超聲振動(dòng)鉆削切屑形成機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究

陳 碩,鄒 平,毛 亮

(1.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,沈陽(yáng) 110819; 2.遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系,沈陽(yáng) 110023)

隨著工程技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多的難加工材料不斷涌現(xiàn).這些難加工材料的出現(xiàn)給材料的加工方法提出了很多的要求,特別是鉆削加工,難以滿足加工的要求.在普通鉆削加工過(guò)程中,切削不易斷屑,易纏刀,導(dǎo)致加工難度提高[1].超聲振動(dòng)加工技術(shù)可以改善鉆削中切屑的形態(tài),更有利于斷屑,因此,研究超聲振動(dòng)技術(shù)切屑的斷屑情況勢(shì)在必行.

切屑的斷屑和排屑情況對(duì)孔的加工質(zhì)量有很大的影響[2-3].普通鉆削中產(chǎn)生的帶狀切屑易纏刀和堵塞,而合理的切屑能很好地避免纏刀.在超聲振動(dòng)鉆削的過(guò)程中,能夠?qū)崿F(xiàn)切屑的斷屑,生成易排出的切屑[4],這不但提高了鉆削的效率,而且也提高了孔的加工質(zhì)量[5-8].因此,對(duì)超聲振動(dòng)鉆削中切屑進(jìn)行分析,進(jìn)一步研究切屑形成機(jī)理,從而有效控制切屑的斷屑情況,使切屑能夠順利的排出,滿足孔加工質(zhì)量的要求[9-12].

1 超聲振動(dòng)鉆削切屑形成機(jī)理

1.1 超聲振動(dòng)鉆削軸向振動(dòng)位移方程

超聲振動(dòng)鉆削在普通鉆削的基礎(chǔ)上,在鉆頭或工件上增加一個(gè)周期性的振動(dòng),使鉆頭和工件之間發(fā)生某種有規(guī)律的并且可控的相對(duì)運(yùn)動(dòng).如圖1所示,在刀具上施加高頻、有規(guī)律、可控、沿鉆頭軸向方向的振動(dòng),即鉆頭做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和軸向振動(dòng),工件做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).

圖1 軸向振動(dòng)鉆削示意圖Fig.1 Schematic diagram of axial vibration drilling

在鉆頭的軸向方向施加一個(gè)有規(guī)律并且可以控制的振動(dòng),振動(dòng)方程為zUV=Asin(2πft),由于鉆頭做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)也做軸向振動(dòng),則超聲振動(dòng)鉆削過(guò)程中鉆頭刀刃相對(duì)于工件的軸向位移z為

(1)

式中：fr為刀具的進(jìn)給量，mm/r;n為工件轉(zhuǎn)速，r/s;t為切削時(shí)間，s;A為振動(dòng)的振幅，mm;f為振動(dòng)頻率，Hz.

1.2 超聲振動(dòng)鉆削中刀刃的運(yùn)動(dòng)軌跡

從某一時(shí)刻t開始,由式(1)可知一條主切削刃上一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(2)

工件旋轉(zhuǎn)半周時(shí)另外一條主切削刃到達(dá)前一條主切削刃的起始位置,則另外一條主切削刃上一點(diǎn)才從前一條主切削刃上一點(diǎn)起始位置開始運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(3)

取進(jìn)給量fr=0.10 mm/r,轉(zhuǎn)速n=450 r/min,振幅A=0.06 mm,頻率f=500 Hz,根據(jù)式(2)和式(3)可以得到超聲振動(dòng)鉆削中兩條切削刃運(yùn)動(dòng)軌跡沿圓周方向上的展開圖,如圖2所示.圖中相同線是同一切削刃上的同一點(diǎn)相隔一圈的運(yùn)動(dòng)展開線.

在同樣的條件下不加超聲振動(dòng)時(shí),得到鉆頭兩條切削刃運(yùn)動(dòng)軌跡沿圓周方向上的展開圖,如圖3所示.

圖2 振動(dòng)鉆削過(guò)程中切削刃運(yùn)動(dòng)軌跡的展開圖Fig.2 Expanded of cutting edge movement trajectoryduring vibration drilling

圖3 普通鉆削過(guò)程中切削刃運(yùn)動(dòng)軌跡的展開圖Fig.3 Expanded of cutting edge movement trajectoryduring ordinary drilling

由圖2和圖3可知,振動(dòng)鉆削過(guò)程中相鄰兩條切削刃的運(yùn)動(dòng)軌跡不再是平行的,而是有規(guī)矩的相互交叉,且兩條切削刃運(yùn)動(dòng)軌跡的趨勢(shì)是一樣的,不同的是在起始位置的相位不同.在這里定義,刀具相對(duì)工件運(yùn)動(dòng),工件轉(zhuǎn)半周刀具的振動(dòng)次數(shù)稱為重疊次數(shù),用M表示如下：

(4)

式中：K為整數(shù)部分;i為小數(shù)部分且0

取不同的振動(dòng)頻率和轉(zhuǎn)速可以得到不同的相位差,不同相位差下兩條切削刃的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示.

