郑德友 孔凡霞

（①青岛和力达电气有限公司，山东青岛266042;②山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东淄博255049）

扩孔加工相对于钻削具有较高的精度，相对于铰削具有加工效率高的优势，如果能够充分发挥扩孔的作用，可以大大提高效率、节省成本。扩孔加工工艺要求包括孔径精度和表面质量等方面。从扩孔加工目前的技术状况来看，仍然处在改变刀具切削刃角度、工艺路线等层面［1－3］，存在加工效率低，探索周期长，不能从根本上解决扩孔加工效率低、成本高等缺点。超声振动扩孔是在普通扩孔加工的基础上，给刀具或工件施加轴向或周向的超声振动，使刀具与工件间的运动发生变化。研究表明，采用超声振动扩孔具有提高表面质量、刀具寿命、加工精度等工艺效果［4－6］。本文就超声振动扩孔纠偏进行理论分析和实验验证。

1 超声振动扩孔纠偏机理

1.1 普通扩孔的钻削过程［1］

普通扩孔钻削，如图1所示，假设刀具主切削刃是在AB位置与工件相接触的，此时没有产生偏斜，当切削刃转到A1B1位置时，各切削刃所切的余量不一致，切削力不平衡，钻头发生弯曲变形，中心点偏移到O1位置，此时AA1A'区域不能被切除。当钻头旋转到A2B2位置时，中心点偏移到O2位置，这时候AA2A″区域不能被切除，此时钻头的直径是不变的，与之相对应的另一端必将多切除GMN区域。当钻头旋转一周后，可以看出，普通扩孔钻削必将把初始孔的误差复映下来，并且这种偏差会导致钻头偏斜，随着扩孔深度的增加，必将导致在下一个切削周期中，使偏差扩大。

经由上面的分析可以看出，普通扩孔钻削过程中产生的扩孔偏差是无法避免的。

1.2 超声振动扩孔钻削的钻削过程

振动钻削过程为断续切削，主切削刃切削运动过程发生了变化。如图2所示，假设切削刃还是从A1B1位置开始切入工件，经过时间tc后旋转一个角度θc，切削刃旋转到A'1B'1位置，与普通钻削一样，中心点偏移到O'1位置，产生了最大偏移量OO'1。然后切削刃与工件分离，进入空切阶段，钻头旋转θi角度后切削刃从A'1B'1到A″1B″1。由于超声振动频转比Wf很大，所以切削刃每次切削时偏移量OO'1很小，并且因为Wf和振幅A较大，所以θi相对于θc大得多，空切时间较长。所以，在空切阶段钻头以自身的固有频率做弯曲衰减振动，切削阶段产生的变形得到恢复，偏移量减小到零，回转中心又回到O。此后再一次切入，重复上一过程，直至完成整个扩孔过程。

由以上的分析表明，超声振动扩孔钻削时，切削刃接触工件瞬间会产生横向偏移，使扩孔钻头弯曲，但当切削刃与工件分离后，钻头以自身的固有频率做弯曲衰减，钻头的弯曲变形恢复变直，然后再重新进行钻削，即钻头的每次入钻不是在上次钻头弯曲偏斜的基础上继续入钻，而是在恢复校正了上一次偏差的基础上入钻。这就是振动钻削的特殊的动力学行为，即:楔入—偏移—分离—复位—再楔入，这一过程势必提高扩孔的纠偏精度。

2 超声振动扩孔纠偏实验

2.1 实验条件及方法

实验装置如图3所示，实验材料为3J1不锈钢，实验件为圆柱形，实验件长度为12 mm，上下端面经过研磨处理。在实验件上事先钻好一个偏孔，孔的直径φ=2.6 mm，孔偏量为0.1 mm，如图4所示。刀具用φ3 mm硬质合金粗柄麻花扩孔钻头，超声振动频率为20 700 Hz，其振幅选用 1 μm、2 μm。转速n=600 r/min，进给量f=5 μm/r。切削液选用金微油。

2.2 实验结果及分析

由图5可以看出，普通扩孔钻削后，孔的偏斜量在12～13 μm左右，而超声振动扩孔后，振幅为2 μm时，孔的偏斜量在3～4 μm之间，总体上看孔的偏斜量减小1/4左右，并且可以看出，在一定程度上，随着超声振动振幅的增大，孔的偏斜误差有减小趋势。

这主要是因为在超声振动扩孔时，钻头的每次入钻不是在上次钻头弯曲偏斜的基础上继续入钻，而是在恢复校正了上一次偏差的基础上，从而避免了误差的累积，同时超声振动钻削提高了工艺系统的工艺刚度，明显提高了切削过程中的稳定性，使普通钻削时常发生的颤震现象得到很大的改善，这也有利于扩孔精度的提高。

3 结语

本文针对扩孔纠偏问题进行了探讨，分析超声振动扩孔纠偏机理，建立了普通扩孔和超声振动扩孔的纠偏模型，说明普通扩孔时，纠偏误差是逐步累积的，而超声振动扩孔时，扩孔纠偏过程为:切入—偏移—分离—复位—再切入，对纠偏误差起到多次校直的作用，切削时扩孔钻头的偏移量较普通钻削时显著减小，从而提高了扩孔纠偏的精度。扩孔纠偏对比实验证明超声振动扩孔相比普通扩孔的孔偏量减小了3/4以上。

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