CN110303181A - 难加工材料复合钻削方法 - Google Patents

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王占奎
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Abstract

本发明提供一种难加工材料复合钻削方法，通过在数控机床上设置旋转超声加工装置，将超声振动钻削和啄式钻削进行复合，对难加工材料进行钻削加工，其包括以下步骤：依据被加工材料的切削性能与钻削刀具的材质和规格，确定钻削加工的转速n和每转进给量fr；依据加工需求，确定超声振动钻削的振动方式、振动频率fultra和振幅A；依据被加工材料的切削性能和钻孔的深径比，确定啄式钻削的走刀方式和下刀量Q；依据上述参数，钻削刀具在按照超声振动钻削方式进行钻削加工的同时，还按照啄式钻削的方式周期性回退。该方法工艺简单、操作方便、成本低且能满足不同难加工材料的精密钻削需要，实现延长刀具寿命、减少加工缺陷的目的。

Description

难加工材料复合钻削方法
技术领域
本发明涉及机械加工领域，具体的说，涉及了一种难加工材料复合钻削方法。
背景技术
随着机械装备性能和精度要求的提高以及新材料的研发，大量难加工材料在机械产品中得到广泛应用，这些材料包括钛合金、镍基合金、高强高硬钢等塑性金属材料和陶瓷、玻璃等脆硬性非金属材料。然而，上述材料钻削加工时，普遍表现出切削力大、切削温度高、断屑排屑困难、刀具耐用度低、加工质量差等问题。此外，钻削属于典型的半封闭连续型切削工艺，整个加工过程在工件内部完成，切削液进入和切屑排出的通道受到限制，摩擦挤压状况严重，从而使上述问题表现得更为突出。为了解决难加工材料的钻削技术难题，振动钻削、导电钻削、低温钻削等新型钻削工艺逐渐出现，并得到了发展应用。
其中，振动钻削中的超声振动钻削技术在难加工材料内孔加工方面具有明显的优势，其原理是：在传统钻削基础上，通过专用振源使钻头与工件之间产生可控的超声频振动，从而改变钻削机理，获得良好的加工效果。相关研究表明：超声振动钻削具有减小切削区摩擦、降低平均钻削力、改善材料切削性能等特点。但是，超声振动钻削并不能明显改善断屑排屑效果，且对切削液的冷却清洗效果的提升作用也很有限。
为了克服一维超声振动振动钻削的不足，有效解决塑性难加工材料的断屑排屑和脆硬性难加工材料的冷却清洗问题，近几年逐渐出现了复合振动钻削工艺，其目的在于充分发挥一维振动钻削的各自优势、拓展振动钻削技术的应用范围。如申请号为201710483999.3的专利和申请号为201610002983.1的专利均利用了低频轴向振动***和超声扭转振动***实现了工件的低频轴向振动和钻头的超声扭转振动相结合的复合振动钻削加工。虽然该加工方法能有效解决断屑排屑问题，但是，与一维超声振动钻削相比，该方法从装置上需要增加一套低频振动***，提高了设备成本；从工艺上，需要解决超声和低频振动的耦合和匹配问题，增加了控制难度。此外，钻削加工中的冷却清洗问题仍没有得到有效解决。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种控制简单、对加工装置要求低的难加工材料复合钻削方法。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种难加工材料复合钻削方法，在数控机床上设置旋转超声加工装置，将超声振动钻削和啄式钻削进行复合，对难加工材料进行钻削加工，其包括以下步骤：
（1）依据被加工材料的切削性能与钻削刀具的材质和规格，确定钻削加工的转速n和每转进给量fr；
（2）依据加工需求，确定超声振动钻削的振动方式、振动频率fultra和振幅A；
（3）依据被加工材料的切削性能和钻孔的深径比，确定啄式钻削的走刀方式和下刀量Q；
（4）依据确定的转速n、每转进给量fr、振动频率fultra、振幅A和下刀量Q，钻削刀具在按照超声振动钻削方式进行内孔加工的同时，还按照啄式钻削的方式周期性回退。
基于上述，所述啄式钻削是指加工过程中利用数控机床自身的编程和运动功能实现的钻头从切削区循环退回、变连续切削为断续切削的工艺方法；其走刀方式包括：钻头每次循环均退回到孔外设定位置的标准啄钻方式以及钻头每次循环仅退回到距离内孔切削区一定间隙处，但不退出孔外的高速啄钻方式。
基于上述，所述啄式钻削的走刀方式还包括交替进行标准啄钻方式和高速啄钻方式。
