振动钻削对改善深孔加工质量
因素的分析
摘要：在金属切削加工中，深孔加工一直是个难题．加工精度难以满足产品要求。此次论文将在振动钻削试验的基础上 ，通过对加工过程和钻削结果的观察和分析，全面论述了振动钻削改善产品质量的原因。即振动钻削改善产品质量是因为它具有以下的有利因素：良好的断屑和排屑效果 ，充分的润滑 ，对积屑瘤的消除以及对已加工孔壁的往复熨压抛光作用等，通过此次切削实验，探讨了切屑形态变化与切削参数之间的关系，总结出断屑的最佳切削条件。
关键词：振动钻削 深孔加工 加工精度 断屑 排屑 屑瘤和鳞刺
专业词语解释：
1、激振器（vibration exciter）：是附加在某些机械和设备上用以产生激励力的装置，是利用机械振动的重要部件。
2、积削瘤：在金属切削过程中，常常有一些从切削和工件上来的金属冷焊并层积在前刀面上，形成一个非常坚硬的金属堆积物，其硬度是工件材料硬度的2—3倍，能够代替刀刃进行切削，并且以一定的频率生长和脱落。
3、简谐振动：物体在跟偏离平衡位置的位移大小成正比，方向总是
指向平衡位置的回复力作用下的振动。
4、粗糙度：指加工表面上具有的较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特性，由于加工方法和工件材料的不同，被加工表面留下痕迹的深浅、疏密、形状和纹理都有差别。表面粗糙度与机械零件的配合性质、耐磨性、疲劳强度、接触刚度、振动和噪声等有密切关系，对机械产品的使用寿命和可靠性有重要影响。
振动钻削对改善深孔加工质量
因素的分析
1、引言:
科学技术和工业生产的发展，对制造技术提出了 更高的挑战，长期以来，由于在生产中沿用传统的“钻一扩一铰”工艺方法，生产效率低，不能满足生产的需要。由于深孔加工的特殊性，决定了它所需要考虑的特殊问题，如排屑冷却与润滑以及钻头的导向等。正是这些问题的存在，严重影响了加工表面质量和加工效率。加工件表面的质量也就是所谓的加工精度。
我厂现使用的摇臂式钻床型号为Z3080，该钻床是一种可以加工钻孔零件的机床，承担着我公司所有金属结构件中20多项机加件的钻孔加工任务。但由于近期接收一批深孔加工件的任务，根据以往经验及加工方法发现其加工精度、粗糙度均无法达到质量要求，效率也跟不上。为了解决此次深孔加工的质量和效率问题，我厂在原有的摇臂式钻床基础上，进行设备改装，经改装后多次试钻，并且采用振动钻孔的加工形式，完全可以达到预期的质量效果，为我公司节省了大量的物力和财力。
2、振动钻削原理及实验
振动钻孔是一种新的深孔加工方法，效率高，表面质量好，可以取代传统的“钻一扩一铰”工艺，在国内外受到高度重视，并得到广泛应用。所谓振动切削就是在传统的切削过程中人为地给刀具或工件以适当方向、一定频率和振幅的可控振动，使切削用量按给定的规律
进行工作，一边切削，一边振动，形成一种本质上与传统切削过程不同的新颖的切削方式，实际上是一 种脉冲切削。其突出特点是：① 瞬时切削速度高。② 刀具与工件的接触是间断的、变化的。
图 1
图1所示是轴向振动钻削加工原理简图。凸轮在调速电动机的带动下高速旋转，迫使刀具作一定振幅和频率的简谐振动，对工件进行振动加工。
