内排屑深孔振动钻削系统的设计.doc

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1、前 言机械制造业是国民经济的支柱，在切削加工中，孔加工约占加工总量的三分之一，而深孔加工又占孔加工的百分之四十。由于深孔是在封闭或半封闭的状况下进行，因此不能直接观察刀具的切削情况、切削热不易传散，而且捧屑困难、工艺系统刚性差，切削效果不理想。本课题对深孔振动钻削的断屑机理进行了分析，并分析了实现可靠几何断屑的条件和影响力学断屑的因素；对振动参数的选取进行了分析，在理论分析的基础上，结合实际，提出振动钻削参数选取原则；以现有理论为基础，利用了现有的频率、振幅可调的机械式双偏心轮振动发生器和DF负压抽屑系统进行了组合；并对DF内排屑负压抽屑装置的油路系统进行了改进；利用现有的深孔振动钻削系统的新

2、型小直径内排屑深孔钻头，组合设计出了具有振动断屑负压内排屑功能的新型深孔加工系统。由于这里不能上传完整的毕业设计（完整的应包括毕业设计说明书、相关图纸CAD/PROE、中英文文献及翻译等），此文档也稍微删除了一部分内容（目录及某些关键内容）如需要其他资料的朋友，请加叩扣:二二壹五八玖一壹五一本课题利用设计制造好的小直径DF深孔振动钻削系统，对往年深孔振动钻削的试验研究进行了分析，分析结果证明本课题所设计的内排屑深孔振动钻削系统的钻削效果良好、工艺可靠，并且还对产生良好工艺效果的原因进行了分析。目 录1.绪论11.1 课题研究背景及意义11.2国内外研究状况11.3低频深孔振动钻削存在的问题21

3、.4本课题主要研究的内容22.深孔振动钻削的断屑机理32.1振动切削断屑的必要条件32.2 双偏心凸轮式振动发生器振动方程32.3深孔钻头的瞬间进给运动方程42.4 切屑的形成机理42.5 断屑的数学分析53.内排屑深孔振动钻削装置的分析63.1 双偏心轮式振动钻削装置63.1.1 振动钻削装置结构图63.1.2 振幅可调振动钻削装置的理论分析73.1.3 振动装置的特点73.2 内排屑深孔钻头的设计83.3 DF系统关键部件的设计83.4 油路的改进设计原理93.5 总体布局94.深孔振动钻削过程分析94.1 深孔振动钻削时刀具角度变化和i的取值范围94.1.1 深孔振动钻削刀具角度变化94

4、.1.2 完全几何断屑条件下的i的取值范围104.2 深孔振动钻削系统的稳定性114.2.1 深孔振动钻削切削力分析114.2.2 影响深孔振动钻削稳定性的轴向振动和扭转振动114.2.3 影响深孔振动钻削稳定性的横向振动和弯曲振动124.2.4 振幅损失134.3 深孔振动钻削的工艺参数选取原则135.总结14致 谢15参考文献161.绪论1.1 课题研究背景及意义深孔加工在切削领域占有很重要的地位。由于深孔钻削是在封闭或半封闭的状况下进行，因此不能直接观察刀具的切削情况，切削热不易传散，而且排屑困难、工艺系统刚性差，切削效果不理想。深孔加工过程切屑顺利排出十分重要，由于深孔加工捧屑空问有限

5、，因此对切屑形状、大小都有严格的要求。小口径深孔钻削加工时所形成的切屑，在切削液的带动和冲击下必须能够顺利地通过排屑通道排出。切屑能否断成一定的形状并能顺利摊出关系到能否加工的问题；而切屑的排出量和切屑切除率是否适应，决定了刀具能否连续、高效地加工。通过分析以往实验得知，只要有一片切屑不能进入排屑入口，就会造成切屑在入口处的聚集和堵塞，从而引起打刀，此时若不立即停车，退出钻头，就会造成钻杆扭曲、变形、甚至折断或钻头扭断、冷却液喷出而中断加工。因此，断屑和排屑问题在钻削加工中，尤其是小口径的深孔钻削中十分重要，它是关系到钻头及加工系统存在和发展的一个关键。内排屑深孔钻削与外排屑深孔钻削的工作原理

