45钢超声振动钻削加工机理及其试验研究

陈 硕，邹 平，吴高勇，张振江，景曙光

（1.东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳110819；2.辽宁轨道交通职业学院机械工程系，辽宁沈阳110023）

45钢超声振动钻削加工机理及其试验研究

陈 硕1,2，邹 平1，吴高勇1，张振江1，景曙光1

（1.东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳110819；2.辽宁轨道交通职业学院机械工程系，辽宁沈阳110023）

通过超声振动加工技术对45钢进行钻削加工试验，研究超声振动加工技术的钻削机理、加工孔的表面微观形貌、切屑形态，以及超声振幅和主轴转速对加工孔表面粗糙度的影响规律。结果表明：在普通车床CA6140上利用超声振动发生器、换能器、变幅杆连接钻头对45钢进行钻削，可实现传统钻削加工与超声振动钻削加工的良好结合，有效改善孔内表面的形貌，降低表面粗糙度值，且切屑形态规整；同时，超声振幅控制在20 μm最佳，主轴转速在320～400 r/min范围内的加工效果较好。

超声振动；钻削；45钢；超声振幅；主轴转速

钻削加工是所有加工工艺中的一个重要组成部分（约占40%）[1]，是进行冷加工的重要方法。45钢在生产和应用上较普遍，故选择45钢进行超声振动钻削研究具有广泛的实际意义。45钢又称作优质碳素钢，属于常用中碳调质结构钢，含碳量0.30%～0.60%，传统的钻削加工很难达到较好的孔内表面质量。最近，一种在钻削过程中加入超声振动的方法被应用[2]，用于改善钻削加工过程[3]，有效提高孔内表面加工质量。

在钻削过程中加入高频、低振幅的振动，这种复合钻削加工方法称为超声振动钻削[4]。与普通钻削相比，超声振动钻削可提高孔内表面质量，减少毛刺的产生[5]，加工效率高、温度低[6]，加工时刀具不易损坏，能减小刀具的磨损，非常适合金属材料的加工。目前，超声振动加工技术向振动车削、振动钻孔和镗孔及复合加工等方面发展，取得了一定的成果[7]。但超声振动钻削过程仍存着很多不确定因素，如超声振动的振幅、主轴转速等对孔内表面质量的影响，亟待进一步研究与探索。

本试验利用自行设计的套筒法兰装置，通过螺栓固定变幅杆和对应的法兰盘，在变幅杆的顶端连接钻夹头，夹紧钻头进行超声振动钻削加工。钻削后，对部分孔进行线切割加工，再利用三维轮廓仪和超景深三维显示系统清晰地显示孔的内表面粗糙度及切屑形态。本试验采用不同的振幅和主轴转速进行超声振动钻削，得出了合理的振幅及主轴转速，能有效改善孔的内表面粗糙度。

1 超声振动钻削模型

1.1 钻削机理

普通钻削钻头切削刃最外端任一点的轨迹方程式可表达为：

式中：x、y、z1为钻头切削刃上的坐标；R为钻头半径；n为工件转速；fr为工件每转的进给量；t为切削时间。

在超声振动钻削时，超声波在进给方向附加一个振动，其位移为：式中：z2为超声振动的位移；A为超声振幅；f为振动频率。

超声振动总的轴向位移可认为是普通钻削和超声振动位移的叠加，则超声振动钻削钻头的轴向位移可表示为：

根据式（1）和式（3），得到超声振动钻削钻头切削刃最外端任一点的轨迹方程式：

根据式（1）和式（4），选择一组参数进行普通钻削和超声钻削的钻头切削刃最外端任一点位移的对比，选取R=3 mm，fr=0.08 mm/r，n=320 r/min，A= 20 μm，f=20 kHz。

利用Matlab分别绘制出普通钻削和轴向超声钻削刀刃运动轨迹的三维曲线图。由图1可看出，与普通钻削相比，轴向超声振动钻削的刀刃运动轨迹不再是一条规则的螺旋线，而是在纵向（即钻头进给方向）发生有规律的周期性变化，使钻头产生往复振动，能有效实现断屑，避免切屑在螺旋槽内堵塞，使排屑更通畅，从而减小了切屑与孔内壁之间的刮擦，提高了孔的内表面质量。

1.2 试验材料

试件选用45钢，为了便于钻削及加工效果对比，采取对直径40 mm的棒料进行切割（切割长度15 mm），再进行表面去毛刺处理的方式。45钢的主要化学成分见表1。

钻头选用含钴高速钢材料，钢号为W6Mo5Cr4-V2Co5（M35），直径为6 mm。该类钢材料是在通用高速钢的基础上加入5%～8%的钴，可显著提高钢材的硬度和耐热性能，且韧性较好，应用较广泛。