從圖4可以看出,不同相位差下超聲振動(dòng)鉆削形成的切屑大小是不一樣的.相位差φ=0時(shí),切屑的厚度保持不變,理論上就會(huì)形成長(zhǎng)卷屑,不利于切屑的排出;當(dāng)相位差φ≠0時(shí),如圖4(b)～圖4(d)所示,切屑的厚度就會(huì)周期性的變化,并會(huì)出現(xiàn)切屑厚度小于零的情況,這時(shí)鉆頭與工件分離,切屑折斷.從而可知,在振動(dòng)鉆削過(guò)程中可以通過(guò)控制合適的相位差來(lái)獲得不同的切屑形狀.

圖4 不同相位差下的切削運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.4 Cutting trajectory of the blade when differentphase difference

1.3 超聲振動(dòng)鉆削中切屑的厚度分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證振動(dòng)鉆削過(guò)程中切屑厚度的變化情況和斷屑的規(guī)律性,以便實(shí)現(xiàn)對(duì)切屑的控制,分析在任意時(shí)刻切屑厚度的變化情況.

當(dāng)選定振動(dòng)頻率f和工件轉(zhuǎn)速n即i保持不變時(shí),工件在第0,1/2,1,3/2,…,m/2轉(zhuǎn)時(shí),鉆頭的兩條切削刃沿軸向的位移分別為

(5)

則相鄰兩切削刃之間的切屑厚度的表達(dá)式為

(6)

式中：m=0,1,2,…，m.

由式(6)可知,相鄰兩切削刃之間的切屑厚度與進(jìn)給量fr、振幅以及振動(dòng)頻率與工件轉(zhuǎn)速的比f(wàn)/2n(即φ=2πi)有關(guān).并且相鄰兩切削刃之間的切屑厚度是以fr/2為中心,以2Asin(πi)為振幅,以f為頻率發(fā)生周期性的變化.由式(6)可以畫出不同相位差下的切屑厚度變化情況,如圖5所示.

圖5 不同相位差下的切屑厚度Fig.5 Chip thickness when different phase difference

由圖5(a)可知,當(dāng)i=0 即φ=0時(shí),切屑的厚度基本上是保持不變的,在這種情況下,無(wú)論選擇振動(dòng)頻率和工件轉(zhuǎn)速,產(chǎn)生的切屑都是連續(xù)的,理論上是很難實(shí)現(xiàn)斷屑的;當(dāng)i≠0即φ≠0時(shí),令式(6)所代表的切屑厚度等于0,可知要想切屑厚度為0,需要使fr與振幅A以及相位差滿足一定的關(guān)系.

上述的分析過(guò)程反映了一轉(zhuǎn)中相鄰兩切削刃之間的切屑厚度變化情況,在實(shí)際的振動(dòng)鉆削過(guò)程中,切屑厚度的變化會(huì)受兩切削刃在多轉(zhuǎn)之間產(chǎn)生的切削軌跡的影響.圖6為兩切削刃在多轉(zhuǎn)之間形成切屑單元示意圖.

圖6中的z1和z3是同一切削刃上的一點(diǎn)在兩圈中形成的不同切削軌跡,z2和z4是另一切削刃上的一點(diǎn)在兩圈中形成的不同切削軌跡,用豎線表示的陰影部分為切屑單元.

圖6 多紋干涉形成切屑單元示意圖Fig.6 Schematic diagram of multi-line interferenceformation of chip units

從圖6可知,切屑單元是由z1,z2和z3共同作用下形成的,而不是只有其中的兩條切削軌跡決定的.多條切削軌跡形成的切屑厚度計(jì)算就比較復(fù)雜,由于滿足兩條切削軌跡斷屑的條件同時(shí)也滿足多條切削軌跡的斷屑,因此只需考慮兩條相鄰切削軌跡就可以滿足條件.

1.4 超聲振動(dòng)鉆削中切屑的控制

振動(dòng)鉆削過(guò)程中選擇不同的參數(shù)就會(huì)得到不同的切屑變化情況,而鉆削中合理的斷屑對(duì)孔的加工具有影響.因此,可以通過(guò)振動(dòng)鉆削控制切屑的合理折斷來(lái)提高孔的加工質(zhì)量.