6、不同的是：高压油经输油装置由钻杆与孔壁间隙处输入到切削区，再从钻杆的内孔中同切削液一起排出。内排屑深孔钻切削时不会划伤已加工孔表面，已加工表面质量较好，排屑顺畅；其钻杆为圆形截面，扭转刚度和弯曲强度比枪钻高，因而可以采用较大的进给量钻削；排屑空间大，冷却润滑液压力比较低一般为0.5-3MPa。振动钻削是振动切削的一个分支，它与普通钻削的区别在于钻孔过程中通过振动装置使钻头与工件之间产生可控的相对运动。振动方式主要有三种，即轴向振动(振动方向与钻头轴线方向相同)、扭转振动(振动方向与钻头旋转方向相同)和复合振动(轴向振动与扭转振动加)。其中，轴向振动易于实现，工艺效果良好，在振动钻削中占主导地位

7、。振动的激励方式选择双偏心凸轮式振动装置，此振动装置的振动频率为一百多赫兹，故称为低频振动钻削。振动钻削改变了传统钻削的切削机理。在振动钻削过程中，当主切削刃与工件不分离(不分离型振动钻削)时，切削速度、切削方向等参数产生周期性变化：当主切削刃与工件时切时离(分离型振动钻削)时，切削过程变成脉冲式的断续切削。当振动参数(振动频率和振幅)、进给量、主轴转速等选择合理时，可明显提高钻入定位精度及孔的尺寸精度、圆度和表面质量，减小出口毛刺，降低切削力和切削温度，延长钻头寿命。1.2国内外研究状况1984年开始，吉林工业大学的王立江教授等对轴向振动钻孔的理论和工艺效果进行了较为深入和全面的研究，先后研

8、制了超声波和机械液压电磁等振动钻孔实验设备。在理论上，首先突破了零向位差不能断屑的传统观念，丰富了钻削的切屑形成理论。他们还提出了振动钻孔的入占定位理论，并且研究了振动与毛刺的关联性，在微小孔振动钻削领域提出了超声亚谐区钻头独立振动模式理论，解决了钻头安装长度影响振子频率性的技术难题。在理论研究的同时，他们对振动钻孔的工艺效果做了大量的实验研究，分析了振动钻孔提高加工精度、表面质量和延长钻头寿命的机理、并且研究了上述几种理论。1986年，哈尔滨工业大学的刘明华教授在车床尾架上安装镍片式磁致伸缩换能器，用7.5mm的麻花钻对40Cr等材料做了超声波轴向振动钻孔实验，结果使切削力下降，表面质量和孔

9、径精度明显提高。刘明华教授还研制了安装在台钻上的电磁振动工作台，在钛合金Tc4和镍基高温合金GH43上轴向振动钻1mm的小孔，探讨了钻头耐用度与振幅之间的关系，指出振幅过大过小都不好，应有一最佳值，并且给出了耐用度与振幅的关系曲线。1991年，华中理工大学李伟用偏心机械扭转振动钻枪钻削铝合金，也取得了钻削力下降，表面质量提高的工艺效果。1998年，杨兆军教授根据自己的实验经验，提出通过改变进给量来减少入钻位置误差的理论。微孔钻削入钻时，钻头横刃连续刮削工件，由于工件表面的不平整、钻头两切削刃的不对称等各种因素，钻尖受到横向力的作用而产生偏移，使钻头偏移钻入工件，而产生入钻定位误差。振动钻削则改

10、变了微孔钻削的入钻现象。入钻时，钻头相对于工件做轴向振动，横刃作脉冲式旋转楔入工件，与工件表面时切时离。楔入时，钻尖因横向力作用而产生偏移，设偏移量6，但进入工件表面分离后，钻头将做以6为初始位移激励的偏移衰减振动，其动力学模型可简化为单自由度振动系统。通过计算和分析得出主切削刃全部钻人工件之前，楔入次数越多，修正次数就越多，入钻位置误差就越小的结论。显然，减小钻头的进给量，就增加修正次数，但将降低加工效率。若控制机床进给系统，在入钻阶段施以较小的进给量，而在钻削阶段再转变成正常的进给量，则在保证加工效率的前提下可减少微孔钻削的入钻定位误差。1999年池龙珠等人提出改变进给量能降低出口毛刺的高

11、度的理论，指出进给量越小，出口毛刺也越小，与恒进给量相比可降低出口毛刺的435598。2000年1月赵宏伟、李白军等人又利用电控式微孔振动钻床对多层复合材料的微孔振动钻削进行了试验研究，对不同材料层的加工参数进行优化，进而提出多层复合材料阶跃式三参数振动钻削新工艺。试验表明，阶跃式三参数振动钻削的入钻定位误差r、孔扩量D、出口毛刺高度日值比普通钻削的相应值显著降低。2000年10月杨兆军教授、王立平教授提出了三区段变参数振动钻削微孔的新工艺，探讨并研究了用非线性回归求取各区段最佳振动参数的方法，验证了以三区段最佳振动参数作变参数时，可以全面降低微孔加工误差的工艺效果。1978年前苏联鲍曼工学院

