槍鉆深孔加工顫振穩(wěn)定性及振動(dòng)加工技術(shù)綜述
2019-2-18 來源：江西洪都航空工業(yè) 南京航空航天大學(xué) 作者： 汪洋華 李亮 龍韜 何俊杰 馬曉波 等
摘 要: 深孔槍鉆加工中的顫振問題，嚴(yán)重地影響了產(chǎn)品的加工質(zhì)量和機(jī)床的效率。以鈦合金小直徑深孔的槍鉆加工為研究對(duì)象，從實(shí)驗(yàn)研究、理論分析、顫振預(yù)測(cè)、振動(dòng)加工等幾個(gè)方面，對(duì)目前小直徑深孔槍鉆加工技術(shù)進(jìn)行分析，為后續(xù)的槍鉆深孔加工鉆削穩(wěn)定性與振動(dòng)加工技術(shù)的基礎(chǔ)研究提供理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞: 深孔加工; 槍鉆; 穩(wěn)定性; 顫振預(yù)測(cè); 顫振抑制; 振動(dòng)加工
0 引言
深孔加工是機(jī)械加工領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。孔加工在整個(gè)機(jī)械加工中約占 25%，而深加工的總量在孔加工的比例達(dá)到了一半。深孔加工技術(shù)和應(yīng)用開發(fā)過程崛起于炮管生產(chǎn)。20 世紀(jì) 60 年代以前，深孔加工技術(shù)主要用于生產(chǎn)槍管、炮管，此后隨著生產(chǎn)格局的轉(zhuǎn)變，深孔加工技術(shù)也轉(zhuǎn)向能源、航空航天、冶金、汽車、化工和機(jī)床行業(yè)。
20 世紀(jì) 90 年代以后，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的加速發(fā)展，極大地推動(dòng)了上述行業(yè)對(duì)深孔加工技術(shù)的需求，傳統(tǒng)的孔加工方式已不能滿足生產(chǎn)需求。因此，采用較先進(jìn)的專用刀具及特殊的深孔加工技術(shù)進(jìn)行深孔加工是非常有必要的。深孔加工系統(tǒng)按照排屑方式可分為外排屑和內(nèi)排屑兩類，其中外排屑系統(tǒng)有槍鉆、深孔扁鉆和深孔麻花鉆等; 內(nèi)排屑系統(tǒng)因所用的加工系統(tǒng)不同，分為 BTA 深孔鉆系統(tǒng)、噴吸鉆系統(tǒng)和 DF 深孔鉆系統(tǒng)等 3 種。
對(duì)于內(nèi)排屑加工系統(tǒng)主要適用場(chǎng)合在直徑＞Φ18 mm 的深孔加工; 而外排屑加工系統(tǒng)中深孔扁鉆和深孔麻花鉆由于加工深度的制約，無法完成對(duì)于長(zhǎng)徑比＞50 的超長(zhǎng)小直徑深孔的加工。通常長(zhǎng)徑比 L/D＞10 的超長(zhǎng)小直徑深孔( Φ2 ～Φ20 mm) 均采用深孔槍鉆加工工藝。目前航空航天、軍事和民用產(chǎn)業(yè)中，超長(zhǎng)小直徑深孔加工的需求越來越多。例如: 在航天航空業(yè)中各類飛機(jī)艙門中導(dǎo)軌孔以及模具行業(yè)中大型汽車覆蓋件的注塑模具水道孔。
所以本文提出針對(duì)超長(zhǎng)小直徑深孔槍鉆鉆削問題的研究，也正是符合國(guó)家航空航天、能源和汽車等行業(yè)發(fā)展的需求。
1 、深孔槍鉆加工工藝
深孔槍鉆加工工藝有以下的特點(diǎn)：
1) 是小直徑深孔加工范疇最有效的刀具，且長(zhǎng)徑比越大，優(yōu)越性越顯著;2) 生產(chǎn)效率高(轉(zhuǎn)速高，進(jìn)給量較大，且是連續(xù)進(jìn)給，不需要中途退刀排屑) ;3) 孔徑尺寸較穩(wěn)定( 鉆和鉸一次完成) ，孔徑變化范圍較小;4) 被加工孔表面較為光滑，標(biāo)準(zhǔn)鋼材表面粗糙度可達(dá) Ｒa3．2～ Ｒa1．6，鑄鐵表面粗糙度可達(dá) Ｒa0．8;5) 具備高的形位公差，孔圓度 ＜ 0． 005 mm，軸線平行度＜0．2 mm/1 000 mm;6) 適應(yīng)范圍廣，被加工材料硬度＞HＲC45，仍可加工;7) 孔鉆通后，孔口無飛邊、毛刺。
深孔槍鉆結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。分為槍頭、鉆桿和鉆柄 3部分。有單溝槍鉆和雙溝槍鉆 2 種類型。鉆尖形狀如圖2 所示，鉆尖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，幾何參數(shù)較多。
