一种基于纵扭复合超声振动钻削的完全几何断屑方法

1.本发明属于超声加工技术领域，具体涉及一种基于纵扭复合超声振动钻削的完全几何断屑方法。


背景技术：

2.近几年，诸如钛合金、高温合金等难加工材料在航空航天、国防军工装备、轨道交等战略性新兴产业得到广泛应用。针对这些塑性难加工材料，传统钻削加工方式存在断屑、排屑困难等问题，缠绕在刀具上的长切屑易划伤孔内表面，并加剧刀具损坏，导致加工成本提高，加工效率降低，加工质量变差，严重制约了这些难加工材料在工业领域的进一步应用，使塑性难加工材料的断屑排屑问题成为世界各国制造业的一个重要研究课题。
3.超声振动钻削技术在难加工材料加工中表现出优良的工艺特性，因而具有广阔的应用前景。同时，作为超声振动钻削的主要断屑方式，完全几何断屑受到国际学术界和行业内的普遍重视。然而，目前已有的完全几何断屑方法只适用于轴向超声振动钻削加工。大量文献表示，纵扭复合超声振动钻削相比于轴向超声振动钻削在提高加工质量方面、降低刀具磨损方面更具优势。然而，纵扭复合超声振动钻削过程中刀具与工件之间存在更加复杂的相对运动关系，切削厚度的动态变化规律也更加复杂，因此目前已有的完全几何断屑方法不适用于纵扭复合超声振动钻削，这严重制约了超声振动钻削技术的进一步发展与应用。


