振動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難題^［1］。由于各種原因，如刀桿支承偏斜、導向套偏斜、切削力不對稱等均會使鉆頭產生初始偏斜量，且這一偏斜量將隨著鉆孔深度的增加而不斷增大，最終導致鉆頭的鉆進方向越來越偏離工件旋轉軸線，嚴重時會使鉆頭從被加工零件的側壁鉆出，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］，但應用較多的方法還是在鉆削完成后根據偏斜量的大小，以孔心線為基準重新車削工件外圓，以達到糾偏的目的。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大現象。

　　試驗研究和加工實踐表明，振動鉆削是一種可顯著提高深孔加工質量的新型工藝方法^［4］。振動鉆削與普通鉆削的區別在于鉆削過程中通過振動裝置使鉆頭與工件之間產生可控的相對振動，從而改變鉆削機理，提高鉆削質量。振動鉆削可使孔心偏斜現象明顯改善，不少文獻對其作用機理進行了探討。文獻［5］認為，鉆頭高頻振動的“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。但由于在低頻區間振動的鉆頭的“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［6］的研究成果基礎上，考慮到振動鉆削的脈沖切削特性，探討了振動鉆削減小孔心偏斜的內在機理，并通過振動鉆削試驗對理論推導結果進行了驗證。

2.鉆削加工孔心偏斜的機理分析

　　(1)普通鉆削的孔心偏斜量

　　在圖1所示的深孔加工系統中，鉆頭的初始偏斜量對孔心偏斜起著重要作用，由于初始偏斜量的存在，鉆頭軸線相對于工件旋轉軸線產生偏斜，且偏斜量隨著鉆削深度的增加而逐漸擴大，鉆頭軸線軌跡也越來越遠離理論鉆削軸線。通過對鉆削過程進行簡化，建立鉆削入鉆階段力學模型如圖2所示。

圖1　普通鉆削孔心偏斜示意圖

圖2　鉆削入鉆階段力學模型

　　設鉆削時的軸向力為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，并在該點處于平衡狀態。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，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

對式(3)兩邊求導得

　　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x＝L時，鉆頭入鉆自由端的偏斜角為

令，并將式(6)展開得

　　在（7）式中去除表示偏斜方向的負號，則當外載P遠小于壓曲極限載荷P_c時，鉆頭的初始偏斜角可簡化為

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，刀頭離目標軸線的偏差逐漸增大（見圖1）。設刀具瞬時進給量為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和鉆削長度l_n有關。

　�。�2）振動鉆削的孔心偏斜量

　　討論振動鉆削的孔心偏斜量，首先需要對振動鉆削過程進行分析。在振動鉆削中，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生的變形在鉆頭脫離工件后又復位變直，然后再重新入鉆。因此，與普通鉆削相比，振動鉆削的孔心偏斜量具有兩個特點：①在入鉆階段，振動鉆削將普通鉆削時鉆頭的一次性連續切入轉變為多次脈沖式切入，由于鉆尖是在偏移恢復后再次沖擊工件，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上進行，而是在減小了的上一次入鉆偏差基礎上繼續鉆削。設偏差減小系數為δ(δ＜1)，則可得到振動鉆削時在鉆削深度l_n處的孔心偏斜量為

同理可得

　　對比式(10)和式(12)可知，當用同一鉆頭鉆削相同深度的深孔時，與普通鉆削相比，振動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.鉆削加工對比試驗

　　為驗證上述理論分析的正確性，對普通鉆削和振動鉆削兩種鉆削加工方式的孔心偏斜量進行了對比試驗。

　　圖3所示為我們設計的振動鉆削加工系統。振動裝置采用機械式雙偏心輪機構，振幅可在0～0.5mm范圍內連續調節，直流電機轉速由直流電源控制，振動頻率可在100Hz內通過調節直流電源電流進行選擇，因此該振動鉆削系統能夠滿足不同工況下的振幅和振動頻率要求。

圖3　振動鉆削加工系統

　　試驗用鉆頭為?7.9mm的小直徑DF內排屑深孔鉆，刀具長度L=630mm，刀片材料為YT798；試件為?14×130mm的TC-4鈦合金棒料；振動裝置的振幅為0.05mm，頻率為90Hz；進給量為0.008mm/r，主軸轉速為1250r/min，加工中切削液選用5＃機械油，油壓4MPa。圖4為普通鉆削與振動鉆削的孔心偏斜量試驗結果對比。從圖中可看出，振動鉆削狀態下的孔心偏斜量較小，這與上述理論分析結果一致。

圖4　兩種鉆削方式的孔心偏斜量對比

4．結論

　　振動鉆削改變了鉆頭的切削機理，將普通鉆削的一次性連續鉆入變為周期性的脈沖楔入，振動鉆削存在切削—復位—再切削的動態過程。與普通鉆削相比，振動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，因此振動鉆削可顯著減小深孔切削過程中的孔心偏斜誤差。