CN109047852B - 一种深孔机床轴-扭复合激振试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深孔机床轴‑扭复合激振试验方法，通过对深孔机床轴‑扭复合激振实验装置中的模块组件进行调整，从而实现轴向激振、单向轴扭复合激振和往复轴扭复合激振三种振动形式。根据深孔加工过程中，对深孔直线度或轴线偏斜的钻削质量要求的不同，实现四种钻削运动方式之间的切换；四种钻削运动方式分别包括：运动方式一、工件旋转，刀具作进给运动；运动方式二、工件不动，刀具旋转又做进给运动；运动方式三、工件旋转，刀具作相反方向旋转及进给运动；运动方式四、工件做旋转与进给运动；振动钻削的三种振动形式以及钻削的四种钻削运动方式能相互结合，从而拓展机床加工适用范围。
Description
技术领域
本发明涉及深孔加工领域，特别是一种深孔机床轴-扭复合激振试验方法。
背景技术
随着工业技术发展，深孔加工已广泛应用于能源(石油采掘、煤炭、电力)、航空航天、冶金、汽车、化工等领域且所占比重日益突出。目前，在整个机械加工体系中孔加工大约占30%，其中40%以上的孔加工属于深孔加工的范畴，有22%是对于实心材料的加工，并且相关数据表明，钻头的产量约占刀具总产量的60％。
二十世纪五十年代，振动钻削理念由隈部淳一郎教授率先提出。相较于普通钻削，振动钻削有着十足的优势：断屑可靠，排屑顺畅，切削力和切削温度降低，加工精度提高，刀具寿命延长。自振动钻削面世70年来，其优越的切削性能和广阔的发展空间激发着国内外学者前赴后继地展开研究。
目前，振动钻削在常规领域已经卓有成效，并且衍生出了不少形式的激振仪器，但这些激振仪器对于深孔加工领域而言，存在以下方面的一些问题：
1.大多是是超声激振仪器，这类激振器体积大、造价昂贵，实验形式单一，不适合实验研究使用。
2.大多为低频激振器，精度不够，难以维持稳定的振幅，深孔加工质量大打折扣。
3.现有激振装置多以轴向振动为主，激振形式单一。另外，现有的振动装置多是通过激振钻体来实现预期运动，此类装置对于钻柄的结构有着诸多限制。
4.深孔加工的出现极大地提高了加工孔的质量、丰富了加工孔的形式。但是在加工钛合金这类材料时，深孔加工的质量和效率不可避免地受到了影响。传统切削加工方法很难再将深孔加工质量提升上一个台阶，同时，我国机械制造产业的不断发展，也对深孔加工精度和表面质量提出了更为严苛的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种深孔机床轴-扭复合激振试验方法，该深孔机床轴-扭复合激振试验方法能实现三种不同振动方式的切换，能提高深孔钻削效率和加工质量。在维持枪钻正常进给的条件下，将工件固定在激振台上随着激振台做轴向振动，此外，工件还可以做往复的扭转运动，满足试验平台的设计要求。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种深孔机床轴-扭复合激振试验方法，通过对深孔机床轴-扭复合激振实验装置中的模块组件进行调整，从而实现轴向激振、单向轴扭复合激振和往复轴扭复合激振三种振动形式。
根据深孔加工过程中，对深孔直线度或轴线偏斜的钻削质量要求的不同，实现四种钻削运动方式之间的切换；四种钻削运动方式分别包括：运动方式一、工件旋转，刀具作进给运动；运动方式二、工件不动，刀具旋转又做进给运动；运动方式三、工件旋转，刀具作相反方向旋转及进给运动；运动方式四、工件做旋转与进给运动。
振动钻削的三种振动形式以及钻削的四种钻削运动方式能相互结合，从而拓展机床加工适用范围。
轴向激振的试验方法，包括如下步骤。
步骤11，激振试验装置组装：将轴向激振单元与加工机床进行安装；然后，将待深孔加工的工件安装固定在工件轴向固定组件上。