技术实现要素：

4.为了克服以上不足，本发明提供一种基于纵扭复合超声振动钻削的完全几何断屑方法，以解决塑性难加工材料钻削加工过程中断屑困难、加工质量差的问题。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于纵扭复合超声振动钻削的完全几何断屑方法，所述方法步骤具体为：步骤一，根据纵扭复合超声振动钻削过程中刀具与工件之间的相对运动关系，构建纵扭复合超声振动钻削基本运动模型，并将三维空间内的超声振动沿钻头旋转方向展开为平面内的二维振动，进而构建展开平面内的纵扭复合超声振动钻削运动模型；步骤二，基于步骤一所建纵扭复合超声振动钻削运动学模型，选取刀具切削刃上任意一点，构建其运动轨迹方程，在同一刀具上，另选取相邻切削刃上距刀具旋转轴线相同距离处的一点，构建其运动轨迹方程；步骤三，基于步骤二所得纵扭复合超声振动钻削过程中刀具上相邻两条切削刃运动轨迹方程，计算其在轴向上的位移差值，结合刀具在旋转方向上的转动位移，得到纵扭复合超声振动钻削过程的动态切削厚度数学模型；步骤四，基于步骤三所得的纵扭复合超声振动钻削动态切削厚度数学模型，确定最小切削厚度与各个工艺参数之间的关系，构建纵扭复合超声振动钻削过程中的最小切削厚度表达式；
步骤五，基于步骤四所得最小切削厚度表达式，获取实现纵扭复合超声振动钻削完全几何断屑的理论条件；步骤六，选用适当的工件和刀具，以主轴转速、进给速度和超声振幅为加工参数开展纵扭复合超声振动钻削实验，收集不同加工参数条件下的切屑并观测其形态；步骤七，对实验结果进行分析整理，得到实现完全几何断屑的工艺参数匹配准则。
6.进一步优化，所述步骤一中的纵向超声振动和扭转超声振动频率相同，相位差为0。
7.进一步优化，所述步骤二中的刀具为双刃麻花钻头，所述的运动轨迹方程为沿刀具旋转方向展开的平面内的运动轨迹方程，构建出的刀具上相邻两条切削刃运动轨迹方程如下所示：式中，s(t)和z(t)、s'(t)和z'(t)分别为两条切削刃在一定时间内旋转过的弧长和轴向位移，a、b分别为纵向超声振动和扭转超声振动的振幅，n和fz分别为主轴转速和进给量，r
x
为从这点到钻头轴心的垂直距离，f为超声振动频率。
8.进一步优化，所述步骤三中构建出的动态切削厚度数学模型为参数方程，如下所示：式中，x为一定时间内刀具的转动位移，y为相同时间内刀具相邻两条切削刃轴向位移差值，为两条切削刃之间的超声振动相位差。
9.进一步优化，所述步骤四中构建出的最小切削厚度表达式为：式中，a
cmin
为最小切削厚度，i为超声振动频率与主轴转速的比值的小数部分。
10.进一步优化，所述步骤五中实现完全几何断屑的条件为最小切削厚度不大于0，即：
11.进一步优化，所述步骤六中工件所采用的材料为塑性材料，刀具采用双刃麻花钻头，该实验采用干切削方式。
12.本发明的有益效果为：1、本发明提供了一种基于纵扭复合超声振动钻削的完全几何断屑方法，解决了诸如钛合金等塑性难加工材料断屑困难的问题，同时提供了一种适用于纵扭复合超声振动钻削的完全几何断屑方法，促进了难加工材料在工业领域的进一步应用，拓展了超声振动钻削技术的应用范围；2、本发明在纵扭复合超声振动钻削运动学模型和刀具运动轨迹的基础上构建了
动态切削厚度数学模型，分析准确可靠，理论基础深厚，使最终得出的完全几何断屑条件的工艺参数匹配准则具有较高的可靠性和准确性；3、本发明更加综合、全面地考虑各项工艺参数，最终得到了满足完全几何断屑条件的工艺参数匹配准则，通过运用此准则合理设置工艺参数，可以有效改善断屑效果，进而实现降低加工成本、提高加工质量和加工效率的目的。
附图说明
13.图1为本发明的具体实施方式的流程图；图2为纵扭复合超声振动钻削基本运动模型图；图3为沿钻头旋转速度方向展开的纵扭复合超声振动钻削运动模型图；图4为纵扭复合超声振动钻削钻头两条切削刃的运动轨迹图；图5为纵扭复合超声振动钻削的切削厚度变化趋势图；图6为切削厚度与扭转振幅的关系图；图7为不同加工参数条件下的切屑形态。
具体实施方式
14.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
