专利名称：步进式轴向振动钻削工艺及其设备的利记博彩app
技术领域：
本发明属于机械加工领域，特指一种步进式轴向振动钻削工艺及其设备，其应用于机械加工中的钻削加工，尤其是难加工材料的中小孔加工。本发明是将传统轴向振动钻削中的进给运动和轴向振动合二为一，通过钻头的“进多退少”来达到进给和轴向振动的目的。
背景技术：
孔是组成机械零件的基本形面，孔的加工是机械加工中最常见的加工工艺。相关数据表明机械加工中有约30％是对孔的加工，其中用切削的方法对孔的加工约占80％，孔加工的金属切除量约占机械加工中金属总切除量的1/3。
随着现代技术的不断发展，对机器及其零部件的性能和质量的要求越来越高，同时大量难加工材料如不锈钢、钛合金、高温合金、复合材料与工程陶瓷等不断涌现，迫切需要一些新的孔加工技术和方法，振动钻削技术正是在这种背景下产生的。它与普通钻削的区别在于钻孔过程中，由于在钻头或工件上施加可控的振动，改变了传统切削加工的机理，从而达到降低切削温度、改善润滑条件、提高加工质量、延长刀具寿命的目的。根据施加振动方向的不同，可以分为轴向振动钻削、扭转振动钻削和复合振动钻削。由于轴向振动实现和控制起来比较容易，相关研究大都集中在轴向振动钻削方面，并且为了满足不同大小和重量零件的加工要求，轴向振动大都施加到了钻头上。
1991年，吉林工业大学获得授权了一项发明专利“喷油嘴喷孔加工工艺及设备”。在该专利中提出采用低频振动钻削与混流喷射加工工艺进行喷油嘴喷孔的加工，利用振动钻削降低喷孔的表面粗糙度和孔口毛刺。振动钻削设备采用两段分离式振动轴，由电磁铁激振主轴电机外壳，通过轴承将振动传递给主轴，从而使振动钻床的主轴在高速回转的同时做轴向低频振动及进给运动。该装置结构简单、紧凑，振动准确可靠。
在北京航空航天大学的发明专利“变参数振动钻削微孔的方法及其设备”中，将钻削过程分为三个阶段钻入阶段、钻中阶段、钻出阶段，并且提出根据各钻削阶段加工状况和目的(钻入阶段主要控制入钻偏斜量、钻中阶段主要控制内孔的表面粗糙度、钻出阶段主要控制孔出口毛刺)的不同，分别采用不同的加工参数。其相应装置是通过压电陶瓷产生轴向振动，通过弹簧和压板把轴向振动传递给电机，电机的输出轴连接主轴，从而实现主轴的轴向振动和旋转运动。该方法进一步丰富了振动钻削理论，提高了振动钻削的工艺效果。
通过以上分析可以看出在轴向振动钻削过程中，由于轴向振动的叠加，使钻削参数由原来的2个(机床转速n、进给量fr)变为4个(机床转速n、进给量fr、振动频率f、振幅A)，从而使得加工工艺变得更加复杂，参数选择和优化的难度和工作量也大大增加。尤其是对于变参数振动钻削，由于各钻削阶段选用的工艺参数各不相同，从而参数的控制和优化显得更加繁杂，且工作量也随之大幅增加。因此，简化传统的振动钻削工艺，开发新的振动钻削设备具有重要的应用价值和实践意义。
发明内容
对于轴向振动钻削，通过选择合理的工艺参数可以实现钻削过程的完全几何断屑，且能够根据加工要求控制切屑的尺寸，这是它能够提高加工工艺效果的重要原因之一。根据振动钻削理论，当给钻头或工件施加一个轴向正弦振动时，钻头主切削刃相邻两条切削轨迹之间的瞬时切屑厚度能够表达为tc=frm+2Asin(fn·πm)cos[fn(θ-πm)]---(1)]]>式中tc-瞬时切屑厚度，mm；fr-进给量，mm/rev；f-振动频率，Hz；m-钻头的切削刃数；n-机床转速，rev/s；A-振幅，mm；θ-钻头的旋转角，rad。
于是，最小切屑厚度可表示为tcmin=frm-|2Asin(fn·πm)|---(2)]]>当tcmin≤0时，钻头断续切削，即实现了完全几何断屑。此时振动钻削的各工艺参数满足下式Afr≥1|2msin(fn·πm)|]]>从上式可以看出对于轴向振动钻削，振幅A和进给量fr是两个相互关联的工艺参数，它们分别反映了轴向振动和进给运动的重要特性，且都在加工的轴线方向。因此，在实际钻削过程中，如果能够把轴向振动和进给运动合二为一，则可以实现三个参数(振幅A、振动频率f和进给量fr)的统一控制，从而大大简化振动钻削工艺和参数优化难度。而步进式轴向振动钻削正是基于这种思考而提出的。
