扭振钻削试验装置设计 毕业设计开题答辩 最终稿Word格式.docx

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可见，在机械加工中孔加工占有很重要的地位，尤其是航空、航天、汽车、电子和计算机等行业，孔加工更显示出其得天独厚的地位[1-3]。

例如：

波音公司生产的波音747飞机仅连接孔的加工量达到200万个以上。

作为电了工业的基础产品一一印刷电路板为了满足现代工业产品集成化、微型化、精密化方面的要求，孔密度逐渐增大，在一块305mmX279mm的板上就需钻24000个孔，即孔的密度为28孔/cm^2[4]。

从日前情况来看，在国内外应用最广泛、生产实用性最强的仍然是采用麻花钻的传统钻削加工。

但仅仅利用传统的钻削加工方法，加工质量差、效率低，有的甚至无法加工[5]。

由此引出对振动钻削技术的研究。

目前国内机械零件中的小孔加工，尤其是直径3mm以下的小孔加工，普遍存在着加工效率低、钻头易折断和加工质量差等问题。

在难加工材料上钻小孔或加工精度要求较高的小孔时，问题就更多。

在分析钻小孔加工工艺时我们发现，目前国内对小孔，特别是直径3mm以下小孔的钻削，大都采用麻花钻在台式钻床上用手动进给加工。

在普通切削的条件下，所形成的是长度不同的带状切屑。

这样的切屑沿麻花钻螺旋槽向外排出往往是困难的，常常发生周期性的堵塞，容易使钻头折断。

同时，切屑经常阻塞在螺旋槽内，挤压成团，使冷却液无法进入切削区，因而刀具耐用度很低。

挤在螺旋槽内的切屑不仅和刀具产生剧烈的摩擦，同时严重地划伤着孔的表面，并给后续精加工带来很大的困难，甚至造成无法修复的废品[5]。

振动钻削是建立在振动理论和切削理论等理论基础上的新颖的钻削加工方法,属于振动切削的一个分支,与传统钻削的根本区别是在钻孔的过程中通过振动装置使钻头与工件之间产生可控的相对运动。

试验表明，采用振动钻孔的工艺方法时，可以根据不同的加工条件，选择适当的振动参数，使振动参数和切削用量相匹配，就可以有效的控制切屑的形成过程。

振动钻削技术以其切削力小[6]、切削热降低、工件表面质量提高、精度提高、切屑处理容易、刀具耐用度提高、加工稳定、生产效率高等优点[7、8],可以获得普通钻削无法比拟的工艺效果,特别是在难加工材料的加工和普通材料的难加工工序的加工等领域,解决了许多关键性的工艺问题,并取得了良好效果[11、12]。

振动切削振动方式有三种,即轴向振动（振动方向与钻头轴线方向相同）、扭转振动（振动方向与钻头旋转方向相同）和复合振动（轴向振动与扭转振动迭加）[6]。

其中轴向振动易于实现,工艺效果明显,是振动钻削中占主要地位的振动方式。

振动钻削技术的应用主要有两种途径：

一是对钻削机床本身的改造，使得机床本身具有振动钻削的能力；

二是设计专用的振动钻削工作台。

1.2振动钻削技术的发展现状

1.2.1国外振动钻削发展现状

世界上振动切削的最早试验是在1910年以前提出的，但实际投入实践还是在1950年以后。

第一台振动钻削的夹具创建于1943年。

1935-1955年，苏联拖拉机制造研究院试制了两台振动钻床，用于钻削黄铜和钢料零件上直径0.2～0.6mm的孔[14]。

自1954年日本宇都宫大学的隈部淳一郎教授对振动钻削做深入研究并提出钻头刚性化理论以后振动切削技术得到了大家的广泛关注，有很多的学者都投入到了振动切削的研究之中[7]。

隈部淳一郎教授对振动钻削的基础理论和实际应用进行了大量、系统深入的研究，并有专著。

除此之外，日本的足立胜重、岸本和小山富夫等人也对振动钻削进行了大量理论与实验研究，取得了许多有价值的研究成果，也取得了不少的实用化成果。

20世纪70年代以来，振动车削、磨削在日本已经研究成熟，取得了很好的效果。

前苏联在振动切削研究中因为开始研究较早，一直以来发表了不少有参考价值的资料，知名的V.N.Poduraev和E.A.Satel等人。

美国是在20世纪60年代初期开始进行振动切削研究的，W.Hansen等人在超声波振动切削方面取得了一系列研究成果[15]。

英国与德国也对振动切削的机理和应用开展了广泛的研究[16]。

1.2.2国内振动钻削发展现状

我国的振动切削研究始于20世纪60年代。

1966年哈尔滨工业大学应用超声波振动车削了一批铝质拉伸试件，取得了良好的效果。

1976年以后，陕西机械学院等院校单位开展了振动车削、钻孔、攻丝、磨削的实验研究[17]。

1983年10月在西安召开了全国第一次“振动切削专题研讨会”，促进了振动切削技术在全国的深入研究。

20世纪70年代后期开始，吉林工业大学王立江教授带领其课题组对超声波振动车削、多种激振方式的振动钻削，特别是多元变参数振动钻削进行了理论与实验研究，取得了可喜的成果[18]；