12、的鲍德拉耶夫通过实验研究提出了振动钻孔的冲击理论。认为振动时钻头横刃的冲裁作用能明显改善横刃的切削条件，并运用弹塑性理论进行了分析论证。1980年以后，振动钻孔开始由理论实验研究走向实际应用。美国工程技术人员研制出微小孔振动钻床，代替传统的高速钻床来加工汽车发动机的喷油咀，提高了喷空的表面质量和尺寸精度。1987年以来，日本的足立胜重和新井典久等人用安装在NC铣床上的电液伺服低频轴向振动钻削装置加工黄铜和不锈钢、钛合金等难加工材料，使切削热下降30%，改善了切削性能，提高了钻头寿命。1989年前苏联鲍曼工学院成功开发了液压低频振动钻孔钻床，用于加工3mm以上的难加工材料，表面粗糙度达到R。0.

13、8m，加工效率提高两倍。纵观振动钻削的国内外研究状况，目前还存在以下几个问题：对振动钻削的理论研究尚不充分，还没有形成完整的理论体系，已经提出的理论具有较大的局限性，需要修正和完善，以充分揭示振动钻削的动力学本质；对振动钻削的工艺效果大多局限于直径大于1mm的孔径区域，而直径小于0.5mm的微小孔加工条件最为恶劣，而且加工数量与日俱增，所以，振动钻削微小孔更具有实际意义，需要进一步进行研究；迄今为止，对振动钻削的研究都属于定参数振动钻削，无法同时满足钻削三区段不同钻削机理的要求以达到进一步提高钻孔的整体加工水平。因此，三区段变参数振动钻削，特别是对微小孔的三区段变参数振动钻削是定参数振动钻削基

14、础上的一次飞跃，是一个具有重要科学价值和意义的研究课题。1.3低频深孔振动钻削存在的问题尽管深孔振动钻削在各国科技人员的努力下，已经取得了很大的进展，但要真正实现加工过程的高可靠性和自动化，则还有很长的路要走。目前深孔振动钻削还存在以下问题：振动钻削的参数匹配现在仍然停留在加工经验基础上，对这样重要的问题进行理论分析和试验研究，以便建立可供加工过程中选用的参数匹配工程表格，对推广振动钻削有重要意义。我国所使用的枪钻基本上都是由国外购买，钻削成本高，麻花钻由于其先天性的缺陷，难以在超深孔加工中发挥作用。内排屑深孔钻不但设计制造成本低，而且可以实现对超深孔的加工，所以设计制造内排屑深孔钻进行振动钻

15、削加工能带来显著的经济效益。振动钻削的优良工艺效果已得到国内外许多专家的肯定，但其推广使用速度却很慢。这主要是由于目前振动钻削的激振装置还很不稳定，如超声振动系统往往存在结合面松动，发热疲劳以及振幅波动等缺点而限制了在生产中的广泛应用；而机械激振系统的频率受负载影响较大，一般在加工过程中难以控制，振幅因系统弹性也会与预先的设定值相差甚远：电磁激振系统也存在着类似的问题。激振装置的稳定性已成为振动钻削技术应用和推广最主要的制约因素，研究和制造稳定的激振装置成了从事振动钻削加工科技人员的一个重要课题。1.4本课题主要研究的内容理论分析研究在研究轴向振动钻削机理的基础上，分析了轴向振动钻削断屑几何断

16、屑机理，提出了轴向振动钻削参数选择原则。振动装置的选择和分析 用偏心凸轮机构作为振动钻削系统发生器使产生的轴向振动和钻头的进给运动复合在一起，使得振动频率调节实现无级调节。结构设计设计适应加工材料的新型小直径深孔内排屑钻头；选择合理激振装置，用直流电机变频器控制，使得振动频率调节实现无级调节，操作简单、易控；振幅调节采用双偏心轮机构，使得振幅可以适合不同加工状况连续调节：将负压抽屑机理应用于深孔钻削中，分析小直径深孔钻削系统，该系统可用于小直径内排屑DF振动钻削；对DF系统油路进行了改进设计；在各个分系统设计制造完成后，对振动钻削系统整体进行布局。工艺参数的选择振动钻削工艺参数包括振动参数（振