因?yàn)?0,由式(6)可得相鄰兩切削刃之間切屑厚度的最小值為

(7)

在不考慮切屑收縮系數(shù)的情況下,實(shí)現(xiàn)完全幾何斷屑,則需滿足sm,min≤0,從而得出完全幾何斷屑的條件為

(8)

(9)

根據(jù)式(9)可以繪出理論的斷屑區(qū)域圖,如圖7所示.

圖7曲線上方的區(qū)域?yàn)槔碚摂嘈紖^(qū)域,在鉆削過(guò)程中,為了能夠?qū)崿F(xiàn)完全幾何斷屑,則選擇的參數(shù)須在圖7的理論斷屑區(qū)內(nèi),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)切屑的控制.

圖7 理論的斷屑區(qū)域圖Fig.7 Theoretical chip breaking area map

2 超聲振動(dòng)鉆削切屑實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)是在由一臺(tái)CA6140型普通車床改造的超聲振動(dòng)鉆削的機(jī)床上進(jìn)行的,如圖8所示.振動(dòng)系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器、換能器和變幅桿等組成,在圖8中換能器、變幅桿和鉆頭固定在車床上,由鉆頭實(shí)現(xiàn)進(jìn)給和軸向振動(dòng)、工件旋轉(zhuǎn),鉆削過(guò)程中不加入冷卻液.鉆頭為φ6 mm的含鈷高速鋼鉆頭,實(shí)驗(yàn)工件是φ10 mm、厚度為10 mm的201不銹鋼.加工過(guò)程中收集不同加工參數(shù)下的切屑,并觀察和比較切屑的形態(tài).

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.8 Test device

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用12組數(shù)據(jù),振動(dòng)頻率f=20 kHz，進(jìn)給量fr=0.08 mm/r,通過(guò)改變振幅和轉(zhuǎn)速來(lái)控制切屑的形狀,具體的加工方案如表1所示.

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)不同的加工參數(shù)得出不同的切屑形狀,如圖9所示.

由圖9(a)可知,在不加超聲振動(dòng)情況下生成的是不規(guī)則卷曲的帶狀切屑,此種切屑在排出的過(guò)程中會(huì)隨鉆頭一起旋轉(zhuǎn),纏繞在鉆頭上,易堵塞切屑槽,并會(huì)與已加工表面發(fā)生摩擦,不但影響孔的加工質(zhì)量,而且還會(huì)加重刀具的磨損;當(dāng)在鉆削過(guò)程中施加振幅較小的超聲振動(dòng)時(shí),生成的切屑雖然也是帶狀，如圖9(b)所示,但形狀比較規(guī)則,避免了纏刀現(xiàn)象.

表1 加工方案Tab.1 Processing plan

適當(dāng)?shù)卦龃笳穹拇笮?當(dāng)施加的參數(shù)滿足式(9)完全幾何斷屑條件時(shí),切屑便會(huì)自動(dòng)斷屑,生成碎屑,如圖9(d)和圖9(f)所示.但并不是持續(xù)增大振幅就能實(shí)現(xiàn)斷屑,在振幅相同的情況下,如果其他參數(shù)的選取不能滿足式(9),則不會(huì)斷屑,如圖9(c)和圖9(e)所示.以上驗(yàn)證了式(9)的正確性.

圖9 不同振幅下的切屑形狀Fig.9 Chip shape under different amplitudes

通過(guò)以上分析可知,滿足完全幾何斷屑條件的超聲振動(dòng)鉆削能夠解決難加工材料的斷屑問(wèn)題,使切屑順利排出,提高了難加工材料的加工效率.

3 結(jié)論

(1) 相位差為零時(shí),振動(dòng)鉆削兩條切削刃的切削軌跡是兩條平行的曲線,即形成的切屑厚度保持不變;當(dāng)相位差不為零時(shí),振動(dòng)鉆削兩條切削刃的切削軌跡是兩條周期性相交的曲線,即切屑厚度會(huì)發(fā)生周期性的變化,在相交點(diǎn)處出現(xiàn)完全幾何斷屑.

(2) 振動(dòng)鉆削中實(shí)現(xiàn)完全幾何斷屑的條件為

并不是所有的振動(dòng)都能實(shí)現(xiàn)完全幾何斷屑,只有當(dāng)加工參數(shù)振幅A、進(jìn)給量fr、振動(dòng)頻率f和主軸轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系滿足上述條件時(shí),才能實(shí)現(xiàn)完全幾何斷屑.

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