深孔加工中，由于加工過程屬于封閉式或半封閉式切削，所以在切削加工過程中存在切屑的斷屑、排屑、切削液的流動(dòng)、鉆削刀具選擇和工件的散熱以及刀具的導(dǎo)向等問題，這些問題會(huì)導(dǎo)致零件加工表面質(zhì)量惡化。
難加工材料( 鈦合金等) 的超長(zhǎng)小直徑深孔的加工，因其孔徑小，孔深長(zhǎng)，加工過程中的影響因素更加復(fù)雜，所以加工尤為困難。在小直徑深孔槍鉆加工過程中，由于被加工孔較深，且槍鉆鉆桿又細(xì)又長(zhǎng)極易誘發(fā)鉆削的顫振現(xiàn)象。顫振一直是影響槍鉆加工質(zhì)量和機(jī)床切削效率的關(guān)鍵問題之一。深孔鉆削產(chǎn)生的顫振不僅會(huì)惡化零件的加工表面質(zhì)量，降低機(jī)床和刀具的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使鉆削加工無法進(jìn)行。
其形成的原因包括切屑無法順利的排出產(chǎn)生的顫振、鉆桿加工時(shí)懸伸量過長(zhǎng)導(dǎo)致剛性不足產(chǎn)生的顫振、鉆削過程中切削液與工件之間的流固場(chǎng)耦合作用力產(chǎn)生的顫振、鉆削刀具崩刃或堵屑產(chǎn)生的顫振、加工參數(shù)選擇不當(dāng)引起的顫振等等。因此迫切需要揭示深孔槍鉆加工過程中顫振的產(chǎn)生本質(zhì)，拓展深孔鉆削顫振的基礎(chǔ)理論，創(chuàng)新深孔鉆削顫振抑制方法。
2 、深孔加工顫振穩(wěn)定性分析研究
通過資料的檢索，現(xiàn)有研究主要是建立相應(yīng)的鉆削顫振模型，通過解析法或數(shù)值方法來求解，推導(dǎo)出鉆削穩(wěn)定性 lobe 圖，并結(jié)合穩(wěn)定性 lobe 圖來分析鉆削系統(tǒng)穩(wěn)定性，進(jìn)而為顫振控制提供理論依據(jù)。
小直徑深孔槍鉆過程中，隨著鉆孔深度的增加，鉆桿的懸伸長(zhǎng)度不斷增加，是一個(gè)典型時(shí)變系統(tǒng)。此外，鉆頭除了切削刃部分與工件接觸，導(dǎo)向部分也與已加工的孔壁接觸，使得這一時(shí)變系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題更為復(fù)雜。
目前對(duì)于深孔加工顫振穩(wěn)定性的研究主要針對(duì)的是小直徑麻花鉆和 BTA 鉆削系統(tǒng)，而關(guān)于
深孔槍鉆系統(tǒng)顫振穩(wěn)定性的研究較少。Mehrabadi 和 Nouri 等人提出了一個(gè)考慮彎曲振動(dòng)的模型。
通過該模型可以預(yù)測(cè)出 BTA 深孔加工過程中的顫振穩(wěn)定域，利用歐拉數(shù)值法模擬出鉆頭的運(yùn)動(dòng)軌跡。結(jié)合穩(wěn)定域圖形，可以分析出鉆頭在不同的轉(zhuǎn)速下加工出的的孔形狀和精度的差別。Arvajeh 和 Ismail提出了一個(gè)BTA 鉆削顫振的動(dòng)力學(xué)模型。
該模型綜合研究了由于彎曲產(chǎn)生的橫向振動(dòng)和由于扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的軸向振動(dòng)，并考慮了回轉(zhuǎn)效應(yīng)。Weinert 等用統(tǒng)計(jì)方法更全面地解釋了加工參數(shù)和表面粗糙度的關(guān)系，他指出 BTA 鉆桿的大長(zhǎng)徑比和較低的彎曲剛度使鉆桿容易發(fā)生顫振現(xiàn)象。Messaoud等指出深孔加工中出現(xiàn)的顫振現(xiàn)象也是導(dǎo)致直線度降低的原因之一，并用非線性連續(xù)建模的方法對(duì)加工過程的動(dòng)態(tài)變 化 建 立 了 一 個(gè) 實(shí) 時(shí) 的 模 型。Chin提 出 了BTA 深孔加工切屑狀態(tài)監(jiān)測(cè)的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)刀具斷屑、排屑狀態(tài)與切屑液流體動(dòng)態(tài)壓力變化的聯(lián)系進(jìn)行了研究，并提出了一套新的關(guān)于切屑狀態(tài)監(jiān)測(cè)的仿真計(jì)算方法。Bayly將理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，對(duì)鉆桿系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)進(jìn)行了分析，詳細(xì)地考察了刀具顫振頻率的分布范圍以及穩(wěn)定性判據(jù)，指出深孔加工過程中鉆桿系統(tǒng)存在明顯的非線性特征。