17、幅A，频率V）和切削参数（机床转速n，进给量f）两部分，该参数对小直径深孔振动钻削至关重要。2.深孔振动钻削的断屑机理在切削加工中，如果工件韧性良好，且刀具不设断屑槽，通常进给运动与旋转运动共同作用下，会产生厚薄均匀连续之带状切屑，这种长长的带状切屑在孔加工中，会聚集在狭窄的已加工好的孔里面，它们极易卷成团，这一方面会划伤已加工好的孔之表面：另一方面也极易发生卡钻甚至断钻事故。深孔排屑常常应用先进的负压原理，而只有断屑才能使负压将切屑顺利吸出。2.1振动切削断屑的必要条件 （a） （b） （c）图2-1 切屑形状图韧性材料不断屑之原因在于切削是有一个匀速的进给运动，致使断屑厚薄均匀一致如图2-

18、1（a），如果给一变化的运动，到切屑两侧出现波浪形，如图2-1（b）中因波形在两侧面之频率振幅相位点会一致，切屑厚度没有变化，因而也不会实现完全断屑，在图2-1（c）中虽然切屑两侧腰形在频率和振幅是相同的，切屑厚度且形成周期性变化。当选择好合理的振幅可以使，这是完全断屑的必要条件。2.2 双偏心凸轮式振动发生器振动方程 图2-2 偏心结构（） 图2-3 偏心结构（）图2-2是偏心凸轮结构，该位置凸轮转角，从动位移。图2-3凸轮转过，从动件位移，令v是凸轮每秒钟转速，则，则偏心凸轮式振动发生器的振动方程是： （2.1）这样A是振动方程之振幅，v是振动频率。这种振动发生器的优点是振动方程能精确地反

19、映机构的振动情况，而有些振动发生器由于机构上的原因近似地符合正弦波曲线从而按正弦波推出来的一些振动方面的结论，也只能近似地符合发生器振动情况。2.3深孔钻头的瞬间进给运动方程图2-4 切削加工示意图 在图2-6中，工件旋转运动，设进给量为，将工件右端面作为进给的起码位置，则钻头只在进给运动情况下某个瞬间离开右端点的距离为 （2.2）其中n是工件每分钟转数，是钻头在工件一转时轴向移动量，t是秒。在通常的情况下n和是常数，所以是t的时间函数。在图2-6工况条件下，钻头单刃切削，切屑厚度之两侧是刀刃在工件旋转时形成的，所以切屑厚度是钻头每转进给量，即。当使用偏心凸轮机构作为振动切屑发生器所产生的轴向

20、振动和钻头的进给运动复合在一起之后，由于它们的运动方向是一致的，因此钻头的合运动只是简单的数量叠加，而将式（2.1）（2.2）加起来，且令该合运动瞬间钻头离右端面的距离为，即 （2.3）（2.3）中的，虽然已不再是t的线性函数，即不再是匀速直线运动，而是非匀速的直线运动。瞬时工件前半的时间是：，单位是秒。设在时间段内刀具走过的距离为，则 （2.4） 在至t时间段内刀具进给量设为 （2.5）显然有两部分组成，一部分是匀速进给量，另一不烦有振动引起进给量即 所以： （2.6） 进给量是时间的函数，说明加上振动切削后，形成了一个随时间而变的进给量它可以沿切屑面形成波浪形，这就给断屑创造了条件。2.4

21、 切屑的形成机理切屑形成是在两个运动下形成的，一个是轴向进给运动；另一个是工件做转动。将轴向运动作为y轴，工件在切削点的速度的反方向为x轴，由于轴向进给量相对工件切削速度来说比较小，可以认为是yx具体来说切屑厚度方向是y轴而切屑长度方向是x轴。而切屑厚度是扩孔时的工件内外半径之差。即z轴，图中没有画出。所以图2-1（a）（b）（c）就是将y轴作为横坐标，x轴作为纵坐标的切屑图。在与时间内，工件转，刀具完成切屑侧面一转。形成了切屑侧面波浪形，当我们希望获得图2-3的切屑侧面图形为此作以下分析。2.5 断屑的数学分析由（2.6）式可见，当，则为整数。此时（2.6）式。它可分为两种情况：1 .因为工