步骤12，振动电机参数设置：先将两个振动电机通过联锁实现同步控制；然后，根据设定的振幅和激振力，调节两块偏重块之间的夹角；同时，通过变频器设置振动电机的振动频率在20~50Hz及转速。
步骤13，轴向激振：振动电机同步启动，工件及参振机体同步振动。
步骤14，轴向振幅测量：振幅实时测量显示单元对工件及参振机体的轴向振幅进行测试，当测试的轴向振幅的波动范围满足设定要求时，记录此时的轴向振幅。
步骤15，轴向振幅调整：将步骤14记录的轴向振幅与步骤12中设定的振幅进行比较，当两者不一致时，再次调整两块偏重块之间的夹角，并重复步骤13至步骤14，直至记录的轴向振幅与设定的振幅相一致。
步骤16，深孔加工：轴向振幅调整完成后，使用钻头对装夹在工件轴向固定组件上的工件进行深孔加工试验。
单向轴扭复合激振的试验方法，包括如下步骤。
步骤21，激振试验装置组装：将轴向激振单元中的工件轴向固定组件进行拆除或将往复扭转组件中的连杆机构进行拆除；然后，将单向扭转组件和工件扭转夹持组件与参振机体可拆卸连接，待深孔加工的工件安装固定在工件扭转夹持组件上；工件的传动端与单向扭转组件中减速机一的输出轴相连接。
步骤22，振动电机及伺服电机一参数设置：振动电机参数的设置方法同步骤12；伺服电机一设置初始转速。
步骤23，单向轴扭复合激振：伺服电机一和振动电机均同步启动，工件及参振机体同步振动；同时，工件与三爪卡盘均进行单向扭转运动。
步骤24，轴向振幅测量：振幅实时测量显示单元对工件及参振机体的轴向振幅进行测试，当测试的轴向振幅的波动范围满足设定要求时，记录此时的轴向振幅。
步骤25，轴向振幅调整：将步骤24记录的轴向振幅与步骤22中设定的振幅进行比较，当两者不一致时，再次调整两块偏重块之间的夹角，并重复步骤23至步骤24，直至记录的轴向振幅与设定的振幅相一致。
步骤26，深孔加工：轴向振幅调整完成后，使用钻头对装夹在工件扭转夹持组件上的工件进行深孔加工试验。
往复轴扭复合激振的试验方法，包括如下步骤。
步骤31，激振试验装置组装：将轴向激振单元中的工件轴向固定组件进行拆除或将单向扭转组件进行拆除或单向扭转组件解除与工件传动端的连接；然后，将往复扭转组件和工件扭转夹持组件与参振机体可拆卸连接，待深孔加工的工件安装固定在工件扭转夹持组件上；工件的传动端与连杆机构中的长曲柄相连接。
步骤32，振动电机、伺服电机及伸缩连杆参数设置：振动电机参数的设置方法同步骤12；伺服电机设置初始转速；伸缩连杆调整至设定长度。
步骤33，往复轴扭复合激振：伺服电机和振动电机均同步启动，工件及参振机体同步振动；同时，工件与三爪卡盘均进行往复扭转运动。
步骤34，轴向振幅测量：振幅实时测量显示单元对工件及参振机体的轴向振幅进行测试，当测试的轴向振幅的波动范围满足设定要求时，记录此时的轴向振幅。
步骤35，轴向振幅调整：将步骤34记录的轴向振幅与步骤32中设定的振幅进行比较，当两者不一致时，再次调整两块偏重块之间的夹角，并重复步骤33至步骤34，直至记录的轴向振幅与设定的振幅相一致。
步骤36，深孔加工：轴向振幅调整完成后，使用钻头对装夹在工件扭转夹持组件上的工件进行深孔加工试验。
轴向激振的试验方法，还包括步骤17，同一轴向振幅下不同振动频率的深孔加工试验：在步骤12中，通过改变变频器的频率，重复步骤13至步骤16，实现同一轴向振幅下不同频率的深孔加工试验。
轴向激振的试验方法，还包括步骤18，不同振幅和激振力下的深孔加工试验：在步骤12中，通过改变两块偏重块之间的夹角，重复步骤13至步骤17，实现不同轴向振幅和激振力下的深孔加工试验。
单向轴扭复合激振的试验方法，还包括步骤27，同一轴向振幅下不同振动频率的深孔加工试验：在步骤22中，通过改变变频器的频率，重复步骤23至步骤26，实现同一轴向振幅下不同频率的深孔加工试验。
单向轴扭复合激振的试验方法，还包括步骤28，同一轴向振幅下不同转速时的深孔加工试验：在步骤22中，改变伺服电机一的转速，重复步骤23至步骤27，实现同一轴向振幅下不同转速时的深孔加工试验。