國(guó)內(nèi)一些高等院校和科研機(jī)構(gòu)也在深孔加工顫振方面做了研究。張秋麗根據(jù)二元直角切削模型，提出了三元切削模型，推導(dǎo)出槍鉆的鉆削力數(shù)學(xué)模型。白萬民等人以槍鉆為研究對(duì)象，分析了深孔鉆削時(shí)刀具的受力狀況，給出了深孔鉆的力學(xué)模型和求解方程，提出了一種測(cè)量和計(jì)算相結(jié)合的方法來求解鉆削力分量。哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了利用多個(gè)特征參數(shù)綜合監(jiān)測(cè)鉆削過程，通過大量實(shí)驗(yàn)，觀察刀具在破損、折斷等異常情況下，各個(gè)特征參數(shù)的變化規(guī)律，并設(shè)定閉值，對(duì)鉆削加工過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
西安理工大學(xué)李言、孔令飛等設(shè)計(jì)了一種將周期值作為參數(shù)一起參與打靶迭代的算法，通過優(yōu)化確定迭代過程中的增量值。針對(duì)單孔和槽孔兩種孔結(jié)構(gòu)形式，將非線性切削液流體力及其 Jacobian 矩陣聯(lián)合求解法與改進(jìn)的打靶法及 Floquet 論相結(jié)合，研究了 BTA 深孔加工系統(tǒng)中中鉆桿系統(tǒng)非線性動(dòng)態(tài)行為。唐英等利用小直徑麻花鉆進(jìn)行微小孔高速鉆削實(shí)驗(yàn)研究表明: 鉆削過程中，在一定速度范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速的增加、軸向力和轉(zhuǎn)矩下降，說明摩擦型顫振的發(fā)生條件。
高本河等分析了深孔加工孔軸線的偏斜機(jī)理，提出了利用靜止外力進(jìn)行糾偏的理論和方法，并確定出合適的糾偏位置。試驗(yàn)證明該方法具有良好的糾偏能力，為深孔鉆削孔軸線偏斜的糾正提供了理論和實(shí)踐依據(jù)。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有針對(duì)深孔鉆削顫振的理論研究，主要還是以線性理論為主，雖然能成功揭示和預(yù)測(cè)發(fā)生顫振的臨界條件，但無法揭示切削顫振增長(zhǎng)的過程與規(guī)律以及探求抑制顫振振幅的途徑與措施，并且研究方法主要是將物理模型轉(zhuǎn)化為時(shí)滯微分方程，然后通過半解析法或數(shù)值方法來求解，并結(jié)合穩(wěn)定性圖表來分析系統(tǒng)穩(wěn)定性，從而指導(dǎo)鉆削顫振控制; 并且研究的重點(diǎn)主要集中在小直徑麻花鉆和BTA 深孔鉆削系統(tǒng)，對(duì)于槍鉆顫振的系統(tǒng)研究較少。
且對(duì)于一些難加工材料如鈦合金等，鉆削參數(shù)調(diào)整范圍遠(yuǎn)小于鋁合金等易切材料零件，穩(wěn)定性 lobe 圖的應(yīng)用價(jià)值并不顯著，難以用來指導(dǎo)工程實(shí)際。深孔槍鉆加工中顫振產(chǎn)生的主要?jiǎng)恿W(xué)根源是由于系統(tǒng)阻尼或者系統(tǒng)剛度出現(xiàn)負(fù)值，現(xiàn)有的顫振判斷難以區(qū)別出對(duì)于這種多自由度系統(tǒng)中，是哪一個(gè)阻尼、或者剛度對(duì)顫振的影響較大。而深孔槍鉆加工系統(tǒng)中阻尼可分為機(jī)床結(jié)構(gòu)阻尼和由槍鉆后刀面與工件表面相互干涉而產(chǎn)生的過程阻尼，及鉆頭的支撐部位和已加工孔壁的接觸摩擦產(chǎn)生的過程阻尼。采用勞斯判據(jù)的優(yōu)點(diǎn)在于可以把阻尼、剛度進(jìn)行等效，實(shí)現(xiàn)阻尼歸一化。較為直觀判斷各阻尼項(xiàng)和剛度項(xiàng)對(duì)顫振的影響，為顫振控制提供了鑒別工具。
3 、深孔加工顫振抑制方法研究
