尹韶輝,張振,胡天,毛鵬程,陳逢軍,張屹

(1.湖南大學 國家高效磨削工程技術研究中心，湖南 長沙 410082；2.長沙納美特超精密制造技術有限公司，湖南 長沙 410100；3.湖南大學 智能激光制造研究中心，湖南 長沙 410082)

應用氣浮渦輪主軸的微小孔鉆削試驗研究*

尹韶輝1?,張振1,胡天2,毛鵬程1,陳逢軍1,張屹3

(1.湖南大學 國家高效磨削工程技術研究中心，湖南 長沙 410082；2.長沙納美特超精密制造技術有限公司，湖南 長沙 410100；3.湖南大學 智能激光制造研究中心，湖南 長沙 410082)

為驗證氣浮渦輪主軸的加工性能，并優(yōu)化工藝條件來提高鉆孔質量，應用小型氣浮渦輪主軸在鎂合金AZ31B板材上進行?0.5 mm微小孔鉆削試驗.通過全因子試驗設計，考察了轉速和進給速度對微小孔出口處毛刺高度、入口處孔徑偏差及圓度誤差的影響，其中孔徑偏差和圓度誤差采用圖像處理結合最小二乘法計算獲得.對試驗結果進行分析，并對工藝參數(shù)進行了綜合優(yōu)化.結果表明:空氣主軸的加工性能良好，且當轉速為20 000 r/min，進給速度為0.4 mm/s時，微小孔鉆削的綜合質量最好.

微小孔鉆削;氣浮渦輪主軸;圖像處理;最小二乘圓法

隨著科學技術的發(fā)展和尖端產(chǎn)品的日益精密化、集成化和微型化,微小孔鉆削(主要指?1 mm以下)在汽車、電子、光纖通訊和流體控制等領域的應用日益廣泛,對其加工質量的要求也越來越高.盡管加工微小孔的工藝方法有很多,例如激光束、電子束、離子束和電火花加工等,但是應用最廣泛、實用性最強的仍然是機械鉆孔[1-4].鉆削加工是切削條件最惡劣的加工方法之一,微小孔鉆削比普通鉆削更為困難.微鉆頭剛度低、易折斷、鉆頭壽命短，出口毛刺相對較高,加工質量難以保證[5].目前,微小孔鉆削加工尚沒有優(yōu)化的加工參數(shù)可供工藝設計人員選擇,也沒有足夠的加工實例可供參考[4].因此,迫切需要對微小孔鉆削工藝進行研究,優(yōu)化工藝參數(shù),采用最佳鉆削參數(shù)來提高鉆削加工質量和效率.

在微小孔鉆削加工中,一方面,由于微鉆頭的直徑很小,為保證切削速度及加工效率,主軸的轉速要求非常高.此外,在進給速度不變時,提高主軸轉速可大幅度降低鉆削軸向力和扭矩,減輕切削負荷,降低鉆頭折斷的幾率.另一方面,為保證微小孔的加工質量,主軸本身需要較高的回轉精度[6].氣浮渦輪主軸由空氣軸承支撐、氣動渦輪驅動,由于具有結構緊湊、精度高、轉速高、摩擦功耗小、熱變形極小等優(yōu)點,適用于微小孔鉆削加工[7-8].

鎂合金密度小,比強度高,散熱好,廣泛應用于航空、航天、電子及通訊、汽車配件等領域[9].本文應用自制的氣浮渦輪主軸在鎂合金AZ31B板材上進行?0.5 mm微小孔鉆削試驗,研究了主軸轉速和進給速度對微小孔表面毛刺高度、孔徑偏差及圓度誤差的影響.由于微小孔的孔徑較小,檢測困難,為減小測量誤差,提高測量精度和效率,對于微小孔孔徑及圓度的檢測采用圖像處理的方法.先用顯微鏡采集圖樣,然后用Matlab編寫程序對小孔圖樣進行圖像處理,并采用最小二乘法進行孔徑和圓度的評定.最后對工藝參數(shù)進行綜合優(yōu)化[10],得到最優(yōu)鉆削參數(shù),為今后應用該主軸進行微小孔鉆削加工提供理論和試驗依據(jù).

