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变进给振动钻削降低出口毛刺的研究 |
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作者：池龙珠 卢龙 金权洽 杨兆军 |
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钻孔过程中，随着钻头钻出工件表面，在孔的周边会产生出口毛刺。它的存在严重地影响产品的装配精度和使用性能，即使是自动化生产十分发达的国家，有时也不得不用手工去除毛刺以保证产品的质量。国内外的研究结果表明，振动钻削时削减出口毛刺具有显著的效果,其效果不仅与振动参数有关，而且与进给量有密切的关系。
1 分析
钻削过程中，当钻头接近钻通工件时，钻头下面待切除材料变得很薄，抵抗变形的能力下降，当孔底材料的应力达到材料的屈服极限时，将产生向下的塑性变形(见图1)。此后，钻头的切削状况发生了变化，已不再是完全的切削状态，还包含部分塑性变形流动。随着钻削过程的继续进行，变形量进一步加大，钻头最终钻出工件时，部分因塑性变形而未切除的孔底材料残留在孔口边缘形成出口毛刺(见图2)。 
图1
图2
图3为振动钻削时，出口处刀刃运动轨迹的圆周展开图。图中曲线Ⅰ为前一刀刃的运动轨迹，曲线Ⅱ为刀刃正在切削的运动轨迹。阴影部分是尚未切除的残留金属。在一个振动周期中，可以把切削过程分为AB、BC、CD三段。在AB段由于钻头的实际工作前角γfe增大，因而钻削力下降，塑性变形减小。在BC段，虽然实际工作前角γfe减小，钻削力增大，但由于切削力作用方向的改变，使得向下的切削分力仍很小，因此工件材料向下的塑性变形也很小。另外，从图3还可知，振动钻削时刀刃切削轨迹超出工件底面以前孔底残留金属的最大高度Hmax为
其中fr为钻头每转进给量，A为振动钻削时的振幅，Fn为钻头每转振动次数。普通钻削时Hmax仅为。所以在fr相同的情况下，振动钻削出口处残留金属的体积比普通钻削时大，强度也高，不易产生向下的塑性变形流动。
图4
从以上分析可见，由于振动钻削所特有的区别于普通钻削的钻出过程，加之比普通钻削更小的轴向切削分力，使得振动钻削时产生的出口毛刺将比普通钻削时更小。而以较低的进给量进行振动钻削，将会进一步消减出口毛刺。
2 钻削实验
1）实验设备与条件
实验是在微机数控微小振动钻床上进行的。钻床由安装在主轴套筒内顶部的压电陶瓷振动元件直接激振精密中频主轴电机，使其在套筒内做轴向振动；由步进电机驱动谐波传动减速器，减速器输出轴与主轴套筒上的齿条相啮合实现主轴的进给运动，并由单片微机控制在任意位置改变主轴的进给速度。实验中采用直径为0.3mm的高速钢钻头，主轴转速n=15000r/min,轴向振动频率F=300Hz，振幅A=4.0μm,工件材料为18Cr2Ni4WA低碳合金结构钢，工件厚度1.6mm。为了避免钻头质量差异对实验结果的影响，每项实验均用3支钻头，钻孔至折断为止，取其出口毛刺高度的均值做为每项实验结果。钻头均经工具显微镜挑选，表面质量基本一致。
2）实验结果
图4是fr变化时出口毛刺高度的实验结果。从图上可见振动钻削能够显著消减出口毛刺。在本文的实验条件下，可降低出口毛刺46.5%～60.7%,且fr越小，出口毛刺也越小。但进给量过小，则生产率低，钻削的整体加工水平下降。为此又做了变进给振动钻削实验，即先从正常进给量(fr1=4.0μm/r)钻入，当钻头横刃距离工件底面0.1mm时，降低进给量(fr2=1.33μm/r)直到钻削结束。下表是恒进给振动钻削与变进给振动钻削的对比实验结果。很明显，变进给振动钻削对消减出口毛刺，提高钻孔的整体加工水平有利。
| 钻削方式 | 出口毛刺/μm | | 变进给振动钻削 | fr1=4.0μm/r | 10.2 | | fr2=1.33μm/r | 32.1 | | 恒进给振动钻削 | fr=4.0μm/r | |
3 结论
振动钻削特有的区别于普通钻削的钻出过程，能够大幅度消减出口毛刺。
变进给振动钻削，对消减出口毛刺，提高钻孔的整体加工水平有利。(end)
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(11/7/2006) |
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