微小孔振動鉆削力的實(shí)驗(yàn)研究

發(fā)布日期：2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽：2549

      在現(xiàn)代制造業(yè)中，微小孔加工的數(shù)量日益增多，對其加工質(zhì)量的要求也越來越高。因此，微小孔的高效、高質(zhì)量、低成本加工已成為現(xiàn)代制造技術(shù)中一項(xiàng)極為重要的研究課題。振動鉆削新工藝融振動理論和切削理論于一體，改變了傳統(tǒng)鉆削中刀具與工件之間的時空關(guān)系和鉆削機(jī)理，其良好的工藝效果已引起國內(nèi)外普遍關(guān)注。但有關(guān)振動鉆削的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作尚處于起步階段，還存在大量需要探討的理論問題和亟待開發(fā)的實(shí)用技術(shù)。


振動鉆削過程中的鉆削力是直接影響鉆頭壽命和鉆孔質(zhì)量的重要因素。由于振動鉆削微小孔時產(chǎn)生的鉆削力非常小且不易測量，因而在一定程度上阻礙了對微小孔振動鉆削機(jī)理的研究。為此，我們研制開發(fā)了高靈敏度、高精度的微小孔鉆削力測量系統(tǒng)。有了鉆削力測試手段，就可對微小孔振動鉆削的力學(xué)特性進(jìn)行理論與實(shí)驗(yàn)研究，深入探討微小孔的振動鉆削機(jī)理，促進(jìn)微小孔振動鉆削工藝的進(jìn)一步發(fā)展。

由于鉆頭的幾何形狀比較復(fù)雜，所以構(gòu)建振動鉆削的力學(xué)模型尤為復(fù)雜。迄今，根據(jù)切削力學(xué)構(gòu)建振動鉆削力學(xué)模型方面的研究還不多見，且一些研究結(jié)果對理論模型作了過多簡化，很難與實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確吻合。在實(shí)際鉆削加工中通常使用經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算鉆削力。由于振動鉆削力受振動頻率、振幅、進(jìn)給量等的影響并存在交互作用，故建立切削力經(jīng)驗(yàn)公式的傳統(tǒng)方法不適用于振動鉆削。為此，本文采用多元正交多項(xiàng)式回歸實(shí)驗(yàn)來建立鉆削力關(guān)于頻率、振幅、進(jìn)給量的非線性回歸方程。


2 微小孔鉆削測力儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)


典型的鉆削測力儀結(jié)構(gòu)主要有薄壁圓筒式和桁架立式變形筋式。薄壁圓筒式結(jié)構(gòu)的測力儀外形較高，抗偏心載荷及側(cè)向力的能力較差，對力作用點(diǎn)位置較敏感。桁架立式變形筋式結(jié)構(gòu)用于大、中量程的鉆削測力儀時性能較好，但用于測量微小孔鉆削力時其靈敏度不易達(dá)到要求。輪輻式彈性體可同時用于測量軸向力和扭矩，具有優(yōu)良的自然線性度，受力時位移較小，對力作用點(diǎn)位置不敏感，儀器外形較低，可承受較大側(cè)向力，且結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，普遍用于中等量程的高精度傳感器中。當(dāng)用于小量程傳感器時，由于彈性體幾何尺寸較小，加工和裝配均較困難。