顫振研究的最終目的是抑制顫振的產(chǎn)生和減小顫振的影響。目前，抑制顫振的方法一般可以分為被動(dòng)型控制、半主動(dòng)控制、主動(dòng)型控制和變參數(shù)控制。因?yàn)榘胫鲃?dòng)控制顫振和變參數(shù)控制顫振在控制方法上的簡(jiǎn)便性和易操作性，一直是大多數(shù)研究者研究的重點(diǎn)。半主動(dòng)控制主要是通過增加鉆削系統(tǒng)剛度、阻尼或者附加動(dòng)力吸振器吸收振動(dòng)來抑制顫振的方法。
要是采用各類減振器。例如: Tewani 和 Sanjiv G等設(shè)計(jì)在深孔加工鏜桿上面加吸振器來抑制顫振。變參數(shù)控制的實(shí)質(zhì)則是通過調(diào)整切削參數(shù)( 如刀具工作角度、進(jìn)給量和切削速度等) 將切削工作位置從不穩(wěn)定區(qū)移到穩(wěn)定區(qū)，實(shí)質(zhì)就是破壞顫振產(chǎn)生的條件。例如: Tarng 等通過 Nyquist穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)分析了切削速度、寬度與顫振頻率的關(guān)系圖，找到在一定顫振頻率下，主軸轉(zhuǎn)速以及穩(wěn)定切削速度與內(nèi)外調(diào)制相位變化的關(guān)系，提出了利用改變主軸轉(zhuǎn)速來抑制鉆削中顫振的方法。
王仁德等通過頻率掃描法分析再生顫振的衰減系數(shù)模型，提出了一種新的變速切削抑制振動(dòng)機(jī)理，指出變速切削時(shí)系統(tǒng)頻率和衰減系數(shù)會(huì)隨轉(zhuǎn)速變化而變化，變速范圍增加會(huì)使系統(tǒng)衰減系數(shù)增加，從而實(shí)現(xiàn)抑振。從實(shí)際應(yīng)用效果看，半主動(dòng)控制和調(diào)整切削參數(shù)法均具有一定的局限性。對(duì)于深孔槍鉆加工而言，加工過程是單刃多點(diǎn)接觸，刀具后刀面與工件表面相互干涉而產(chǎn)生的阻尼，鉆頭的支撐部位和已加工孔壁的接觸與摩擦，產(chǎn)生的摩擦阻尼，都屬于過程阻尼的范疇。因此必須在顫振模型中考慮過程阻尼的影響。目前國(guó)外研究人員開始研究利用加工過程中的非線性力學(xué)行為來抑制顫振，即充分考慮過程阻尼對(duì)切削穩(wěn)定性的影響，通過改變過程阻尼來實(shí)現(xiàn)顫振抑制。
目前對(duì)于過程阻尼的研究主要集中于車削和銑削。例如: Altinta通過一系列正交試驗(yàn)，識(shí)別動(dòng)態(tài)切削力中的過程阻尼系數(shù)，該試驗(yàn)由快速伺服系統(tǒng)控制，使得刀具 以 預(yù) 期 頻 率 和 振 幅 振 蕩。Turkes E，Orak S 等人基于刀具剪切角變化以及后刀面和工件表面波紋之間干涉力的變化，建立了車削過程阻尼模型，對(duì)零階頻率法的臨界切深表達(dá)式進(jìn)行逆求解，識(shí)別過程阻尼率。
Huang C Y，Wang J－J． Junz 等人提出了包含切削阻尼的銑削動(dòng)能模式，模式中包含剪切、犁耕兩種切削機(jī)制，以及切削力大小及方向變動(dòng)所產(chǎn)生的阻尼效應(yīng)，建立線性周期性時(shí)變的銑削動(dòng)能模型。Budak 和 Tunc 等人克服了試驗(yàn)建模的弱點(diǎn)，在過程阻尼建模和系數(shù)辨識(shí)方面，進(jìn)行了較為細(xì)致的工作。Ahmadi 和 Ismail 等人基于小振幅假設(shè)，將過程阻尼等效為線性粘性阻尼，利用半離散法，計(jì)算銑削穩(wěn)定性極限，該模型具有一定局限性，預(yù)測(cè)出的穩(wěn)定性極限低于實(shí)驗(yàn)值。
李欣和李亮等人利用隱式龍格庫(kù)塔法，計(jì)算典型鈦合金材料銑削加工中干涉產(chǎn)生的侵入面積以及阻力，建立考慮過程阻尼效應(yīng)的非線性銑削動(dòng)力學(xué)模型。在現(xiàn)有文獻(xiàn)中，深孔鉆削穩(wěn)定性分析均采用較為傳統(tǒng)的線性模型，未考慮過程阻尼，其在低速區(qū)會(huì)產(chǎn)生很大誤差。特別對(duì)于一些難加工材料如鈦合金加工來說，為保證刀具壽命，切削速度一般較低，這時(shí)如果還采用常用的線性模型，預(yù)測(cè)的極限切深遠(yuǎn)低于實(shí)際極限切深，勢(shì)必會(huì)影響加工效率。而且過程阻尼的大小和刀具幾何參數(shù)息息相關(guān)，設(shè)計(jì)幾何參數(shù)，利用過程阻尼來減振的文獻(xiàn)，國(guó)內(nèi)則更為缺乏。