1 微孔鉆削加工原理及裝置

鉆削加工原理如圖1所示.微型鉆頭通過彈性夾頭和鎖緊螺母安裝在主軸前端,保證鉆頭具有較小的安裝偏差,進而提高鉆孔精度.加工時,主軸高速旋轉,對工件實行分步鉆削,斷續(xù)進給,鉆削一定深度后退出一段距離再繼續(xù)進給,以利于切屑的排出,并且有利于潤滑和冷卻,提高加工精度和鉆頭壽命.氣浮渦輪主軸是微孔鉆削系統(tǒng)的關鍵,該主軸由小孔式靜壓軸承支撐,徑向軸承上有三排按一定角度周向排列的節(jié)流孔,以增強主軸的徑向承載能力.徑向軸承端面和止推軸承形成軸向支承,間隙調整墊用于調整止推軸承的氣膜間隙,轉子由氣動渦輪驅動,以實現(xiàn)高轉速.

1-工件;2-微鉆頭;3-前端蓋;4-外殼;5-徑向軸承;6-轉子; 7-防塵罩;8-間隙調整墊;9-止推軸承;10-后端蓋圖1 微小孔鉆削加工原理圖Fig.1 Principle of micro-drilling

鉆削試驗裝置由自制的超精密數(shù)控復合機床和自制的氣浮渦輪主軸組成.主軸最高轉速50 000 r/min,可夾持刀具最大直徑?7 mm,最大供氣壓強0.6 MPa.鉆頭采用硬質合金(鎢鋼)微型鉆頭,材料為YG6,硬度為89.5 HRA,刃徑?0.5 mm,有效刃長10 mm,鉆頭柄徑3.175 mm,鉆尖角度135°,鉆頭總長38.00±0.20 mm.對厚度為6 mm的鎂合金板材進行通孔鉆削加工,鉆削試驗裝置如圖2所示.

(a)鉆削試驗用機床 (b) 鉆削主軸圖2 微小孔鉆削試驗裝置Fig.2 Micro-drilling test systems

2 試驗條件和方法

2.1 被加工材料

采用鎂合金AZ31B板材作為被加工材料,其機械性能和化學成分分別如表1和表2所示.

表1 鎂合金AZ31B機械性能

Tab.1 Mechanical performance of magnesium alloy AZ31B

材料試件尺寸/(mm×mm×mm)密度/(g·cm-3)硬度/HB鎂合金AZ31B板材170×140×61.7460伸長率/%晶粒度/μm導熱率/(W·m-1·K-1)熔點/℃612153650

表2 鎂合金AZ31B化學成分(質量分數(shù))

Tab.2 Chemical composition of magnesium alloy AZ31B %

w(Al)w(Zn)w(Mn)w(Si)w(Ca)w(Cu)w(Mg)3.21.20.80.070.040.01余量

2.2 試驗方案

主軸轉速和進給速度對微小孔鉆削加工精度影響較大.本文采用全因素試驗法分析了主軸轉速n和進給速度f對所鉆微小孔的毛刺高度h、孔徑偏差e及圓度誤差r的影響(其中圓度誤差是指實際輪廓對選定基準圓圓心的最大半徑差).根據(jù)以往試驗經(jīng)驗,選定鉆削參數(shù)范圍為：轉速20 000～40 000 r/min,進給速度0.2～0.8 mm/s,每個參數(shù)水平鉆3個孔,取均值,每鉆完6個孔換一個鉆頭以降低鉆頭磨損的影響.試驗前,采用MTI-2100光纖測距儀,測得主軸的徑向跳動小于1 μm,軸向跳動小于0.6 μm,工藝參數(shù)如表3所示.

表3 工藝參數(shù)Tab.3 Process parameters

2.3 測量方法及原理

采用超景深VHX1000采集不同參數(shù)加工后的微小孔圖樣,放大200倍觀測,如圖3所示,測量區(qū)域為1 737.3 μm×1 302.9 μm,測得出口處毛刺高度h為36.43 μm.

圖3 出口處毛刺高度Fig.3 Burr height at the exit

用Matlab編寫程序對入口圖樣進行圖像處理,對原圖樣進行中值濾波、二值化、除噪,用Canny算法提取邊界.孔徑偏差和圓度誤差的評定方法采用最小二乘圓法,簡便易行,且精度較高,其原理如下.

