工程陶瓷低頻振動(dòng)鉆孔加工試驗(yàn)研究*

鄭 雷，陸勝凱，董香龍，馮寶富

(1. 鹽城工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051；2. 江蘇省濱海中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 鹽城 224500；3. 魯東大學(xué) 交通學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264025)

0 引言

氧化鋁工程陶瓷因具有密度低、硬度高、耐磨損、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異的機(jī)械、物理和化學(xué)性能，在航空航天、汽車制造、醫(yī)療器械等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。由于工程陶瓷硬而脆，高彈性模量、高抗壓強(qiáng)度和低抗拉強(qiáng)度，是典型的難加工材料，嚴(yán)重制約了工程陶瓷材料的大量應(yīng)用和推廣。目前，工程陶瓷孔加工的方法主要有采用金剛石鉆頭的機(jī)械加工和特種加工。工程陶瓷孔加工的特種加工方法主要有：激光加工、電火花加工、超聲輔助加工等[2-4]。相較于特種加工，機(jī)械加工具有生產(chǎn)效率高，成本小，操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，所以采用金剛石鉆頭的工程陶瓷鉆孔加工方法仍是首選方法[5-6]。但是采用金剛石鉆頭加工工程陶瓷仍然存在鉆頭使用壽命短，加工質(zhì)量較差等缺點(diǎn)，所以有必要對(duì)采用金剛石鉆頭的機(jī)械加工進(jìn)行工藝方面的改進(jìn)。

振動(dòng)鉆削是一種新穎的鉆削加工工藝，是解決小直徑深孔和難加工材料加工問(wèn)題的有效方法[7-9]。而低頻振動(dòng)主要靠機(jī)械振動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，具有很大的實(shí)用價(jià)值[10]。很多學(xué)者對(duì)金屬材料已做了大量的低頻振動(dòng)鉆削方面的實(shí)驗(yàn)研究工作[11-15]。關(guān)于陶瓷難加工材料的低頻振動(dòng)鉆削工藝方面，目前只有少量的文獻(xiàn)報(bào)道。本文采用燒結(jié)釬焊復(fù)合金剛石鉆頭，以工程陶瓷為研究對(duì)象，分析低頻振動(dòng)鉆孔過(guò)程中加工工藝參數(shù)對(duì)軸向力的影響規(guī)律。而軸向力直接影響鉆頭的壽命與孔的質(zhì)量通過(guò)優(yōu)化加工工藝參數(shù)降低軸向力，以達(dá)到高效高質(zhì)量孔加工。

1 試驗(yàn)條件與方案

1.1 試驗(yàn)條件

工件為由山東某研究所提供的氧化鋁工程陶瓷，氧化鋁含量99.5%。工件為六邊形陶瓷塊，邊長(zhǎng)49mm，厚度8mm。氧化鋁工程陶瓷的物理特性參數(shù)[16]如表1所示。

表1 Al2O3陶瓷物理特性參數(shù)

試驗(yàn)采用專門研制的燒結(jié)釬焊復(fù)合工藝制備的金剛石鉆頭，鉆頭如圖1所示，這種鉆頭可以在含有較高磨粒濃度的條件下，保證基體對(duì)磨粒的把持力度。金剛石鉆頭內(nèi)徑為6mm，外徑為8mm。

圖1 燒結(jié)釬焊金剛石鉆頭

本次鉆孔試驗(yàn)在漢川XH715D立式加工中心機(jī)床上進(jìn)行。低頻振動(dòng)刀柄為法國(guó)Mitis公司的PG8040振動(dòng)刀柄，如圖2所示。

圖2 PG8040振動(dòng)刀柄

軸向力通過(guò)KISTLER 9129AA緊湊型多分量測(cè)力儀測(cè)得，該測(cè)力儀安裝在加工中心機(jī)床的工作臺(tái)和裝夾工件用的夾具之間，經(jīng)過(guò)電荷放大器放大，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由M&T HORIZON數(shù)據(jù)采集卡采集，并通過(guò)HRsoft_DW軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和分析。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)分為兩部分，首先進(jìn)行低頻振動(dòng)加工與普通加工的對(duì)比試驗(yàn)，分析低頻振動(dòng)鉆孔加工與普通鉆孔加工的差別。然后進(jìn)行低頻振動(dòng)鉆孔加工正交試驗(yàn)，分析加工工藝參數(shù)對(duì)軸向力的影響，并優(yōu)化工藝參數(shù)。

對(duì)比試驗(yàn)中，主要考慮有無(wú)低頻軸向振動(dòng)對(duì)軸向力的影響，對(duì)比試驗(yàn)工藝參數(shù)如表2所示。

表2 對(duì)比試驗(yàn)工藝參數(shù)

在低頻振動(dòng)鉆孔中，為了減少試驗(yàn)的次數(shù)和準(zhǔn)確的得到各加工工藝參數(shù)對(duì)鉆孔過(guò)程中的軸向力的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)了3因素3水平的L9(34)正交表，不考慮各因素水平間的交互作用。表3為正交試驗(yàn)因素水平對(duì)照表。

表3 正交試驗(yàn)因素水平對(duì)照表

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 對(duì)比試驗(yàn)

