徐林紅，劉志凡，高 尚，饒建華

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 機(jī)械與電子信息學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

釬桿是井巷工程連接鉆頭和鑿巖的機(jī)具，礦山井巷工程中使用的釬桿一般多為六角中空鋼和圓形中空鋼。中空鋼釬桿在熱軋成形過(guò)程中，其內(nèi)孔表面容易產(chǎn)生0.1～0.3 mm深度的脫碳層和裂紋層，而使得釬桿強(qiáng)度降低，從而影響釬桿的使用壽命[1-3]。目前國(guó)內(nèi)外常用的解決方法是內(nèi)孔防腐處理[4]和內(nèi)襯合金管處理[5]，但這兩種方法只是覆蓋裂紋，延緩裂紋擴(kuò)散的時(shí)間，并不能根除釬桿孔內(nèi)的脫碳層和裂紋層。為完全去除脫碳層和裂紋層的影響，本文采用擴(kuò)孔工藝對(duì)中空鋼釬桿內(nèi)孔表面進(jìn)行加工，從而達(dá)到完全去除脫碳層和裂紋層的目的。由于釬桿內(nèi)孔的長(zhǎng)徑比為30～100，屬于典型的深孔加工。同時(shí)H22-SiMnCrNiMo中空鋼釬桿為中碳硅錳結(jié)構(gòu)鋼，釬桿中的Cr元素會(huì)增加刀具和材料之間的黏結(jié)性能，釬桿中的Ni元素會(huì)產(chǎn)生加工硬化。上述情況將導(dǎo)致在擴(kuò)孔過(guò)程中出現(xiàn)排屑困難、鉆削溫度高、加工精度低、刀具壽命短等問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題，本文利用振動(dòng)擴(kuò)孔的方式來(lái)去除釬桿內(nèi)孔中的脫碳層和裂紋層。

目前研究振動(dòng)擴(kuò)孔的文獻(xiàn)較少，但對(duì)振動(dòng)鉆削的研究則比較深入。由于兩者都屬于典型的孔加工工藝，因此對(duì)振動(dòng)擴(kuò)孔的研究可借鑒振動(dòng)鉆削工藝。振動(dòng)鉆削是在加工孔過(guò)程中為鉆頭(或工件)增加規(guī)則和受控的振動(dòng)，從而可以周期性改變切削量。Okamura等[6]對(duì)Ti-6Al-4V進(jìn)行低頻振動(dòng)鉆削實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)低頻振動(dòng)鉆削會(huì)減小切屑厚度、降低鉆孔溫度。Debnath等[7]使用TriboMAM刀具對(duì)碳纖維增強(qiáng)基復(fù)合材料(Carbon Fibre-Reinforced Polymer, CFRP)層壓板進(jìn)行頻率振幅可調(diào)的振動(dòng)鉆削實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)脈沖式鉆削特性可降低加工溫度，提高內(nèi)孔表面的加工質(zhì)量。Bleicher等[8]采用液壓磁浮軸承系統(tǒng)對(duì)CFRP/C45E進(jìn)行低頻振動(dòng)鉆削實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)低頻高振幅會(huì)更容易產(chǎn)生短切屑，同時(shí)會(huì)減少工件邊緣毛刺的形成和刀具磨損。Paulsen等[9]使用電磁激振器對(duì)Al7075進(jìn)行低頻振動(dòng)鉆削實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)軌跡為正弦曲線時(shí)可以改變切屑形狀。Lotfi等[10]采用超聲振動(dòng)輔助鉆削45號(hào)鋼，發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)減少了工件和鉆頭之間的傳熱時(shí)間，且產(chǎn)生更短的切屑。Sugihara等[11]提出了利用超低頻振動(dòng)進(jìn)行切削，超低頻振動(dòng)范圍為1～10 Hz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在干加工條件下，此方法顯著減少了加工中的月牙洼磨損。