最小二乘圓擬合是以最小二乘圓作為參照圓,使實際輪廓上各點至該圓的偏距的平方和為最小.如圖4所示,O為最小二乘圓圓心,設其坐標為(A,B),R為最小二乘圓半徑,O1為坐標原點,Pi(xi,yi)為實際輪廓上一點,Ri為Pi到參照圓圓心O的距離,設最小二乘圓方程為：

(x-A)2+(y-B)2=R2

(1)

令a=-2A,b=-2B,c=A2+B2-R2，則

x2+y2+ax+by+c=0

(2)

求出參數(shù)a,b,c即可解出最小二乘圓.設目標函數(shù)為F(a,b,c),

(3)

令F(a,b,c)對a,b,c求偏導,令偏導等于0,得到齊次線性方程組后,求解得出a,b,c的值即可.解出最小二乘圓之后,孔徑偏差為：

e=2×(R-R0)

(4)

式中：R0為無偏差情況下的理想圓半徑,即鉆頭直徑,為常數(shù).

圓度誤差為：

r=max{Ri}-min{Ri}

(5)

圖4 最小二乘圓原理圖Fig.4 Priciple of the least square circle

依據(jù)上述原理編寫程序計算孔徑偏差e及圓度誤差r,整個圖像處理過程如圖5所示.

目前認為引起硬膜外血腫的高危或形成因素如下[4]：(1)高齡患者、女性、同時合并脊柱疾病或凝血功能異常；(2)穿刺針太粗，穿刺或置管時損傷血管造成出血；(3)圍術期抗凝或溶栓治療等。硬膜外穿刺針在穿刺的時候可能損傷血管，而置入或拔出硬膜外導管的時候，若患者本身凝血功能障礙或處于抗凝治療，此時發(fā)生硬膜外血腫的風險就會增加。

圖5 圖像處理過程Fig.5 Image processing

3 試驗結果與分析

在得到測量及計算結果之后,分析進給速度和轉速對各指標的影響.

3.1 毛刺高度的影響因素

鉆削過程中,當鉆頭即將鉆通工件時,待切除材料變得很薄,抵抗變形的能力下降,會產(chǎn)生向下的塑性變形.此后,由于鉆頭的切削狀況發(fā)生了變化,已不再是完全的切削狀態(tài),用于切削的能量部分被熱損耗和彈性變形消耗掉了.隨著鉆削加工繼續(xù)進行,工件材料因受擠壓和局部高溫使變形量進一步加大,鉆頭最終鉆出工件時,部分因塑性變形而未切除的孔底材料殘留在孔口邊緣,從而形成出口毛刺[11].出口毛刺的存在嚴重地影響著工件的尺寸精度、配合精度和表面粗糙度等,是評定微小孔加工質量的重要指標之一[12].鉆削過程中影響毛刺成形的因素較多,主要包括鉆頭結構、鉆頭材料、切削條件和鉆頭磨損等,本文在鉆頭結構、材料及磨損一定的情況下,主要研究鉆削用量對微小孔出口毛刺高度的影響.

3.1.1 進給速度對毛刺高度的影響

進給速度對毛刺高度的影響如圖6所示.隨著進給速度的增大,毛刺高度先減小后增大.當進給速度低于0.4 mm/s時,隨著進給速度的增大,切削溫度升高,切削區(qū)工件材料軟化,刀具更易于切削,從而使軸向鉆削力降低,出口毛刺減小；當進給速度高于0.4 mm/s時,隨著進給速度的增加,單位切除率增加,刀具的負載急劇增大,軸向鉆削力增大使得出口毛刺增大[13].當轉速n=30 000 r/min,進給速度f=0.4 mm/s時,毛刺高度最小.

圖6 進給速度對毛刺高度的影響Fig.6 Influence of feed rate on burr height

3.1.2 轉速對毛刺高度的影響

轉速對毛刺高度的影響如圖7所示.隨著主軸轉速的增大,毛刺高度先減小后增大.當轉速低于30 000 r/min時,隨著轉速的提高,切削溫度升高,切削區(qū)工件材料軟化,切削性能改善,軸向鉆削力減小,故出口毛刺高度降低；當主軸轉速大于30 000 r/min時,一方面隨著轉速的增加,單位切除率增加,刀具的負載急劇增大,另一方面由于深孔鉆削排屑能力極差,溫度過高使得部分切屑熔結粘附在刀刃上,導致軸向鉆削力增大,出口毛刺高度增大.