单向轴扭复合激振的试验方法，还包括步骤29，不同振幅和激振力下的深孔加工试验：在步骤22中，通过改变两块偏重块之间的夹角，重复步骤23至步骤28，实现不同轴向振幅和激振力下的深孔加工试验。
往复轴扭复合激振的试验方法，还包括步骤37，同一轴向振幅下不同振动频率的深孔加工试验：在步骤32中，通过改变变频器的频率，重复步骤33至步骤36，实现同一轴向振幅下不同频率的深孔加工试验。
往复轴扭复合激振的试验方法，还包括步骤28，同一轴向振幅下不同扭转幅度时的深孔加工试验：在步骤32中，改变伸缩连杆的伸缩长度，重复步骤33至步骤37，实现同一轴向振幅下不同扭转幅度时的深孔加工试验。
往复轴扭复合激振的试验方法，还包括步骤39，不同振幅和激振力下的深孔加工试验：在步骤22中，通过改变两块偏重块之间的夹角，重复步骤33至步骤38，实现不同轴向振幅和激振力下的深孔加工试验。
当钻入、钻削和钻出三区段轴向振动钻削与工件旋转、刀具作反向旋转及进给运动相结合时，应使枪钻转速和工件转速大小相等；若枪钻主轴最高转速大于切削转速，在启动机床时，主动降低枪钻转速，再以工件反向旋转转速进行叠加，以此保证实际切削转速不变；若枪钻主轴转速小于所需切削转速，在安全钻削前提下，将主轴转速与工件反向转速进行匹配，以此满足实际切削转速需求。
本发明具有如下有益效果：
第一、本发明仅针对深孔枪钻钻削。在实际加工中，由于枪钻长径比较大，钻杆刚度较低，在深孔枪钻钻削系统中，枪钻自身受弹性因素及过程阻尼影响，钻杆振幅衰减严重，不能有效实现预期目标，故本次设计选择激振工件实现来振动钻削可有效降低振幅衰减幅度。
第二、工件安装基座中安置了一对圆锥滚子推力轴承，并用一对法兰在其两端进行螺钉锁紧，将工件与参振机体固接为一个整体。既将轴向力传递给了参振机体，又有效消除了轴向游隙对加工带来的不利影响。
第三、采用伺服电机和减速机搭配作为动力输入，输入的扭矩更大，过程也更为稳定。调节转速和扭矩大小时也更为简单。
第四、在振动切削领域很多激振仪器都是采用超声波高频振动以及机械式低频振动，存在体积大、价格昂贵、响应不够及时等主要问题。创新性地采用振动电机作为激振源，在达到设计要求的同时，兼具经济性的优势。
第五、通过变频器调节电源频率进而调节电机转速和激振频率，调节两个偏重块的夹角大小以改变激振力及振幅。并辅以电路将两台振动电机联锁，使其在运转过程中完全同步，消除振动方向以外的振动分力的影响，使机体的振动轨迹呈直线型，满足深孔加工的要求。
第六、使用伸缩连杆传递运动，螺纹套筒两端的螺纹是反向的，当将其顺时针方向旋转时，上螺纹杆和下螺纹杆将在螺纹的啮合作用下向远离螺纹套筒的方向移动，增大了曲柄间的距离，导致工件及三爪卡盘往复扭转运动的幅度减小。反之，将会减小曲柄间的距离，导致工件及三爪卡盘往复扭转的幅度增大。调节的操作较为简单。
第七、结构完全对称，质心在中心竖直平面上，在安装振动电机时更容易估算机体的质心位置，尽可能地保证加工过程的平稳。
第八、体现模块化思想，只需轴向振动时，可以撤去扭转单元，直接换上工件轴向固定组件，并辅以测力装置等。
第九、既可以单向扭转，也可以实现周期往复扭转。
第十、体积较小，结构简单，运行稳定，制造和维护的成本较低，功能多样，满足实验平台设计要求。
附图说明
图1显示了本发明一种深孔机床轴-扭复合激振实验装置的俯视图。
图2显示了本发明一种深孔机床轴-扭复合激振实验装置的纵剖面图。
图3显示了本发明中连杆机构的放大示意图。
其中有：
11.振动电机；111.固定偏重块；112.活动偏重块；
12.参振机体；121.振动平台；
13.安装基座；131.滑块；132.滑轨；
211.伺服电机；212.减速机；213.联轴器；214.驱动轴；
22.连杆机构；
221.短曲柄；222.长曲柄；223.上螺纹杆；224.螺纹套筒；225.下螺纹杆；
23.三爪卡盘；