试验在由普通摇臂式车床改装成的深孔钻床上进行。激振器（vibration exciter）安装在机床的工作台上，振动频率由直流电动机控制，在0～l00Hz之间可以无级调频，激振振幅由双偏心轮机构设定，在0～0.5rnm 之问可以无级凋幅，试验用的钻头是7.9mm的内排屑深孔钻，刀片材料为YT798，试件为14mm×130mm 的铸铁，加工中激振振幅取0.07mm，激振频率取95Hz，进给量为0.008mm／r，主轴转速为1250r／min，选用5#机械油进行冷却和润滑，油压4MPa。
3、试验结果
用TR240便携式粗糙度仪测量出的振动钻削情况下被加工孔壁的粗糙度 。很明显，振动钻削得到的孔壁粗糙度 (Ra=0. 837μm)要优于普通钻削条件下加工出的孔壁粗糙度 ( Ra一般在5μm以上)，几乎达到了磨削的效果 。这种效果的获得是 因为振动钻削能够有效地消除或减轻干扰粗糙度的多种因素 。根据试验过程中振动钻削所具有的良好断屑和排屑效果、充分的润滑、对切削颤振的抑制、对积屑瘤和鳞刺。
4、分析原因
4.1 良好的断屑和排屑效果
低频轴向振动钻孔是在钻头的轴向加上有规律的振动。钻孔时，钻头边进给边做轴向振动。振动切削时，根据刀具的振动频率的关系，均等地分割出工件上需要切削部位的大小，并且使这一 部分有规律地变形成为切屑。
1) 切屑厚度的不断变化有利于断屑。振动切削时，切屑厚度方向上留下与振动频率相关的波纹，因而影响切屑厚度变化，切屑厚度的不一，在高压切削液和容屑空间作用、限制下，很容易从切屑的强度较差部位。可见，在其它加工条件相同的情况下，振动切削可折断，达到断屑效果。
2) 刀杆的轴向振动有利于断屑。由于钻头的进给量很小，当轴向的振动双振幅大于进给量时，就实现了分离切削，切屑也就被强制性的切断。
因此断屑后的小颗粒的切屑很快通过排屑管排出，从而使振动钻削的断屑和排屑效果均较普通钻削有很大的提高。因此 ，振动钻削一方面消除了钻尖对被加工材料的撕裂作用，另一方面消除了切屑堵塞 ，减轻了切屑对被加工面的划伤 ，从而得到较普通钻削有明显改善的孔壁粗糙度 。
4.2 充分的润滑
普通钻削中切削过程是连续的，切屑总是压在刀具前刀面上形成一个高温高压区，对冷却液来说这是个禁区，只能依靠冷却液的毛细作用渗入进去，冷却效极差。因此 ，要获得并增强冷却液的冷却润滑效果，关键在于使冷却液能够及时大量地到达切削区。
一般认为冷却液进入切削区的方向有四个，如图2所示 的 A、B、
C、D 四个方向。
如图2冷却液进入切削区的方向
振动钻削则可以使冷却液的功能得到充分发挥，由于振动钻削是 断续发生的，当刀具与工件分离时，在切削区形成瞬时真空，从而产生泵吸作用，冷却液从四面进入切削区，包围刀刃，进行充分的冷却和润滑冷却液在压力差的作用下很快从A方向浸入切削区，覆盖住
刀屑接触面之间的新生表面；(1)增加了侧面进覆盖住刀屑接触面之 间的新生表面；(2)增加了侧面进去的能力增强；(3)刀具在与工件分离时，后刀面与已加工表面间的正压力将减小，使冷却液从B方向进入切削区的能力显著增加。当刀具切入时，冷却液又受强力挤压，形成瞬时高压，强迫冷却液渗入到刀具与切屑的接触表面，充分发挥其冷却和润滑作用。因此振动钻削以其良好的冷却润滑效果，极大地减少了加工中的摩擦和磨损，避免了对加工表面的刮伤，有利于改善孔壁粗糙度。
4.3 不产生积屑瘤和鳞刺
