针对镍基合金单刃钻孔作业的实况分析

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在采用单刃钻具对镍基合金进行深孔钻削作业时，刀具振动现象会带来很大的影响。这种动态载荷的结果将是钻孔的质量差和刀具的使用寿命短。因此，本文将首先会介绍有关单刃钻孔实况振动分析测量的方法，然后对单刃钻具的自有模型研究中的试验结果作一个比较和探讨。
' I% s5 r/ y9 ]: ]在采用单刃钻具对镍基合金进行深钻孔时，刀具振动会造成很大的麻烦。在V型切削槽上，瘦长的成型和抗弯刚性降低，这些都会对深孔刀具在钻孔过程中的稳定性造成不良的影响。耐热性强的镍基合金的难切削性能，可使刀刃受到额外的强大机械载荷。这种动态载荷所带来的结果便是钻孔的质量变差，刀具的使用寿命缩短。为了避免将来作业地不稳定（例如采用Adaptive Control），首先需要对单刃钻具在钻孔作业过程中的振动状态作一个了解。这里需要对外部所引发的振动和所出现的自振动进行区分。对此，下面将对单刃钻孔实况振动分析的测量方法作一个介绍，并对单刃钻具的自有模型研究中的试验结果作一个比较和探讨。

机床的能力越来越强，作业也越来越灵活，为了使刀具能够跟上这种发展，
需要进行针对性强的技术研究实况振动分析的目的在于，要对钻孔过程中单刃钻具上所出现的振动进行辨析。Braunschweig技术大学机床与加工技术学院（IWF）所进行的试验采用了两种不同的测量方法和测量装置。首先，要在钻孔过程中采用Kistler公司9272型四元测力计测出力的信号来源，做一个振动技术试验。通过FFT分析，将时间范围上所测得的力信号转化到频率范围。此外，为了在整个钻孔过程中实现不同的实况分析，把钻孔过程划分为三个阶段，即钻进、钻穿和退回。通过这种方式，可以准确地测量和划分出各个钻孔阶段的振动特征。
5 l! [6 H/ r* B 加工中心的单刃钻孔通常在钻进时采取由工件上的先导孔进行导向，但为了在试验中对钻孔阶段进行必要的区分，则在开始钻进时，在工件的前方设置一块钢板，由此来引导单刃钻具进入孔内。在带有导向孔的钢板和工件之间有一个1~2mm的空间，从振动的角度把两个区域隔离开。为了避免摩擦力和钻孔过程中过多地提高单刃钻具的导向稳定性，采用了直径比钻头大0.1mm的导向孔。此外，导向孔的两侧设有筋模，以便在钻孔过程中只与单刃钻具发生线接触，而不发生面接触。通过振动技术角度的脱钩，可以把作用在带有导向孔钢板上的极小工作力和钻矩传递到基座上，而不传导到测力计上（图1）。上部振动的质量（工件和测力计）与单刃钻具的质量相比要大许多。由此可以在作业过程中避免外部引起的振动。
对测量信号的接收是直接通过工件后面的测力计进行的，而非在切削作业影响点的附近。较高的系统质量无疑会导致较高的系统阻尼，即按照这种方式所测得的过程振动总体上会比较低。为了避免这种频率漂移的现象应尽可能地直接在作用点上进行测量，实现了第二种试验，即在起钻、钻穿和退回的整个过程中，对单刃钻头作了几乎与环境的完全振动技术隔绝，测量采用加速接收器进行（图2）。
3 i! {6 y2 g' T% v$ ? 图的上半部分所示为钻孔开始之前的钻头。钻头尖直接位于工件的前方，工件通过液压钳被夹持在设备工作台上。由此产生的相当高的质量阻止了外部发出振动的可能。在图片的中部是工件上的超导孔。在没有导向孔或钻套的情况下，这些超导孔在单刃钻进时则为起钻过程所需。为了在钻进过程中尽量降低刀具和工件的振动质量，超导孔设在腿部逐步变细的小型“方垛”上，以确保钻孔工件的振动能力。针对钻进过程，加速接收器直接接在“方垛”上。为了对所出现的扭转振动进行最佳的测量，直接在单刃钻头的进给方向（轴向）上进行了一次测量，同时在第二次试验中附加地也进行了一次垂直方向（径向）的测量。图片显示出在钻进过程中传感器与钻头的相对位置。通过连接一个带有载荷放大器和（评判）求值软件的FFT分析仪，可以对实况振动进行分析，并在频率范围内通过图形表示出来。
为了在振动分析中能够准确区分出外部引发的振动和单刃钻具自有的振动，在以往的试验中通过情态实验分析和借助于激光扫描振动仪，来测定出单刃钻具的情态参数。
0 n* X# z" `5 P# U曲线相应于一种传统的三位质量振动器，也符合对带有钻头、钻杆和夹紧套的单刃钻具的三段划分。在880Hz频率下的柔曲振动固有模式是显而易见的。另一个固有模式为2000Hz，在此频率下出现的是一种扭转振动。在钻进过程中所出现的扭转振动可能会导致作业不稳定和刀具失灵，因此其测量求值就显得非常重要。第三个固有模式仍然是柔曲振动，它可以在3300Hz时被识别。所测量的固有模式和振动类型的完整汇总见表1。
" |8 w$ a% q0 }4 n2 s# G 下图举例所示为在采用ELB ?11.76mm钻具时，在三个钻进阶段的进给方向上的钻进振动曲线分析。所显示的针对每一个钻进阶段的过程窗口为1s。除了钻穿过程中的1600Hz柔曲振动和退回过程中的900Hz柔曲振动之外，可以清楚地看出，在所有三个钻进作业过程，在1800~2000Hz频率范围内可以获得并识别出第一个扭转自振动。其频率范围只略低于单刃钻具情态实验分析所测得的数值。正如以往所估计得那样，这种差异应归咎于工件、法兰和测力计的附加振动质量。三个钻进阶段中的其他固有频率范围为2700~3300Hz。这些振动相应于第8种和第9种固有模式，也只略低于情态实验分析所测得的数值。在3300Hz的频率范围内，只在钻具退回过程中发生柔曲振动。
) ?2 C  z" h+ W- K 通过对比与进给方向交叉的方向上的振动曲线，可以确认所有三个钻进过程均存在着第一个扭转固有频率的激发。尽管加速测量靠近有效点位，由此可以达到较低的频率漂移；但是两种方法（加速测量和力矩测量）的实况振动分析结果也表明，两种方法在整体上达到了很高的一致性。这说明这两种方法都适合于对危害作业的振动进行探测。
实况振动分析所采用的各种实验方法一致表明，在对Inconel718镍基合金进行单刃钻进时，所有三个钻进阶段均在2000Hz频率范围内产生第一个危险的扭转固有振动。所进行的实验还表明，两种测量方法均可以对单刃钻进过程中所产生和以往在情态实验分析中所获得的固有模式做出可靠的鉴别。在下一步工作中，可以对能揭示危险振动的实况监视功能进行研发，以便人们采取相应的对策。
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