振動(dòng)鉆削有效減小深孔加工中的孔心偏斜誤差

1.引言

　　孔心偏斜是深孔加工中難以避免的技術(shù)難題^［1］。由于各種原因，如刀桿支承偏斜、導(dǎo)向套偏斜、切削力不對(duì)稱(chēng)等均會(huì)使鉆頭產(chǎn)生初始偏斜量，且這一偏斜量將隨著鉆孔深度的增加而不斷增大，最終導(dǎo)致鉆頭的鉆進(jìn)方向越來(lái)越偏離工件旋轉(zhuǎn)軸線，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使鉆頭從被加工零件的側(cè)壁鉆出，造成加工事故。雖然目前已有不少用于深孔加工的糾偏措施^［2,3］，但應(yīng)用較多的方法還是在鉆削完成后根據(jù)偏斜量的大小，以孔心線為基準(zhǔn)重新車(chē)削工件外圓，以達(dá)到糾偏的目的。但這種糾偏方法的使用范圍有限，且不能從根本上消除偏斜擴(kuò)大現(xiàn)象。

　　試驗(yàn)研究和加工實(shí)踐表明，振動(dòng)鉆削是一種可顯著提高深孔加工質(zhì)量的新型工藝方法^［4］。振動(dòng)鉆削與普通鉆削的區(qū)別在于鉆削過(guò)程中通過(guò)振動(dòng)裝置使鉆頭與工件之間產(chǎn)生可控的相對(duì)振動(dòng)，從而改變鉆削機(jī)理，提高鉆削質(zhì)量。振動(dòng)鉆削可使孔心偏斜現(xiàn)象明顯改善，不少文獻(xiàn)對(duì)其作用機(jī)理進(jìn)行了探討。文獻(xiàn)［5］認(rèn)為，鉆頭高頻振動(dòng)的“靜止化效果”和“剛性化效果”的綜合作用可有效抑制鉆孔偏斜，從而提高鉆孔的直線度。但由于在低頻區(qū)間振動(dòng)的鉆頭的“靜止化效果”和“剛性化效果”很弱，因此上述理論具有一定局限性。本文在文獻(xiàn)［6］的研究成果基礎(chǔ)上，考慮到振動(dòng)鉆削的脈沖切削特性，探討了振動(dòng)鉆削減小孔心偏斜的內(nèi)在機(jī)理，并通過(guò)振動(dòng)鉆削試驗(yàn)對(duì)理論推導(dǎo)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

2.鉆削加工孔心偏斜的機(jī)理分析

　　(1)普通鉆削的孔心偏斜量

　　在圖1所示的深孔加工系統(tǒng)中，鉆頭的初始偏斜量對(duì)孔心偏斜起著重要作用，由于初始偏斜量的存在，鉆頭軸線相對(duì)于工件旋轉(zhuǎn)軸線產(chǎn)生偏斜，且偏斜量隨著鉆削深度的增加而逐漸擴(kuò)大，鉆頭軸線軌跡也越來(lái)越遠(yuǎn)離理論鉆削軸線。通過(guò)對(duì)鉆削過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立鉆削入鉆階段力學(xué)模型如圖2所示。

圖1　普通鉆削孔心偏斜示意圖

圖2　鉆削入鉆階段力學(xué)模型

　　設(shè)鉆削時(shí)的軸向力為p，徑向力為R，在這兩種力的作用下，鉆尖從鉆頭的中心偏移到位移量為q的一點(diǎn)，并在該點(diǎn)處于平衡狀態(tài)。由此可得到鉆頭偏斜的微分方程為

式中　E——鉆桿材料的彈性模量

　　　I——鉆桿的截面慣性矩

設(shè)，整理式(1)得

由邊界條件x＝0，y＝0及x＝L，y＝－q可求得式(2)的解為

對(duì)式(3)兩邊求導(dǎo)得

　　由圖2可知，影響孔心偏斜的是徑向力R，將邊界條件代入式(4)，則有，將R值代回式(4)得

當(dāng)x＝L時(shí)，鉆頭入鉆自由端的偏斜角為

令，并將式(6)展開(kāi)得

　　在（7）式中去除表示偏斜方向的負(fù)號(hào)，則當(dāng)外載P遠(yuǎn)小于壓曲極限載荷P_c時(shí)，鉆頭的初始偏斜角可簡(jiǎn)化為