4 、深孔加工振動(dòng)鉆削技術(shù)國(guó)內(nèi)外研
究現(xiàn)狀振動(dòng)鉆削是振動(dòng)切削的一個(gè)重要分支，其與傳統(tǒng)切削的主要區(qū)別是在鉆孔過程中可以通過振動(dòng)裝置使鉆頭與工件之間產(chǎn)生可控的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使切削速度、進(jìn)給量、切削深度按一定的規(guī)律變化，改變工件與刀具之間的時(shí)間與空間分配。
在振動(dòng)鉆削過程中，合理選擇振動(dòng)參數(shù)( 振動(dòng)頻率和振幅) 、進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速等加工工藝參數(shù)，可明顯提高孔加工精度，減小出口毛刺，降低切削力和切削溫度，延長(zhǎng)鉆頭壽命。振動(dòng)鉆削技術(shù)使傳統(tǒng)鉆削加工技術(shù)有了質(zhì)的飛躍。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)振動(dòng)鉆削技術(shù)的研究主要集中振動(dòng)鉆削本質(zhì)與機(jī)理研究、振動(dòng)鉆削系統(tǒng)裝備研究、振動(dòng)鉆削數(shù)學(xué)模型建立三個(gè)方面，而且均取
得了很大成果。
在振動(dòng)鉆削本質(zhì)與機(jī)理研究方面，1954 年，日本宇都宮大學(xué)的隈部淳一郎教授提出振動(dòng)鉆削理論，并在其著作《精密加工與振動(dòng)切削( 基礎(chǔ)與應(yīng)用) 》中對(duì)振動(dòng)鉆削做了詳細(xì)的介紹與實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為振動(dòng)鉆削與傳統(tǒng)的鉆削加工相比具有斷屑排屑效果好、切削力小、加工精度較高、刀具壽命較長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
在此基礎(chǔ)上，隈部淳一郎教授率先提出了超聲波振動(dòng)鉆削的“鉆頭剛性化效果”理論，為超聲波振動(dòng)鉆削的鉆入定位精度奠定了理論基礎(chǔ)。隨后，其又提出了脈沖能量與應(yīng)力集中理論，認(rèn)為在分離型振動(dòng)鉆削時(shí)，鉆頭由普通鉆削時(shí)的連續(xù)切削轉(zhuǎn)變成振動(dòng)鉆削時(shí)的脈沖式切削，特別橫刃由連續(xù)擠壓工件轉(zhuǎn)變成脈沖式楔入工件。1973 年，前蘇聯(lián)鮑曼工學(xué)院的 V．N． Poduraev 通過實(shí)驗(yàn)研究提出了振動(dòng)鉆削的沖擊理論，認(rèn)為振動(dòng)鉆削時(shí)鉆頭橫刃的沖擊作用能明顯改善橫刃的切削條件，并運(yùn)用彈塑性理論對(duì)振動(dòng)鉆削的動(dòng)力學(xué)機(jī)理進(jìn)行了分析論證。1979 年，日本學(xué)者足立勝重提出了槍鉆低頻振動(dòng)斷屑理論，該理論指出相鄰切屑若存在非零的振動(dòng)相位差，就會(huì)出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)而折斷，否則，無法實(shí)現(xiàn)斷屑。1982 年，薛萬夫教授對(duì)深孔槍鉆振動(dòng)鉆削時(shí)刀刃相鄰運(yùn)動(dòng)軌跡波形進(jìn)行了理論分析和計(jì)算，得出了保證斷屑的條件，進(jìn)一步豐富了足立勝重的振動(dòng)斷屑理論。
同時(shí)，他在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了振動(dòng)鉆削的動(dòng)態(tài)角度理論，指出主切削刃的前角和后角在鉆削過程中是動(dòng)態(tài)變化的，并給出了實(shí)際動(dòng)態(tài)后角 α 的計(jì)算公式和計(jì)算圖。在后續(xù)的研究工作中，動(dòng)態(tài)后角的提出給加工塑性金屬時(shí)可以改善刀具與工件的摩擦條件提供了理論依據(jù)。1984 年開始，王立江教授和他的課題組對(duì)高頻和低頻振動(dòng)鉆削都進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。研究成果無疑彌補(bǔ)了足立勝重從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度對(duì)振動(dòng)鉆削分析時(shí)得出的零相位差不能斷屑的缺陷和不足，使振動(dòng)斷屑理論進(jìn)一步完善化。
