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摘要: 針對深孔加工過程中切屑形態(tài)不穩(wěn)定所形成的排屑不暢問題，基于振動鉆削理論，設(shè)計振動斷屑裝置，有效控制切削形態(tài)，保證順利排屑。通過給刀具施加軸向周期振動，振動斷屑裝置可實現(xiàn)變切厚鉆削和鉆頭軸向振動，使切屑易斷，并在一定程度上提高了表面加工質(zhì)量。通過實驗探究了切屑形態(tài)與切削參數(shù)的關(guān)系，分析了振動斷屑裝置的最佳工作參數(shù)。
關(guān)鍵詞: 深孔加工; 振動鉆削; BTA 系統(tǒng)
1 、引言
深孔加工在封閉或半封閉的空間內(nèi)進行，產(chǎn)生大量切屑在一定的空間內(nèi)易形成堵塞，切削熱不易傳遞出去，其加工難度高、排屑難且工作量大。BTA 深孔鉆排屑的主要動力是由高壓油提供的壓力，如果切屑過長，即使在高壓油的作用下仍然難以排出。為解決深孔加工過程中排屑難的問題，通過分析振動切削原理、設(shè)計振動斷屑裝置、給刀具施加軸向周期振動，實現(xiàn)鉆頭瞬時切削厚度的改變和鉆頭軸向振動，從而有效控制切屑的形態(tài)，使切屑順利排出，提高高速深孔加工的效率。
2 、振動鉆削機理分析
振動鉆削的基本原理是通過振動裝置施加給刀具或工件一定方向、一定頻率和一定振幅的可控振動，使鉆頭和工件之間產(chǎn)生規(guī)律性的接觸和分離，從而使普通鉆削變成間歇式鉆削。針對不同的振動方向?qū)⒄駝鱼@削分為三類(見圖1) ，其中，軸向振動方向與鉆頭的軸線方向一致，扭轉(zhuǎn)振動方向與鉆頭的旋轉(zhuǎn)方向一致，復(fù)合振動是軸向振動與扭轉(zhuǎn)振動的相互疊加。由于軸向振動比較容易實現(xiàn)且加工效果較好，因此應(yīng)用最廣，其鉆削機理見圖2。
圖1 振動鉆削類別
圖2 軸向振動鉆削機理
振動鉆削是間歇性切削，鉆削過程中鉆頭在極短的時間進行切削，其余時間鉆頭與工件都處于分離狀態(tài); 鉆頭間歇式的切削使之獲得極大的瞬時速度和瞬時加速度，對被加工工件形成沖擊，使塑性金屬脆性化，同時降低摩擦系數(shù)和切削力，進而提高鉆頭的相對剛度。在振動鉆削過程中，由于鉆頭和工件間的接觸是間歇式的，因此振動鉆削產(chǎn)生的切削熱少且散熱快; 振動鉆削可以使切削力降低，并在一定程度上避免刀瘤的產(chǎn)生，提高加工工件的表面質(zhì)量。
3、 振動裝置建模及分析
在設(shè)計機械式振動鉆削的振動裝置時，一般采用偏心機構(gòu)、四連桿機構(gòu)和曲柄滑塊機構(gòu)等，綜合分析深孔加工的特點，擬采用偏心凸輪結(jié)構(gòu)來建立模型。偏心式振動機構(gòu)建模的基本原理見圖3。
圖3 偏心凸輪機構(gòu)
根據(jù)式( 6) 繪出如圖 4 所示的斷屑區(qū)域圖。
圖4 切削區(qū)域圖
4 、振動斷屑裝置設(shè)計
4. 1 振動發(fā)生裝置設(shè)計
振動鉆削裝置中必不可少的是振動發(fā)生器，其結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖 5 所示。由圖可知，內(nèi)凸輪與轉(zhuǎn)軸采用緊配合的方式連接在一起，當轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，內(nèi)凸輪隨之轉(zhuǎn)動; 為了實現(xiàn)振動振幅的調(diào)節(jié)，需要使內(nèi)凸輪和外凸輪之間可以轉(zhuǎn)動，則外凸輪與內(nèi)凸輪之間的配合方式為可動連接; 螺母可用來控制外凸輪與內(nèi)凸輪之間何時可相對轉(zhuǎn)動，即當螺母松開時，外凸輪與內(nèi)凸輪可以相互轉(zhuǎn)動。
圖 5 振動發(fā)生器簡圖
圖6 相對位置關(guān)系簡圖
4. 2 振動斷屑裝置整體設(shè)計
振動斷屑裝置整體結(jié)構(gòu)見圖 7。由于鉆桿的不穩(wěn)定性，振動發(fā)生裝置不容易固定，可將振動直接加載到聯(lián)結(jié)器上。為了使聯(lián)結(jié)器沿直線運動，設(shè)計安裝小導(dǎo)軌，其配合結(jié)構(gòu)見圖 8。
圖7 振動斷削裝置原理圖
圖8 小導(dǎo)軌與聯(lián)結(jié)器配合關(guān)系圖