基于上述，所述啄式钻削的下刀量Q的数值为所述每转进给量fr数值的30～600倍。
基于上述，当加工脆硬性难加工材料时，所述下刀量Q小于或等于0.2mm，所述脆硬性难加工材料包括玻璃、陶瓷。
基于上述，当加工塑性难加工材料时所述下刀量大于或等于1mm；所述塑性难加工材料包括钛合金、镍基合金。
基于上述，所述超声振动钻削的振动方式包括钻头或工件沿钻头轴线的纵向振动、围绕钻头轴线的扭转振动、或者由纵向振动和扭转振动组合形成的纵扭复合振动。
基于上述，当加工钛合金、镍基合金材料时，所述超声振动的频率为16 KHz～30KHz、振幅为2μm～20μm。
基于上述，当加工玻璃、陶瓷材料时，所述超声振动的频率大于30KHz、振幅小于5μm。
基于上述，所述的难加工材料复合钻削方法还包括采用外冷式或者内冷式切削液浇注方法，对加工区域进行冷却、润滑和清洗。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明提供的难加工材料复合钻削方法具有以下优点：
（1）设备简单、成本低。在原有超声振动钻削设备的基础上，利用数控机床固有的运动功能就能实现超声振动钻削和啄式钻削的复合加工，无需增加额外成本，更不需要结构较为复杂的低频振动***。
（2）工艺简单、易于控制。对于超声和低频复合振动钻削工艺而言，需要控制的参数包括：转速、进给量、超声振动频率、超声振幅、低频振动频率和低频振幅6个，存在钻削参数、超声振动参数和低频振动参数三者之间的匹配问题；此外，还存在超声和低频振动方式（直线振动或扭转振动）和振动方向之间的相互耦合问题。而本发明所需要控制的参数只有转速、进给量、超声频率、超声振幅和下刀量5个，参数选择容易、工艺控制简单，从而更易于推广应用。
（3）有利于实现不同工艺间的优势互补，满足不同难加工材料的精密钻削需要。当钻削塑性难加工材料时，有利于弥补超声振动钻削的断屑排屑性能不足，减小切削力、改善加工质量；当钻削脆硬性难加工材料时，有利于增大切削液的冷却和清洗效果，延长刀具使用寿命、减少加工缺陷。
附图说明
图1是本发明提供的超声振动标准啄钻复合工艺示意图。
图2是本发明提供的超声振动高速啄钻复合工艺示意图。
图3是本发明提供的沿钻头轴线的纵向振动示意图。
图4是本发明提供的围绕钻头轴线的扭转振动示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例
本实施例提供一种难加工材料复合钻削方法，如图1、图2、图3和图4所示，具体是利用数控机床和设置在数控机床上的旋转超声加工装置对难加工材料进行超声振动啄钻复合加工，其包括以下步骤：
（1）依据被加工材料的切削性能和钻削刀具的材料和规格，确定钻削加工的转速n和每转进给量fr。
通常情况下，被加工材料的切削性能越差，转速n和每转进给量fr就越小；钻削刀具的耐热性和耐磨性越好，转速n和每转进给量fr就越大；钻削刀具的直径越小、长度越短，转速n就越高。
（2）依据加工需求，确定超声振动钻削的振动方式、振动频率fultra和振幅A。
具体来讲，包括以下内容：
选择超声振动的激振对象：当工件尺寸较小时，激振工件或刀具均可；当工件尺寸较大时，常激振刀具。
选择超声振动的振动方式：根据施加超声振动的工艺目的不同，选择纵向振动（图3）、扭转振动（图4），或它们组合而成的纵扭复合振动。而在本实施例中，图1和图2仅表明了超声振动方式为纵向振动的情况。
选择超声振动的振动参数：当加工塑性材料时，宜选择较低的振动频率、较大的振幅；当加工脆硬性材料时，宜选择较高的振动频率、较小的振幅。
（3）依据被加工材料的切削性能和钻孔的深径比，确定啄式钻削的走刀方式和下刀量Q；
具体地，如图1所示，当被加工的孔深较小、钻头较短时，可选择标准啄钻方式。加工过程中钻头每次循环都快速退回到距工件上表面Z0一定高度的R平面处（图中“带箭头虚线”表示钻头的快速移动方式），然后再次以选定的进给量fr钻进Q深度（图中“带箭头实线”表示钻头的钻进方式，刀具的实际进给距离为Q+d），如此反复，直至加工到指定深度Zh为止。
如图2所示，当被加工的孔深较大、采用长系列钻头时，为提高钻削效率，宜选择高速啄钻方式。加工过程中钻头每次循环都退至距切削区以上d间隙处，然后再以选定的进给量fr钻进Q深度，如此反复，直至加工到指定深度Zh。
需要说明的是，本实施例仅列举了标准啄钻和高速啄钻两种啄式钻削的走刀方式，在具体实践中，走刀方式还包括依靠数控机床自身功能所实现的其它类似的钻削刀具周期性回退方式。