其次，在研究中還提出了低頻振動(dòng)提高鉆入定位精度的新觀點(diǎn)，即具有“鉆入－偏移－退回－恢復(fù)－重新鉆入”的動(dòng)力學(xué)特性。這一特性的發(fā)現(xiàn)無疑豐富了剛性化理論，推動(dòng)了振動(dòng)鉆削理論研究的進(jìn)程。1986 年劉華明教授在自制的超聲波振動(dòng)鉆床上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)振動(dòng)鉆削使切削力下降、表面質(zhì)量和孔徑精度提高，并進(jìn)一步探討了鉆頭耐用度與振幅之間的關(guān)系，給出了兩者的關(guān)系曲線。1995 年，楊兆軍博士對(duì)微小鉆頭低頻軸向振動(dòng)鉆削的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行理論與實(shí)驗(yàn)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，指出由于微小鉆頭的固有頻率極高，即使在阻尼比極小的情況下，振動(dòng)能量迅速衰減，恢復(fù)變直后再重新鉆入，具有低頻振動(dòng)鉆削時(shí)微小鉆頭的“分離衰減多次校正”的動(dòng)力學(xué)特性。2000 年楊兆軍教授、王立平教授提出了三區(qū)段變參數(shù)振動(dòng)鉆削微孔的新工藝，探討并研究了用非線性回歸求取各區(qū)段最佳振動(dòng)參數(shù)的方法，驗(yàn)證了以三區(qū)段最佳振動(dòng)參數(shù)作變參數(shù)時(shí)，可以全面降低微孔加工誤差的工藝效果。2004 年?yáng)|華大學(xué)的黃志榮等人通過對(duì)普通麻花鉆的改進(jìn)，在 JCS－018 立式加工中心，加工不銹鋼 316，孔徑 2 mm，孔深 20 mm，加工參數(shù)為: 主軸轉(zhuǎn)速: 2 500 r/min，轉(zhuǎn)速倍率: 100%，進(jìn)給速度:100 mm / min，取得一定的成果，實(shí)現(xiàn)小直徑深孔的高速鉆削。2006 年，張平寬研究了在軸向振動(dòng)鉆削過程中，各切削參數(shù)的變化，對(duì)鉆頭的工作角度會(huì)產(chǎn)生很大影響，給出了振動(dòng)鉆削參數(shù)選擇的理論依據(jù)。2006 年，北京航空航天大學(xué)張德遠(yuǎn)等對(duì)微孔加工難題進(jìn)行了研究，釆用超聲振動(dòng)加工將微孔壽命提高了 10 倍以上。
在振動(dòng)鉆削系統(tǒng)裝備研究方面，隈部淳一郎教授成功研制出超聲波扭轉(zhuǎn)和低頻軸向復(fù)合振動(dòng)鉆孔設(shè)備，極大地增強(qiáng)了振動(dòng)鉆削的加工能力。美國(guó)學(xué)者 W．Hansen 在對(duì)低頻振動(dòng)鉆削的研究過程中，提出了低頻振動(dòng)鉆削的概念和方法，研制了安裝在自動(dòng)車床上的用凸輪控制的機(jī)械式軸向振動(dòng)鉆削裝置并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)低頻振動(dòng)鉆削能夠減少鉆頭燒傷，提高鉆頭壽命，加快排屑過程以及提高孔的位置精度。這一研究成果為“鉆頭剛性化效果”理論及脈沖能量和應(yīng)力集中理論提供了強(qiáng)有力的依據(jù)，并為振動(dòng)斷屑理論的提出奠定了基礎(chǔ)。1982 年，薛萬夫教授成功研發(fā)出一種安裝在機(jī)床溜板上的低頻振動(dòng)刀架，通過采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心凸輪實(shí)現(xiàn)鉆頭的低頻軸向振動(dòng)，并對(duì)鈦合金等典型難加工材料進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于難加工材料，采用低頻振動(dòng)鉆削可有效提高刀具耐用度、降低切削力、抑制刀桿振動(dòng)以及保證斷屑穩(wěn)定。