"$.N"’+&
夫 ! 以及我国的一些高等院校如哈尔滨工业大学的刘华 明教授 % 华中理工大学的王立平教授 % 吉林工业大学的王 立江教授 % 杨兆军教授等高校中的学者对振动钻削进行 了大量理论与实验研究 ! 取得了许多有价值的研究成果 ! 其中有些成果已走出实验室 ! 开始应用于生产实践 $
!((> 年 !杨兆军教授根据自己的实验经验 -!".! 提出通
!(&# 年代中期 ! 在人们发现了振动钻削具有的一些
优良工艺效果之后 ! 为寻求科学的支持 ! 国内外一些学者 开始从理论上对振动钻削的机理与特性进行探索 ! 至今 ’ 钻头刚性化效果 ( 理论 % 动 "# 多年来 ! 主要对振动钻削的 态角度理论 % 振动断屑理论 % 脉冲能量和应力集中理论等 进行了分析研究 $ 隈部淳一郎教授在他的著作 ) 精密加工振动切削基 ’ 钻头刚性 础 * 应 用+ 中 ! 率 先 提 出 了超 声 波 振 动 钻 削 的 化效果 ( 理论 $ 在他构造的钻头动力学模型中 ! 把钻头抽 象为自由端具有集中等效质量 ! % 相互垂直的两个方向 " " 向 和 # 向, 上的 等 效 刚 度 为 $" 和 $#% 等 效 阻 尼 系 数 为
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振动钻削的国内外研究现状和发展趋势
朱晓翠 ! 赵云飞 ! 韩雪冰 ! 杨 玫! 母德强 " 长春工业大学 ! 吉林 长春 !"##!$ #
摘
要 / 概述了提高孔加工质量的重要性 ! 评述了振动钻削的国内外研究状况 ! 归纳了国内外主要专家 学者 的 理 论 % 方 法
足立胜重 & 振动切削 ’ 研究 ( 第 - 报 )#E $& 精密机械 !-".O !$PK-PLM
*+++ 年 ! 月赵宏伟 % 李自军等人又利用电控式微孔
振动钻床对多层复合材料的微孔振动钻削进行了试验研 究 #!’$! 对不同材料层的加工参数进行优化 ! 进而提出多层 复合材料阶跃式三参数振动钻削新工艺 " 试验表明 ! 阶跃 式三参数振动钻削的入钻定位误差 ! % 孔扩量 !" % 出口毛 刺高度 # 值比普通钻削的相应值显著降低 "
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%" 和 %# 的 悬 臂 梁 ! 并 受 到 脉 冲 宽 度 为 &’% 周 期 为 ( % 两 个
垂直方向幅值分别为 )" 和 *# 的脉冲力作用使钻头产生 横向位移 " 和 # ! 从而构造出钻头在两个方向上的运动微 分方程 ! 并进行了求解和分析 $
!(>’ 年开始 ! 王立江教授和他的课题组对高频和低
削的仿真模型 ! 实现对振动钻削的动态仿真 " 综上所述 ! 振动钻削为了适应现代化高科技发展的 需要 ! 要从各方面进行不断地自我发展和完善 ! 并发挥出 其特有的优势 " 为此我们应该不断积累前人的经验 ! 继续 努力钻研 ! 争取在这方面有更大的突破 "
# 参考文献 $ #"$ #* $ #% $ #$ $ #’$ #O $ #. $ #)$ 隈部淳一郎 & 精密加工 振 动 切 削 基 础 & 应 用 #, $& 实 教 出 版 株 式 会社 !-"Βιβλιοθήκη Baidu"&
和研究成果 ! 并且展望了振动钻削研究的前沿问题和发展趋势 $
关键词 / 振动 0 机械加工 0 钻削 0 专题综述 中图分类号 /!"#$%"# 文献标识码 /& " ($$#, #$)$$(+)$( 文章编号 /’$$()(***
!
引
言
"
振动钻削的国内外研究状况
据统计 ! 孔加工是金属切削加工中最重要的工序之 一 ! 约占所有金属切削加工工序的 ""% ! 我国每年生产钻 头用的高速钢消耗量约占刀具生产中高速钢消耗总量的
#" $ 王 立 江 ! 等 & 超 声 波 振 动 钻 削 微 小 孔 的 研 究 #E $& 机 械 工 程 学 报 !
*+++ 年 !+ 月杨兆军教授 % 王立 平 教 授 提 出 了 三区
段变参数振动钻削微孔的新工艺 ! 探讨并研究了用非线 性回归求取各区段最佳振动参数的方法 ! 验证了以三区 段最佳振动参数作变参数时 ! 可以全面降低微孔加工误 差的工艺效果 " 由于振动钻削具有特殊的工艺效果 ! 从 !")+ 年代末 至今 ! 国内有更多的学者开始对振动钻削进行研究 ! 并逐 渐开始向应用方向发展 " 同时 !各国学者对振动钻削理论 的研究推动了振动钻削的历史进程 ! 为振动钻削的优良 工艺效果提供了理论依据 " 但理论研究工作还远远不够 全面 % 深入和系统 ! 对某些工艺效果还不能做出有说服力 的解释 ! 有的理论还具有局限性 ! 尚缺少严密的科学论 证 ! 所以振动钻削理论的研究工作仍是振动钻削新工艺 的薄弱环节 ! 有待于进一步发展和完善 "
!""" 年池龙珠等人提出改变进给量能降低出口毛刺
的高 度 的 理 论 #!#$! 指 出 进 给 量 越 小 ! 出 口 毛 刺 也 越 小 ! 与 恒进给量相比可降低出口毛刺的 $%&’(!’"&)( "
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过改变进给量来减少入钻位置误差的理论 $ 微孔钻削入 钻 时 ! 钻 头 横刃 连 续 刮 削 工 件 ! 由 于 工 件 表 面 的 不平 整 % 钻头两切削刃的不对称等各种因素 ! 钻尖受到横向力的 作用而产生偏移 ! 使钻头偏移钻入工件 ! 而产生入钻定位 误差 $ 振动钻削则改变了微孔钻削的入钻现象 $ 入钻时 !