圖7 轉速對毛刺高度的影響Fig.7 Influence of rotational speed on burr height

3.2 孔徑偏差的影響因素

3.2.1 進給速度對孔徑偏差的影響

進給速度對孔徑偏差的影響如圖8所示.當轉速低于40 000 r/min時,隨著進給速度的增大,孔徑偏差呈減小的趨勢,當轉速相同時,低進給使刀具和材料的作用時間更長,故所得孔徑偏差更大,所以隨著進給速度的增大,孔徑偏差呈減小的趨勢；當轉速高于40 000 r/min時,由于主軸轉速較大,振動與跳動變大,刀具的動態(tài)穩(wěn)定性變差,隨著進給速度的增大,鉆頭所受軸向力變大,鉆頭微彎故引起孔徑偏差變大.當轉速n=25 000 r/min,進給速度f=0.8 mm/s時,孔徑偏差最小.

圖8 進給速度對孔徑偏差的影響Fig.8 Influence of feed rate on aperture error

3.2.2 轉速對孔徑偏差的影響

轉速對孔徑偏差的影響如圖9所示.隨著轉速的增大,孔徑偏差呈增大的趨勢.隨著主軸轉速的增大,系統(tǒng)動不平衡變大,進而振動與跳動變大,刀具的動態(tài)穩(wěn)定性變差,故引起孔徑偏差變大.

圖9 轉速對孔徑偏差的影響Fig.9 Influence of rotational speed on aperture error

3.3 圓度誤差的影響因素

圓度誤差的評定采用最小二乘法,以被測圓輪廓上相應各點至圓周距離的平方和為最小的圓的圓心為圓心,所作包容被測圓輪廓的兩同心圓的半徑差即為圓度誤差,即r=Rmax-Rmin.圓度誤差是表征微小孔精度的重要指標,對產(chǎn)品的壽命、工作精度及穩(wěn)定性、噪聲等都會有較大的影響,本文主要探討鉆削用量對入口圓度誤差的影響.

3.3.1 進給速度對圓度誤差的影響

進給速度對圓度誤差的影響如圖10所示.隨著進給速度的增大,圓度誤差先小幅減小而后增大.當進給速度低于0.4 mm/s時,隨著進給速度的增大,切削熱增加使得切削溫度升高,切削區(qū)工件材料軟化,刀具更易于切削,鉆頭振動減小,從而使圓度誤差減??；當進給速度高于0.4 mm/s時,隨著進給速度的增加,單位切除率增加,刀具的負載急劇增大,軸向鉆削力增大,由于鉆頭剛度有限,鉆頭擺動加大,因此圓度誤差增大.當轉速n=20 000 r/min,進給速度f=0.4 mm/s時,圓度誤差最小.

圖10 進給速度對圓度誤差的影響Fig.10 Influence of feed rate on roundness error

3.3.2 轉速對圓度誤差的影響

轉速對圓度誤差的影響如圖11所示.隨著轉速的增大,圓度誤差呈增大的趨勢.當轉速低于30 000 r/min時,隨著轉速的增大,圓度誤差緩慢增加；當轉速高于30 000 r/min時,隨著轉速的增大,一方面系統(tǒng)振動與跳動變大,刀具的動態(tài)穩(wěn)定性變差,另一方面高速切削時產(chǎn)熱過多,工件材料受熱發(fā)生變形,故圓度誤差急劇增大.

圖11 轉速對圓度誤差的影響Fig.11 Influence of rotational speed on roundness error

4 綜合優(yōu)化

表4 極差分析Tab.4 Range analysis μm

定義指定參數(shù)在i水平下對毛刺高度的影響率Ch,i為：

Ch,i=(hmax-hi)/Rh

(6)

式中：hmax為指定參數(shù)在所有水平下的最大毛刺高度；hi為相應參數(shù)在i水平下的毛刺高度.Ch,i越大,表示相應參數(shù)在i水平下對毛刺高度的影響程度越大,所獲得的毛刺高度越低.根據(jù)式(6)和表4計算參數(shù)n，f在各水平下對毛刺高度的影響率,如表5所示.

表5 鉆削參數(shù)對毛刺高度的影響率Tab.5 Influence ratio of drilling parameters on burr height

定義指定參數(shù)在i水平下對孔徑偏差的影響率Ce,i為：

Ce,i=(emax-ei)/Re

(7)

式中：emax為指定參數(shù)在所有水平下的最大孔徑偏差；ei為相應參數(shù)在i水平下的孔徑偏差.Ce,i越大,表示相應參數(shù)在i水平下對孔徑偏差的影響程度越大,所獲得的孔徑偏差越低.根據(jù)式(7)和表4計算參數(shù)n，f在各水平下對毛刺高度的影響率,如表6所示.

