低频振动钻削精密深孔实验及振动装置的研制

1 实验研究分析

应用振动切削技术，能解决难加工材料或难加工工序的精密深孔加工问题。我们对低频振动钻削精密深孔进行了较深入的实验研究。研究中发现振动参数的选择对于断屑、表面质量及切削力等的影响很大：①振幅越大，深孔钻削时的断屑效果、孔表面质量越好。但振幅太大会带来其它问题，一是大振幅会增加刀具的磨损，影响刀具的寿命；二是大振幅使系统的振动和噪声加剧。因此对振动装置要求是能根据工件材料、刀具耐磨性、机床抗振性等因素调节振幅的大小，同时在结构设计上应考虑尽量降低系统的附加振动和噪音。②振动方式对断屑效果、孔表面加工质量、工具寿命都有直接影响。振动方式一般有轴向振动、周向振动和二者合成振动3种，具体的选择与工件材料、硬度、可切削性有关。轴向振动方式容易形成分离型切屑，适用于较软不易断屑的纯铝、纯铜等材料。但轴向振动时刀具与切削面的分离易造成刀具损坏，故淬火钢等较硬材料不宜选用这种方式，以免崩刃；周向振动一般为非分离型切屑，其断屑效果虽比普通切削强得多，但比轴向振动要差一些。但这种振动方式对刀具保护好，寿命长，适用于较硬易断屑的淬火钢等材料；轴向与周向的合成振动断屑效果最好，但刀具磨损也最严重，可用于难加工材料，如不锈钢等。

如上所述，为满足不同的加工要求，需选用不同的振幅和振动方式。而振动切削效果的好坏，在很大程度上取决于振动切削装置。目前这种装置一般只能做单向振动，适用面较窄。我们在低频振动钻削精密深孔时，研制了一套机械式低频复合振动装置，能很好地满足上述调整振幅和选用各种振动方式的要求。该装置主要由偏心轮摆杆机构和滚珠丝杠螺母机构组成。现介绍如下。

2 偏心轮摆杆机构

偏心轮摆杆机构提供复合振动装置的振源。其机构运动简图如图1所示。电机1(2800r/min)经一级皮带传动，使偏心轴2产生6000r/min的转速，偏心轴的旋转使摆杆3以及固联在摆杆上的滑块4产生100Hz的摆转振动。滑块的摆动振动将传递给与之相连的滚珠丝杠螺母机构5，从而带动枪钻头振动，这种机构结构紧凑，振动未经任何放大，较好地限制了系统的附加振动和噪音。

1.电机 2.偏心轮 3.摆杆 4.滑块 5.滚珠丝杠螺母机构
图1 偏心轮摆杆机构运动简图

改变摆杆摆转频率有两种办法：一是采用更换皮带轮的方法改变传动比；另一种方法是采用调速电机实现无级调速。改变摆杆摆幅的方法也有两种：一是更换偏心轴，使摆杆的摆幅改变；二是采用活动偏心轴，通过改变偏心轴的偏心量进行无级调偏从而使摆杆实现无级调幅。本装置即采用了第二种调幅方法，调整振幅方便可靠。

3 滚珠丝杠螺母机构

滚珠丝杠螺母机构将上述偏心轮滑块机构的摆杆及其滑块的摆转振动分解为枪钻头所需要的3种形式的振动。其工作原理如图2所示。

1.枪钻头 2.丝杠 3.螺母 4.滑块 5.摆杆 6、7.防转滑块
图2 滚珠丝杠螺母机构简图

枪钻头1固定在丝杠2上，见图2(a)，在丝杠和螺母3的尾部开有通槽，见图2(b)，通槽内嵌入滑块4，滑块与作摆转振动的摆杆5相固联，并可相对丝杠和螺母的径向以及丝杠的轴向作微小位移。滑块4的形状如图2(c)所示，有A、B、C 3种类型。当采用A型滑块时，滑块同时与丝杠和螺母的尾部通槽相配合，摆杆的摆转振动通过滑块带动丝杠和螺母同步扭振，枪钻头即获得周向扭转振动。当采用B型滑块时，滑块只与螺母的尾部通槽相配合，即螺母作周向扭振，带动丝杠轴作往复运动，枪钻头即获得轴向往复振动。为防止摩擦力作用带动丝杠旋转，此时应将防转滑块6压入丝杠的凹槽中。当采用C型滑块时，滑块只与丝杠的尾部通槽相配合，丝杠作周向扭振，同时在螺旋副作用下又作轴向往复运动，枪钻头即获得周向和轴向合成振动。为防止摩擦力作用带动螺母旋转，此时应将防转滑块7压入螺母的凹槽中(此时防转滑块6提起)。

4 结束语

根据大量的振动切削实验验证，本文研制的低频复合振动钻削精密深孔装置具有以下特点：①只用一套装置即可方便地实现3种振动方式之间的切换并能调整振幅，从而获得最佳振动切削参数；②结构简单、尺寸紧凑，可作为机床附件安装在普通车床的溜板上进行钻孔；③振动可靠、受干扰小，配合切削系统，能获得高精度的深孔表面质量。例如表1所示几种典型材料的实验数据，相对普通钻削而言，低频振动钻削的表面粗糙度大大降低了。

表1 不同材料在普通钻削与振动钻削时的表面粗糙度Ra(μm)

材料	普通钻削	低频振动钻削
铝	0.4622	0.2458
紫铜	0.63	0.0593
45钢	0.2542	0.1226
1Cr18Ni9Ti	1.6273	1.2533