深孔加工的振动钻削与断屑

深孔加工的振动钻削与断屑
【摘要】本文结合生产实际，针对深孔加工存在的问题，通过切削实验，探讨了切屑形态变化与切削参数之间的关系，总结出断屑的最佳切削条件。

【关键词】深孔加工；振动钻削；断屑；加工精度
一、振动钻削简介
所谓振动切削就是在传统的切削过程中给刀具或工件以适当方向、一定频率和振幅的可控振动，使切削用量按给定的规律进行工作，一边切削，一边振动，形成一种本质上与传统切削过程不同的新颖的切削方式，实际上是一种脉冲切削。

其突出特点：瞬时切削速度高；刀具与工件接触是间断的、变化的。

二、振动钻削机理
（1）振动切削原理。

低频轴向振动钻孔是在钻头的轴向加上有规律的振动。

钻孔时，工件旋转，钻头边进给边做轴向振动。

振动切削时，根据刀具的振动频率和工件的运动速度的关系，均等地分割出工件上的lt的大小，并且使这一部分有规律地变形成为切屑。

如图1所示。

切削时，lt越短，lt越容易变形。

由于lt=v/f，那么，改变v 或f，都能控制lt的长度。

振动切削的效果是受lt的大小影响的。

决定振动切削性能的lt，在振动频率f一定的情况下，切削速度v 越低，lt就越短；在切削速度v一定的情况下，振动频率f越高，lt就越短。

（2）振动钻削的断屑机理。

假定以钻头开始切入的起始
点为坐标原点，钻头进给方向为正方向，则钻头切削刃上任意一点的轴向位移为：x=ms+■+asin（wt+φ）（1）。

当振动钻头相邻的波形不发生干涉时，切削层面积是连续不断的；而发生干涉时，切削层重复性间断，切削层单元保持一致。

如图2所示。

图中阴影部分是切削层面积。

图2所示为一周内切屑的形态与振动波形及其相位角的关系。

可见：当φ=0°时，波形无干涉，切屑为连续的带状切屑。

当φ=120°时，波形干涉，刀具由于切出、切入点不断变化，使得切屑间断，以利断屑、排屑。

相位角φ=0°时的波形。

发生干涉时的条件为：■1（4）。

由（4）式可知，要发生干涉，振幅和进给量必须满足以下条件：2a/s≥1，即s≤2a。

由以上分析可得发生干涉的必要条件为：一是进给量s必须小于双振幅2a；二是发生干涉时，入不能为整数，即f/n不能为整数。

由于相位角φ=2π（60f/n-k）=2π（λ-k），相位角入不同时，干涉情况不同，当φ接近于两个边界值φ1和φ2时，干涉区域很小。

三、实验数据分析
（1）断屑实验分析。

第一，断屑实验数据。

由表1可得出如下结论：一是当2a/s固定不变，使60f/n变化时，60f/n越接近整数，断屑效果越不好。

且当频转比f/n增大，切屑变小。

由理论分析可知，此时刀具振动波长减小，切削单元变小，因而有利断屑。

二是当2a/s、k（刀具振动一周内完整波形个数）固定时，相位角变化，实验中还发现φ=126°、φ=252°这两种条件下切屑大小基本相同，由理论分析可知：对称于180°位置，切削路程基本相同，因
而切屑大小基本相同。

第二，断屑原因分析。

一是切屑厚度的不断变化有利于断屑。

振动切削时，切屑厚度方向上留下与振动频率相关的波纹，在高压切削液和容屑空间作用、限制下，很容易从切屑的强度较差部位折断，达到断屑效果。

二是刀杆的轴向振动有利于断屑。

由于钻头的进给量很小，当轴向的振动双振幅大于进给量时，就实现了分离切削，切屑也就被强制性切断。

（2）加工精度分析。

第一，加工精度数据。

尺寸精度对比：普通切削时，圆度：9μm；振动切削，f=20hz，a=0.07mm时，圆度7μm；振动切削，f=28hz，a=0.07mm时，圆度6μm。

表面粗糙度对比：普通切削时，表面粗糙度ra：0.69μm；振动切削f=20hz，a=0.07mm时，表面粗糙度ra：0.33μm；振动切削f=28hz，a=0.07mm时，表面粗糙度ra：0.32μm。

第二，原因分析。

切削扭矩的减小有利于提高表面加工质量；良好的断屑效果有利于提高表面加工质量；抑制了积屑瘤的形成，有利于提高表面加工质量。

四、结论
综上可得如下结论：一是振动钻孔是由刀具运动造成断屑，比其它形式断屑可靠，是目前较为有效的断屑方法。

二是振动钻孔的切屑形态可通过改变切削参数来控制，以达到最佳状态。

三是振动钻孔是改善加工表面质量的有效途径，可广泛适用于深孔、精密孔的加工，应用前景广阔。

参考文献
[1]隈部淳一郎著.振动切削与深孔加工[m].北京：科学出版社，
1986
[2]颐崇衔著.金属切削原理[m].北京：机械工业出版社，1982。