振动钻削工艺的发展概况及应用前景

作者：华中理工大学 王立平 杨叔子 王立江

欢迎访问e展厅 展厅 6 镗床/钻床展厅 摇臂钻床, 钻铣床, 镗床, 镗铣床, 钻攻中心, ... 一、前 言 孔加工是金属切削加工中最常用的加工工艺。据统计，孔加工的金属切除量约占切削加工总金属切除量的1/3，钻头的产量约占刀具总产量的60%。目前用于加工微小孔的工艺方法虽然较多，但应用最广泛、生产实用性最强的仍是采用麻花钻钻削加工。随着对孔加工质量和效率的要求不断提高，传统的钻削工艺已显示出极大的局限性，而近年来迅速发展的振动钻削工艺则日益显示出其独特的优势及广阔的应用前景。 振动钻削是振动切削的一个分支，它与普通钻削的区别在于钻孔过程中通过振动装置使钻头与工件之间产生可控的相对运动。振动方式主要有三种，即轴向振动(振动方向与钻头轴线方向相同)、扭转振动(振动方向与钻头旋转方向相同)和复合振动(轴向振动与扭转振动迭加)。其中，轴向振动易于实现，工艺效果良好，在振动钻削中占主导地位。振动的激励方式主要有超声波振动、机械振动、液压振动和电磁振动。其中，超声波振动的频率通常在16kHz以上，所以也称为高频振动钻削；其它三种振动方式的频率一般为几百赫兹，故称为低频振动钻削。振动钻削改变了传统钻削的切削机理。在振动钻削过程中，当主切削刃与工件不分离(不分离型振动钻削)时，切削速度、切削方向等参数产生周期性变化；当主切削刃与工件时切时离(分离型振动钻削)时，切削过程变成脉冲式的断续切削。当振动参数(振动频率和振幅)、进给量、主轴转速等选择合理时，可明显提高钻入定位精度及孔的尺寸精度、圆度和表面质量，减小出口毛刺，降低切削力和切削温度，延长钻头寿命。振动钻削良好的工艺效果已引起国内外研究者的普遍关注，自1954年日本宇都宫大学的隈部淳一郎教授提出振动钻削理论以来，各国学者对振动钻削进行了大量理论研究及实验分析，取得了许多有价值的研究成果，其中一些成果已逐步应用于加工领域。 二、振动钻削的工艺效果 振动钻削的特殊动力学机理使其可获得提高钻孔精度(包括尺寸精度和形状位置精度)、降低孔壁表面粗糙度和出口毛刺、延长刀具寿命、改善对难加工材料的切削能力等一系列良好的工艺效果。国内外学者对此做了大量实验研究工作。 隈部淳一郎教授提出振动钻削的概念和方法后，结合钻头刚性化理论的研究率先对轴向振动钻削提高钻孔垂直度进行了实验研究。他研制了安装在车床溜板上的超声波振动钻削装置，采用轴向振动钻削方法在山毛榉工件上钻削f3.3mm的孔，结果使钻孔倾斜度从普通钻削时的11.2×10-3rad下降到9.2×10-3rad，首次验证了振动钻削提高钻孔垂直度的工艺效果。前苏联中央燃料系统学研究院的学者在六轴自动机床上用枪钻振动钻削柴油机喷油嘴柱塞套中孔(f6.26mm,长径比为10)，获得了尺寸误差小于0.05mm、直线度误差小于0.005mm、表面粗糙度Ra＜1.25µm的良好工艺效果。1983年，薛万夫教授采用硬质合金枪钻在自制的机械式轴向振动钻削装置上加工压力表弹簧管深孔(f7.35mm,孔深170mm,材料50CrVA,硬度207HB)，在振动频率50～100Hz、振幅0.1mm、进给量0.2mm/r条件下，一次走刀后孔壁表面粗糙度达到Ra0.12µm。1987年，刘华明教授采用超声波轴向振动钻削f7.5mm、孔深30mm的铝制工件，使孔扩量由普通钻削时的0.21mm下降到0.11mm，圆度误差不大于0.005mm，表面粗糙度也较普通钻削显著降低［9］。1997年，王立江教授的课题组用 f0.5mm钻头钻削黄铜(H62)时发现，当加工参数(包括振动参数和进给量)选择最佳值时，孔的定位误差和孔扩量可由普通钻削时的22.91µm和35.12µm分别下降为0.52µm和3.65µm，工艺效果非常明显。 出口毛刺是钻削加工中严重影响加工质量的难题，长期未能有效解决。随着振动钻削实验研究的深入，学者们发现振动钻削可有效减小出口毛刺。1984年，日本学者鞍古文保采用钻头每转振动1次的频转比，在铝制工件(AL1050-0)上钻削f5mm的孔，结果出口毛刺高度由普通钻削时的4.5～5.2mm下降到0.6～0.9mm。他指出，低频轴向振动钻削能缓解切屑阻塞，有利于排屑；此外，由于钻头钻出工件的瞬间切削力并不增加，因此可减小出口毛刺。