在普通钻削条件下，积屑瘤和鳞刺的存在是获得较小表面粗糙度值的两大障碍。积屑瘤的产生以及它的积聚高度与刃前区的温度和压力分布有密切关系是切削过程中温度和压力较高时，切屑底层与前刀面发生冷焊的结果。鳞刺则是留在已加工表面上的积屑瘤分裂片，并随着切屑底层金属停滞现象的激化而加剧。振动钻削时，由于振动能够减小切屑与前刀面摩擦副间的摩擦系数，同时减小切削扭矩，因而减轻了摩擦程度，减小了被加工材料的弹塑性变形。又切削力和切削热以脉冲形式出现，使切削热大幅度下降，切屑温度较低，切屑与刀具前刀面难以实现冷焊，从而彻底破坏了产生积屑瘤的条件。即使存在某些产生积屑瘤的因素，但前刀面与切屑间断分离，切屑的底层金属来不及附着上去，前刀面就离开切屑了。这种摩擦力减小以及前刀面与切屑的间断分离，使切屑不可能在前刀面上停留以代替刀具挤压
切削层，造成切屑层金属的积聚和停滞，因而也不可能产生鳞刺。
4.4 钻头棱带和导向条对已加工孔壁的往复熨压抛光作用
振动钻削的特点是刀具相对工件的运动不是单方向前进的，而是周期性的往复运动。因此，已加工表面在形成以后，又要经过刀具后退、再前进的重复熨压作用。
5、结束语
本文在总结前人研究的基础上，针对我厂生产实际，提出了切实可行的改造方案，对深孔加工中难以解决的断屑、排屑、润滑、屑瘤和鳞刺问题进行了较为深入的研究，对振动钻削对改善孔壁粗糙度的作用机理进行了深入的剖析。为进一步改善振动钻削加工的加工精度提供了理论基础和方法依据。
参考文献
1 颐崇衔著 ．金属切削原理 ．机械工业出版社，1982。
2【日】隈部淳一郎著 ．振动切削与深孔加工 ．科学出版社，1986。 3 [日]偎部淳一郎著 ．振动切削 (基础与应用)．北京 ：机械工业 出版社 ．1985。
振动钻削对改善深孔加工质量
因素的分析
摘要：在金属切削加工中，深孔加工一直是个难题．加工精度难以满足产品要求。此次论文将在振动钻削试验的基础上 ，通过对加工过程和钻削结果的观察和分析，全面论述了振动钻削改善产品质量的原因。即振动钻削改善产品质量是因为它具有以下的有利因素：良好的断屑和排屑效果 ，充分的润滑 ，对积屑瘤的消除以及对已加工孔壁的往复熨压抛光作用等，通过此次切削实验，探讨了切屑形态变化与切削参数之间的关系，总结出断屑的最佳切削条件。
关键词：振动钻削 深孔加工 加工精度 断屑 排屑 屑瘤和鳞刺
专业词语解释：
1、激振器（vibration exciter）：是附加在某些机械和设备上用以产生激励力的装置，是利用机械振动的重要部件。
2、积削瘤：在金属切削过程中，常常有一些从切削和工件上来的金属冷焊并层积在前刀面上，形成一个非常坚硬的金属堆积物，其硬度是工件材料硬度的2—3倍，能够代替刀刃进行切削，并且以一定的频率生长和脱落。
3、简谐振动：物体在跟偏离平衡位置的位移大小成正比，方向总是
指向平衡位置的回复力作用下的振动。
4、粗糙度：指加工表面上具有的较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特性，由于加工方法和工件材料的不同，被加工表面留下痕迹的深浅、疏密、形状和纹理都有差别。表面粗糙度与机械零件的配合性质、耐磨性、疲劳强度、接触刚度、振动和噪声等有密切关系，对机械产品的使用寿命和可靠性有重要影响。
振动钻削对改善深孔加工质量
因素的分析
1、引言:
科学技术和工业生产的发展，对制造技术提出了 更高的挑战，长期以来，由于在生产中沿用传统的“钻一扩一铰”工艺方法，生产效率低，不能满足生产的需要。由于深孔加工的特殊性，决定了它所需要考虑的特殊问题，如排屑冷却与润滑以及钻头的导向等。正是这些问题的存在，严重影响了加工表面质量和加工效率。加工件表面的质量也就是所谓的加工精度。
我厂现使用的摇臂式钻床型号为Z3080，该钻床是一种可以加工钻孔零件的机床，承担着我公司所有金属结构件中20多项机加件的钻孔加工任务。但由于近期接收一批深孔加工件的任务，根据以往经验及加工方法发现其加工精度、粗糙度均无法达到质量要求，效率也跟不上。为了解决此次深孔加工的质量和效率问题，我厂在原有的摇臂式钻床基础上，进行设备改装，经改装后多次试钻，并且采用振动钻孔的加工形式，完全可以达到预期的质量效果，为我公司节省了大量的物力和财力。
2、振动钻削原理及实验
振动钻孔是一种新的深孔加工方法，效率高，表面质量好，可以取代传统的“钻一扩一铰”工艺，在国内外受到高度重视，并得到广泛应用。所谓振动切削就是在传统的切削过程中人为地给刀具或工件以适当方向、一定频率和振幅的可控振动，使切削用量按给定的规律
进行工作，一边切削，一边振动，形成一种本质上与传统切削过程不同的新颖的切削方式，实际上是一 种脉冲切削。其突出特点是：① 瞬时切削速度高。② 刀具与工件的接触是间断的、变化的。
图 1
图1所示是轴向振动钻削加工原理简图。凸轮在调速电动机的带动下高速旋转，迫使刀具作一定振幅和频率的简谐振动，对工件进行振动加工。
试验在由普通摇臂式车床改装成的深孔钻床上进行。激振器（vibration exciter）安装在机床的工作台上，振动频率由直流电动机控制，在0～l00Hz之间可以无级调频，激振振幅由双偏心轮机构设定，在0～0.5rnm 之问可以无级凋幅，试验用的钻头是7.9mm的内排屑深孔钻，刀片材料为YT798，试件为14mm×130mm 的铸铁，加工中激振振幅取0.07mm，激振频率取95Hz，进给量为0.008mm／r，主轴转速为1250r／min，选用5#机械油进行冷却和润滑，油压4MPa。
3、试验结果
用TR240便携式粗糙度仪测量出的振动钻削情况下被加工孔壁的粗糙度 。很明显，振动钻削得到的孔壁粗糙度 (Ra=0. 837μm)要优于普通钻削条件下加工出的孔壁粗糙度 ( Ra一般在5μm以上)，几乎达到了磨削的效果 。这种效果的获得是 因为振动钻削能够有效地消除或减轻干扰粗糙度的多种因素 。根据试验过程中振动钻削所具有的良好断屑和排屑效果、充分的润滑、对切削颤振的抑制、对积屑瘤和鳞刺。
4、分析原因
4.1 良好的断屑和排屑效果
低频轴向振动钻孔是在钻头的轴向加上有规律的振动。钻孔时，钻头边进给边做轴向振动。振动切削时，根据刀具的振动频率的关系，均等地分割出工件上需要切削部位的大小，并且使这一 部分有规律地变形成为切屑。
1) 切屑厚度的不断变化有利于断屑。振动切削时，切屑厚度方向上留下与振动频率相关的波纹，因而影响切屑厚度变化，切屑厚度的不一，在高压切削液和容屑空间作用、限制下，很容易从切屑的强度较差部位。可见，在其它加工条件相同的情况下，振动切削可折断，达到断屑效果。
2) 刀杆的轴向振动有利于断屑。由于钻头的进给量很小，当轴向的振动双振幅大于进给量时，就实现了分离切削，切屑也就被强制性的切断。