22、件的转速n不会是0，但，则必须，即振动频率为0，即没有振动。当然为0，由 （2.5）式可知是匀速进给量即切屑侧面没有波形，即图2-1(a)切屑图。2.当，则则，表示工件转一转时，偏心凸轮转一转，即工件转时，偏心凸轮正好转一转，完胜一个完整的正弦曲线振动波形。工件一转完成一个完整的正弦波形，接着下一转又完成一个完整的正弦波形，所以切屑的侧面的波形，振幅，频率，相位完全相同。这就是图2-1(b)，虽然切屑在轴向上的厚度均是，有波形也不能断屑。而且当也和时相同均出现图2-1(b)情况。综合以上两种情况：当取整数时是不会出现完全断屑的。从（2.6）式可见，只有不是整数，使切屑的侧面波形从工件一转到下一

23、转中不是完整波形，这样切屑两侧面波形的相位差形，这样就可能完成断屑。由（2.5）式可知 时刚好实现完全断屑。对时间的倒数为： （2.7）如果令，即求变化中的极值。由于只有使，由此解出来，即： 则 将，代入（2.5）得： （2.8）如果使,和必有一个等于零。则 或从（2.8）可以看出不可能是0，1，2，3，6，.，否则，因为振幅A是不可能无穷大。使A取正值，所以将加上绝对值符号，因此 （2.9）可知当 得 把它代入（2.9）式可得 （2.10）即切屑形状呈图2-7所示：图2-5 切屑形状图由图可知实现了几何断屑，切屑形成切削层由薄到厚的切削形态。3.内排屑深孔振动钻削装置的分析3.1 双偏心轮式

24、振动钻削装置3.1.1 振动钻削装置结构图图3-1振动装置实体图 图3-2振动装置结构图 如图3-2所示，通过皮带轮直流电动机带动中心轴，而中心轴与偏心套1为紧配合，偏心套2和偏心套1为松配合，可以方便调整两个偏心套的相对位置，然后通过两端螺母压紧，随着中心轴一起作旋转运动。保持架可以把由滚动轴承传来的偏心套2的旋转运动换成往复直线运动，实现轴向振动。钻杆通过夹紧螺母固定在保持架上，钻杆带动钻头，随着保持架作轴向振动。振动箱安装在车床大托板上，随大托板做轴向进给运动。工件转动，钻头边轴向进给边振动，这样就实现了振动钻削。3.1.2 振幅可调振动钻削装置的理论分析 (a) (b) (c)图3-3

25、振动装置工作情形图如图3-3中，中心轴圆心为,偏心套1外圆圆心为，偏心套2外圆圆心为，由于偏心套1和中心轴为紧配合，偏心套1和回转中心就是，偏心套2绕偏心轮1转动时，实际是绕转动，那么整体形成的偏心距就是到的距离。设偏心套1与偏心套 2的偏心距都为e，与的夹角为。 如图3-3（a）所示：振幅=。两个极限位置：当时，和重合。如图3-3（b）所示：振幅=当时，和成直线。如图3-3（c）所示：振幅=这样只要调节的值就能调节振幅，而偏心套1和偏心套2为松配合，可以方便调节的值，而可调最大振幅为2e，可调最小振幅为0e取0.25mm，可调振幅范围00.5mm。由上所知，振幅随两偏心套间的转过的角度而变化

26、，如图3-4所示图3-4 振幅随转角变化曲线当e=0.25mm由表3-1可得到所需振幅：表3-1 e=0.25时部分振幅表7 （mm）角度振幅角度振幅角度振幅00.000210.091420.17930.013240.104450.191 60.026270.117480.20390.039300.129510.212120.052330.142540.227150.065360.155570.239180.078390.167600.2503.1.3 振动装置的特点 1）用直流电机驱动振动装置，振动频率在0-100Hz内连续调节； 2）偏心量可以调节，不仅降低了偏心轮的制造精度和制造难度，且

27、使调整振幅方便可靠，振幅在00.5mm的较大范围内连续可调，适应性强； 3）用高精度轴承取代了传统机械偏心式振动装置中的滚轮，摩擦力小；滚动轴承依靠偏心轮甩起的润滑油自然润滑，效果良好，减小了磨损； 4）结构更加紧凑，易于在机床上安装，操作；整个装置使用寿命长，性能稳定，可靠。3.2 内排屑深孔钻头的设计 小直径DF内排屑深孔钻的结构如图3-5所示，钻头刃形采用单刃内排屑深孔钻结构、由内刃、外刃、钻尖、分屑台、导向块和排屑孔组成。钻头头部采用“T”型整体硬质合金直接与钻杆焊接而成，制造工艺简单，成本低廉。图3-5 小直径内排屑深孔钻结构图其特点是：（1）分屑槽为鱼肚形，既方便刃磨，又保证了左右