1986年，足立胜重等人在相同实验条件下分别对铝(AL1050-0)和碳素结构钢(S45C)工件进行了低频振动钻削实验，铝件和钢件的出口毛刺平均高度分别由普通钻削时的5mm和0.5mm下降到0.7mm和0.3mm，说明轴向振动钻削对于减小塑性材料的出口毛刺效果更为明显。1989年，王立江教授分析了零相位差低频振动钻削时出口处金属的残留特性和横刃的特殊机理，揭示了振动与毛刺的关联性，并通过实验证明在1Cr18Ni9Ti不锈钢和L5工业铝上钻削 f3mm的孔时，若振动参数选择合理，甚至可实现无毛刺钻削。1991年，H.Takeyama通过实验证实，超声波振动钻削也具有明显减小出口毛刺的作用。1997年，王立江教授的课题组用 f0.5mm钻头钻削黄铜(H62)时发现，当加工参数选择合理时，出口毛刺可由普通钻削时的31.52µm下降到0.12µm，基本上实现了无毛刺钻削。 提高钻头寿命及对难加工材料的切削能力也是钻削加工中的重要课题。1958年，W.Hansen在碳素钢工件上低频振动钻削深孔(f4mm,孔深58mm,频转比为3)时，发现振动钻削可显著提高钻头寿命，并指出钻头轴向振动降低了切削温度,减轻了钻头烧伤，改善了排屑性能，因此可提高钻头寿命［14］。1962年，E.A.Satel采用低频振动钻削加工属于难加工材料的不锈钢和耐热合金钢，结果使钻头平均寿命提高了300%,加工效率提高了250%。他认为，低频轴向振动钻削时刀具与工件切削表面的周期性分离可改善排屑性能，所以提高了钻头寿命。1972年，前苏联学者Гончаров采用低频扭转振动钻削也获得了切削扭矩降低、钻头寿命提高1.5倍的加工效果。1989年以来，日本学者新井典久等人对低频振动钻削提高难加工材料的钻削能力进行了较为深入的系统研究。他们用f10mm的高速钢(SKH51)麻花钻先后对钛合金(Ti-6Al-4V)、镍铬铁耐热合金(Inconel600)和奥氏体不锈钢(SUS304)进行了低频振动钻削实验，并与碳素结构钢(S45C)对比，用压电晶体三相测力仪测量动态切削力，用热电偶测量切削温度，并用有限元法分析温度分布，以主后刀面刃区外缘处的磨损宽度来衡量刀具寿命。实验结果表明：①振动钻削时钻削轴向力和扭矩静态分量(动态力的平均值)明显下降，其中钻削Ti-6Al-4V时分别下降19%和24%，效果最为明显；钻削S45C时分别下降4%和10%，下降幅度最小；②振动钻削使切削液冷却润滑作用增强，钻头外缘处切削温度下降；③磨损宽度减小，钻头寿命延长。因此，新井的实验结果有力地证明了低频振动钻削具有提高难加工材料钻削能力的工艺效果。王立江教授及课题组着重对振动钻削提高微小钻头寿命进行了实验研究，他们根据微小钻头不重磨的特点，以钻头折断前的钻孔个数或钻孔长度作为钻头寿命指标，先后做了超声波振动钻孔和低频振动钻孔实验，实验数据表明，不但低频振动钻削能成倍提高微小钻头寿命，超声波振动钻削提高微小钻头寿命的效果也十分明显，如参数选择合理，寿命可提高4.5倍以上。 近年来，新型非金属工程材料的应用不断扩展，其中不乏难加工材料，这对振动钻削工艺提出了新的挑战，同时也为展示其优良工艺效果提供了机遇。隈部教授采用超声波扭转振动和低频轴向复合振动钻削工程陶瓷，石川惠一采用单一的低频轴向振动钻削工程陶瓷，均取得了改善加工能力、提高钻头寿命的实验结果。北京航空航天大学陈鼎昌教授和哈尔滨工业大学张其馨先后用超声波振动钻削碳纤维增强复合材料(CFRP)，不但改善了对硬而韧的碳纤维的切削能力，同时还可抑制钻削中材料的层间剥离。 三十多年来，国内外学者对振动钻削作了大量理论与实验研究工作，振动钻削能提高钻孔质量、延长刀具寿命和改善对难加工材料切削能力等优良工艺效果已在机械加工领域得到普遍承认。综观国内外振动钻削的研究现状，目前主要存在以下问题：①对振动钻削的理论研究尚不充分，还未形成完整的理论体系，现有理论具有较大局限性，尚需修正和完善，以充分揭示振动钻削的动力学本质；②对振动钻削工艺效果的研究大多局限于直径大于1mm的孔径区域，而直径小于0.5mm的微小孔加工条件最为恶劣，且加工数量与日俱增，所以对振动钻削微小孔的研究更具实际意义，需予以更多关注；③迄今对振动钻削的研究均属于定参数振动钻削，无法同时满足钻削三区段不同钻削机理的要求，难以达到进一步提高钻孔整体加工水平的要求。