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圖1 輪輻式鉆削測力儀結(jié)構(gòu)簡圖

在黃銅材料工件上鉆削Ø0. 5mm孔時，產(chǎn)生的軸向力約為6N，扭矩小于1N·mm。測量如此小的力，測力儀必須具有極高靈敏度。若采用輪輻式彈性體，彈性體厚度必須很小(約0.3mm)；若采用整體式結(jié)構(gòu)，其加工工藝性很差，難以達(dá)到要求的精度。為解決這一問題，我們采用了高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)膠粘接的裝配式結(jié)構(gòu)，即將彈性體分為四個單獨(dú)的彈性薄片分別加工，再用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)膠粘接為一體(本測力儀所受載荷不大，粘接處強(qiáng)度可滿足要求)。這樣，彈性體較易加工，且可保證所需精度，從而解決了測力儀靈敏度與結(jié)構(gòu)及加工性之間的矛盾。研制的輪輻式鉆削測力儀可達(dá)到很高靈敏度，并具有較好加工性，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
測力儀受扭矩作用時，在貼片位置的彈性體中性層產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，且兩側(cè)應(yīng)變值大小相等，方向相反。故應(yīng)沿彈性片中性軸方向粘貼應(yīng)變片，每個彈性片兩側(cè)各貼一片，共8個應(yīng)變片組成全橋電路。在軸向力作用下，彈性片兩側(cè)產(chǎn)生相同的彎曲應(yīng)力，故扭矩橋路的8個應(yīng)變片產(chǎn)生大小相等、方向相同的應(yīng)變，通過電橋加減特性可完全抵消。
軸向力可通過在45°或135°方向上粘貼應(yīng)變片測量剪應(yīng)變而得到。由于彈性片尺寸較小，故采取沿45°和135°方向各貼一個應(yīng)變片的方法組成全橋電路。

將測力儀與后繼放大電路、A/D轉(zhuǎn)換接口連接起來，由計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)，在測力儀上加載即可對整個測力系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，測得的主要性能指標(biāo)如下：①靈敏度：軸向力橋路輸出靈敏度為4. 57µe/N，扭矩橋路輸出靈敏度為12. 423µe/N。②固有頻率：軸向力方向固有頻率為800Hz，扭矩方向固有頻率為285.7Hz。③非線性：軸向力橋路的非線性誤差不大于0.65%，扭矩橋路的非線性誤差不大于0.9%。


3 微小孔鉆削力測量系統(tǒng)工作原理


利用計(jì)算機(jī)采集及處理測試數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時自動采集和處理，可及時發(fā)現(xiàn)錯誤數(shù)據(jù)并補(bǔ)做實(shí)驗(yàn)，節(jié)省處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所需時間，并可采用多種數(shù)據(jù)處理方法，使得到的結(jié)果更符合實(shí)際。為此，我們開發(fā)了A/D 轉(zhuǎn)換接口及數(shù)據(jù)采集、處理軟件，與微小孔鉆削測力儀組成如圖2 所示的微小孔鉆削力測量系統(tǒng)。








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圖2 微小孔鉆削力測量系統(tǒng)框圖


在該測量系統(tǒng)中，工件裝夾在測力儀上，鉆削在微機(jī)控制微小孔變參數(shù)振動鉆削系統(tǒng)上進(jìn)行。測力儀產(chǎn)生兩路輸出信號，分別代表軸向力和扭矩，輸出信號經(jīng)YD-15動態(tài)應(yīng)變儀放大、濾波后，再經(jīng)放大電路將電壓變換到A/D轉(zhuǎn)換接口所需的0～5V范圍內(nèi)，由ADC0809對信號采樣并輸入計(jì)算機(jī)中，再由計(jì)算機(jī)軟件顯示鉆削力波形、存儲原始數(shù)據(jù)及處理結(jié)果，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字信號處理及分析。同時，可根據(jù)標(biāo)定結(jié)果對原始信號進(jìn)行干擾校正，消除兩向力之間的相互干擾，計(jì)算鉆削力過程中的各個特征參數(shù)。最后，可根據(jù)需要進(jìn)行多元正交多項(xiàng)式回歸處理，得到鉆削力隨實(shí)驗(yàn)因素變化的回歸方程。用本系統(tǒng)進(jìn)行微小孔鉆削力測試非常方便，整個測量及數(shù)據(jù)處理過程均在計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行，保證了測量及數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，可大大提高測試效率。


4 微小孔振動鉆削力多元正交多項(xiàng)式回歸實(shí)驗(yàn)