28、两刃的侧后角，有利于提高钻刃的耐用度，有利于可靠完全分屑。（2）尖高和比较低，可以大大缩短入钻，出钻的时间，提高钻头的耐用度。 （3）内刃偏角比较大，有利于加高孔底反锥尖的高度，有利于加强定心精度，有利于提高钻削精度。 （4）分屑槽将外刃分割成两段，且两段的余偏角及各不想等，有助于完全分屑和加强孔底的定心作用，有利于可靠断屑和平稳钻削。3.3 DF系统关键部件的设计影响DF系统加工效果的两个关键部件负压抽屑装置和授油器。故本课题根据DF系统内排屑原理组合了可调间隙负压抽屑装置如图3-6所示，图3-7是结构简图，把他结合振动装置应用于振动深孔加工试验中。 图3-6负压装置实物图 图3-7负压抽屑

29、装置结构简图 应用流体力学负压效应原理，使BTA产生一个从排屑通道后方抽吸切屑的作用，但是争议有二，DF系统将“鱼鳞槽”改为内外形喷嘴，将双管还原为单管，使钻杆与抽屑器分离，无疑为一大改进，但是还有缺点：（1）鱼鳞槽在结构和工艺上无法充分发挥负压效应的目的，因而抽屑效果不明显；（2）为使前后液流分开而加设一根外管，既占用了供油，排屑通道的宝贵空间，又增加了刀具的制造成本。3.4 油路的改进设计原理前油路（通向输油器和钻头切削刃）的作用是将切屑平稳地送入出屑口，其压力和流量并非越大越好，油压过大反而形成切屑瞬间堵塞出屑口，造成切屑“塞实”，抽屑无效果。后油路的作用（通向抽屑器）是在刀杆末端形成巨

30、大的负压，从而形成出屑口的切屑加速通过钻头喉部这一堵屑危险区，一旦切屑进入钻杆圆形空腔，其高速流动成为现实，不回再发生堵塞，因此必须对后油路的压力，流量单独控制。规定后油路流量为总流量1/3在理论和实践上是毫无根据的。观国内外深孔加工现象后发现，现有深孔加工系统中采用的冷却润滑液系统几乎全部是定量油泵供油，流量及压力分别由流量控制阀和溢流阀控制。当通道需要流量小于油泵输出流量时，多余的油经溢流阀流回油箱。溢流阀使传统进口压力基本稳定在调定值。流量控制阀出口压力取决于通道载荷，即出口压力随载荷的变化而变化。 改进后的油路为下图：图3-8 改进后的油路图3.5 总体布局 完成分系统和组件的设计后，

31、在机床的大托盘上安装振动装置，调整震动轴与机床主轴同心：钻杆前加授油器，振动装置后加设负压抽屑装置，改进后的油路分两路油管，一路接授油器，一路接负压装置，这样就组成了如图3-9所示的振动钻削系统:图3-9 内排屑深孔振动钻削系统总体布局4.深孔振动钻削过程分析4.1 深孔振动钻削时刀具角度变化和i的取值范围4.1.1 深孔振动钻削刀具角度变化振动钻削由于其所施加轴向振动的影响，实际切削速度的大小和方向都在不停的发生变化，从而造成切削角度的的变化。振动钻削引起的刀具角度的周期性变化可以比较容易推导出来。若以表示瞬时进给速度，则由式（2.3）得： (4.1)所以钻头前，后角的动态变化量为： (4.

32、2)其中项是由进给速度引起的，而项是由振动引起的。若钻头的刃磨后角为，刃磨前角为，实际工作轴后角为，实际工作轴向前角为，则的变化范围为，的变化范围为。图4-1是振动钻削时刀具轴向前角，后角的变化情况。图4-1 振动钻削刀具轴向前后角变化由此可见，在振动钻削过程中，钻头实际工作前角与进给量f，振动频率v，振幅A，主偏角，主轴转速以及刀刃的切削半径r有关。另外，实际工作后角不能小于零，否则会导致钻头严重磨顺和钻杆冲击振动，甚至崩刃。因此，为防止出现负后角，刃磨后角必须大于， 即 ，其中 。于是有 （4.3）在其他条件都已确定的情况下，可以参考上式选取振动频率和振幅A。4.1.2 完全几何断屑条件下