因此，三区段变参数振动钻削，特别是对微小孔的三区段变参数振动钻削是在定参数振动钻削基础上的一次飞跃，是具有重要科研及应用价值的研究课题。 三、振动钻削的应用前景及前沿课题 近年来，由于材料科学的飞速发展，具有优良机械和物理性能的新型材料不断涌现，并逐渐在各个领域得到应用。高强度、高硬度金属材料、正交纤维束增强复合材料及涂层材料等的应用日益广泛，尤其是正交纤维束增强复合材料以其优良的比强度、比刚度和加工性能被广泛应用于飞机结构中，然而其主要弱点之一是层间剪切强度低，采用普通钻削加工时因轴向力较大，使层间容易产生脱层现象，尤其钻出时脱层更为严重。针对这一问题，采用振动钻削工艺，并在钻入和钻出时采用不同的加工参数(振幅A、振动频率F、进给量f、主轴转速n等)以减小轴向力，无疑可显著提高孔的加工质量。 由多种材料(如钛合金、铝合金及复合材料)组合构成的叠层材料已逐渐应用于新型飞机的制造中，其应用前景十分广阔，但由于其切削性能很差，成为推广应用的主要障碍，因此亟需解决其切削加工难的问题。对于这种材料采用定参数振动钻削的加工方法难以奏效，必须在钻削不同材料层时相应改变加工参数，才能在性能差别悬殊的不同材料层上钻出高质量的孔。 极有发展前途的金属基(主要是铝基)非连续增强复合材料以及最近出现的一些具有晶须、短纤维和陶瓷颗粒结构的材料，不仅性能优异，而且价格也可与传统金属材料竞争，国外已在导航系统、航空发动机、汽车连杆、活塞、汽缸体、工业机器人传动齿轮上投入应用。但是这类材料中的增强相(纤维、晶须或颗粒)硬度很高，且在材料中随机分布，故钻削加工中刀具磨损严重，加工表面质量差，且随钻削深度的增加而加剧。所以，必须采用变参数振动钻削工艺才能较好解决其加工问题。 上述新型材料有可能在下世纪初被大量广泛应用，而其加工难题还远未很好解决，目前仅在车削加工领域有极少的研究和报道。 针对上述材料的加工难题，振动钻削应根据加工孔的材料组合特性、孔的长径比和技术要求等灵活选择参数变量(A，F，f，n)，并将参数变量作为钻削深度的函数，即A(l)，F(l)，f(l)，n(l)，最终目的是使整个钻削过程处于优化状态，全面提高孔的加工质量。因此，对振动钻削的研究主要应从以下几方面进行： 在充分考虑各种复杂因素尤其是非线性因素的基础上，构造能够真实反映钻削过程机理的动力学模型，深入进行振动钻削动力学特性的研究：①由于振动钻削系统是一个包含非线性因素的复杂动力学系统，系统运行过程中可能出现诸如分叉、混沌等方面的动力学特性，这方面内容在以往的振动钻削研究中很少涉及；②钻头的结构和几何参数比较复杂，以往国内外对振动钻削进行理论研究时都是把钻头近似看作具有两自由度且自由端具有集中质量(或均匀分布质量)的悬臂梁来建立动力学模型，根据这种模型进行理论分析，求出的解只能是近似解，不能完全、真实地反映钻头结构及切削过程的动力学特性，因此需要从振动理论上进一步深入分析振动钻削的动力学特性，寻找更为有效的求解方法，为振动钻削技术在现代加工条件下的完善和发展提供更充分、更精确的理论依据。 从切削力学角度看，振动钻削的实质是变厚切削、变角切削、变速切削和冲击切削，要搞清各参数变量对切削过程的多维影响关系、分离型与不分离型振动钻削的分界、零相位差振动断屑机理、尤其是在广域内确定钻头横刃和主切削刃的负后角禁区及切削厚度的变化对动态切削力的影响，必须对动态切削过程进行深入研究，从而为今后的实验研究奠定基础。 开发先进的振动钻削设备。振动钻削是一种先进的加工工艺，振动参数对孔加工质量的影响非常大，而且需要根据不同的加工对象和钻削区段作相应变化。因此，依靠传统的钻削设备很难实现这一目标，必须配置能进行变参数振动钻削的自动控制系统，实现振动钻削的自动化和智能化。 开拓新的分析方法。振动钻削研究的最终目的是适应新型材料的加工要求，优化切削过程，全面提高孔加工质量。但受实验设备等客观条件的限制，不可能在实验中大幅度地任意改变参数，因此采用计算机仿真对切削过程进行全方位的分析和优化是必不可少的，这就要求在系统辨识的基础上根据振动理论、切削理论、控制理论等对系统进行形象的描述并构造振动钻削的仿真模型，实现对振动钻削的动态仿真。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/25/2005)