為防止聯(lián)結(jié)器與小導(dǎo)軌脫離，設(shè)計安裝導(dǎo)軌擋于小導(dǎo)軌后端，可避免聯(lián)軸器掉落; 通過彈簧支柱把彈簧固定在彈簧擋板與聯(lián)結(jié)器之間，且彈簧處于壓縮狀態(tài)，其彈力足以推動聯(lián)結(jié)器移動。振動發(fā)生器的兩端支撐在拖板上，當凸輪轉(zhuǎn)動時，便會推動聯(lián)結(jié)器與鉆桿一起移動。振動斷屑裝置的特點包括: ①振動發(fā)生器可通過電機直接控制，則其振動頻率可通過調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)控制; ②通過調(diào)節(jié)內(nèi)外偏心輪的相對位置，可連續(xù)調(diào)節(jié)振幅大小，適應(yīng)性強;③應(yīng)用小導(dǎo)軌可保證鉆桿沿直線運動，從而保證了直線度; ④結(jié)構(gòu)緊湊，易于安裝與操作，壽命長，性能穩(wěn)定。
5 、振動斷屑裝置實驗分析
通過實驗探究振動參數(shù)與深孔加工中切削參數(shù)的關(guān)系。實驗設(shè)備包括: Z8Q16 臥式深孔鉆床、冷卻系統(tǒng)、振 動 裝 置、授 油 器、內(nèi) 排 屑 深 孔 鉆 ( 8 ×500mm) 。實驗工件為 EA4T 車軸鋼，尺寸 30 ×300mm。實驗參數(shù): 振動裝置振幅 A = 0． 08mm，機床轉(zhuǎn)速 n = 785r/min，油壓 3MPa。5. 1 斷屑實驗分析通過分析斷屑情況可知，振動鉆削產(chǎn)生的切屑與普通鉆削產(chǎn)生的切屑不同，普通鉆削所產(chǎn)生的切屑是厚度一致的帶狀切屑，而振動切屑所產(chǎn)生的切削的形態(tài)是隨振動頻率變化而變化。不同切削條件下振動斷屑的情況見表 1。
表 1 不同條件下切削斷屑情況
通過實驗分析不同振動參數(shù)下的切削形態(tài)，可得頻轉(zhuǎn)比 f/n 與切削形態(tài)關(guān)系如圖 9 所示。由圖可見，振動斷屑裝置有良好的斷屑效果，可以有效控制切屑形態(tài)。這種短小的切屑在高壓切削液作用下能夠順利排出，從而有效解決 BTA 深孔系統(tǒng)排屑難的問題。其特點為: ①形成瞬時切削厚度的改變有利于斷屑。當鉆頭振動切削時，由于鉆頭振動的作用，切屑受到隨振動變化而變化的切削力，表現(xiàn)出切屑厚度變化的特征。在高壓切削液的作用下，厚度不同的切屑在其薄弱處發(fā)生折斷，達到斷屑的目的。②形成鉆頭軸向的振動有利于斷屑。由于鉆頭在切削時進給量很小，所以軸向振動的振幅 2A 較易大于進給量，此時可實現(xiàn)分離切削，達到斷屑的目的。
圖9 2A/fr= 5．5時，不同f/ n的切削形狀
5. 2 加工精度分析
通過實驗分析振動裝置對孔加工質(zhì)量的影響。通過儀器檢測可得普通切削和振動切削時的成孔精度(見表2) 。
表 2 普通切削與振動切削成孔精度
通過對表 2 的分析可知，在其他加工參數(shù)相同時，振動切削能有效提高成孔質(zhì)量，通過調(diào)節(jié)振動參數(shù)可以降低孔表面粗糙度，提高孔尺寸精度。分析其原因為:
(1) 在振動鉆削時，由于鉆頭切削扭矩變小，對成孔表面質(zhì)量有積極作用。在振動切削的過程中，鉆頭在一瞬間內(nèi)完成微量切削，使扭矩和切削強度相應(yīng)降低，從而有利于改善表面加工質(zhì)量。
(2) 在振動鉆削時，由于對切屑形態(tài)的控制使排屑更加流暢，對成孔表面質(zhì)量有積極作用。振動切削可以使切屑變小，小的切屑在高壓切削液作用下順利排出，從而減小切屑對已加工表面的影響，避免打刀，提高刀具壽命。因此，振動切削可提高加工精度。
(3) 在振動鉆削時，可以對積屑瘤形成一定的抑制，所以對成孔表面質(zhì)量有積極作用。普通切削會在切削區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生很大的擠壓力，在擠壓力作用下，隨著加工材料塑性變形會產(chǎn)生大量的切削熱，使切屑與刀具形成積屑瘤。積屑瘤對加工穩(wěn)定性和刀具壽命都有不利影響，而且不利于保證成孔質(zhì)量。振動切削過程中，由于鉆頭的振動使切削為間歇性切削，所以會使加工材料塑性化，使其塑性變形減小，減少積屑瘤的形成，達到抑制積屑瘤的目的。此外，由于振動切削的間歇性作用，切削時的潤滑和冷卻都會得到改善，積屑瘤的形成進一步得到抑制。
(4) 在振動鉆削時，由于切削液能更好地作用于切削，對孔表面質(zhì)量有積極作用。在振動切削過程中，切削液在切削間隙能迅速進入切削區(qū)域，從而改善切削環(huán)境，接觸面之間的摩擦隨之降低，提高成孔表面的質(zhì)量。
6、 結(jié)語
本文研究了振動鉆削原理，設(shè)計了振動斷屑裝置應(yīng)用于深孔加工。振動斷屑裝置能有效地控制BTA 深孔鉆削加工時對切屑的控制，對深孔加工中切削形態(tài)控制和成孔質(zhì)量具有積極作用。通過理論分析和實驗分析探討了振動鉆削斷屑裝置在深孔加工領(lǐng)域的可行性，為高速高效深孔加工技術(shù)的發(fā)展提供了一種可行性方案。
來源：金工網(wǎng)
