麻花鉆超聲振動鉆削入鉆精度研究

鄭德友，孔凡霞

（1.青島和力達電氣有限公司，山東青島266042;2.山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東淄博 255049）

0 引言

孔鉆削加工是工程中經常采用的加工方式。鉆削時存在鉆頭的剛度低、入鉆位置易偏移［1，2］、切屑不易排出、鉆頭易折斷［3，4］等問題。尤其對于難加工材料和深孔鉆削，定位精度差是工程中的難題之一。超聲振動鉆削是近代出現的一種先進的切削加工方法，它是在傳統的鉆削過程中給鉆頭（或工件）加上有規律的高頻振動。幾十年來，國內外專家學者對超聲振動鉆削做了大量的理論與實驗研究工作［5，6］，許多實驗和研究結果都表明振動鉆削可明顯提高入鉆的定位精度及孔的尺寸精度和表面品質，降低切削力和切削溫度，延長鉆頭壽命。

1 超聲振動鉆削提高入鉆精度機理

1.1 普通鉆削的入鉆機理

鉆頭入鉆過程是橫刃進行切削的過程。由于鉆頭的軸線與工件表面不能保證垂直，鉆尖會受到側向力的作用而產生偏移，產生入鉆引偏。本文從鉆頭完全入鉆前橫刃的滑移趨勢來分析入鉆引偏的過程。

圖1（a）是在入鉆過程中橫刃的滑移軌跡，其中O點是鉆頭在自由狀態下的回轉中心如果鉆頭是一個剛體，則橫刃應該以O為中心，A0B0為直徑的圓弧軌跡進行切削。即旋轉切削一定角度后，橫刃在A＇B＇的位置。然而，入削過程只有橫刃的DB來完成，因此會產生側向力P，使鉆頭發生彎曲變形，中心點偏移到O＇，此時工件的B0BB＇區域就不能被切除。

圖1 普通鉆削入鉆橫刃的滑移軌跡

1.2 超聲縱向振動鉆削入鉆機理

圖2 超聲振動鉆削的斷續切削

其中:A為振幅，r為鉆頭橫刃的回轉半徑，Wf為鉆頭每轉的振動次數。這時，每一振動周期內橫刃實際切削的時間tc和空切時間ti分別為:

其中:F為振動頻率。

橫刃每次切削可能產生的最大偏移量是在tc時間內主軸旋轉α1產生的。如圖3，超聲波縱向振動鉆削入鉆過程中，橫刃在切入金屬時，在tc時間里產生的側向偏移OO＇，滑移到A＇B＇位置。

圖3 切削時間和空切時間

圖4 超聲振動鉆削入鉆橫刃的滑移軌跡

2 實驗

采用如圖5實驗裝置，用D1.4mm硬質合金鉆頭對不銹鋼進行鉆削實驗。主軸轉速n=1200r/min，進給量vf=1.5μm/r，鉆頭振幅A=0μm、3.5μm、5μm。切削液采用金微油。試件是直徑d6mm不銹鋼試件，厚度為2mm，有中心孔。在工具顯微鏡（100倍）下測量孔入口中心點位置，計算孔中心位置相對外圓中心位置的最大偏移量，依此分析定位精度（偏移量小，則定位精度高）。

圖5 超聲振動鉆削裝置示意圖

圖6表示主軸轉速n=1200r/min，進給量vf=1.5μm/r，不同振幅條件下微孔入鉆定位精度的對比曲線。從圖中可以看出，普通鉆削時，最大偏移量為14μm左右，當振幅為5μm，最大偏移量降低到大約4μm。

由此可見，振動鉆削的入鉆定位精度相對普通鉆削有很大提高，當振幅為5μm時，定位精度提高了約4倍;在一定范圍內，隨振幅增大，定位精度提高。

圖6 定位精度對比曲線圖

另外，還進行了細長麻花鉆鉆削45#鋼的嘗試性實驗。實驗裝置如圖7所示。刀具為3mm的HSS普通麻花鉆，鉆頭懸長60mm。鉆削參數:轉速1000r/min，進給量0.008mm/r，超聲振動頻率19490Hz，振幅7μm。普通鉆削至深度35mm時鉆頭折斷，而超聲振動鉆削深55mm至通孔。兩個工件入口端面如圖8所示。由此實驗也表明，超聲振動鉆削可以大大提高入鉆精度。

圖7 超聲振動鉆削裝置示意圖

圖8 入口情態對比圖

3 結語

由于鉆頭剛性差或材料硬度高，普通鉆削入鉆時鉆尖易偏移，定位精度很低。振動鉆削入鉆，當鉆尖與工件分離時，鉆頭以自身的固有頻率做彎曲衰減振動，恢復變直后再重新入鉆，使入鉆偏移經過多次校正，最終使入鉆定位精度得到提高。

實驗結果也表明:超聲振動鉆削不銹鋼和細長麻花鉆鉆削45#鋼時，入鉆定位精度均有提高。且鉆削不銹鋼當振幅為5μm時，定位精度提高了約4倍;在一定范圍內，隨振幅增大，定位精度提高。

［1］楊兆軍，王勛龍，楊趙華.微小孔鉆削加工的難點及其技術對策［J］.機械工程師，1997，（5）:15-16.

［2］謝大綱，趙清亮，袁哲俊，等.麻花鉆剛度的有限元分析［J］.中國機械工程，2001，12（5）:154-156.

［3］劉利編譯.微深孔鉆頭設計要點［J］.日刊《機床與工具》，1987，（6）:130-135.

［4］張明，周錦進.微細鉆頭折斷原因探討［J］.工具技術，1999，33（7）:5-7.

［5］王立江，張德遠，張明.振動鉆削微小孔提高加工精度的研究［J］.機械工程學報，1992，28（1）:31-35.

［6］張德遠，王立江，張明.超聲波振動鉆削微孔的橫刃入鉆特性［J］.科學通報，1991，36（12）:947-950.