15.在本实施例中，纵扭复合超声振动钻削实验使用的实验设备有：gsk 980tdb型数控车床、钻削工具头、超声波发生器和变幅杆等；刀具选用m42材质、直径为6mm的双刃直柄麻花钻头。工件选用ti-6al-4v钛合金材料，工件为直径20mm，长度10mm的棒料。实验在干燥环境下进行。
16.一种基于纵扭复合超声振动钻削的完全几何断屑方法，包括以下步骤：步骤一、构建纵扭复合超声振动钻削运动学模型：纵扭复合超声振动钻削加工是在传统钻削的基础上，将两个高频率、小振幅的超声振动分别叠加在钻头的旋转方向和进给方向上。因此，刀具与工件之间的相对运动包括旋转运动、直线进给运动、纵向超声振动和扭转超声振动，涉及主轴转速、进给量、纵向超声振动频率和扭转超声振动频率、纵向超声振动振幅和扭转超声振动振幅等工艺参数。根据刀具与工件之间的相对运动关系，可以将三维空间内的超声振动沿钻头旋转方向展开为平面内的二维振动，其平面内的运动学模型如图3所示。
17.步骤二、构建加工过程中的刀具上相邻两条切削刃运动轨迹方程：选取刀具主切削刃上任意一点，在沿刀具旋转方向展开的平面内构建其运动轨迹方程，如式(1)所示；另选取同一刀具相邻切削刃上距刀具旋转轴线相同距离处的一点，由于刀具选用双刃麻花钻头，它的两条主切削刃是对称的，它们之间的转角为180
°
，因此可构建其运动轨迹方程如式(2)所示，
式中，s(t)和z(t)、s'(t)和z'(t)分别为两条切削刃在一定时间内旋转过的弧长和轴向位移；a、b分别为纵向超声振动和扭转超声振动的振幅；n和fz分别为主轴转速和进给量；r
x
为从这点到钻头轴心的垂直距离；f为超声振动频率。
18.利用matlab软件可绘制纵扭复合超声振动钻削过程中钻头两条切削刃的运动轨迹，其中主轴转速n＝900r/min，进给量fz＝0.04mm/r，轴向振幅a＝0.02mm，扭转振幅b＝0.003mm，超声频率f＝20khz。
19.步骤三、构建纵扭复合超声振动钻削过程的动态切削厚度数学模型：定义m表示钻头旋转半圈过程中刀具振动的次数，则有：其中，k代表整数部分，i代表小数部分，则有0《i《1。因此，钻头两条主切削刃之间超声振动的相位差可以表示为：通过公式(1)和公式(2)可知，纵扭复合超声振动钻削过程中两条切削刃之间的轴向位移差为：纵扭复合超声振动钻削中，钻头在旋转方向上的位移随时间周期性变化，扭转超声振动也会对切削厚度也会产生很大的影响。它应该是钻头两条切削刃之间的轴向位移关于钻头旋转方向位移的函数。因此，构建出纵扭复合超声振动钻削的切削厚度如式(6)所示：式中，x为一定时间内刀具的转动位移，y为相同时间内刀具相邻两条切削刃轴向位移差值，为两条切削刃之间的超声振动相位差。利用matlab软件可绘制纵扭复合超声振动钻削过程中切削厚度的变化趋势，如附图5所示。
20.步骤四、构建最小切削厚度表达式：根据公式(6)可知，钻头两条切削刃的轴向位移周期性变化，在某些时刻会有最小值，此时有最小切削厚度。由于钻头两条切削刃在旋转方向上的位移量始终相同，因此扭转振幅对纵扭复合超声振动钻削的最小切削厚度不产生影响，如附图6所示。根据公式(6)，构建纵扭复合超声振动钻削过程中最小切削厚度的表达式，如式(7)所示，式中，a
cmin
为最小切削厚度。
21.步骤五、获取实现完全几何断屑的理论条件：实现完全几何断屑的条件为最小切削厚度不大于0，因此根据公式(7)可得满足完全几何断屑的理论条件为：
22.步骤六、开展纵扭复合超声振动钻削实验，收集不同加工参数条件下的切屑并观测其形态：实验工件材料为直径为20mm、长度为10mm的ti-6al-4v钛合金材料棒料，刀具为m42材质、直径为6mm的双刃直柄麻花钻头。实验过程中对不同加工参数下得到的切屑进行收集和处理，然后利用照相机对其宏观形态进行采集和分析。实验采用单因素设计方法，其中所采用的加工参数和切屑形态如图7所示。
23.步骤七、整理实验结果，得到实现完全几何断屑的工艺参数匹配准则：实验结果表明，传统钻削在超声振幅a＝0时易产生带状长切屑，断屑效果较差。相对于传统钻削，纵扭复合超声振动钻削过程中，通过合理设置工艺参数，使其满足完全几何断屑的条件，可以获得很好的断屑效果。因此可得到实现完全几何断屑的工艺参数匹配准则，即主轴转速、进给量和超声振幅满足以下条件：实验结果表明本发明提出的基于纵扭复合超声振动钻削的完全几何断屑方法切实可行。运用此方法可有效提高断屑效果，进而降低切屑对孔壁的划伤，改善加工质量。
