超声振动钻削切屑形成机理及实验研究

陈 硕,邹 平,毛 亮

(1.东北大学 机械工程与自动化学院,沈阳 110819; 2.辽宁轨道交通职业学院 机械工程系,沈阳 110023)

随着工程技术的发展,越来越多的难加工材料不断涌现.这些难加工材料的出现给材料的加工方法提出了很多的要求,特别是钻削加工,难以满足加工的要求.在普通钻削加工过程中,切削不易断屑,易缠刀,导致加工难度提高[1].超声振动加工技术可以改善钻削中切屑的形态,更有利于断屑,因此,研究超声振动技术切屑的断屑情况势在必行.

切屑的断屑和排屑情况对孔的加工质量有很大的影响[2-3].普通钻削中产生的带状切屑易缠刀和堵塞,而合理的切屑能很好地避免缠刀.在超声振动钻削的过程中,能够实现切屑的断屑,生成易排出的切屑[4],这不但提高了钻削的效率,而且也提高了孔的加工质量[5-8].因此,对超声振动钻削中切屑进行分析,进一步研究切屑形成机理,从而有效控制切屑的断屑情况,使切屑能够顺利的排出,满足孔加工质量的要求[9-12].

1 超声振动钻削切屑形成机理

1.1 超声振动钻削轴向振动位移方程

超声振动钻削在普通钻削的基础上,在钻头或工件上增加一个周期性的振动,使钻头和工件之间发生某种有规律的并且可控的相对运动.如图1所示,在刀具上施加高频、有规律、可控、沿钻头轴向方向的振动,即钻头做进给运动和轴向振动,工件做旋转运动.

图1 轴向振动钻削示意图Fig.1 Schematic diagram of axial vibration drilling

在钻头的轴向方向施加一个有规律并且可以控制的振动,振动方程为zUV=Asin(2πft),由于钻头做进给运动也做轴向振动,则超声振动钻削过程中钻头刀刃相对于工件的轴向位移z为

(1)

式中：fr为刀具的进给量，mm/r;n为工件转速，r/s;t为切削时间，s;A为振动的振幅，mm;f为振动频率，Hz.

1.2 超声振动钻削中刀刃的运动轨迹

从某一时刻t开始,由式(1)可知一条主切削刃上一点的运动轨迹方程为

(2)

工件旋转半周时另外一条主切削刃到达前一条主切削刃的起始位置,则另外一条主切削刃上一点才从前一条主切削刃上一点起始位置开始运动的运动轨迹方程为

(3)

取进给量fr=0.10 mm/r,转速n=450 r/min,振幅A=0.06 mm,频率f=500 Hz,根据式(2)和式(3)可以得到超声振动钻削中两条切削刃运动轨迹沿圆周方向上的展开图,如图2所示.图中相同线是同一切削刃上的同一点相隔一圈的运动展开线.

在同样的条件下不加超声振动时,得到钻头两条切削刃运动轨迹沿圆周方向上的展开图,如图3所示.

图2 振动钻削过程中切削刃运动轨迹的展开图Fig.2 Expanded of cutting edge movement trajectoryduring vibration drilling

图3 普通钻削过程中切削刃运动轨迹的展开图Fig.3 Expanded of cutting edge movement trajectoryduring ordinary drilling

由图2和图3可知,振动钻削过程中相邻两条切削刃的运动轨迹不再是平行的,而是有规矩的相互交叉,且两条切削刃运动轨迹的趋势是一样的,不同的是在起始位置的相位不同.在这里定义,刀具相对工件运动,工件转半周刀具的振动次数称为重叠次数,用M表示如下：

(4)

式中：K为整数部分;i为小数部分且0

取不同的振动频率和转速可以得到不同的相位差,不同相位差下两条切削刃的运动轨迹如图4所示.

从图4可以看出,不同相位差下超声振动钻削形成的切屑大小是不一样的.相位差φ=0时,切屑的厚度保持不变,理论上就会形成长卷屑,不利于切屑的排出;当相位差φ≠0时,如图4(b)～图4(d)所示,切屑的厚度就会周期性的变化,并会出现切屑厚度小于零的情况,这时钻头与工件分离,切屑折断.从而可知,在振动钻削过程中可以通过控制合适的相位差来获得不同的切屑形状.

图4 不同相位差下的切削运动轨迹Fig.4 Cutting trajectory of the blade when differentphase difference

1.3 超声振动钻削中切屑的厚度分析

为了进一步验证振动钻削过程中切屑厚度的变化情况和断屑的规律性,以便实现对切屑的控制,分析在任意时刻切屑厚度的变化情况.

当选定振动频率f和工件转速n即i保持不变时,工件在第0,1/2,1,3/2,…,m/2转时,钻头的两条切削刃沿轴向的位移分别为

(5)

则相邻两切削刃之间的切屑厚度的表达式为

(6)

式中：m=0,1,2,…，m.

