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相位差对振动钻削影响规律的研究

路强  
【摘要】:一、课题的提出 随着现代化进程的推进,高科技产品层出不穷,孔加工广泛应用于航空、航天、汽车、医疗等众多领域。非传统的孔加工方法有很多,如电火花加工(EDM)、离子束加工(IBM)、激光加工(LBM)等,它们在加工机理上各有创新,由于受到工件材料、精度要求、生产率、生产费用的限制,因此都不是适应性最广的孔加工方法。 国内外应用最广泛、生产实用性最强的孔加工方法仍然是采用麻花钻的钻削加工。但仅仅利用传统的钻削加工方法,加工质量差、效率低,有的材料甚至无法加工,无法满足实际要求,非传统的振动钻削新工艺越来越显出其优势。振动钻削建立在振动切削理论基础上,在工件和刀具之间施以可控的相对振动,使得钻削机理不同于普通钻削,具有良好的加工效果,得到国内外广大学者的关注。王立江教授首先提出的变参数振动钻削是在振动钻削基础上考虑工件材质,工件结构特点,更有针对性的加工方法,是振动钻削加工领域一项重要研究课题。人们针对单一材料、叠层材料、纤维增强复合材料已经分别提出了如下方法:三区段变参数振动钻削、阶跃式变参数振动钻削、混合变参数振动钻削。 在振动钻削中,相位差是一个很重要的概念。不同的相位差会对加工效果产生不同的影响。以往对振动钻削的研究,都很少涉及过相位差,因此有必要对相位差对振动钻削的影响规律作以研究。 二、振动钻削过程中的运动学分析 本文在对振动钻削过程中的变厚特性、切削图形、分离特性进行分析的基础上,阐述了相位差φ的形成过程,研究了分离系数K(振动钻削一个周期内,实切时间和振动周期的比值)随相位差的变化规律。通过理论分析和计算机编程计算发现在振动钻削过程中,分离系数随相位差的变化具有周期性、对称性、多峰性的特点:变化周期为2π;在一个振动周期内以φ=π为对称轴;在一个周期内,随着E的增大,分离系数的峰值增多(见图2-8)。 WP=63 在对振动钻削中变角特性分析的基础上,得到了切削刃上各点的动态后角随相位差的变化规律。 振动钻削过程中的摩擦条件的改善主要来自于分离特性,因此在一个振动周期内,钻头与工件的相对分离时间就显得十分重要。分离系数越小,则空切时间相对较长,对于摩擦条件的改善越有利。分离系数与相位差有着直接的关系,因此相位差也就成为决定摩擦条件改善程度的关键所在。 综上,在振动钻削中,可以利用分离系数随相位差的变化规律,来优化振动参数和切削参数。 三、相位差对振动钻削轴向力的影响 切削力是反映切削动态过程的一个重要信息,在钻削过程中刀具与工件之间的作用力比较复杂,一般来说,通过实验方法很难得到精确的动态轴相力,因此,本文以轴向平均力作为指标,利用自行研制的新型微机控制振动钻床和Kistler 9257B型测力系统,用直径为0.5mm的标准高速钢麻花钻在2mm厚的黄铜上钻孔,针对分离型振动钻削过程中的轴向平均力、出口轴向力与分离系数的关系进行了研究。大量的实验结果显示,在分离型的振动钻削过程中,轴向平均力随相位差的变化规律和分离系数随相位差的变化规律在总体趋势上是一致的(见图3-7)。 四、相位差对振动钻削加工质量的影响 本文对振动钻削的工艺效果随相位差的变化规律进行了理论和实验分析。 由于振动钻削具有“入钻-分离-衰减-重新入钻”的动态特性,因此相对分离时间即分离系数对入钻定位精度有着非常大的影响,分离系数越小,相对分离时间越长,则钻头衰减就越充分,定位精度就越高,因此在其它条件相同时,入钻定位误差随相位差的变化规律和分离系数随相位差的变化规律在总体趋势上是一致的(见图4-3)。 孔扩量的影响因素主要是入钻定位精度和切屑的排出难易程度。实切时间越短,则切屑越细小,越有利于排出,不易划伤孔表面,有利于降低孔扩量。理论和实验分析都得出,孔扩量随相位差的变化规律和分离系数随相位差的变化规律在总体趋势上是一致的(见图4-5)。 钻头寿命是评价工艺效果好坏的一个重要指标。微小孔钻削评价寿命的标准一般是由于扭矩增大而引起的钻头折断,由于振动钻削具有“扭转-分离-衰减-重新入钻”的动 WP=64 态特性,因此相对分离时间即分离系数对钻头寿命有着非常大的影响,分离系数越小,相对分离时间越长,则钻头衰减就越充分,同时越有利于改善钻头的摩擦条件,因此在其它条件相同时,钻头寿命随相位差的变化规律和分离系数随相位差的变化规律在总体趋势上是一致的(见图4-9)。 另外还得出了出口毛刺随相位差的变化规律和出口轴向力随相位差的变化规律在总体趋势上是一致的结论(见图4-8)。


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