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。