1.3 试验方法

试验采用功率发生器、换能器、变幅杆及设计加工的套筒、法兰、钻夹头、钻头等进行装配连接，在普通车床CA6140上钻削试件。安装过程如下：将变幅杆插入套筒中，通过套筒和法兰固定变幅杆，变幅杆的法兰盘在套筒与法兰之间用螺栓进行夹紧；套筒尾部伸入机床尾座，用机床的钻夹头夹紧；套筒利用中心架固定在机床上，安装钻夹头和钻头。钻孔时，变幅杆、钻头、主轴回转中心线各部分的同轴度需有一定的要求，车床的尾座中心线与主轴回转中心线需重合，系统中心线保证统一，确保钻头准确地钻削试件，防止钻削过程中因钻头偏摆而出现影响孔加工精度、形状变化及表面质量等问题。发生器通电后，换能器和变幅杆把电信号转换为机械振动信号，使钻头产生超声振动。超声振动钻削实物见图2。

加工完毕后，为了便于三维轮廓仪和超景深三维显示系统的测量，对加工孔实施线切割后，在仪器上观察孔内表面微观形貌和钻削产生的切屑形态，并对图像进行分析，测量孔内表面粗糙度，再对数据进行有效选取及图表处理，研究超声振幅和主轴转速对孔内表面粗糙度的影响。

2 孔内表面微观形貌分析

测量孔的内表面粗糙度是确定表面质量的关键环节。首先，对孔内表面进行形貌分析，选择有效的测试面积。当面积较大时，测试时间较长，且由于人为因素放置时存在一定的偏差，加上试件的外表面是凹面形，测得的表面粗糙度值会偏大。经试验分析，测试面边长选择为100 μm较合适，能充分反映加工孔的内表面微观形貌。在加工参数的选择上，主轴转速320 r/min、超声振幅20 μm的情况下，对孔内表面微观形貌进行对比分析。

普通钻削和超声振动钻削的孔内表面微观形貌见图3。未加超声振动的孔内表面质量较差，表面形貌凹凸不平且波峰、波谷变化较大，具有加工缺陷，其表面粗糙度值为Sa1.77 μm（图3a）。这是由于钻削时钻头和试件表面持续接触，加工产生的热逐渐升高，就会导致孔内表面粗糙度值升高[8]。

添加超声振动后，钻削得到的孔内表面质量有较大改善，表面形貌整体较均匀，波峰、波谷的变化较平缓，其表面粗糙度值为Sa1.40 μm（图3b）。这是由于添加超声振动会进行高频断续钻削，钻头与试件的接触形式发生变化，与普通钻削的压挤滑移过程有区别，钻头以冲击载荷作用于试件，每次瞬时微小冲击都使材料趋于脆性，产生的破坏量减少，其脉冲状钻削力的时间极短，钻头不易产生大量的热，降低了钻削温度，避免了普通钻削时因温度高而造成的工件热变形及加工精度下降；同时，超声振动钻削更有利于排屑，降低了切屑划伤孔壁的可能性，从而达到降低表面粗糙度值的效果，最终形成良好的表面形貌。

3 钻削切屑形态

切屑对孔的加工质量有很大影响[9]。图4是在超景深三维显示系统扩大20倍的情况下，普通钻削和超声振动钻削时切屑的不同形态。可看出，未加超声振动时，切屑呈不规则状态，且有明显的锯齿形边缘，切屑表面具有鱼鳞状的裂痕（图4a）。这是由于钻削时钻头与孔内表面持续接触，加剧了钻头磨损，导致不规则切屑的产生。而超声振动钻削的切屑形状较规整，加工纹理较清晰（图4b）。这是由于加入超声振动后产生了断续钻削，钻头与试件不连续接触，在间断钻削的瞬间，切屑底层会生成一层氧化层，防止切屑底层与钻尖的粘结，进一步减小了钻头与试件的摩擦系数，进而使切屑形状更规整。

普通钻削的切屑形态不好，钻削时切屑易缠绕，且主轴转速越高，缠绕越严重，从而降低了试件的加工质量，且会影响操作者的安全；而超声振动钻削易断屑和排屑，切屑形状规则，不易出现飞屑的现象，安全系数较高。因此，超声振动钻削的加工效果更好。

4 超声振幅对孔内表面粗糙度的影响

超声振幅是影响超声振动钻削孔内表面质量的重要因素之一，不同的超声振幅对孔内表面粗糙度的影响也不同。在本次试验中，通过测量5个加工孔的试件，第1个试件不加超声振动进行钻削，另外4个试件分别以振幅10、15、20、25 μm进行超声振动钻削，然后将二组数据进行对比，分析孔内表面粗糙度随振幅变化的情况。