表6 鉆削參數(shù)對孔徑偏差的影響率

Tab.6 Influence ratio of drilling parameters on aperture error

水平12345n10.880.530.350f00.590.941-

定義指定參數(shù)在i水平下對圓度誤差的影響率Cr,i為：

Cr,i=(rmax-ri)/Rr

(8)

式中：rmax為指定參數(shù)在所有水平下的最大圓度誤差；ri為相應參數(shù)在i水平下的圓度誤差.Cr,i越大,表示相應參數(shù)在i水平下對圓度誤差的影響程度越大,所獲得的圓度誤差越小.根據(jù)式(8)和表4計算參數(shù)n，f在各水平下對圓度誤差的影響率,如表7所示.

表7 鉆削參數(shù)對圓度誤差的影響率Tab.7 Influence ratio of drilling parameters on roundness error

定義指定參數(shù)在i水平下對各指標的綜合影響率Ci為：

Ci=Ch,i+Ce,i+Cr,i

(9)

Ci越大,表示該參數(shù)在i水平下對各指標的綜合影響程度越大,這時既可獲得較低的毛刺高度,又能獲得較小的孔徑偏差和圓度誤差,根據(jù)式(9)對表5～表7求和,計算轉速n和進給速度f在各水平下的綜合影響率,如表8所示.

表8 鉆削參數(shù)的綜合影響率

Tab.8 Comprehensive influence ratio of drilling parameters

水平12345n2.552.542.241.260f1.532.591.831-

由表8可知,n1和f2的綜合影響率最大,故最佳參數(shù)組合為n1f2,即轉速n=20 000 r/min,進給速度f=0.4 mm/s時,工件綜合質量較好.

5 結 論

1)隨著轉速和進給速度的增大,毛刺高度先減小后增大,進給速度對毛刺高度的影響程度較大,當轉速n=30 000 r/min,進給速度f=0.4 mm/s時,毛刺高度最小.

2)低轉速時,隨著進給速度的增大,孔徑偏差呈減小的趨勢;高轉速時,隨著進給速度的增大,孔徑偏差緩慢增大.隨著轉速的增大,孔徑偏差逐漸增大.轉速對孔徑偏差的影響程度較大,當轉速n=25 000 r/min,進給速度f=0.8 mm/s時,孔徑偏差最小.

3)隨著轉速和進給速度的增大,圓度誤差逐漸增大,轉速對圓度誤差的影響程度較大,當轉速n=20 000 r/m,進給速度f=0.4 mm/s時,圓度誤差最小.

4)通過綜合優(yōu)化,得到了鎂合金AZ31B微孔鉆削參數(shù)的最佳組合,即轉速n=20 000 r/min,進給速度f=0.4 mm/s,此時,既可獲得較低的毛刺高度,又能獲得較小的孔徑偏差和圓度誤差.

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Experimental Research on Micro-drilling Applying Turbine-driven Air Spindle

YIN Shaohui1?,ZHANG Zhen1,HU Tian2,MAO Pengcheng1,CHEN Fengjun1,ZHANG Yi3

(1.National Engineering Research Center for High Efficiency Grinding，Hunan University，Changsha 410082，China；2.Changsha Nameite Ultra Precision Manufacturing Technology Company，Changsha 410100，China；3.Center for Intelligent Laser Manufacturing， Hunan University，Changsha 410082，China)

A micro-drilling process using a turbine-driven air spindle was developed to improve drilling quality.Some drilling experiments for drilling ?0.5 mm holes magnesium alloy AZ31B sheet were carried out.The influences of rotational speed and feed rate on burr height at the exit of the micro-hole,saperture error and roundness error at the entrance were investigated.The aperture error and the roundness error were obtained by the image processing and the least square method.Drilling parameters were optimized synthetically.The results show that performance of the spindle is in a good condition.When the rotational speed is 20 000 r/min and the feed rate is 0.4 mm/s,the comprehensive quality of micro-drilling reached the best.

micro-drilling；turbine-driven air spindle；image processing；least square circle method

1674-2474(2017)08-0001-07

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.08.001

2017-02-14

國家自然科學基金資助項目(51205120),National Natural Science Foundation of China(51205120)；國際科技合作項目(2014DFG72480)，International Science and Technology Cooperation Project(2014DFG72480)

尹韶輝(1967-),男,湖南湘潭人,湖南大學教授,博士生導師

?通訊聯(lián)系人,E-mail：yinshaohui@hnu.edu.cn

TG52

A