目前針對(duì)振動(dòng)鉆削的研究大多集中在鉆削深度小、采用麻花鉆的振動(dòng)鉆削，對(duì)于深孔的振動(dòng)鉆削工藝研究較少。由于低頻振動(dòng)比高頻振動(dòng)能夠更加有效地控制斷屑，因此在振動(dòng)頻率的選擇上本文選擇低頻振動(dòng)。目前常用的低頻激振器包括電磁激振器、機(jī)械激振器和液壓激振器等，其中液壓式激振器由于輸出功率大、負(fù)載能力強(qiáng)、振幅頻率調(diào)節(jié)方便、性能穩(wěn)定，更適合本文中的深孔擴(kuò)孔加工條件。因此，本文借鑒低頻振動(dòng)鉆孔工藝，采用液壓低頻振動(dòng)輔助槍鉆對(duì)中空鋼釬桿進(jìn)行深孔擴(kuò)孔，研究振動(dòng)參數(shù)對(duì)擴(kuò)孔表面質(zhì)量、斷屑情況及鉆削溫度的影響和加工參數(shù)對(duì)振動(dòng)擴(kuò)孔表面質(zhì)量、斷屑情況的影響。

1 實(shí)驗(yàn)條件

1.1 低頻振動(dòng)鉆削的完全幾何斷屑條件

振動(dòng)鉆削中若被切削層的厚度能夠達(dá)到零，即刀具和工件完全分離，在一定的時(shí)間內(nèi)不存在切削層的厚度，屬于完全幾何斷屑。滿足完全幾何斷屑條件時(shí)，最小軸向切削厚度hmin<0，可表示為：

(1)

即

(2)

其中：f是進(jìn)給量，單位為mm/r；n是主軸轉(zhuǎn)速，單位為r/min；A為振動(dòng)的振幅，單位為mm；F為振動(dòng)頻率，單位為Hz；K為工件旋轉(zhuǎn)一周包含的完整振動(dòng)周期數(shù)目。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，當(dāng)轉(zhuǎn)速為500 r/min、進(jìn)給量為0.10 mm/r時(shí)，達(dá)到完全幾何斷屑的振動(dòng)頻率范圍是18.1～23.6 Hz、26.4～31.9 Hz和35.7～41.2 Hz，振幅最大值需大于0.05 mm。

1.2 工作臺(tái)搭建及振動(dòng)參數(shù)確定

本實(shí)驗(yàn)采用的液壓低頻激振器裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括振動(dòng)軸、彈簧、活動(dòng)閥門、振動(dòng)器主體。調(diào)速電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)活動(dòng)閥門旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)液路的導(dǎo)通與關(guān)斷，液路關(guān)斷時(shí)液腔內(nèi)液壓驟增發(fā)生液擊現(xiàn)象，高壓產(chǎn)生的脈沖力使活塞向下運(yùn)動(dòng)壓縮彈簧，液路導(dǎo)通時(shí)活塞受彈簧力作用向上運(yùn)動(dòng)，液路周期性地導(dǎo)通與關(guān)斷，振動(dòng)軸受迫上下運(yùn)動(dòng)形成振動(dòng)。該激振器可通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速控制振動(dòng)頻率，通過(guò)調(diào)節(jié)泵站液壓控制振動(dòng)振幅。

圖1 液壓激振器內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 Hydraulic vibrator internal structure

振動(dòng)擴(kuò)孔實(shí)驗(yàn)在CA6140車床上完成，液壓激振器、液壓泵站、激振器固定架等的安裝如圖2所示。將激振器安裝在原車床刀架的位置，槍鉆通過(guò)刀具夾頭固定于激振器振動(dòng)軸處，釬桿試樣裝夾在機(jī)床三爪卡盤上，槍鉆末端利用中心架進(jìn)行輔助支撐，安裝時(shí)需保持激振器振動(dòng)軸軸心、槍鉆軸心和釬桿試樣軸心處于同一條水平直線上。

