基于超声振动切削的麻花钻入钻精度研究*

孔凡霞 张 丽

(①山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东淄博 255049;②青岛工学院机电工程学院，山东青岛 266300)

孔钻削加工是工程中经常采用的制造方式。钻削时存在钻头的刚度低、入钻位置易偏移［1－2］、切屑不易排出、钻头易折断［3－4］等问题。尤其对于难加工材料和深孔钻削，定位精度差是工程中的难题之一。超声振动切削是近代出现的一种先进的切削加工方法，其优良的工艺效果得到了学术界和工业界的一致认可。超声振动钻削是超声振动切削的一个分支，是在传统的钻削过程中给钻头(或工件)加上有规律的高频振动。几十年来，国内外专家学者对超声振动钻削做了大量的理论与实验研究工作［5－7］，许多实验和研究结果都表明:振动钻削可明显提高入钻的定位精度及孔的尺寸精度、表面质量，降低切削力和切削温度，延长钻头寿命，为孔钻削加工提供了可靠的技术保障。本文针对麻花钻入钻偏移问题，从普通钻削偏移机理开始对超声振动钻削纠偏机理进行了分析，并进行了实验验证。

1 超声振动钻削提高入钻精度机理

1.1 普通钻削的入钻机理

钻头入钻过程是横刃进行切削的过程。由于钻头的轴线与工件表面不能保证垂直，钻尖会受到侧向力的作用而产生偏移，产生入钻引偏。本文从钻头完全入钻前横刃的滑移趋势来分析入钻引偏的过程。

图1a是入钻过程中横刃的滑移轨迹，其中O点是钻头在自由状态下的回转中心，如果钻头是一个刚体，则横刃应该以O为中心，A0B0为直径的圆弧轨迹进行切削。即旋转切削一定角度后，横刃在A'B'的位置。然而，这个切削过程只有横刃的DB来完成，因此会产生侧向力P，使钻头发生弯曲变形，中心点偏移到O'，因此，工件的B0BB'区域就不能被切除。

普通钻削是一个连续的切削过程，所以钻头的偏移误差也是不断累加的。所以，最终横刃实际切削部分为B0BBnDB0，残留部分为B0B'BnDB0。

当钻头完全入钻后，钻头的偏移量达到e(e=OOn)，如图1b所示，KLMN不能被切除，所以普通钻削入钻偏移问题不能避免。

1.2 超声纵向振动钻削入钻机理

超声振动钻削，横刃上各点按正弦轨迹运动，钻头横刃有较大的负前角，所以在振幅较大时，前刀面的冲压作用会产生横刃的断续切削过程，如图2。横刃的运动轨迹为M0A0M1A1M2A2，当横刃切削到最近点A0，前刀面在工件上形成冲压面A0C0和隆起面C0D0，然后横刃从A0点开始沿A0M1N1空切到N1，然后横刃以相对较大的正前角进行下一次切削，切削轨迹沿N1A1，因此N1A1D0C0部分的金属受到前刀面的冲压，形成新的冲压面A1C1和隆起面C1D1，N1A1A0部分受到后刀面的挤压，由于塑性变形形成N1A1A0部分的残留金属。同理，横刃进行第三次切削，形成了冲压面A2C2和隆起面C2D2，以及残留金属N2A2A1。超声纵向振动的横刃断续切削过程使入钻机理发生了本质的变化。

超声纵向振动实现断续切削的条件是A0M1的斜度大于A0D的斜度，也就是满足:

式中:A为振幅，r为钻头横刃的回转半径，Wf为钻头每转的振动次数。这时，每一振动周期内横刃实际切削的时间tc和空切时间ti分别为:

式中:F为振动频率。

横刃每次切削可能产生的最大偏移量是在tc时间内主轴旋转α1产生的，如图3，超声波纵向振动钻削入钻过程中，横刃在切入金属时，在tc时间里产生的侧向偏移OO'，滑移到A'B'位置。其中，

对于超声波振动钻削，Wf值很大，从而每次钻削的偏移量OO'很小，而且ti远大于tc，这样偏移量OO'就会有相对较长的时间恢复到原位偏移量A1B1，从而进行下一轮切削。从而其起切削过程如图4，钻尖接触工件瞬间也会产生横向偏移，使钻头弯曲;但当钻尖与工件分离时，钻头以自身的固有频率做弯曲衰减振动，恢复变直后再重新入钻，使入钻偏移经过多次校正，最终使入钻定位精度得到提高。

2 实验

采用如图5实验装置，用φ1.4 mm的硬质合金钻头对不锈钢进行钻削实验。主轴转速n=1 200 r/min，进给量vf=1.5 μm/r，钻头振幅A=0、3.5、5 μm。切削液采用金微油。试件是直径6 mm的不锈钢试件，厚度为2 mm，有中心孔。在工具显微镜(×100)下测量孔入口中心点位置，计算孔中心位置相对外圆中心位置的最大偏移量，依此分析定位精度(偏移量小，则定位精度高)。

图6表示主轴转速n=1 200 r/min，进给量vf=1.5 μm/r，不同振幅条件下微孔入钻定位精度的对比曲线。从图6可看出，普通钻削时，最大偏移量为14 μm左右;当振幅为5 μm，最大偏移量降低到大约4 μm。

经过以上分析，振动钻削的入钻定位精度相对普通钻削有很大提高，当振幅为5 μm时，定位精度提高了约4倍;在一定范围内，随振幅增大，定位精度提高。

另外，笔者还进行了细长麻花钻钻削45号钢的尝试性实验。实验装置如图7所示，钻头回转并进给，工件轴向超声振动。直径为3 mm的HSS普通麻花钻，悬长60 mm。钻削参数:转速1 000 r/min，进给量0.008 mm/r，超声振动频率 19 490 Hz，振幅 7 μm。普通钻削至深度35 mm时钻头折断，而超声振动钻削深55 mm至通孔。两个工件入口端面如图8所示。由此实验，也表明:超声振动钻削可以大大提高入钻精度。

3 结语

由于钻头刚性差或材料硬度高，普通钻削入钻时钻尖易偏移，定位精度很低。振动钻削入钻，当钻尖与工件分离时，钻头以自身的固有频率做弯曲衰减振动，恢复变直后再重新入钻，使入钻偏移经过多次校正，最终使入钻定位精度得到提高。

实验结果表明:超声振动钻削不锈钢、细长麻花钻钻削45#钢时，入钻定位精度均有所提高。且钻削不锈钢时，当振幅为5 μm，定位精度提高了约4倍;在试验参数范围内，随振幅增大，定位精度提高。

［1］杨兆军，王勋龙，杨赵华.微小孔钻削加工的难点及其技术对策［J］.机械工程师，1997(5):15－16.

［2］谢大纲，赵清亮，袁哲俊，等.麻花钻刚度的有限元分析［J］.中国机械工程，2001，12(5):154 －156.

［3］刘利，译.微深孔钻头设计要点［J］.机床与工具，1987(6):130－135.

［4］张明，周锦进.微细钻头折断原因探讨［J］.工具技术，1999，33(7):5－7.

［5］王立江，张德远，张明.振动钻削微小孔提高加工精度的研究［J］.机械工程学报，1992，28(1):31 －35.