步进式轴向振动钻削的实质就是将传统轴向振动钻削中的两个运动(轴向振动和进给运动)合二为一，通过钻头的轴向“进多退少”来实现。在步进式轴向振动钻削中，选择步进电机作为钻头轴向运动的动力源，钻头的轴向运动特性通过调整步进电机的脉冲频率和振型来控制。
其具体工艺过程如下首先，根据被加工材料的性能和加工孔径的大小，选择合适的机床转速；然后，根据加工要求，选择适当的步进电机脉冲频率和振型；最后，通过步进电机的驱动与控制单元控制步进电机实现要求的正反转运动，经过机械传动与转换单元将步进电机输出的旋转运动转换为钻头“进多退少”的轴向直线运动。钻削开始后，数据采集和处理单元适时采集和处理轴向力和扭矩信号，并储存在微机里以备调用。
对于步进式轴向振动钻削，根据实际情况可以选择不同的钻头轴向运动模式当选用中低进给速度加工普通金属材料时，可选择“前进—后退—前进—后退”的运动模式；当钻削硬脆性材料时，为了提高工艺系统的稳定性，避免因为冲击而造成钻头的崩刃，应该尽量避免钻头的后退，因此选择“前进—停止—前进—停止”的运动模式；当钻头的进给速度比较高时，为了避免造成步进电机的失步，应该设置步进电机的“停止”脉冲，选用“前进—停止—后退—停止”模式。
实现步进式轴向振动钻削的设备是由普通立式钻床改装而成的，它主要由系统微机、硬件接口电路(及其软件)、步进电机驱动器、步进电机、减速机构、动态应变仪、钻削测力仪、机床本体组成。其中，步进电机是钻头轴向“进多退少”的动力源；硬件接口电路主要包括地址译码模块、步进电机驱动模块、模数转换模块，此硬件接口采用ISA总线技术，直接做成接口卡插在系统微机主板的扩充插槽上，其功能主要有两方面一是向步进电机驱动器发送控制信号，使驱动器产生一定规律的脉冲信号驱动步进电机实现要求的正反转运动。二是接收并处理经过动态应变仪放大的钻削力和扭矩信号，实现数据采集与处理功能；机床本体的主要作用是实现主轴的转动、停止、换向和调速，减速机构和机床本体上的齿轮齿条机构一起把步进电机输出的高速正反转运动转换为低速“进多退少”的轴向直线运动。
本发明的优点在于1.控制简单，操作方便，本发明是将原有轴向振动钻削的两个运动(轴向振动和进给运动)合二为一，通过钻头的“进多退少”来实现相应的功能，从而降低了操作难度、简化了参数选择和优化的工作量。
2.设备制作简单，工艺范围广，只需对普通钻床稍做改动就可进行相应的步进式轴向振动钻削加工，且该设备可实现钻头的多种轴向运动模式(前进—停止—前进—停止、前进—后退—前进—后退、前进—停止—后退—停止)，从而扩大了轴向振动钻削的工艺范围。
图1步进式轴向振动钻削时钻头的三种轴向运动模式(a)前进—停止—前进—停止(b)前进—后退—前进—后退(c)前进—停止—后退—停止图2步进式轴向振动钻床的结构示意图1机床本体 2动态应变仪 3系统微机 4硬件接口电路 5步进电机驱动器 6步进电机7减速机构 8齿轮齿条机构 9主轴套筒 10主轴 11钻头 12工件 13钻削测力仪 14工作台图3硬件接口电路(及其软件)的结构框图具体实施方式
本发明是一种步进式轴向振动钻削工艺及设备，其实质是把传统轴向振动钻削的进给运动和轴向振动合二为一，以钻头的轴向“进多退少”来代替，钻头的轴向运动特性通过调整步进电机的脉冲频率和振型来控制，并且可以根据加工需要，选择不同振动加工模式。该工艺简化了轴向振动钻削的操作过程、拓展了振动钻削的工艺范围。