关于啄式钻削的下刀量Q，当加工钛合金、镍基合金等塑性难加工金属材料时，啄钻工艺的主要作用在于促进断屑、加速排屑，可取较大的下刀量Q。当加工陶瓷、玻璃等脆硬性难加工非金属材料时，刀具通常为超硬磨料磨棒，啄钻工艺的主要作用在于增大切削液的冷却和清洗效果，可取较小的下刀量Q。
（4）依据确定的转速n、每转进给量fr、振动频率fultra、振幅A和下刀量Q，钻削刀具在按照超声振动钻削方式进行钻削加工的同时，还按照啄式钻削的方式周期性回退。并且，加工过程中还需要采用外冷或者内冷式切削液浇注方法，对加工区域进行冷却、润滑和清洗。
具体地，针对不同种类材料的钻削需求，下面为本发明的两个应用实例：
应用实例一：钛合金Ti6Al4V复合钻削加工
刀具：直径为3mm的IZAR6000粉末冶金高速钢麻花钻；钻削参数：工件转速n为1200r/min，进给速度vf为36mm/min（vf=n·fr）；采用工件纵向振动，振动频率fultra为20KHz、 振幅A分别取2.2、2.8、3.5、4.8μm；选用标准啄钻走刀方式，下刀量Q为1mm；浇注润滑。
结果表明：当振幅为2.2和2.8μm时，超声振动啄式钻削的钻削力均小于超声振动钻削、单一啄式钻削和传统钻削，其轴向力比传统钻削减少30%以上，内孔的圆度和表面粗糙度也得到显著提高。
应用实例二：光学玻璃BK7复合钻削加工
刀具：直径为4mm电镀金刚石磨棒，金刚石粒度80#；钻削参数：主轴转速n为3000r/min，进给速度vf 为1mm/min；采用刀具纵向振动，振动频率fultra为50kHz, 振幅A取1.3μm；选用标准啄钻走刀方式，下刀量Q为0.2mm；浇注润滑。
结果表明：与传统钻削相比，超声振动啄式钻削明显减小了孔口崩边尺寸、改善了内孔表面质量，且超声振动啄式钻削比单一超声振动钻削的刀具寿命提高了30%以上。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种难加工材料复合钻削方法，在数控机床上设置旋转超声加工装置，将超声振动钻削和啄式钻削进行复合，对难加工材料进行钻削加工，其包括以下步骤：
（1）依据被加工材料的切削性能、钻削刀具的材质和规格，确定钻削加工的转速n和每转进给量fr；
（2）依据加工需求，确定超声振动钻削的振动方式、振动频率fultra和振幅A；
（3）依据被加工材料的切削性能和钻孔的深径比，确定啄式钻削的走刀方式和下刀量Q；
（4）依据确定的转速n、每转进给量fr、振动频率fultra、振幅A和下刀量Q，钻削刀具在按照超声振动钻削方式进行内孔加工的同时，还按照啄式钻削的方式周期性回退。
2.根据权利要求1所述的难加工材料复合钻削方法，其特征在于，所述啄式钻削是指加工过程中利用数控机床自身的编程和运动功能实现钻头从切削区循环退回、变连续切削为断续切削的工艺方法；
其走刀方式包括：钻头每次循环均退回到孔外设定位置的标准啄钻方式以及钻头每次循环仅退回到距离内孔切削区一定间隙处，但不退出孔外的高速啄钻方式。
3.根据权利要求2所述的难加工材料复合钻削方法，其特征在于，所述啄式钻削的走刀方式还包括交替进行标准啄钻方式和高速啄钻方式。
4.根据权利要求3所述的难加工材料复合钻削方法，其特征在于，所述啄式钻削的下刀量Q的数值为所述每转进给量fr数值的30～600倍。
5.根据权利要求4所述的难加工材料复合钻削方法，其特征在于，当加工脆硬性难加工材料时，所述下刀量Q小于或等于0.2mm，所述脆硬性难加工材料包括玻璃、陶瓷。
6.根据权利要求4所述的难加工材料复合钻削方法，其特征在于，当加工塑性难加工材料时所述下刀量大于或等于1mm；所述塑性难加工材料包括钛合金、镍基合金。
7.根据权利要求6所述的难加工材料复合钻削方法，其特征在于，所述超声振动钻削的振动方式包括钻头或工件沿钻头轴线的纵向振动、围绕钻头轴线的扭转振动、或者由纵向振动和扭转振动组合形成的纵扭复合振动。
8.根据权利要求7所述的难加工材料复合钻削方法，其特征在于，当加工钛合金、镍基合金材料时，所述超声振动的频率为16 KHz～30KHz、振幅为2μm～20μm。
9.根据权利要求7所述的难加工材料复合钻削方法，其特征在于，当加工玻璃、陶瓷材料时，所述超声振动的频率大于30KHz、振幅小于5μm。
10.根据权利要求1～9任一项所述的难加工材料复合钻削方法，其特征在于，它还包括采用外冷式或者内冷式切削液浇注方法，对加工区域进行冷却、润滑和清洗。
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