圖2 液壓振動(dòng)擴(kuò)孔工作臺(tái)示意圖Fig.2 Schematic diagram of hydraulic vibration reaming platform

激振器頻率及振幅測(cè)量系統(tǒng)如圖3所示。系統(tǒng)主要由位移傳感器、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)和相關(guān)附件組成。在本實(shí)驗(yàn)中，位移傳感器和壓力傳感器安裝于激振器振動(dòng)軸前端。位移傳感器用于測(cè)量激振器振動(dòng)軸前端的位移，即激振器的振幅。壓力傳感器用來(lái)測(cè)量振動(dòng)器輸出端的壓力特性。

圖3 激振器頻率與振幅測(cè)量系統(tǒng)Fig.3 Measurement system of vibrator frequency and amplitude

由于位移傳感器固定在機(jī)床上，槍鉆的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)會(huì)影響激振器振幅測(cè)定。因此，激振器振幅需要在靜態(tài)時(shí)測(cè)得。為大致確定鉆削力范圍，在轉(zhuǎn)速為500 r/min、進(jìn)給量為0.10 mm/r的普通擴(kuò)孔條件下，對(duì)內(nèi)孔直徑為10 mm的釬桿內(nèi)孔進(jìn)行擴(kuò)孔實(shí)驗(yàn)，利用測(cè)力儀測(cè)得軸向力約為500 N。根據(jù)上述完全幾何斷屑條件及激振器的工作頻率，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置的頻率為20.4 Hz、28.2 Hz、36.7 Hz。在此3種頻率下，對(duì)負(fù)載為500 N的激振器的振幅進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果分別為：頻率為20.4 Hz時(shí)，振幅為1.11 mm；頻率為28.2 Hz時(shí)，振幅為0.89 mm；頻率為36.7 Hz時(shí)，振幅為0.58 mm。

2 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用試樣為某鋼廠生產(chǎn)的H22-SiMnCrNiMo中空鋼釬桿，屬中碳硅錳結(jié)構(gòu)鋼，其各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。經(jīng)測(cè)試，該試樣表面硬度為50HRC，芯部硬度為40HRC。試樣橫截面外輪廓為正六邊形，對(duì)邊長(zhǎng)度為35 mm，中心為直徑為10 mm的通孔，長(zhǎng)度為0.3 m和0.5 m，熱軋成形后的中空鋼釬桿及其內(nèi)孔表面如圖4所示。

表1 釬桿各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.1 Chemical composition of the drill rod %

圖4 熱軋成形后的中空鋼釬桿及其內(nèi)孔表面Fig.4 Hollow steel drill rod and its inner hole surface after hot rolling process

實(shí)驗(yàn)選用整體硬質(zhì)合金單刃槍鉆，尺寸為Φ12 mm×700 mm，尾部刀柄尺寸為Φ16 mm×70 mm，槍鉆整體和主切削刃如圖5所示。

圖5 硬質(zhì)合金槍鉆及其主切削刃Fig.5 Carbide gun drill and its main cutting edge

本實(shí)驗(yàn)的目的是研究不同振動(dòng)參數(shù)和加工參數(shù)如轉(zhuǎn)速及進(jìn)給量對(duì)加工過(guò)程的影響。根據(jù)完全幾何斷屑條件及激振器特性與車床特性，選取的實(shí)驗(yàn)參數(shù)分別如表2、表3和表4所示。

表2 振動(dòng)參數(shù)對(duì)加工過(guò)程影響實(shí)驗(yàn)方案Tab.2 Experimental scheme of the influence of vibration parameters on the machining process

表3 進(jìn)給量對(duì)加工過(guò)程影響實(shí)驗(yàn)方案Tab.3 Experimental scheme of the influence of feed rate on the machining process

表4 轉(zhuǎn)速對(duì)加工過(guò)程影響實(shí)驗(yàn)方案Tab.4 Experimental scheme of the influence of speed on the machining process