如图2所示，实现该工艺的设备主要由机床本体1、动态应变仪2、系统微机3、硬件接口电路4、步进电机驱动器5、步进电机6、减速机构7、钻削测力仪13组成，其中硬件接口电路4主要包括地址译码模块、8255步进电机驱动模块、MAX196模数转换模块，其采用ISA总线技术，直接做成接口卡插在系统微机3主板的扩充插槽上，然后通过电缆与步进电机驱动器5连接。它发出的脉冲信号驱动步进电机正反转运动，步进电机6和减速机构7之间通过联轴器联接，减速机构(7)与主轴10之间通过齿轮齿条机构8联接。放置在工件12和工作台14之间的钻削测力仪13与动态应变仪2和硬件接口电路4依次连接，从而实现数据的采集与处理功能。
其具体的实施过程与步骤如下(1)根据被加工材料的性能和加工孔径的大小，借助机床本体1的转速调节功能，选择合适的机床转速n。
(2)根据加工要求，选择适当的步进电机脉冲频率和振型，然后通过步进电机驱动软件，系统微机3调用硬件接口电路4中的步进电机驱动模块发出驱动脉冲和正反转电平，驱动步进电机实现要求的正反转运动。经过减速机构7和机床本体1上的齿轮齿条机构8的运动转换，将步进电机6输出的旋转运动转换为钻头11“进多退少”的轴向直线运动。即可进行步进式轴向振动钻削加工。
(3)钻削开始后，由钻削测力仪13获取钻削过程中的轴向力和扭矩信号，经动态应变仪2放大与整形后，通过调用数据采集和处理软件进行钻削数据的采集和处理，并储存在微机里以备调用。
权利要求
1.一种步进式轴向振动钻削工艺，其特征在于具体工艺过程如下首先，根据被加工材料的性能和加工孔径的大小，选择合适的机床转速；然后，以步进电机作为钻头轴向运动的动力源，把普通轴向振动钻削的轴向振动和进给运动合二为一，以钻头的轴向“进多退少”代替，钻头的轴向运动特性通过步进电机的脉冲频率和振型来控制；最后，通过步进电机的驱动与控制单元控制步进电机实现要求的正反转运动，经过机械传动与转换单元将步进电机输出的旋转运动转换为钻头“进多退少”的轴向直线运动；钻削开始后，数据采集和处理单元适时采集和处理轴向力和扭矩信号，并储存在微机里以备调用。
2.根据权利要求1所述的一种步进式轴向振动钻削工艺，其特征在于在步进式轴向振动钻削过程中，钻头的轴向运动模式有三种当选用中低进给速度加工普通金属材料时，选用“前进-后退-前进-后退”的运动模式；当钻削硬脆性材料时，选用“前进-停止-前进-停止”的运动模式；当钻头的进给速度比较高时，选用“前进-停止-后退-停止”模式。
3.实现权利要求1所述的一种步进式轴向振动钻削工艺装置，其特征在于它由机床本体(1)、动态应变仪(2)、系统微机(3)、硬件接口电路(4)、步进电机驱动器(5)、步进电机(6)、减速机构(7)、钻削测力仪(13)组成，其中硬件接口电路(4)主要包括地址译码模块、步进电机驱动模块、模数转换模块，其采用ISA总线技术，直接做成接口卡插在系统微机(3)主板的扩充插槽上。硬件接口电路(4)与步进电机驱动器(5)之间通过电缆与连接；步进电机(6)和减速机构(7)之间通过联轴器联接，减速机构(7)与主轴(10)之间通过齿轮齿条机构(8)联接。放置在工件(12)和工作台(14)之间的钻削测力仪(13)与动态应变仪(2)和硬件接口电路(4)依次连接。
全文摘要
本发明涉及一种步进式轴向振动钻削工艺及其设备，其适用于机械加工的钻削加工，尤其是难加工材料的中小孔加工。其特征在于选用步进电机作为钻头轴向运动的动力源，把传统轴向振动钻削的进给运动和轴向振动合二为一，以钻头的轴向“进多退少”来代替；根据实际加工需要，可以选择不同的钻头振动加工模式进行相应的振动钻削加工。实现该工艺的设备主要由机床本体1、动态应变仪2、系统微机3、硬件接口电路4(及其软件)、步进电机驱动器5、步进电机6、减速机构7、钻削测力仪13组成。该工艺简化了轴向振动钻削的操作过程、降低了操作难度、简化了参数选择和优化的工作量，拓展了振动钻削的工艺范围。
文档编号B23B37/00GK1903489SQ20061008534
公开日2007年1月31日 申请日期2006年6月12日 优先权日2006年6月12日
发明者王贵成, 马礼杰, 王志, 吴卫国 申请人:江苏大学