振動鉆削時，鉆頭與工件之間存在有規(guī)律的相對振動，鉆削參數(shù)如切削厚度、刀具前、后角、切削速度等都隨著振動頻率F、振幅A 和進(jìn)給量f 的變化而變化，且F、A、f 之間存在交互作用。同樣，鉆削力也受到振動頻率F、振幅A、進(jìn)給量f 的影響并存在交互作用。為了研究鉆削力與F、A、f 之間的關(guān)系并考察其交互作用，我們采用多元正交多項(xiàng)式回歸實(shí)驗(yàn)建立了鉆削力關(guān)于F、A、f 的回歸方程。






























表1 因素水平表

水平

F(Z1)
(Hz)

A(Z2)
(µm)

f(Z3)
(mm/ min)

1

300

4

60

2

400

6

80

3

500

8

100

鉆削力在鉆削過程中是不斷變化的，在鉆削的不同區(qū)段，鉆削力的變化趨勢不同。為了全面研究鉆削力的變化而又不增加太多參數(shù)，我們對鉆削力波形進(jìn)行了簡化，將鉆入、鉆出、鉆中三個區(qū)段中鉆削力簡化為直線。為全面反映鉆削力特征，確定實(shí)驗(yàn)指標(biāo)如下：三個區(qū)段鉆削力變化的斜率分別為k1、k2、k3，三個區(qū)段的分界點(diǎn)為(t1，y1)和(t2，y2)，鉆中區(qū)段的平均力為y0、鉆出時刻為t3。各參數(shù)的單位分別為：k1、k2、k3單位為10N/s或10N·mm/s(分別對應(yīng)軸向力或扭矩)；t1、t2、t3單位為0.1s；y1、y2、y0單位為N或N·mm(分別對應(yīng)軸向力或扭矩)。
實(shí)驗(yàn)在新型微機(jī)控制微小孔變參數(shù)振動鉆床上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)中對因素F(Z1)、A(Z2)、f (Z3)均取三水平，其因素水平列于表1。鉆頭直徑為0.5mm；工件材料為黃銅，厚度1.5mm。由于篇幅所限，此處僅給出測得的一組鉆削力波形，如圖3所示。














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(F=400Hz，A=4µm，f=80mm/min)
圖3 鉆削力波形

1
(F=400Hz)
圖4 y0關(guān)于A、f的三維曲面

1
(A=6µm)
圖5 y0關(guān)于F、f的三維曲面


采用多元正交多項(xiàng)式回歸求得鉆削力各參數(shù)關(guān)于F、A、f 的回歸方程，利用這些回歸方程即可分析振動頻率、振幅、進(jìn)給量對鉆削力各參數(shù)的影響。根據(jù)回歸方程還可繪出各參數(shù)關(guān)于F、A、f 的三維曲面，從而可較直觀地考察鉆削力的變化規(guī)律，此處僅給出鉆削力在鉆中區(qū)段的平均值y0關(guān)于F、A、f 的三維曲面，如圖4、圖5 所示。由圖可分析出y0的變化規(guī)律：軸向力的y0受f和F的影響較大，f增大，y0隨之增大；F 增大，y0隨之減��；扭矩的y0主要受A及A的二次項(xiàng)、f 的影響較大，y0～A有極大值，極大值點(diǎn)為A=5µm；f增大，y0隨之增大。


5 結(jié)語


本文研制的微小孔鉆削力測量系統(tǒng)具有很高靈敏度，由于采用計(jì)算機(jī)采集、處理數(shù)據(jù)，大大方便了微小孔鉆削力的測量，為深入研究微小孔振動鉆削機(jī)理提供了必要的實(shí)驗(yàn)手段。微小孔鉆削測力儀采用了高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)型膠粘劑粘接的裝配式結(jié)構(gòu)，解決了測力儀靈敏度與結(jié)構(gòu)及加工性之間的矛盾。這對于小量程傳感器的設(shè)計(jì)亦具有一定借鑒作用。本文進(jìn)行的微小孔振動鉆削力多元正交多項(xiàng)式回歸實(shí)驗(yàn)較全面地考察了鉆削力與振動頻率、振幅、進(jìn)給量之間的關(guān)系，為微小孔振動鉆削中的參數(shù)選擇提供了參考依據(jù)，也為微小孔振動鉆削的進(jìn)一步深入研究打下了基礎(chǔ)。



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