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振动钻削新钻削力模型及定、变参数振动钻削的研究

王昕  
【摘要】: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。 本文是在国家自然科学基金的资助下进行的。 本文在对振动钻削过程中动态切削厚度、切削图形、轨迹的波数进行分析的基础上,研究了切削时间比(振动钻削一个周期内,实切时间和振动周期的比值)的变化规律。将转速、进给量、振动频率、振幅这4个参数归纳为2个可以体现频率与转速、振幅与每转进给量间关系的参数:?f (60Fre/n),E (4A/f)。通过理论分析和计算机编程计算发现在振动钻削过程中,切削时间比随频转比的变化具有周期性、对称性、多峰性的特点:变化周期为2;在一个振动周期内以奇数为对称轴;在一个周期内,随着E的增大,切削时间比的峰值增多。在对振动钻削中切削刃上各点的动态角度的分析中,首次发现在振动钻削过程中动态后角的最小值不是随着频率或频转比的增大单调下降,而是周期性的出现波峰值,这些波峰值都出现在不分离区,而且是接近于分离区处,这是由振动钻削过程中的变速特性引起的。利用切削时间比变化规律,可以在不同频段和不同的钻头转速中,选择合适的振动频率和主轴转速,得到小的切削时间比所在区域,以优化振动参数和切削参数。 众所周知,钻削过程属于半封闭切削,切屑的产生是不可见的,其运动受到孔壁和排屑槽的限制。本文将钻削力分为两部分:一是去除材料、产生切屑所需力,称之为切削力。切 WP=116 削力在钻削过程中不变。二是将产生的切屑排出孔外所需的力,称之为排屑力。随着钻孔深度的增加,排屑力迅速增加,是致使钻头折断的主要原因。人们以前所建立钻削力模型,均没有考虑到排屑力,不能全面的反映钻头的受力情况。 本文在针对分离型振动钻削(切削时间比小于1)实现断屑的情况,建立了包含排屑力的振动钻削力新数学模型。将钻头与切屑的接触部分——排屑槽和孔壁进行参数化、离散化处理以简化排屑力模型中的空间矢量运算。根据振动切削理论以及P.B.L.Oxley基于金属材料提出的剪切区模型,从振动钻削的动态特性分析入手,建立了切削力数学模型。在建立切削力模型中所涉及的工件材料的剪切流应力是通过少量实验得到的,在不同的振动钻削条件下,剪切流应力不变。通过多元正交多项式回归实验,得到?w(切屑与工件间的摩擦系数)、?f (切屑与钻头螺旋槽间的摩擦系数)与振动频率、振幅、进给速度间的函数关系。实验和方程表明:随着振动频率和振幅的增加,摩擦系数减小;随着进给速度的增加,摩擦系数增大。通过仿真和实验证明了新模型的正确,将钻削平均力的实验值和新振动钻削力模型和单切削力模型的理论值进行对比,证明了新钻削力模型更接近实验值,能反映钻削过程的真实情况。 对定参数普通钻削和定参数振动钻削所进行实验的结果表明:在所有情况下振动钻削的钻削力都小于普通钻削,下降幅度约为20~50%。进给速度对钻削力的影响最为明显。在振动钻削厚度为2mm的铜板时,开始时,钻削力变化平缓,钻削后期,由于排屑力增加较快,钻削力增加。在振动钻削情况下,随着振动频率和振幅的增加,排屑力下降。 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钻入力、钻出力、钻削平均力、钻深为1mm时的钻削力、钻头寿命、入钻定位误差、出口毛刺与切削时间比的关系进行了研究。大量的实验结果显示,在分离型的振动钻削过程中,钻削力、钻削平均力和钻削深度为1mm时的钻削力和切削时间比的变化规律一致;而且钻头寿命和切削时间比变化规律相反,峰谷相对;但钻出力总体上是随着频率和振幅的增加而下降的。入钻定位误差随着振动频率和振幅的增加、进给量的减小而减小;出口毛刺的变化和钻出力一致:钻出力大则出口毛刺大。 进行了了混合变参数振动钻削实验,即在钻入和钻出区段采用定参数振动钻削,在钻中区段采用连续变参数振动钻削,以较大的进给速度开始,随着钻深的增加降低进给速度,同时选择最优的振动参数。对比混合变参数振动钻削和普通钻削的切削时间、钻头寿命、入钻定位精度、出口毛刺、钻削平均力,证明了混合变参数振动钻削在改善加工


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