1986年，哈工大劉華明研發(fā)用于臺(tái)鉆的電磁振動(dòng)工作臺(tái)，并深入分析鉆頭耐用度與振幅之間的聯(lián)系。1994 年，西安石油大學(xué)王世清教授等人設(shè)計(jì)研發(fā)了機(jī)械式軸向激振裝置，其振幅與頻率均連續(xù)可調(diào)。1997 年，原吉林工業(yè)大學(xué)高印寒教授研制開發(fā)出能夠產(chǎn)生復(fù)合振動(dòng)永磁振動(dòng)鉆削裝置。2007 年西安石油大學(xué)深孔加工研究所的楊立合等人基于高頻振動(dòng)切削原理，自行設(shè)計(jì)階梯型復(fù)合變幅桿，研制了一套旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)鉆削裝置，該裝置在一定固有頻率的情況下達(dá)到系統(tǒng)諧振，滿足要求。
在振動(dòng)鉆削數(shù)學(xué)模型建立方面，2002 年，佳木斯大學(xué)盧紅影在 Merritt 等人所建立的傳統(tǒng)切削閉環(huán)模型的基礎(chǔ)上，考慮刀具振動(dòng)對(duì)機(jī)床的結(jié)構(gòu)以及切削過程的動(dòng)態(tài)特性的影響，建立低頻振動(dòng)切削數(shù)學(xué)模型，并提出了低頻振動(dòng)切削可使加工系統(tǒng)剛性化的觀點(diǎn)。2006 年，華東理工大學(xué)王曉威從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度分析研究振動(dòng)切削的內(nèi)在特性，并在傳統(tǒng)切削模型的基礎(chǔ)上給出了振動(dòng)切削的數(shù)學(xué)模型。
提出振動(dòng)切削切削力較小且切削過程比傳統(tǒng)切削更穩(wěn)定的觀點(diǎn)。2012 年，西安理工大學(xué)李言等人在自由模態(tài)綜合技術(shù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建了深孔振動(dòng)鉆削加工過程中鉆桿在軸向振動(dòng)、振動(dòng)切削力以及切削液流體力綜合作用下的多跨動(dòng)力學(xué)有限元模型，并通過該模型研究輔助支撐的位置及加工深度對(duì)孔直線度誤差的影響，獲得了孔直線度變化規(guī)律，為深孔振動(dòng)加工機(jī)床的精度設(shè)計(jì)以及加工誤差分析提供了理論依據(jù)。
中航工業(yè)佐景濤通過分析低頻超聲振動(dòng)切削過程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，構(gòu)建了低頻超聲振動(dòng)切削力學(xué)模型，認(rèn)為振動(dòng)切削系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性。從上述國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看出，雖然學(xué)術(shù)界在鉆削顫振的研究方面已經(jīng)取得了大量的成果，但從過程阻尼的角度探索鉆削顫振的產(chǎn)生本質(zhì)、影響因素及其控制等方面的研究還很少，尤其是針對(duì)鈦合金這種難加工材料的超長(zhǎng)小直徑深孔鉆削顫振控制基礎(chǔ)理論與方法研究還不夠深入和系統(tǒng)，現(xiàn)有深孔鉆削顫振理論研究仍無法為顫振主動(dòng)控制技術(shù)提供統(tǒng)一判據(jù)和基礎(chǔ)支撐。
并且對(duì)于振動(dòng)鉆削的研究，學(xué)術(shù)界主要集中在使用高頻超聲振動(dòng)和機(jī)械式振動(dòng)鉆削，研究的對(duì)象主要集中在麻花鉆和 BTA 噴吸鉆。對(duì)于小直徑深孔振動(dòng)鉆削主要還是采用超聲振動(dòng)方案，刀具的選擇還是為小直徑的麻花鉆。而對(duì)于槍鉆的振動(dòng)切削研究相對(duì)較少。
5 、總結(jié)與展望