哈尔滨工业大学对超声波振动车削、超声波振动钻孔、复合材料的振动攻丝[19]，北京航空航天大学对钛合金低频振动攻丝，西安石油大学对内排屑深孔钻的振动钻削等进行了研究[20]。

综上所述，尽管我国在振动切削的研究和应用方面取得了一些可喜的成绩，但与工业发达国家相比，还存在较大的差距，因此还需作更加深入踏实的工作，才能保证此项技术逐步应用和推广。

1.3课题研究的意义

振动钻削具有常规普通钻削难以比拟的特性，如前述的可以控制切屑，提高钻削质量和钻削效率等，但目前大多数关于振动钻削的研究多集中在垂直振动方面，关于扭振研究的尚少，关于扭振钻削的加工设备设计、扭振钻削的理论探讨都还极少，所以本课题拟对扭振钻削装置进行初步的设计和探讨，为后续关于扭振钻削工艺的理论探讨和实验研究奠定基础。

2.本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施

2.1本课题研究的主要内容

本课题主要设计一振幅、频率可调节的扭转振动钻削实验装置，频率范围要求50Hz~200Hz，要求等幅扭动。

具体内容包括：

1）探讨扭振实现方式，确定扭振的原理方案；

2）根据选定的扭振原理，设计扭振装置；

3）撰写说明书。

2.2研究方案

2.2.1总体方案的确定

鉴于目前自己所学的知识的局限及方案的实际可行性，准备改进传统的立式钻床，使工作台扭振，带动上面的所夹载的工件一起扭振，从而完成扭振钻削。

机床简图如图1所示。

对6进行改进，使其扭振。

图1立式钻床简图

1．冷却泵2．床身3．主轴变速箱4．自动进刀箱5．主轴6．工作台7．底座

2.2.2扭振实现的原理方案探讨与确定

振动切削按照激振方式不同分为机械振动、电磁振动、流体装置振动、超声波振动以及压电装置振动等。

其中超声波振动通常在16kHz以上,所以也称为高频振动钻削,其它几种振动方式频率一般在数百赫兹左右,故称为低频振动钻削[7]。

各种激振方式的特点如下：

（1）机械式振动装置输出功率大，结构简单，便于调整振动参数，振动机构刚度大，负载能力强，但振动频率受到限制，通常不大于200Hz[13]。

（2）电磁式振动装置结构简单，振动频率较高，频率与振幅负载特性较好，常用于对小孔的加工，但电磁振动装置的负载能力较差，效率较低。

（3）流体装置振动输出功率较大，负载能力较强，适用于钻削大直径孔和深孔，但由于增加了液压系统，成本较高，液压油的体积弹性模量较小，所以反应迟钝，因此频率不大于200Hz。

（4）超声波振动装置的振动频率一般不能改变，而且振动系统各部件的结合部在超声激励下极易松动发热。

当用麻花钻振动钻孔时，由于高频轴向振动影响，会加速刀具外缘切削刃后刀面磨损。

（5）压电装置振动适用于微小振动钻削，无论钻削进行与否，由于压电传感器的作用，对于测力仪总是有输入，需要对测量数据进行相应的处理，另外，该系统很难对重量较大的工件进行激振。

根据振动钻削的要求，选择了机械式振动装置。

2.2.3扭振装置结构方案设计与选择

扭振工作台设计方案，初步想法通过以下机构使工作台扭振。

方案一：

曲柄滑块机构，如图2所示。

图2曲柄滑块结构

方案二：

曲柄摇块机构。

如图2-2所示

图3曲柄摇块机构

方案三：

摆动导杆机构,如图2-3所示

图4摆动导杆机构

鉴于曲柄滑块机构更易实现，成本更低，且产生的扭振波形较符合设计需求，对应的频率也可以满足设计要求，故拟选择方案一中的曲柄滑块机构实现工作台扭振。

3.本课题研究的重点及难点，前期已开展工作

3.1本课题研究的重点及难点

1）曲柄摇块设计中存在的难点和重点。

比如等幅扭转且不产生急回特性，如何实现扭动幅度可调，以及振动频率可调。

2）怎样与现有机床相结合或者改进原有机床以实现所有设计要求。

3.2前期已开展的工作

分析课题，查找与课题有关的资料，进行初期的规划和整理。

通过对前期知识的回顾及相关手册的查阅，对课题研究的内容有了充分的认识。

4.完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写）

遵守纪律，遵守学术道德规范；

进实验室前须做好相关准备。

1—3周调研扭振钻削的课题背景，查阅科技文献和书籍，理解课题，进行英文翻译；

4—7周第4周设计方案讨论确定。

第5周主要是扭振工作台设计与计算。

第7.8周进行图纸设计。

8-11周第8.9周图纸详细设计。

第10.11周试验方案设计并完成试验。

12-14周第12.13周论文撰写

第14周初稿提交。

15-17周第15.16周论文修改

第17周提交终稿。

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