數(shù)控機(jī)床振動(dòng)鉆削運(yùn)動(dòng)學(xué)特性及加工參數(shù)優(yōu)化

（泰州技師學(xué)院，機(jī)電工程系，江蘇泰州市，225300） 程林林

鈦合金作為一種具備抗高溫氧化、耐腐蝕、低彈性模量等多項(xiàng)優(yōu)異特性的合金材料，目前已經(jīng)成為航空航天器件、高鐵、精密機(jī)械結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域獲得廣泛使用[1-2]。但鈦合金存在難加工的問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行切削加工時(shí)會(huì)出現(xiàn)溫度明顯升高，引起組織發(fā)生冷硬轉(zhuǎn)變的過(guò)程，顯著增大了單位面積的切削作用力，最終導(dǎo)致刀具產(chǎn)生明顯的磨損缺陷[3-4]。

目前，少數(shù)學(xué)者開(kāi)展了低頻振動(dòng)鉆削方面的分析。本文通過(guò)麻花鉆對(duì)鈦合金實(shí)施振動(dòng)鉆削測(cè)試，比較了不同加工參數(shù)下振動(dòng)鉆削方式與普通鉆削方式形成的切屑特征與切削力差異。該研究有助于提高鈦合金振動(dòng)鉆削加工參數(shù)參數(shù)，為后續(xù)的綜合性能提高奠定理論基礎(chǔ)。

1 振動(dòng)鉆削的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性

振動(dòng)輔助鉆削時(shí)，振動(dòng)施加方向分別為軸向振動(dòng)和周向振動(dòng)。相比較周向振動(dòng)，軸向振動(dòng)更易實(shí)現(xiàn)對(duì)孔壁質(zhì)量的控制。振動(dòng)輔助鉆削時(shí)，振動(dòng)施加方向分別為軸向振動(dòng)和周向振動(dòng)。相比較周向振動(dòng)，軸向振動(dòng)更易實(shí)現(xiàn)對(duì)孔壁質(zhì)量的控制。通過(guò)在刀具施加軸向振動(dòng)后，切削刃的刀尖點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡。

2 試驗(yàn)方案

圖1 所示，本實(shí)驗(yàn)所使用的測(cè)試系統(tǒng)。三向測(cè)力儀型號(hào)為Kistler 9119AA2型動(dòng)態(tài)測(cè)力儀，實(shí)現(xiàn)鉆削力和扭矩的測(cè)試功能。

圖1 試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)示意圖

表1所示本實(shí)驗(yàn)的具體條件，鉆孔直徑為6mm，鉆孔深度為18mm，刀具選用的是高速鋼標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆(M2)，振動(dòng)刀柄的頻轉(zhuǎn)比1.8 和振幅0~0.20mm。本研究總共設(shè)計(jì)了三測(cè)試條件，包括切屑形態(tài)比較、鉆削力單因素測(cè)試與正交測(cè)試。正交試驗(yàn)選擇鉆削速度v、振幅a、進(jìn)給量s組成測(cè)試因素。

表1 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

表1 給出了正交試驗(yàn)的具體方案與測(cè)試結(jié)果。圖2是對(duì)表1測(cè)試鉆削力進(jìn)行作圖得到的鉆削力與鉆削用量、振幅的關(guān)系。

圖2 加工參數(shù)對(duì)鉆削力的影響

提高鉆削速度后，形成了明顯波動(dòng)的軸向力與扭矩，但整體波動(dòng)程度很小。進(jìn)行鈦合金鉆削時(shí)，不同鉆削速度下的積屑瘤和摩擦力存在差異，從而引起鉆削力的變化，采用振動(dòng)鉆削方式時(shí)則不會(huì)產(chǎn)積屑瘤，此時(shí)切屑和前刀面之間保持間斷接觸整體，發(fā)生了小幅摩擦變化，并未引起鉆削力的明顯改變。由于振動(dòng)鉆削相對(duì)常規(guī)鉆削方式可以達(dá)到更小鉆削力，此時(shí)可以略微增加鉆削速度來(lái)提升加工效率。

當(dāng)進(jìn)給量持續(xù)增加后，軸向力與扭矩發(fā)生了顯著增大。這是因?yàn)樘岣哌M(jìn)給量后會(huì)產(chǎn)生更大的切削面積，形成了更大的切削功與鉆削力，隨著進(jìn)給量的提高，切削厚度發(fā)生了線性增加，并且變形系數(shù)與摩擦系數(shù)也發(fā)生了下降，由此形成了更小的鉆削力，從而使鉆削力和進(jìn)給量之間并未形成正比變化趨勢(shì)[15]。

對(duì)0.05～0.15mm區(qū)間內(nèi)進(jìn)行測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)振幅提高后，發(fā)生了軸向力的降低，而扭矩則表現(xiàn)為先降低再升高的變化特征。這是因?yàn)楫?dāng)振幅增加后，橫刃處形成了變化幅度更明顯的工作角，使橫刃工作狀態(tài)獲得明顯優(yōu)化，具備更強(qiáng)切削性能，導(dǎo)致軸向力發(fā)生降低，但也需注意當(dāng)振幅太大時(shí)，會(huì)運(yùn)氣切削刃切入階段發(fā)生工作后角的顯著降低，甚至形成負(fù)后角而出現(xiàn)刀具嚴(yán)重磨損的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

本文開(kāi)展數(shù)控機(jī)床振動(dòng)鉆削運(yùn)動(dòng)學(xué)特性及加工參數(shù)優(yōu)化分析可知，與常規(guī)鉆削方式相比，鉆削力發(fā)生了動(dòng)態(tài)分量的顯著提升，更易生成切屑。本實(shí)驗(yàn)振動(dòng)鉆削形成的軸向力與扭矩均值相對(duì)常規(guī)鉆削方式下降比例為10%～15%。提高鉆削速度后，形成了明顯波動(dòng)的軸向力與扭矩，但整體波動(dòng)程度很小。軸向力與扭矩回歸值和測(cè)試值的誤差都未超過(guò)10%，表明本模型能夠達(dá)到可信度要求。