因此断屑后的小颗粒的切屑很快通过排屑管排出，从而使振动钻削的断屑和排屑效果均较普通钻削有很大的提高。因此 ，振动钻削一方面消除了钻尖对被加工材料的撕裂作用，另一方面消除了切屑堵塞 ，减轻了切屑对被加工面的划伤 ，从而得到较普通钻削有明显改善的孔壁粗糙度 。
4.2 充分的润滑
普通钻削中切削过程是连续的，切屑总是压在刀具前刀面上形成一个高温高压区，对冷却液来说这是个禁区，只能依靠冷却液的毛细作用渗入进去，冷却效极差。因此 ，要获得并增强冷却液的冷却润滑效果，关键在于使冷却液能够及时大量地到达切削区。
一般认为冷却液进入切削区的方向有四个，如图2所示 的 A、B、
C、D 四个方向。
如图2冷却液进入切削区的方向
振动钻削则可以使冷却液的功能得到充分发挥，由于振动钻削是 断续发生的，当刀具与工件分离时，在切削区形成瞬时真空，从而产生泵吸作用，冷却液从四面进入切削区，包围刀刃，进行充分的冷却和润滑冷却液在压力差的作用下很快从A方向浸入切削区，覆盖住
刀屑接触面之间的新生表面；(1)增加了侧面进覆盖住刀屑接触面之 间的新生表面；(2)增加了侧面进去的能力增强；(3)刀具在与工件分离时，后刀面与已加工表面间的正压力将减小，使冷却液从B方向进入切削区的能力显著增加。当刀具切入时，冷却液又受强力挤压，形成瞬时高压，强迫冷却液渗入到刀具与切屑的接触表面，充分发挥其冷却和润滑作用。因此振动钻削以其良好的冷却润滑效果，极大地减少了加工中的摩擦和磨损，避免了对加工表面的刮伤，有利于改善孔壁粗糙度。
4.3 不产生积屑瘤和鳞刺
在普通钻削条件下，积屑瘤和鳞刺的存在是获得较小表面粗糙度值的两大障碍。积屑瘤的产生以及它的积聚高度与刃前区的温度和压力分布有密切关系是切削过程中温度和压力较高时，切屑底层与前刀面发生冷焊的结果。鳞刺则是留在已加工表面上的积屑瘤分裂片，并随着切屑底层金属停滞现象的激化而加剧。振动钻削时，由于振动能够减小切屑与前刀面摩擦副间的摩擦系数，同时减小切削扭矩，因而减轻了摩擦程度，减小了被加工材料的弹塑性变形。又切削力和切削热以脉冲形式出现，使切削热大幅度下降，切屑温度较低，切屑与刀具前刀面难以实现冷焊，从而彻底破坏了产生积屑瘤的条件。即使存在某些产生积屑瘤的因素，但前刀面与切屑间断分离，切屑的底层金属来不及附着上去，前刀面就离开切屑了。这种摩擦力减小以及前刀面与切屑的间断分离，使切屑不可能在前刀面上停留以代替刀具挤压
切削层，造成切屑层金属的积聚和停滞，因而也不可能产生鳞刺。
4.4 钻头棱带和导向条对已加工孔壁的往复熨压抛光作用
振动钻削的特点是刀具相对工件的运动不是单方向前进的，而是周期性的往复运动。因此，已加工表面在形成以后，又要经过刀具后退、再前进的重复熨压作用。
5、结束语
本文在总结前人研究的基础上，针对我厂生产实际，提出了切实可行的改造方案，对深孔加工中难以解决的断屑、排屑、润滑、屑瘤和鳞刺问题进行了较为深入的研究，对振动钻削对改善孔壁粗糙度的作用机理进行了深入的剖析。为进一步改善振动钻削加工的加工精度提供了理论基础和方法依据。
参考文献
1 颐崇衔著 ．金属切削原理 ．机械工业出版社，1982。
2【日】隈部淳一郎著 ．振动切削与深孔加工 ．科学出版社，1986。 3 [日]偎部淳一郎著 ．振动切削 (基础与应用)．北京 ：机械工业 出版社 ．1985。