式(8)中入鉆偏斜量。

　　在普通鉆削加工中，隨著鉆削深度的增加，在初始偏斜量的影響下，刀頭離目標(biāo)軸線的偏差逐漸增大（見(jiàn)圖1）。設(shè)刀具瞬時(shí)進(jìn)給量為Δl，孔深為l_n，則孔在任意位置處的偏斜量為

因此可得

　　即在鉆桿長(zhǎng)度一定的情況下，普通鉆削的孔心偏斜量與入鉆偏斜量q₀和鉆削長(zhǎng)度l_n有關(guān)。

　�。�2）振動(dòng)鉆削的孔心偏斜量

　　討論振動(dòng)鉆削的孔心偏斜量，首先需要對(duì)振動(dòng)鉆削過(guò)程進(jìn)行分析。在振動(dòng)鉆削中，鉆尖沖擊一次工件表面后立即退回，它受橫向力瞬間作用產(chǎn)生的變形在鉆頭脫離工件后又復(fù)位變直，然后再重新入鉆。因此，與普通鉆削相比，振動(dòng)鉆削的孔心偏斜量具有兩個(gè)特點(diǎn)：①在入鉆階段，振動(dòng)鉆削將普通鉆削時(shí)鉆頭的一次性連續(xù)切入轉(zhuǎn)變?yōu)槎啻蚊}沖式切入，由于鉆尖是在偏移恢復(fù)后再次沖擊工件，鉆入偏移量得到了校正，因此可使鉆尖以較小偏移量鉆入工件，即有q_0振＜q_0普。②在鉆削階段，由于鉆頭的脈沖作用，使鉆頭的每次入鉆不是在全部上一次入鉆偏差的基礎(chǔ)上進(jìn)行，而是在減小了的上一次入鉆偏差基礎(chǔ)上繼續(xù)鉆削。設(shè)偏差減小系數(shù)為δ(δ＜1)，則可得到振動(dòng)鉆削時(shí)在鉆削深度l_n處的孔心偏斜量為

同理可得

　　對(duì)比式(10)和式(12)可知，當(dāng)用同一鉆頭鉆削相同深度的深孔時(shí)，與普通鉆削相比，振動(dòng)鉆削在鉆削深度上的孔心偏斜量明顯減小，即有q_振＜q_普。

3.鉆削加工對(duì)比試驗(yàn)

　　為驗(yàn)證上述理論分析的正確性，對(duì)普通鉆削和振動(dòng)鉆削兩種鉆削加工方式的孔心偏斜量進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。

　　圖3所示為我們?cè)O(shè)計(jì)的振動(dòng)鉆削加工系統(tǒng)。振動(dòng)裝置采用機(jī)械式雙偏心輪機(jī)構(gòu)，振幅可在0～0.5mm范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速由直流電源控制，振動(dòng)頻率可在100Hz內(nèi)通過(guò)調(diào)節(jié)直流電源電流進(jìn)行選擇，因此該振動(dòng)鉆削系統(tǒng)能夠滿足不同工況下的振幅和振動(dòng)頻率要求。

圖3　振動(dòng)鉆削加工系統(tǒng)

　　試驗(yàn)用鉆頭為?7.9mm的小直徑DF內(nèi)排屑深孔鉆，刀具長(zhǎng)度L=630mm，刀片材料為YT798；試件為?14×130mm的TC-4鈦合金棒料；振動(dòng)裝置的振幅為0.05mm，頻率為90Hz；進(jìn)給量為0.008mm/r，主軸轉(zhuǎn)速為1250r/min，加工中切削液選用5＃機(jī)械油，油壓4MPa。圖4為普通鉆削與振動(dòng)鉆削的孔心偏斜量試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。從圖中可看出，振動(dòng)鉆削狀態(tài)下的孔心偏斜量較小，這與上述理論分析結(jié)果一致。

圖4　兩種鉆削方式的孔心偏斜量對(duì)比

4．結(jié)論

　　振動(dòng)鉆削改變了鉆頭的切削機(jī)理，將普通鉆削的一次性連續(xù)鉆入變?yōu)橹芷谛缘拿}沖楔入，振動(dòng)鉆削存在切削—復(fù)位—再切削的動(dòng)態(tài)過(guò)程。與普通鉆削相比，振動(dòng)鉆削的這一特性不但提高了鉆頭的入鉆精度，而且還減緩了孔心偏斜量在切削深度上的累積速度，因此振動(dòng)鉆削可顯著減小深孔切削過(guò)程中的孔心偏斜誤差。