由图5可看出，超声振动钻削时，在一定的范围内，随着超声振幅的增大，表面粗糙度值降低[10]，表面质量提高，但超过一定的范围后，会导致表面粗糙度值升高。在主轴转速为320 r/min时，未加超声振动钻削的孔内表面粗糙度值为Sa1.77 μm，表面质量较差。加入超声振动后，振幅越小，切屑与钻头分离不明显，二者之间产生相对较大的压力，导致摩擦力增大，从而使孔内表面粗糙度值仍较高。随着振幅的增大，孔内表面粗糙度值降低，表面质量提高，但并非振幅越大越好；当振幅超过一定值后，超声振动钻削时试件与钻头明显间断接触，且接触不紧密，甚至出现钻头与孔点接触的情况，同时，振幅较大易产生大量的热[10]，导致孔内表面粗糙度值增大。因此，超声振幅的选择对于超声振动加工来说至关重要，合适的振幅会降低孔钻削时产生的温度，从而使切屑及时被排出。由图5表明，当超声振幅为20 μm时，孔内表面粗糙度值最低。

5 主轴转速对孔内表面粗糙度的影响

主轴转速是影响超声振动钻削孔内表面质量的另一个重要因素，不同的主轴转速对孔内表面粗糙度的影响也不同。本试验中，对45钢采用普通钻削和超声振动钻削，并在超声振幅为20 μm的情况下，选用不同的主轴转速200、320、400、500 r/min，分析孔内表面粗糙度随主轴转速变化的情况。

研究表明，超声振动钻削的孔内表面质量比普通钻削更好[11]。由图6可看出，当转速为400 r/min时，超声振动钻削得到的加工效果最佳。转速过低或过高，孔内表面粗糙度值都会不同程度地增大。这是由于转速过低导致切屑不能及时排出，使钻头在钻削时受到切屑的影响，同时钻头的横刃磨损增大，进而使孔内表面粗糙度值增大；而转速过高会使切削功率增加，钻削时会产生相对摩擦热，同时钻头的磨损程度相对增大，高温状态下孔内表面产生变化，从而使其质量下降。

在超声振动钻孔的加工过程中，试件回转、钻头钻削、排屑同时发生。在一定范围内，主轴转速未达到400 r/min时，随着转速的增大，孔内表面质量逐步提高，同时排屑能力也逐步增强。由于切屑的集聚对孔内表面粗糙度的影响很大，所以表面粗糙度值随着转速的增大而降低。如图6所示，转速在320～400 r/min范围时，孔内表面粗糙度值可保持在Sa1.4 μm标准之下；而随着主轴转速进一步提高并超过400 r/min时，孔内表面质量会进一步降低。因此，主轴转速控制的最佳范围为320～400 r/min。

6 结论

（1）与普通钻削相比，在相同的加工参数下，对45钢进行超声振动钻削可有效改善孔内表面质量，表面微观形貌较均匀，波峰、波谷变化平缓。

（2）在主轴转速400 r/min、超声振幅20 μm的情况下，超声振动钻削45钢的孔内表面粗糙度由普通钻削时的Sa1.77 μm降低到Sa1.40 μm，降低约20.9%。同时，切屑易排出，形状更规整。

（3）当超声振幅为20 μm时，超声振动钻削45钢的孔内表面质量最好。在超声振动钻削的主轴转速选择上，应控制在320～400 r/min。当超声振幅为20 μm、主轴转速为400 r/min时，孔内表面粗糙度值最低，达到Sa1.37 μm；而主轴转速超过或低于400 r/min时，孔内表面质量均下降。

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Drilling Mechanism and Experimental Study on Ultrasonic Vibration Machining of 45 Steel

CHEN Shuo1,2，ZOU Ping1，WU Gaoyong1，ZHANG Zhenjiang1，JING Shuguang1
（1.School of Mechanical Engineering and Automation，Northeastern University，Shenyang 110819，China；2.Department of Mechanical Engineering，Guidaojiaotong Polytechnic Institute，Shenyang 110023，China）

The drilling experimental of 45 steel by ultrasonic vibration machining technology was studied.The ultrasonic vibration machining drilling mechanism，surface morphology of the hole，chip shape，and the influence of the amplitude and spindle speed on the surface roughness of the hole were studied.The results showed that 45 steel drilling processing with the ultrasonic vibration generator，transducer，horn and drill bit can achieve a well combination of traditional processing and ultrasonic processing in the CA6140 lathe.The surface roughness and the chip morphology are better after drilling with ultrasonic vibration.On the choice of processing amplitude，20 μm is best.In addition，on the choice of spindle speed，the processing effect is well when spindle speed is in range of 320～400 r/min.

ultrasonic vibration；drilling；45 steel；ultrasonic amplitude；spindle speed

TG663

A

1009-279X（2017）01-0048-04

2016-11-01

沈阳市科学技术计划资助项目（F16-205-1-05）

陈硕，男，1982年生，博士研究生。