3 結(jié)果和分析

3.1 切屑分析

3.1.1 振動(dòng)參數(shù)對(duì)切屑的影響

普通擴(kuò)孔切屑主要為帶狀連續(xù)切屑和螺旋圓錐形切屑，切屑較長(zhǎng)且卷曲嚴(yán)重，而低頻振動(dòng)擴(kuò)孔切屑主要為扇形切屑、梯形切屑和C形切屑，切屑較短，如圖6所示。在振動(dòng)擴(kuò)孔加工過(guò)程中，刀具與工件周期性的分離導(dǎo)致切屑底部瞬間氧化，減少了切屑與刀具之間的黏結(jié)，使斷屑更容易產(chǎn)生。

(a) F=0 Hz，A=0 mm (b) F=20.4 Hz,A=1.11 mm

(c) F=28.2 Hz，A=0.89 mm (d) F=36.7 Hz，A=0.58 mm圖6 不同振動(dòng)參數(shù)擴(kuò)孔加工切屑的總體圖Fig.6 Overall diagram of chips under different vibration parameters

在n=500 r/min、f=0.1 mm/r條件下，相對(duì)于普通擴(kuò)孔，低頻振動(dòng)擴(kuò)孔切屑的鋸齒邊緣情況得到改善，且當(dāng)F=36.7 Hz、A=0.58 mm時(shí)，鋸齒邊緣情況最輕，如表5所示。在普通擴(kuò)孔加工過(guò)程中，積屑瘤和鱗刺的產(chǎn)生增大了零件表面粗糙程度，而低頻振動(dòng)擴(kuò)孔可以減少積屑瘤與鱗刺現(xiàn)象，使刀具與工件之間摩擦程度減小，同時(shí)降低了加工時(shí)的扭矩。

表5 不同振動(dòng)參數(shù)振動(dòng)擴(kuò)孔的切屑形狀Tab.5 Chip shapes of vibrating reaming under different vibration parameters

由于長(zhǎng)度較大的切屑能夠?qū)p屑和排屑產(chǎn)生較大的影響，因此對(duì)不同振動(dòng)參數(shù)下擴(kuò)孔加工中較長(zhǎng)的的切屑分別進(jìn)行10次測(cè)量，結(jié)果如表6所示。在n=500 r/min、f=0.1 mm/r條件下，相對(duì)于普通擴(kuò)孔，低頻振動(dòng)擴(kuò)孔的切屑長(zhǎng)度更短，且當(dāng)F=36.7 Hz、A=0.58 mm時(shí)，切屑長(zhǎng)度最短。這是因?yàn)槠胀〝U(kuò)孔的切屑積累到足夠長(zhǎng)度達(dá)到應(yīng)力極限會(huì)斷屑，而振動(dòng)擴(kuò)孔在未達(dá)到應(yīng)力極限前，由于切削厚度逐漸減小，切屑與工件連接處材料逐漸減少至零，形成斷屑。當(dāng)F=36.7 Hz、A=0.58 mm時(shí)，最大切削厚度最小，且切屑與工件連接處材料逐漸減少至零時(shí)所需的時(shí)間最短，因此切屑最短。

表6 不同振動(dòng)參數(shù)下的切屑長(zhǎng)度Tab.6 Chip lengths under different vibration parameters 單位：mm

3.1.2 進(jìn)給量及轉(zhuǎn)速對(duì)切屑的影響

表7和表8為F=36.7 Hz、A=0.58 mm、n=500 r/min時(shí)，不同進(jìn)給量下的切屑形態(tài)和切屑長(zhǎng)度分別進(jìn)行10次測(cè)量。當(dāng)進(jìn)給量在0.80～0.12 mm/r范圍內(nèi)增大時(shí)，切屑的長(zhǎng)度明顯增大。這是由于隨著進(jìn)給量在0.80～0.12 mm/r增大，最大切削厚度變大，引起切屑尺寸的增大。