深孔加工顫振一直是機(jī)加工領(lǐng)域無法回避和亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。加工過程中，鉆削力大小和方向都隨時(shí)間周期性變化，加上槍鉆系統(tǒng)自身具有多自由度的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性，使深孔鉆削過程的穩(wěn)定性分析變得非常復(fù)雜。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在深孔加工顫振方面的研究，主要集中在顫振穩(wěn)定性分析和顫振控制等方面。因此仍存在以下問題有待繼續(xù)深入研究。
1) 現(xiàn)有研究關(guān)于建立深孔鉆削顫振模型，主要是將物理模型轉(zhuǎn)化為時(shí)滯微分方程，然后通過半解析法或數(shù)值方法來求解，并結(jié)合穩(wěn)定性 lobe 圖來分析系統(tǒng)穩(wěn)定性，或結(jié)合 Nyquist 判據(jù)或 Liapunov 判據(jù)來進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性分析。該方法建模復(fù)雜，求解過程繁瑣，實(shí)用性不高。能否引入統(tǒng)一的判據(jù)如勞斯判據(jù)建立鉆削顫振模型，通過阻尼歸一化的原理，系統(tǒng)的分析槍鉆各部分結(jié)構(gòu)在顫振中的作用機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)深孔槍鉆鉆削穩(wěn)定性的直觀快速判別。
2) 當(dāng)前難加工材料如鈦合金等是研究的熱點(diǎn) ，其單位面積切削力倍增，可選加工速度范圍有限，穩(wěn)定性極限大大降低且范圍窄，因此需要引入考慮過程阻尼效應(yīng)的非線性理論，以擴(kuò)大穩(wěn)定域，提高加工效率。但目前對(duì)于過程阻尼的研究，主要集中在車削方面，對(duì)于深孔槍鉆鉆削加工的過程阻尼效應(yīng)，尚缺少完善的動(dòng)力學(xué)分析模型。
3) 深孔鉆削加工中過程阻尼的大小，與槍鉆結(jié)構(gòu)參數(shù)如刀尖的后刀面、外刃的第一后刀面、內(nèi)刃、導(dǎo)流面等密切相關(guān)，然而現(xiàn)有深孔槍鉆鉆削顫振控制方法中，槍鉆結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，均沒有系統(tǒng)考慮過程阻尼效應(yīng)，在減振槍鉆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面仍缺少完善的理論支撐，因而有必要建立基于過程阻尼效應(yīng)的深孔槍鉆鉆削顫振主動(dòng)抑制刀具的設(shè)計(jì)理論與方法。
4) 深孔振動(dòng)鉆削的研究主要集中在低頻超聲振動(dòng)鉆削，研究對(duì)象也以麻花鉆和噴吸鉆為主。對(duì)于槍鉆的振動(dòng)鉆削研究很少，而將鉆削顫振轉(zhuǎn)化為振動(dòng)鉆削的研究目前屬于空白，如何設(shè)計(jì)這種自激振動(dòng)鉆削裝置和實(shí)現(xiàn)其顫振的主動(dòng)控制和如何選擇其加工工藝的參數(shù)滿足鈦合金超長(zhǎng)小直徑的深孔加工，將是本項(xiàng)目研究的主要?jiǎng)?chuàng)新之處。
對(duì)以上問題，本課題將系統(tǒng)研究基于勞斯判據(jù)的深孔槍鉆鉆削顫振機(jī)理分析與顫振抑制策略，建立基于過程阻尼效應(yīng)的非線性深孔鉆削動(dòng)力學(xué)模型和穩(wěn)定性極限預(yù)測(cè)，提出小直徑深孔鉆削顫振主動(dòng)抑制的設(shè)計(jì)理論與方法; 解決面向超長(zhǎng)小直徑深孔鉆削振動(dòng)主動(dòng)抑制的工藝新技術(shù)。并為解決鈦合金等難加工材料的超長(zhǎng)小直徑深孔鉆削問題提供理論方法與技術(shù)支撐，促進(jìn)航空航、能源、軌道交通等國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展行業(yè)產(chǎn)品核心零件的“控形”與“控性”加工技術(shù)的進(jìn)步，豐富制造技術(shù)基礎(chǔ)理論，推動(dòng)制造技術(shù)發(fā)展，為我國(guó)占領(lǐng)制造學(xué)科前沿奠定基礎(chǔ)，項(xiàng)目研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
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