33、的i的取值范围设工件转一周刀具的振动次数称为重叠系数，用J表示，则，其中K表示整体部分，i表示小数部分，规定，那么相邻两转之间的刀具的相位差是即实现完全断屑必须瞒足的条件可知i必须满足： （4.4）由于规定了，所以可知i的选取， （4.5） 得出当振幅A和进给f确定后，实现完全几何断屑时i的取值范围。4.2 深孔振动钻削系统的稳定性 影响钻削稳定性的因素很多，但归根结底是由切削力引起的。与非振动钻削相比，振动钻削由于有强迫振动的介入，其稳定性问题就更为复杂。低频轴向振动钻孔时，钻削系统实际为弹性体，由于切削力的周期性变化，势必引起系统的振动，表现为钻头的轴向振动；钻杆的扭转振动；钻秆的横向摆振

34、；钴杆的弯曲振动。这些振动分别由变化的轴向力、扭矩、主切削力所引起。4.2.1 深孔振动钻削切削力分析在普通钻削时，轴向力和扭矩可按经验公式计算，而振动钻削由于瞬时进给量的周期性变化，钻削轴向力和扭矩也发生周期性的变化受力图见图4-2，同时径向力和导向块上的反力，也发生周期性的变化。在完全几何断屑时，由于切屑在切削在切削面积为零处自动分离，其理论切削力是以为周期的函数，但由于切削面积并非按正弦规律变化，所以实际瞬时切削力也并非按正弦规律变化。 图4-2 钻头受力简图 图4-3理论切削力波形4.2.2 影响深孔振动钻削稳定性的轴向振动和扭转振动 假设轴向力，扭矩和主切削力随轴向切削厚度而线性变化

35、，实际上对于不完全几何断屑，瞬时进给量安按正弦规律变化时，钻削扭矩和主切削力也是按正弦规律变化的，轴向力的变化近似于正弦规律。所以，假设所有的激振力都是时间t的正弦函数，各激振力，扭矩的变化和切削厚度的变化之间没有相位差。为研究轴向振动，建立图4-4所示的模型，刀柄处的振动为，图4-7中为钻头的瞬时位移，为钻头的质量。图4-4 轴向振动模型当m=2时得瞬时轴向进给量为 （4.6）由于进给量的变化而产生的瞬时轴向力为 （4.7）式中 -激振力的力幅 - 相邻两转刀刃轨迹波形间的相位差。故，可得出动力学方程 （4.8）式中 -钻头的瞬时位移； -钻头的瞬时加速度； -系统的弹性系数； -系统的固有

36、频率， -激振力频率； -模型的质量。解方程可得： （4.9）其中，是由轴向切削力周期性变化而引起的；是由刀柄的振动引起的。令 ， 一般即 （4.10）其中 （4.11）其中 -振动钻削时钻头的振幅。可以看出：当，时， （4.12）总体分析：当时，钻头的轴向激振力的幅值最大，所受冲击最大；当时，钻头轴向激振力的幅值最小，所受振动冲击最小；当时，钻头振幅将无限大，即系统达到共振，要设法避开；刀柄的振幅越大，钻头的振幅越大。 4.2.3 影响深孔振动钻削稳定性的横向振动和弯曲振动（一）横向振动 由于径向力以及主切削力的周期性变化，使得压向块的合力及导向套上的支反力也周期性变化。导向块在轴向位置上滞

37、后于切削刃，这样主切削力与导向块所受的支反力形成一力偶（见图4-5），也随瞬时轴向切削厚度周期性的变化。又由于导向块的倒锥量，导向块后部与孔壁间存在间隙，使得周期变化的力偶引起钻杆产生横向振动。导向块与主切削刃轴向距离很小，产生的力偶也很小，所以横向振动一般不是很严重，但是如果振动频率接近横向振动的固有频率就会发生共振，这是应该避免的。图4-5 钻头受到周期性的力偶 图4-6 轴向力不过钻头轴心（二）钻杆的弯曲振动一方面，由于周期性力偶的存在，必然会使钻杆发生弯曲振动；另一方面，当采用了单刃刀具时，切削时轴向力的合力不是作用在钻头中心（如图4-6），偏置的轴向力必然引起钻杆的弯曲，由于轴向力的

