摘 要：振动钻削的断续、脉冲切削方式可减小入钻偏斜量，并抑制钻削过程中加工长度上的偏斜量累加，从而可有效减小深孔加工中的孔心偏斜误差。
关键词：振动钻削 深孔 孔心偏斜误差
Study on Mechanism of Decreasing Axial Hole Deviation in Vibration Drilling
Gao Benhe et al
Abstract：By pulse cutting in the vibration drilling, the initial hole deflection can be decreased，and the deflection accumulating along hole length can be slowed down, then the axial hole deviation in the deep hole drilling can be decreased efficiently.
Keywords：vibration drilling deep hole axial hole deviation
1.引言
孔心偏斜是深孔加工中难以避免的技术难题［1］。由于各种原因，如刀杆支承偏斜、导向套偏斜、切削力不对称等均会使钻头产生初始偏斜量，且这一偏斜量将随着钻孔深度的增加而不断增大，最终导致钻头的钻进方向越来越偏离工件旋转轴线，严重时会使钻头从被加工零件的侧壁钻出，造成加工事故。虽然目前已有不少用于深孔加工的纠偏措施［2,3］，但应用较多的方法还是在钻削完成后根据偏斜量的大小，以孔心线为基准重新车削工件外圆，以达到纠偏的目的。但这种纠偏方法的使用范围有限，且不能从根本上消除偏斜扩大现象。
试验研究和加工实践表明，振动钻削是一种可显著提高深孔加工质量的新型工艺方法［4］。振动钻削与普通钻削的区别在于钻削过程中通过振动装置使钻头与工件之间产生可控的相对振动，从而改变钻削机理，提高钻削质量。振动钻削可使孔心偏斜现象明显改善，不少文献对其作用机理进行了探讨。文献［5］认为，钻头高频振动的“静止化效果”和“刚性化效果”的综合作用可有效抑制钻孔偏斜，从而提高钻孔的直线度。但由于在低频区间振动的钻头的“静止化效果”和“刚性化效果”很弱，因此上述理论具有一定局限性。本文在文献［6］的研究成果基础上，考虑到振动钻削的脉冲切削特性，探讨了振动钻削减小孔心偏斜的内在机理，并通过振动钻削试验对理论推导结果进行了验证。
2.钻削加工孔心偏斜的机理分析
(1)普通钻削的孔心偏斜量
在图1所示的深孔加工系统中，钻头的初始偏斜量对孔心偏斜起着重要作用，由于初始偏斜量的存在，钻头轴线相对于工件旋转轴线产生偏斜，且偏斜量随着钻削深度的增加而逐渐扩大，钻头轴线轨迹也越来越远离理论钻削轴线。通过对钻削过程进行简化，建立钻削入钻阶段力学模型如图2所示。
图1 普通钻削孔心偏斜示意图
图2 钻削入钻阶段力学模型
设钻削时的轴向力为p，径向力为R，在这两种力的作用下，钻尖从钻头的中心偏移到位移量为q的一点，并在该点处于平衡状态。由此可得到钻头偏斜的微分方程为
式中 E——钻杆材料的弹性模量
I——钻杆的截面惯性矩
设，整理式(1)得
由边界条件x＝0，y＝0及x＝L，y＝－q可求得式(2)的解为
对式(3)两边求导得
由图2可知，影响孔心偏斜的是径向力R，将边界条件代入式(4)，则有，将R值代回式(4)得
当x＝L时，钻头入钻自由端的偏斜角为
令，并将式(6)展开得
在（7）式中去除表示偏斜方向的负号，则当外载P远小于压曲极限载荷Pc时，钻头的初始偏斜角可简化为
式(8)中入钻偏斜量。
在普通钻削加工中，随着钻削深度的增加，在初始偏斜量的影响下，刀头离目标轴线的偏差逐渐增大（见图1）。设刀具瞬时进给量为Δl，孔深为ln，则孔在任意位置处的偏斜量为
因此可得
即在钻杆长度一定的情况下，普通钻削的孔心偏斜量与入钻偏斜量q0和钻削长度ln有关。
（2）振动钻削的孔心偏斜量
讨论振动钻削的孔心偏斜量，首先需要对振动钻削过程进行分析。在振动钻削中，钻尖冲击一次工件表面后立即退回，它受横向力瞬间作用产生的变形在钻头脱离工件后又复位变直，然后再重新入钻。因此，与普通钻削相比，振动钻削的孔心偏斜量具有两个特点：①在入钻阶段，振动钻削将普通钻削时钻头的一次性连续切入转变为多次脉冲式切入，由于钻尖是在偏移恢复后再次冲击工件，钻入偏移量得到了校正，因此可使钻尖以较小偏移量钻入工件，即有q0振＜q0普。②在钻削阶段，由于钻头的脉冲作用，使钻头的每次入钻不是在全部上一次入钻偏差的基础上进行，而是在减小了的上一次入钻偏差基础上继续钻削。设偏差减小系数为δ(δ＜1)，则可得到振动钻削时在钻削深度ln处的孔心偏斜量为
同理可得
对比式(10)和式(12)可知，当用同一钻头钻削相同深度的深孔时，与普通钻削相比，振动钻削在钻削深度上的孔心偏斜量明显减小，即有q振＜q普。
3.钻削加工对比试验
为验证上述理论分析的正确性，对普通钻削和振动钻削两种钻削加工方式的孔心偏斜量进行了对比试验。
图3所示为我们设计的振动钻削加工系统。振动装置采用机械式双偏心轮机构，振幅可在0～0.5mm范围内连续调节，直流电机转速由直流电源控制，振动频率可在100Hz内通过调节直流电源电流进行选择，因此该振动钻削系统能够满足不同工况下的振幅和振动频率要求。
图3 振动钻削加工系统
试验用钻头为7.9mm的小直径DF内排屑深孔钻，刀具长度L=630mm，刀片材料为YT798；试件为14×130mm的TC-4钛合金棒料；振动装置的振幅为0.05mm，频率为90Hz；进给量为0.008mm/r，主轴转速为1250r/min，加工中切削液选用5＃机械油，油压4MPa。图4为普通钻削与振动钻削的孔心偏斜量试验结果对比。从图中可看出，振动钻削状态下的孔心偏斜量较小，这与上述理论分析结果一致。
图4 两种钻削方式的孔心偏斜量对比
4．结论
振动钻削改变了钻头的切削机理，将普通钻削的一次性连续钻入变为周期性的脉冲楔入，振动钻削存在切削—复位—再切削的动态过程。与普通钻削相比，振动钻削的这一特性不但提高了钻头的入钻精度，而且还减缓了孔心偏斜量在切削深度上的累积速度，因此振动钻削可显著减小深孔切削过程中的孔心偏斜误差。