表7 不同進(jìn)給量下的切屑形態(tài)Tab.7 Chipshapes under different feed rates

表8 不同進(jìn)給量下的切屑長(zhǎng)度Tab.8 Chip lengths under different feed rates 單位：mm

表9和表10為F=36.7 Hz、A=0.58 mm、f=0.1 mm/r時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下的切屑形態(tài)和切屑長(zhǎng)度分別進(jìn)行10次測(cè)量?？梢钥闯?，轉(zhuǎn)速對(duì)振動(dòng)擴(kuò)孔加工切屑長(zhǎng)度的影響不大。轉(zhuǎn)速對(duì)切屑長(zhǎng)度的影響主要通過(guò)影響頻轉(zhuǎn)比(即F/n)，從而影響相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)。在頻率一定的情況下，轉(zhuǎn)速的變化只改變了切削速度，沒(méi)有改變槍鉆在一個(gè)周期內(nèi)的振動(dòng)次數(shù)，故轉(zhuǎn)速對(duì)理論切屑長(zhǎng)度影響不大。

表9 不同轉(zhuǎn)速下的切屑形態(tài)Tab.9 Chip shapes under different speeds

表10 不同轉(zhuǎn)速下的切屑長(zhǎng)度Tab.10 Chip lengths under different speeds 單位：mm

3.2 表面形貌分析

3.2.1 振動(dòng)參數(shù)對(duì)內(nèi)孔表面形貌的影響

以平行于孔軸線為基準(zhǔn)，采用電火花線切割，對(duì)不同振動(dòng)參數(shù)加工下的試樣進(jìn)行軸向剖分取樣，并利用NIKON SMZ745T體視變焦顯微鏡對(duì)釬桿內(nèi)孔表面進(jìn)行觀察。圖7為不同振動(dòng)參數(shù)下擴(kuò)孔加工的內(nèi)孔表面形貌。經(jīng)過(guò)普通擴(kuò)孔和低頻振動(dòng)擴(kuò)孔加工，釬桿內(nèi)孔表面的脫碳層與裂紋層都已完全去除。在n=500 r/min、f=0.1 mm/r條件下，相對(duì)于普通擴(kuò)孔加工，低頻振動(dòng)擴(kuò)孔加工的內(nèi)孔表面更光滑均勻，顆粒度低，無(wú)明顯劃痕、凸起和凹陷，其加工質(zhì)量?jī)?yōu)于普通擴(kuò)孔的情況，且當(dāng)F=36.7 Hz、A=0.58 mm時(shí)，內(nèi)孔表面刀痕和劃痕最少。在普通擴(kuò)孔加工過(guò)程中，積屑瘤和鱗刺會(huì)損傷內(nèi)孔表面，而低頻振動(dòng)擴(kuò)孔具有良好的斷屑、排屑效果，避免了切屑與孔壁在摩擦過(guò)程中所產(chǎn)生的劃傷，同時(shí)振動(dòng)擴(kuò)孔附加的軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)加工工件產(chǎn)生一定的沖擊，降低了刀具與工件間的擠壓和摩擦，使金屬材料更具脆性，減小了切削熱的產(chǎn)生，降低了切削溫度，從而減少了對(duì)內(nèi)孔孔壁的劃傷。此外，切屑的變長(zhǎng)導(dǎo)致切屑在排出過(guò)程中會(huì)對(duì)孔壁表面造成劃傷，產(chǎn)生溝槽。因此當(dāng)F=36.7 Hz、A=0.58 mm時(shí)，內(nèi)孔表面刀痕和劃痕最少。

(a) F=0 Hz，A=0 mm

(b) F=20.4 Hz，A=1.11 mm

(c) F=28.2 Hz，A=0.89 mm

(d) F=36.7 Hz，A=0.58 mm圖7 不同振動(dòng)參數(shù)下的內(nèi)孔表面形貌Fig.7 Inner hole surface topographies under different vibration parameters