38、周期性变化，同时也会引起钻杆的弯曲振动。钻杆的弯曲振动是这两种振动的合成。当振动频率接近系统的固有频率时，同样产生共振，也应该避免。4.2.4 振幅损失 振幅对断屑和控制断屑尺寸有很重要的作用，从振动装置传递出的振幅值A到达切削刃时，由于工艺系统本身固有的缺陷，必然产生损失，这种损失给人为控制振动钻削加工过程带来了极大的困难。在低频轴向振动钻削加工的凸轮-钻杆（刀具）-工件系统中，影响振幅损失因数主要有三种：（1）凸轮高速旋转时，从动件的惯性力较大，整个机构会发生弹性变形，使得钻杆工作端的实际位移小于凸轮机构预设的振幅值；（2）由于钻杆刚性较差，钻杆受压后发生弯曲变形；（3）工件收到周期性的冲

39、击后，会产生振动响应，出现一定振幅的振动，该振动与激振存在相位差，产生振幅损失。在小直径深孔振动钻削中，当工艺系统各部分都可靠连接的情况下，振幅损失主要是由钻杆的刚性不足引起的。在如图4-7所示的模型中，振幅的损失率 （4.13）当，时，达到最小，振幅损失最小；当，时，达到最大，振幅损失最大。通过以上分析可以得出减小振幅损失的途径有：（1）在保证断屑的前提下，减小相位差。（2）适当加大振幅A，但不能太大，否则增大会使钻头承受的周期切削力幅值太大，冲击增大，影响钻头寿命。（3）增大弹性系数K，即增大钻杆的刚度。4.3 深孔振动钻削的工艺参数选取原则 振动钻削工艺参数包括振动参数（振幅A，振动频率

40、V）和切削参数（机床转速n，进给量f）两部分，该参数对小直径深孔钻削至关重要。因此，选取振动参数时必须根据加工情况，仔细分析，综合考虑各项因数选择。（1） 进给量f的选取原则根据被加工材料的材质，孔的直径和加工精度要求，考虑与振幅A的匹配以及机床的实际情况，选取适当的值。（2） 转速n的选取原则转速直接影响切削速度，小直径孔钻削时，由于孔径小，切削速度不会很高，所以根据材质，考虑加工效率，初步确定转速范围，一般转速可以取较大的值，同时要考虑频转比。（3） 振动频率V的选取原则选取振动频率V时，应首先使加工过程稳定良好，使用中，在保证断屑和考虑排屑空间对切屑尺寸的制约作用的基础上，选取较低的V值

41、，这样加工过程中稳定性更好一些，同时适合长度的切屑对加工质量的提高也有利。（4） 振幅A的选取原则一般来说，加工中的振幅越大，钻头所受的冲击也就越大，使钻头的磨损加快。所以选择A值时，在满足断屑的情况下，选较小值，以减小切削力的波动，避免出现强烈振动而影响加工质量。同时配合i的取值，确保最小瞬时实际进给量不要过小，一般实际中。对于小直径深孔钻削，要考虑振幅损失，给定的值可以取得较大。在具体制定振动钻削参数时，可以按以下步骤进行：（1） 根据工件材料和刀具材料以及被加工孔径确定进给量f；（2） 根据排屑通道的大小确定切屑的尺寸，进而确定重叠系数J和的取值；（3） 从断屑的要求，加工质量的要求出发

42、，对i作相应的调整；（4） 综合考虑振动装置的频率范围，机床转速范围和断屑要求来确定转速n和振动频率v；（5） 综合考虑断屑要求和振幅损失以及系统稳定性，选取合适振幅A值。5.总结本课题针对小直径深孔钻削难题，采用低频轴向振动钻削和DF原理结合的方法，从理论上进行了研究，得出以下结论： 1.振动钻削通过切削参数和振动参数的匹配改变了切削层参数，从而实现几何断屑。这样一来，从本质上改变了断屑机理，钻头上就可以不再采用断屑槽，刀具结构极其制造工艺都可以简化，并给实际操作带来很大的方便。 2.分析了振动钻削中完全几何断屑的情况下i的取值范围。 3.由振动钻削过程的运动分析知，在完全几何断屑情况下，可以根据振动参数和切削参数对瞬时切削厚度和理论切削长度进行理论计算。 4.对振动钻削断屑条件，钻削过程运动，稳定性和振幅损失进行了综合分析，得出切削参数和振动参数粗略选取原则。 5.选择了双偏心凸轮作为振动装置，使得振动频率和振幅调节非常方便，准确。振动装置合理，操作简便。 6.将负压抽屑机理应用于深孔振动钻削中，选