24.以上显示和描述了本发明的主要特征、使用方法、基本原理以及本发明的优点。本行业技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会根据实际情况有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：
1.一种基于纵扭复合超声振动钻削的完全几何断屑方法，其特征在于，所述方法步骤具体为：步骤一，根据纵扭复合超声振动钻削过程中刀具与工件之间的相对运动关系，构建纵扭复合超声振动钻削基本运动模型，并将三维空间内的超声振动沿钻头旋转方向展开为平面内的二维振动，进而构建展开平面内的纵扭复合超声振动钻削运动模型；步骤二，基于步骤一所建纵扭复合超声振动钻削运动学模型，选取刀具切削刃上任意一点，构建其运动轨迹方程，在同一刀具上，另选取相邻切削刃上距刀具旋转轴线相同距离处的一点，构建其运动轨迹方程；步骤三，基于步骤二所得纵扭复合超声振动钻削过程中刀具上相邻两条切削刃运动轨迹方程，计算其在轴向上的位移差值，结合刀具在旋转方向上的转动位移，得到纵扭复合超声振动钻削过程的动态切削厚度数学模型；步骤四，基于步骤三所得的纵扭复合超声振动钻削动态切削厚度数学模型，确定最小切削厚度与各个工艺参数之间的关系，构建纵扭复合超声振动钻削过程中的最小切削厚度表达式；步骤五，基于步骤四所得最小切削厚度表达式，获取实现纵扭复合超声振动钻削完全几何断屑的理论条件；步骤六，选用适当的工件和刀具，以主轴转速、进给速度和超声振幅为加工参数开展纵扭复合超声振动钻削实验，收集不同加工参数条件下的切屑并观测其形态；步骤七，对实验结果进行分析整理，得到实现完全几何断屑的工艺参数匹配准则。2.如权利要求1所述的一种基于纵扭复合超声振动钻削的完全几何断屑方法，其特征在于，所述步骤一中的纵向超声振动和扭转超声振动频率相同，相位差为0。3.如权利要求1所述的一种基于纵扭复合超声振动钻削的完全几何断屑方法，其特征在于，所述步骤二中的刀具为双刃麻花钻头，所述的运动轨迹方程为沿刀具旋转方向展开的平面内的运动轨迹方程，构建出的刀具上相邻两条切削刃运动轨迹方程如下所示：式中，s(t)和z(t)、s'(t)和z'(t)分别为两条切削刃在一定时间内旋转过的弧长和轴向位移，a、b分别为纵向超声振动和扭转超声振动的振幅，n和f
z
分别为主轴转速和进给量，r
x
为从这点到钻头轴心的垂直距离，f为超声振动频率。4.如权利要求1所述的一种基于纵扭复合超声振动钻削的完全几何断屑方法，其特征在于，所述步骤三中构建出的动态切削厚度数学模型为参数方程，如下所示：式中，x为一定时间内刀具的转动位移，y为相同时间内刀具相邻两条切削刃轴向位移差值，为两条切削刃之间的超声振动相位差。5.如权利要求1所述的一种基于纵扭复合超声振动钻削的完全几何断屑方法，其特征
在于，所述步骤四中构建出的最小切削厚度表达式为：式中，a
cmin
为最小切削厚度，i为超声振动频率与主轴转速的比值的小数部分。6.如权利要求1所述的一种基于纵扭复合超声振动钻削的完全几何断屑方法，其特征在于，所述步骤五中实现完全几何断屑的条件为最小切削厚度不大于0，即：7.如权利要求1所述的一种基于纵扭复合超声振动钻削的完全几何断屑方法，其特征在于，所述步骤六中工件所采用的材料为塑性材料，刀具采用双刃麻花钻头，该实验采用干切削方式。

技术总结
一种基于纵扭复合超声振动钻削的完全几何断屑方法，所述方法步骤具体为：步骤一、构建纵扭复合超声振动钻削运动学模型；步骤二、构建加工过程中的刀具上相邻两条切削刃运动轨迹方程；步骤三、构建纵扭复合超声振动钻削过程的动态切削厚度数学模型；步骤四、构建最小切削厚度表达式；步骤五、获取实现完全几何断屑的理论条件；步骤六、开展纵扭复合超声振动钻削实验，收集不同加工参数条件下的切屑并观测其形态；步骤七、整理实验结果，得到实现完全几何断屑的工艺参数匹配准则。本发明计算过程简单，实用性强，对提高加工质量和加工效率、降低加工成本具有重要意义。低加工成本具有重要意义。低加工成本具有重要意义。


技术研发人员：田英健 邹平 崔凤奎 王晓强 凌远非 尹振华 王浩杰
受保护的技术使用者：河南科技大学
技术研发日：2023.02.20
技术公布日：2023/7/31