微小孔振动钻削力的实验研究

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1 引言

在现代制造业中，微小孔加工的数量日益增多，对其加工质量的要求也越来越高。因此，微小孔的高效、高质量、低成本加工已成为现代制造技术中一项极为重要的研究课题。振动钻削新工艺融振动理论和切削理论于一体，改变了传统钻削中刀具与工件之间的时空关系和钻削机理，其良好的工艺效果已引起国内外普遍关注。但有关振动钻削的理论和实验研究工作尚处于起步阶段，还存在大量需要探讨的理论问题和亟待开发的实用技术。

振动钻削过程中的钻削力是直接影响钻头寿命和钻孔质量的重要因素。由于振动钻削微小孔时产生的钻削力非常小且不易测量，因而在一定程度上阻碍了对微小孔振动钻削机理的研究。为此，我们研制开发了高灵敏度、高精度的微小孔钻削力测量系统。有了钻削力测试手段，就可对微小孔振动钻削的力学特性进行理论与实验研究，深入探讨微小孔的振动钻削机理，促进微小孔振动钻削工艺的进一步发展。

由于钻头的几何形状比较复杂，所以构建振动钻削的力学模型尤为复杂。迄今，根据切削力学构建振动钻削力学模型方面的研究还不多见，且一些研究结果对理论模型作了过多简化，很难与实验结果准确吻合。在实际钻削加工中通常使用经验公式来计算钻削力。由于振动钻削力受振动频率、振幅、进给量等的影响并存在交互作用，故建立切削力经验公式的传统方法不适用于振动钻削。为此，本文采用多元正交多项式回归实验来建立钻削力关于频率、振幅、进给量的非线性回归方程。

2 微小孔钻削测力仪的结构设计

典型的钻削测力仪结构主要有薄壁圆筒式和桁架立式变形筋式。薄壁圆筒式结构的测力仪外形较高，抗偏心载荷及侧向力的能力较差，对力作用点位置较敏感。桁架立式变形筋式结构用于大、中量程的钻削测力仪时性能较好，但用于测量微小孔钻削力时其灵敏度不易达到要求。轮辐式弹性体可同时用于测量轴向力和扭矩，具有优良的自然线性度，受力时位移较小，对力作用点位置不敏感，仪器外形较低，可承受较大侧向力，且结构简单，安装方便，普遍用于中等量程的高精度传感器中。当用于小量程传感器时，由于弹性体几何尺寸较小，加工和装配均较困难。

在黄铜材料工件上钻削Ø0. 5mm孔时，产生的轴向力约为6N，扭矩小于1N·mm。测量如此小的力，测力仪必须具有极高灵敏度。若采用轮辐式弹性体，弹性体厚度必须很小(约0.3mm)；若采用整体式结构，其加工工艺性很差，难以达到要求的精度。为解决这一问题，我们采用了高强度结构胶粘接的装配式结构，即将弹性体分为四个单独的弹性薄片分别加工，再用高强度结构胶粘接为一体(本测力仪所受载荷不大，粘接处强度可满足要求)。这样，弹性体较易加工，且可保证所需精度，从而解决了测力仪灵敏度与结构及加工性之间的矛盾。研制的轮辐式钻削测力仪可达到很高灵敏度，并具有较好加工性，其结构如图1所示。

图1 轮辐式钻削测力仪结构简图

测力仪受扭矩作用时，在贴片位置的弹性体中性层产生弯曲应力，且两侧应变值大小相等，方向相反。故应沿弹性片中性轴方向粘贴应变片，每个弹性片两侧各贴一片，共8个应变片组成全桥电路。在轴向力作用下，弹性片两侧产生相同的弯曲应力，故扭矩桥路的8个应变片产生大小相等、方向相同的应变，通过电桥加减特性可完全抵消。

轴向力可通过在45°或135°方向上粘贴应变片测量剪应变而得到。由于弹性片尺寸较小，故采取沿45°和135°方向各贴一个应变片的方法组成全桥电路。

将测力仪与后继放大电路、A/D转换接口连接起来，由计算机采集数据，在测力仪上加载即可对整个测力系统进行标定，测得的主要性能指标如下：①灵敏度：轴向力桥路输出灵敏度为4. 57µe/N，扭矩桥路输出灵敏度为12. 423µe/N。②固有频率：轴向力方向固有频率为800Hz，扭矩方向固有频率为285.7Hz。③非线性：轴向力桥路的非线性误差不大于0.65%，扭矩桥路的非线性误差不大于0.9%。

3 微小孔钻削力测量系统工作原理

利用计算机采集及处理测试数据可实现实验数据的实时自动采集和处理，可及时发现错误数据并补做实验，节省处理实验数据所需时间，并可采用多种数据处理方法，使得到的结果更符合实际。为此，我们开发了A/D 转换接口及数据采集、处理软件，与微小孔钻削测力仪组成如图2 所示的微小孔钻削力测量系统。