3.2.2 進(jìn)給量及轉(zhuǎn)速對(duì)內(nèi)孔表面形貌的影響

圖8為F=36.7 Hz、A=0.58 mm、n=500 r/min時(shí)，不同進(jìn)給量下的內(nèi)孔表面形貌。當(dāng)進(jìn)給量在0.80～0.12 mm/r范圍內(nèi)增大時(shí)，內(nèi)孔表面的刀痕和劃痕增多。這是由于隨著進(jìn)給量的增大，切屑尺寸變大，切屑排出時(shí)劃傷內(nèi)孔表面的概率增大。

(a) f=0.08 mm/r

(b) f=0.10 mm/r

(c) f=0.12 mm/r圖8 不同進(jìn)給量下內(nèi)孔表面形貌Fig.8 Inner hole surface topographies under different feed rates

圖9為F=36.7 Hz、A=0.58 mm、f=0.1 mm/r時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下的內(nèi)孔表面形貌。轉(zhuǎn)速對(duì)內(nèi)孔表面形貌影響較小，主要影響內(nèi)孔表面劃痕的疏密程度。

(a) n=320 r/min

(b) n=400 r/min

(c) n=500 r/min圖9 不同轉(zhuǎn)速下的內(nèi)孔表面形貌Fig.9 Inner hole surface topographies under different speeds

3.3 加工溫度分析

采用DM6801A接觸式測(cè)溫儀對(duì)槍鉆刀尖處進(jìn)行測(cè)溫，圖10為n=500 r/min、f=0.1 mm/r時(shí)，普通擴(kuò)孔與低頻振動(dòng)擴(kuò)孔加工時(shí)的刀具溫度隨時(shí)間變化圖。在擴(kuò)孔時(shí)間達(dá)到30 s時(shí)，各組溫度均進(jìn)入穩(wěn)定階段。在n=500 r/min、f=0.1 mm/r條件下，相對(duì)于普通擴(kuò)孔加工，低頻振動(dòng)擴(kuò)孔加工可以明顯降低加工溫度，且當(dāng)F=36.7 Hz、A=0.58 mm時(shí)，加工溫度最低。這是由于振動(dòng)擴(kuò)孔斷續(xù)加工的特性，刀具與工件周期性地分離使刀具在此時(shí)間段內(nèi)得到一定的冷卻。此外在加工過(guò)程中，較小的切屑可以被快速排出，并帶走大量的切削熱。當(dāng)F=36.7 Hz、A=0.58 mm時(shí)，切屑最短，短切屑帶走大量的切削熱。因此，當(dāng)F=36.7 Hz、A=0.58 mm時(shí)，加工溫度最低。

圖10 不同振動(dòng)參數(shù)下的加工溫度Fig.10 Processing temperatures under different vibration parameters

4 結(jié)論

1)在n=500 r/min、f=0.1 mm/r條件下，相對(duì)于普通擴(kuò)孔，液壓低頻振動(dòng)擴(kuò)孔可減小切屑尺寸，減少切屑表面鋸齒邊緣現(xiàn)象，優(yōu)化內(nèi)孔加工表面，減少刀痕和劃痕，降低加工溫度。且當(dāng)F=36.7 Hz、A=0.58 mm時(shí)，切屑尺寸最小，內(nèi)孔表面劃痕最少，加工溫度最低。

2)在F=36.7 Hz、A=0.58 mm、f=500 mm/r條件下，隨著進(jìn)給量在0.80～0.12 mm/r范圍內(nèi)增大，切屑長(zhǎng)度變大，內(nèi)孔表面的刀痕和劃痕增多。

3)在F=36.7 Hz、A=0.58 mm、f=500 mm/r條件下，轉(zhuǎn)速對(duì)切屑長(zhǎng)度及內(nèi)孔表面形貌影響較小。