由式(6)可知,相邻两切削刃之间的切屑厚度与进给量fr、振幅以及振动频率与工件转速的比f/2n(即φ=2πi)有关.并且相邻两切削刃之间的切屑厚度是以fr/2为中心,以2Asin(πi)为振幅,以f为频率发生周期性的变化.由式(6)可以画出不同相位差下的切屑厚度变化情况,如图5所示.

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

由图5(a)可知,当i=0 即φ=0时,切屑的厚度基本上是保持不变的,在这种情况下,无论选择振动频率和工件转速,产生的切屑都是连续的,理论上是很难实现断屑的;当i≠0即φ≠0时,令式(6)所代表的切屑厚度等于0,可知要想切屑厚度为0,需要使fr与振幅A以及相位差满足一定的关系.

上述的分析过程反映了一转中相邻两切削刃之间的切屑厚度变化情况,在实际的振动钻削过程中,切屑厚度的变化会受两切削刃在多转之间产生的切削轨迹的影响.图6为两切削刃在多转之间形成切屑单元示意图.

图6中的z1和z3是同一切削刃上的一点在两圈中形成的不同切削轨迹,z2和z4是另一切削刃上的一点在两圈中形成的不同切削轨迹,用竖线表示的阴影部分为切屑单元.

图6 多纹干涉形成切屑单元示意图Fig.6 Schematic diagram of multi-line interferenceformation of chip units

从图6可知,切屑单元是由z1,z2和z3共同作用下形成的,而不是只有其中的两条切削轨迹决定的.多条切削轨迹形成的切屑厚度计算就比较复杂,由于满足两条切削轨迹断屑的条件同时也满足多条切削轨迹的断屑,因此只需考虑两条相邻切削轨迹就可以满足条件.

1.4 超声振动钻削中切屑的控制

振动钻削过程中选择不同的参数就会得到不同的切屑变化情况,而钻削中合理的断屑对孔的加工具有影响.因此,可以通过振动钻削控制切屑的合理折断来提高孔的加工质量.

因为00,由式(6)可得相邻两切削刃之间切屑厚度的最小值为

(7)

在不考虑切屑收缩系数的情况下,实现完全几何断屑,则需满足sm,min≤0,从而得出完全几何断屑的条件为

(8)

(9)

根据式(9)可以绘出理论的断屑区域图,如图7所示.

图7曲线上方的区域为理论断屑区域,在钻削过程中,为了能够实现完全几何断屑,则选择的参数须在图7的理论断屑区内,从而实现对切屑的控制.

图7 理论的断屑区域图Fig.7 Theoretical chip breaking area map

2 超声振动钻削切屑实验研究

2.1 实验条件

实验是在由一台CA6140型普通车床改造的超声振动钻削的机床上进行的,如图8所示.振动系统由超声波发生器、换能器和变幅杆等组成,在图8中换能器、变幅杆和钻头固定在车床上,由钻头实现进给和轴向振动、工件旋转,钻削过程中不加入冷却液.钻头为φ6 mm的含钴高速钢钻头,实验工件是φ10 mm、厚度为10 mm的201不锈钢.加工过程中收集不同加工参数下的切屑,并观察和比较切屑的形态.

图8 实验装置Fig.8 Test device

2.2 实验方案

实验采用12组数据,振动频率f=20 kHz，进给量fr=0.08 mm/r,通过改变振幅和转速来控制切屑的形状,具体的加工方案如表1所示.

2.3 实验结果

通过不同的加工参数得出不同的切屑形状,如图9所示.

由图9(a)可知,在不加超声振动情况下生成的是不规则卷曲的带状切屑,此种切屑在排出的过程中会随钻头一起旋转,缠绕在钻头上,易堵塞切屑槽,并会与已加工表面发生摩擦,不但影响孔的加工质量,而且还会加重刀具的磨损;当在钻削过程中施加振幅较小的超声振动时,生成的切屑虽然也是带状，如图9(b)所示,但形状比较规则,避免了缠刀现象.

表1 加工方案Tab.1 Processing plan

适当地增大振幅的大小,当施加的参数满足式(9)完全几何断屑条件时,切屑便会自动断屑,生成碎屑,如图9(d)和图9(f)所示.但并不是持续增大振幅就能实现断屑,在振幅相同的情况下,如果其他参数的选取不能满足式(9),则不会断屑,如图9(c)和图9(e)所示.以上验证了式(9)的正确性.

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

通过以上分析可知,满足完全几何断屑条件的超声振动钻削能够解决难加工材料的断屑问题,使切屑顺利排出,提高了难加工材料的加工效率.

3 结论

(1) 相位差为零时,振动钻削两条切削刃的切削轨迹是两条平行的曲线,即形成的切屑厚度保持不变;当相位差不为零时,振动钻削两条切削刃的切削轨迹是两条周期性相交的曲线,即切屑厚度会发生周期性的变化,在相交点处出现完全几何断屑.

(2) 振动钻削中实现完全几何断屑的条件为

并不是所有的振动都能实现完全几何断屑,只有当加工参数振幅A、进给量fr、振动频率f和主轴转速n之间的关系满足上述条件时,才能实现完全几何断屑.

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