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图2 微小孔钻削力测量系统框图

在该测量系统中，工件装夹在测力仪上，钻削在微机控制微小孔变参数振动钻削系统上进行。测力仪产生两路输出信号，分别代表轴向力和扭矩，输出信号经YD-15动态应变仪放大、滤波后，再经放大电路将电压变换到A/D转换接口所需的0～5V范围内，由ADC0809对信号采样并输入计算机中，再由计算机软件显示钻削力波形、存储原始数据及处理结果，对原始数据进行数字信号处理及分析。同时，可根据标定结果对原始信号进行干扰校正，消除两向力之间的相互干扰，计算钻削力过程中的各个特征参数。最后，可根据需要进行多元正交多项式回归处理，得到钻削力随实验因素变化的回归方程。用本系统进行微小孔钻削力测试非常方便，整个测量及数据处理过程均在计算机控制下进行，保证了测量及数据处理的准确性，可大大提高测试效率。

4 微小孔振动钻削力多元正交多项式回归实验

振动钻削时，钻头与工件之间存在有规律的相对振动，钻削参数如切削厚度、刀具前、后角、切削速度等都随着振动频率F、振幅A 和进给量f 的变化而变化，且F、A、f 之间存在交互作用。同样，钻削力也受到振动频率F、振幅A、进给量f 的影响并存在交互作用。为了研究钻削力与F、A、f 之间的关系并考察其交互作用，我们采用多元正交多项式回归实验建立了钻削力关于F、A、f 的回归方程。

钻削力在钻削过程中是不断变化的，在钻削的不同区段，钻削力的变化趋势不同。为了全面研究钻削力的变化而又不增加太多参数，我们对钻削力波形进行了简化，将钻入、钻出、钻中三个区段中钻削力简化为直线。为全面反映钻削力特征，确定实验指标如下：三个区段钻削力变化的斜率分别为k1、k2、k3，三个区段的分界点为(t1，y1)和(t2，y2)，钻中区段的平均力为y0、钻出时刻为t3。各参数的单位分别为：k1、k2、k3单位为10N/s或10N·mm/s(分别对应轴向力或扭矩)；t1、t2、t3单位为0.1s；y1、y2、y0单位为N或N·mm(分别对应轴向力或扭矩)。

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表1 因素水平表

3 |1 r2 }0 G+ b! \. ^! v1 d4 o B! \" F3 A- Y" U1 Z. f& L0 q" e l2 m- @* l j, W, Y: p8 d4 b8 N. I! j7 h: L0 W9 x1 r; a/ t" t8 I6 x+ l, ]% Y& ]6 [5 @) _% Z4 {& Z; A& `9 A; o* r- }# {2 x6 D, F1 L2 x9 o) A$ H; L5 x7 m5 a" z7 }2 V6 |1 K! H9 y. E; y! G8 ?0 L5 P

水平	F(Z1)(Hz)	A(Z2)(µm)	f(Z3)(mm/ min)
1	300	4	60
2	400	6	80
3	500	8	100

实验在新型微机控制微小孔变参数振动钻床上进行。实验中对因素F(Z1)、A(Z2)、f (Z3)均取三水平，其因素水平列于表1。钻头直径为0.5mm；工件材料为黄铜，厚度1.5mm。由于篇幅所限，此处仅给出测得的一组钻削力波形，如图3所示。

(F=400Hz，A=4µm，f=80mm/min)
图3 钻削力波形

采用多元正交多项式回归求得钻削力各参数关于F、A、f 的回归方程，利用这些回归方程即可分析振动频率、振幅、进给量对钻削力各参数的影响。根据回归方程还可绘出各参数关于F、A、f 的三维曲面，从而可较直观地考察钻削力的变化规律，此处仅给出钻削力在钻中区段的平均值y0关于F、A、f 的三维曲面，如图4、图5 所示。由图可分析出y0的变化规律：轴向力的y0受f和F的影响较大，f增大，y0随之增大；F 增大，y0随之减小；扭矩的y0主要受A及A的二次项、f 的影响较大，y0～A有极大值，极大值点为A=5µm；f增大，y0随之增大。

(F=400Hz)
图4 y0关于A、f的三维曲面

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(A=6µm)
图5 y0关于F、f的三维曲面

5 结语

本文研制的微小孔钻削力测量系统具有很高灵敏度，由于采用计算机采集、处理数据，大大方便了微小孔钻削力的测量，为深入研究微小孔振动钻削机理提供了必要的实验手段。微小孔钻削测力仪采用了高强度结构型胶粘剂粘接的装配式结构，解决了测力仪灵敏度与结构及加工性之间的矛盾。这对于小量程传感器的设计亦具有一定借鉴作用。本文进行的微小孔振动钻削力多元正交多项式回归实验较全面地考察了钻削力与振动频率、振幅、进给量之间的关系，为微小孔振动钻削中的参数选择提供了参考依据，也为微小孔振动钻削的进一步深入研究打下了基础。