振动钻削工艺的发展概况及应用前景（一）

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　　一、前言

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　　孔加工是金属切削加工中最常用的加工工艺。据统计，孔加工的金属切除量约占切削加工总金属切除量的1/3，钻头的产量约占刀具总产量的60%。目前用于加工微小孔的工艺方法虽然较多，但应用最广泛、生产实用性最强的仍是采用麻花钻钻削加工。随着对孔加工质量和效率的要求不断提高，传统的钻削工艺已显示出极大的局限性，而近年来迅速发展的振动钻削工艺则日益显示出其独特的优势及广阔的应用前景。

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　　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迭加)。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。振动的激励方式主要有超声波振动、机械振动、液压振动和电磁振动。其中，超声波振动的频率通常在16kHz以上，所以也称为高频振动钻削；其它三种振动方式的频率一般为几百赫兹，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。振动钻削良好的工艺效果已引起国内外研究者的普遍关注，自1954年日本宇都宫大学的隈部淳一郎教授提出振动钻削理论以来，各国学者对振动钻削进行了大量理论研究及实验分析，取得了许多有价值的研究成果，其中一些成果已逐步应用于加工领域。

　　二、振动钻削的工艺效果

　　振动钻削的特殊动力学机理使其可获得提高钻孔精度(包括尺寸精度和形状位置精度)、降低孔壁表面粗糙度和出口毛刺、延长刀具寿命、改善对难加工材料的切削能力等一系列良好的工艺效果。国内外学者对此做了大量实验研究工作。

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　　隈部淳一郎教授提出振动钻削的概念和方法后，结合钻头刚性化理论的研究率先对轴向振动钻削提高钻孔垂直度进行了实验研究。他研制了安装在车床溜板上的超声波振动钻削装置，采用轴向振动钻削方法在山毛榉工件上钻削f3.3mm的孔，结果使钻孔倾斜度从普通钻削时的11.2×10-3rad下降到9.2×10-3rad，首次验证了振动钻削提高钻孔垂直度的工艺效果。前苏联中央燃料系统学研究院的学者在六轴自动机床上用枪钻振动钻削柴油机喷油嘴柱塞套中孔(f6.26mm,长径比为10)，获得了尺寸误差小于0.05mm、直线度误差小于0.005mm、表面粗糙度Ra＜1.25µm的良好工艺效果。1983年，薛万夫教授采用硬质合金枪钻在自制的机械式轴向振动钻削装置上加工压力表弹簧管深孔(f7.35mm,孔深170mm,材料50CrVA,硬度207HB)，在振动频率50～100Hz、振幅0.1mm、进给量0.2mm/r条件下，一次走刀后孔壁表面粗糙度达到Ra0.12µm。1987年，刘华明教授采用超声波轴向振动钻削f7.5mm、孔深30mm的铝制工件，使孔扩量由普通钻削时的0.21mm下降到0.11mm，圆度误差不大于0.005mm，表面粗糙度也较普通钻削显著降低［9］。1997年，王立江教授的课题组用f0.5mm钻头钻削黄铜(H62)时发现，当加工参数(包括振动参数和进给量)选择最佳值时，孔的定位误差和孔扩量可由普通钻削时的22.91µm和35.12µm分别下降为0.52µm和3.65µm，工艺效果非常明显。

　　出口毛刺是钻削加工中严重影响加工质量的难题，长期未能有效解决。随着振动钻削实验研究的深入，学者们发现振动钻削可有效减小出口毛刺。1984年，日本学者鞍古文保采用钻头每转振动1次的频转比，在铝制工件(AL1050-0)上钻削f5mm的孔，结果出口毛刺高度由普通钻削时的4.5～5.2mm下降到0.6～0.9mm。他指出，低频轴向振动钻削能缓解切屑阻塞，有利于排屑；此外，由于钻头钻出工件的瞬间切削力并不增加，因此可减小出口毛刺。1986年，足立胜重等人在相同实验条件下分别对铝(AL1050-0)和碳素结构钢(S45C)工件进行了低频振动钻削实验，铝件和钢件的出口毛刺平均高度分别由普通钻削时的5mm和0.5mm下降到0.7mm和0.3mm，说明轴向振动钻削对于减小塑性材料的出口毛刺效果更为明显。1989年，王立江教授分析了零相位差低频振动钻削时出口处金属的残留特性和横刃的特殊机理，揭示了振动与毛刺的关联性，并通过实验证明在1Cr18Ni9Ti不锈钢和L5工业铝上钻削f3mm的孔时，若振动参数选择合理，甚至可实现无毛刺钻削。1991年，H.Takeyama通过实验证实，超声波振动钻削也具有明显减小出口毛刺的作用。1997年，王立江教授的课题组用f0.5mm钻头钻削黄铜(H62)时发现，当加工参数选择合理时，出口毛刺可由普通钻削时的31.52µm下降到0.12µm，基本上实现了无毛刺钻削。

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