3-43  用有限元法研究微细钻头振动钻入的动力学特性

黄  文

振动钻削在定心精度、孔表面质量、钻头寿命和出口毛刺等方面，均优于普通钻削。针对其优良的工艺效果，特别是钻入时的高定心精度和小横向偏移等现象，目前尚不能作出最有说服力的解释。为了更加深入地研究振动钻入机理，在继承国内外相关技术成果的基础上，利用有限元方法对振动钻入的瞬时过程进行了更加深入地研究，以便为将来进一步研究振动钻削加工过程控制技术提供技术支撑。

基于切削和振动理论，利用有限元软件ANSYS中的瞬态动力学分析技术对微细钻头振动钻入特性进行了研究，分别阐述了低频振动钻入、高频振动钻入以及普通钻削钻入的动力学特性。普通钻削钻入时，微细钻头在近似恒定的横向力作用下连续偏移，直至横刃完全切入工件，在整个钻入过程，惯性力和阻尼力的作用可忽略不计，然而振动钻入时，微细钻头与工件时切时离，作用在钻尖处的横向力变为周期性脉冲力，惯性力和阻尼力对其钻入横向偏移的影响就不可忽略。由此可见，普通钻削和振动钻削具有不同的钻入力学模型。为了便于分析，首先将微细钻头的钻入力学模型简化为由质量、弹簧和阻尼三元件组成的单自由度振动系统并计算出系统的等效质量、等效刚度以及等效黏性阻尼系数，然后根据钻入力学模型创建有限元模型并对其进行加载、求解，便可得到不同条件下的钻尖横向偏移量，即分别得到低频振动钻入、高频振动钻入以及普通钻削钻入的定心精度。

有限元分析结果表明，低频振动钻削在每一个轴向振动周期内具有“横向偏移-空切分离-近似完全衰减至平衡位置-重新钻入”的动力学特性，高频振动钻削在每一个轴向振动周期内具有“横向偏移-空切分离-部分衰减至平衡位置-重新钻入”的动力学特性，而普通钻削钻入时，钻尖横向运动主要体现为静力学特性。

由此可知，振动钻削从根本上改变了钻入机理，将普通钻削的一次性连续钻入变为周期性的旋转楔入，其中低频振动在再次钻入工件之前差不多能够完全纠正上一个轴向振动周期内产生的横向偏移量，高频振动能大部分纠正，而普通钻削总以最大偏移量钻入。因此，振动钻削具有显著提高微小孔钻入定心精度、减小孔扩量并降低孔径分散度的特殊钻入机理。