圖3為主軸轉(zhuǎn)速為2700r/min、進(jìn)給速度為8mm/min、振動(dòng)幅度為0.015mm時(shí)的低頻振動(dòng)鉆孔的軸向力，圖4為主軸轉(zhuǎn)速為2700r/min、進(jìn)給速度為8mm/min時(shí)的普通鉆孔加工的軸向力，圖5為兩種軸向力的對(duì)比圖。

圖3 普通鉆孔加工軸向力

圖4 低頻振動(dòng)鉆孔加工軸向力

圖5 軸向力對(duì)比

從圖5中可以看出，低頻振動(dòng)鉆孔加工與普通鉆孔加工，軸向力隨主軸轉(zhuǎn)速的變化具有較大差異。低頻振動(dòng)鉆孔的軸向力總體小于普通鉆孔的軸向力，且隨著轉(zhuǎn)速的上升，降低幅度越來(lái)越大。在普通鉆孔過(guò)程中，軸向力隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高而上升。主要原因在于，本試驗(yàn)是加工孔徑為8mm的小孔，加工空間極為狹窄，這就導(dǎo)致了鉆孔加工中冷卻和排屑條件較為惡劣。從圖3中可以看出，隨著加工深度的增加，軸向力呈上升趨勢(shì)，表明加工過(guò)程中，排屑能力越來(lái)越低，對(duì)軸向力的影響越來(lái)越大。另一方面，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，使得金剛石磨粒在單位時(shí)間里的磨削行程增大，從而導(dǎo)致磨削熱增大，金剛石磨粒承受的沖擊載荷及熱載荷的增大，金剛石磨粒容易發(fā)生破裂破碎、脫落甚至金剛石的石墨化。所以在工程陶瓷微小孔鉆孔加工時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速的提高并不一定能降低軸向力。

在低頻振動(dòng)鉆孔時(shí)，隨著主軸轉(zhuǎn)速的上升，但軸向力整體趨勢(shì)是變小的。一方面，是因?yàn)樵诘皖l振動(dòng)鉆孔過(guò)程中，排屑散熱條件都比普通鉆孔好。從圖4中可出在低頻振動(dòng)鉆孔過(guò)程中，隨著加工深度的增加，軸向力基本保持在一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，且上升幅度小于普通鉆孔。這表明在低頻振動(dòng)鉆孔過(guò)程中，排屑能力和散熱能力優(yōu)于普通加工。另一方面，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，金剛石鉆頭的線速度增大，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量將減小，金剛石鉆頭的切削厚度將降低，所以軸向力也就減小。但是考慮到機(jī)床的穩(wěn)定性，主軸轉(zhuǎn)速不宜過(guò)高，所以建議使用中高主軸轉(zhuǎn)速。

2.2 正交試驗(yàn)

根據(jù)正交試驗(yàn)安排對(duì)工程陶瓷進(jìn)行低頻振動(dòng)鉆孔加工試驗(yàn)，試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

為了準(zhǔn)確分析各工藝參數(shù)對(duì)軸向力的影響，對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，極差分析結(jié)果見表5。

表5 極差分析

通過(guò)極差分析，由表可以得出各因素對(duì)軸向力的影響主次順序大致為：進(jìn)給速度>振動(dòng)幅度>主軸轉(zhuǎn)速。由此可以得出金剛石鉆頭所受到的軸向力的大小受進(jìn)給速度的影響最大。所以合理的控制進(jìn)給速度，是工程陶瓷材料低頻振動(dòng)鉆孔的關(guān)鍵因素。

為了更加精確地評(píng)價(jià)各加工工藝參數(shù)對(duì)軸向力的影響顯著性，在極差分析的基礎(chǔ)上，對(duì)軸向力數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表6所示。

表6 正交試驗(yàn)方差分析

由表6可知，因素主軸轉(zhuǎn)速：“F=1.454”、“進(jìn)給速度”F=291.386、“振動(dòng)幅度”F=0.580，而“進(jìn)給速度”的Sig.值小于0.05，“主軸轉(zhuǎn)速”和“振動(dòng)幅度”的Sig.值均大于0.05，說(shuō)明進(jìn)給速度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有顯著影響，主軸轉(zhuǎn)速和振動(dòng)幅度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響差異不顯著。

3 總結(jié)

通過(guò)采用燒結(jié)釬焊復(fù)合工藝金剛石鉆頭對(duì)工程陶瓷的普通鉆孔和低頻振動(dòng)鉆孔加工試驗(yàn)可以得到以下結(jié)論：

(1)采用燒結(jié)釬焊復(fù)合工藝金剛石鉆頭和低頻振動(dòng)加工工藝可以實(shí)現(xiàn)工程陶瓷的孔加工，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

(2)在加工工程陶瓷孔徑較小時(shí)，普通鉆孔加工的排屑和散熱情況較差，采用低頻振動(dòng)工藝可以明顯改善排屑和散熱。低頻振動(dòng)鉆孔加工軸向力相對(duì)較小，并且隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，軸向力降小效果明顯。

(3)從低頻振動(dòng)鉆孔加工正交試驗(yàn)中，得到各因素對(duì)軸向力的影響主次順序?yàn)椋哼M(jìn)給速度，振動(dòng)幅度，主軸轉(zhuǎn)速。隨著進(jìn)給速度的提高，軸向力急劇增加。軸向力隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高而降低，但降低幅度較小?？紤]到降低軸向力和提高加工質(zhì)量，宜采用低進(jìn)給速度、低振動(dòng)幅度和高主軸轉(zhuǎn)速。