微小孔振動鉆削力的實驗研究

發(fā)布日期：2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽：2689

      在現(xiàn)代制造業(yè)中，微小孔加工的數(shù)量日益增多，對其加工質量的要求也越來越高。因此，微小孔的高效、高質量、低成本加工已成為現(xiàn)代制造技術中一項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系和鉆削機理，其良好的工藝效果已引起國內外普遍關注。但有關振動鉆削的理論和實驗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)的實用技術。


振動鉆削過程中的鉆削力是直接影響鉆頭壽命和鉆孔質量的重要因素。由于振動鉆削微小孔時產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特性進行理論與實驗研究，深入探討微小孔的振動鉆削機理，促進微小孔振動鉆削工藝的進一步發(fā)展。

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


2 微小孔鉆削測力儀的結構設計


典型的鉆削測力儀結構主要有薄壁圓筒式和桁架立式變形筋式。薄壁圓筒式結構的測力儀外形較高，抗偏心載荷及側向力的能力較差，對力作用點位置較敏感。桁架立式變形筋式結構用于大、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，對力作用點位置不敏感，儀器外形較低，可承受較大側向力，且結構簡單，安裝方便，普遍用于中等量程的高精度傳感器中。當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構簡圖

在黃銅材料工件上鉆削Ø0. 5mm孔時，產生的軸向力約為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)；若采用整體式結構，其加工工藝性很差，難以達到要求的精度。為解決這一問題，我們采用了高強度結構膠粘接的裝配式結構，即將彈性體分為四個單獨的彈性薄片分別加工，再用高強度結構膠粘接為一體(本測力儀所受載荷不大，粘接處強度可滿足要求)。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構及加工性之間的矛盾。研制的輪輻式鉆削測力儀可達到很高靈敏度，并具有較好加工性，其結構如圖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生彎曲應力，且兩側應變值大小相等，方向相反。故應沿彈性片中性軸方向粘貼應變片，每個彈性片兩側各貼一片，共8個應變片組成全橋電路。在軸向力作用下，彈性片兩側產生相同的彎曲應力，故扭矩橋路的8個應變片產生大小相等、方向相同的應變，通過電橋加減特性可完全抵消。
軸向力可通過在45°或135°方向上粘貼應變片測量剪應變而得到。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轉換接口連接起來，由計算機采集數(shù)據(jù)，在測力儀上加載即可對整個測力系統(tǒng)進行標定，測得的主要性能指標如下：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


利用計算機采集及處理測試數(shù)據(jù)可實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的實時自動采集和處理，可及時發(fā)現(xiàn)錯誤數(shù)據(jù)并補做實驗，節(jié)省處理實驗數(shù)據(jù)所需時間，并可采用多種數(shù)據(jù)處理方法，使得到的結果更符合實際。為此，我們開發(fā)了A/D 轉換接口及數(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，鉆削在微機控制微小孔變參數(shù)振動鉆削系統(tǒng)上進行。測力儀產生兩路輸出信號，分別代表軸向力和扭矩，輸出信號經(jīng)YD-15動態(tài)應變儀放大、濾波后，再經(jīng)放大電路將電壓變換到A/D轉換接口所需的0～5V范圍內，由ADC0809對信號采樣并輸入計算機中，再由計算機軟件顯示鉆削力波形、存儲原始數(shù)據(jù)及處理結果，對原始數(shù)據(jù)進行數(shù)字信號處理及分析。同時，可根據(jù)標定結果對原始信號進行干擾校正，消除兩向力之間的相互干擾，計算鉆削力過程中的各個特征參數(shù)。最后，可根據(jù)需要進行多元正交多項式回歸處理，得到鉆削力隨實驗因素變化的回歸方程。用本系統(tǒng)進行微小孔鉆削力測試非常方便，整個測量及數(shù)據(jù)處理過程均在計算機控制下進行，保證了測量及數(shù)據(jù)處理的準確性，可大大提高測試效率。


4 微小孔振動鉆削力多元正交多項式回歸實驗


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 之間的關系并考察其交互作用，我們采用多元正交多項式回歸實驗建立了鉆削力關于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，確定實驗指標如下：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(分別對應軸向力或扭矩)。
實驗在新型微機控制微小孔變參數(shù)振動鉆床上進行。實驗中對因素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關于A、f的三維曲面

1
(A=6µm)
圖5 y0關于F、f的三維曲面


采用多元正交多項式回歸求得鉆削力各參數(shù)關于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隨之減小；扭矩的y0主要受A及A的二次項、f 的影響較大，y0～A有極大值，極大值點為A=5µm；f增大，y0隨之增大。


5 結語


本文研制的微小孔鉆削力測量系統(tǒng)具有很高靈敏度，由于采用計算機采集、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理提供了必要的實驗手段。微小孔鉆削測力儀采用了高強度結構型膠粘劑粘接的裝配式結構，解決了測力儀靈敏度與結構及加工性之間的矛盾。這對于小量程傳感器的設計亦具有一定借鑒作用。本文進行的微小孔振動鉆削力多元正交多項式回歸實驗較全面地考察了鉆削力與振動頻率、振幅、進給量之間的關系，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一步深入研究打下了基礎。



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