241.伺服电机一；242.伺服电机支架；243.角接触球轴承；
25.圆锥滚子轴承；251.圆锥滚子轴承支座；
31.弹簧阻尼器；32.限位装置；
40.工件。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1和图2所示，一种深孔机床轴-扭复合激振实验装置，包括轴向激振单元、扭转单元、振幅实时测量显示单元和机体减震单元。
轴向激振单元，用于使待深孔加工的工件进行轴向振动。轴向激振单元包括变频器、振动电机11、参振机体12和工件轴向固定组件。
振动电机的数量为两个，对称设置在参振机体的两侧，两个振动电机的质心与参振机体的质心相重合。
参振机体底部为振动平台121，振动平台与安装基座13水平滑动连接，优选，安装基座上优选设置有滑轨132，振动平台底部优选设置有滑块131，滑块与滑轨滑动配合。
安装基座优选固定在加工机床上。
参振机体包括各安装支架和元器件等，选择振动电机时需要考虑其整体的质量。两台振动电机通过螺栓固定安装在参振机体两侧，其质心通过参振机体的质心。
两个振动电机能同步振动，优选通过联锁控制。
每个振动电机均连接一个变频器，变频器通过调节输入电源频率，从而调节振动电机的转速和振动频率，频率在20Hz至50Hz区间内均可调。
每个振动电机的电机轴两端各设置两个角度能调节的偏重块。两个偏重块分别为固定偏重块111和活动偏重块112，其中，固定偏重块111的位置固定，活动偏重块112能相对振动电机的电机轴转动。通过调节两块偏重块的相对位置即可改变质心的位置。当两块偏重块相互靠近使其夹角减小时，偏心块质心回转半径变大，反之变小，激振力也随之相应地增大或减小。振幅在微米级可调，优选为5~20微米调节；激振力在1500N至2000N区间内可调。
工件轴向固定组件与参振机体可拆卸连接，用于将待深孔加工的工件进行位置固定。工件轴向固定组件优选包括V型架和可拆卸设置在V型架顶部的夹紧压板。当然作为替换，也可以为现有技术中的其他结构。
扭转单元用于使待深孔加工的工件进行单向或周期往复扭转，当工件轴向固定组件与参振机体拆除后，扭转单元能与参振机体可拆卸连接。
扭转单元包括单向扭转组件、周期往复扭转组件和工件扭转夹持组件。
工件扭转夹持组件包括同轴设置的圆锥滚子轴承支座251和三爪卡盘23。
圆锥滚子轴承支座与参振机体可拆卸连接，圆锥滚子轴承支座中优选安装有一对圆锥滚子推力轴承25，并用一对法兰在其两端进行螺钉锁紧，将工件与参振机体固接为一个整体。既将轴向力传递给了参振机体，又有效消除了轴向游隙对加工带来的不利影响。
待深孔加工的工件，简称工件40，包括加工端和传动端。
待深孔加工的工件的加工端与三爪卡盘固定连接，待深孔加工的工件的中部安装在圆锥滚子推力轴承内。工件能够传递扭矩和运动，带动三爪卡盘一起扭转。
单向扭转组件包括伺服电机一241和减速机一，减速机一的入力轴与伺服电机一的电机输出轴相连接，减速机一的输出轴与待深孔加工的工件的传动端可拆卸连接。
周期往复扭转组件包括两个伺服电机211、两个减速机212、两根联轴器213、两根驱动轴214和连杆机构22。
两个伺服电机同轴且相向设置，伺服电机作为动力输入，额定输入转速在3000r/min。
每个伺服电机的电机输出轴均与减速机的入力轴相连接，减速机的输出轴均通过联轴器连接一根驱动轴。减速机是为了降低输出转速以及增大输出扭矩，采用抱紧装置连接伺服电机出力轴和行星减速机入力轴，再用螺栓锁紧连接法兰，选用的减速比（输入转速与输出转速的比值）优选为10，这有效地将输出扭矩提升至20～30N·m；联轴器联接减速机输出轴与驱动轴，使之共同旋转并传递扭矩，起到缓冲、减震以及提高轴系动态性能的作用；驱动轴端部优选为花键结构，能够有效传递大扭矩。
如图2和图3所示，连杆机构包括两个短曲柄221、两根长曲柄222和伸缩连杆。
两个短曲柄的一端分别与对应的驱动轴相连接，优选通过花键联接；两个短曲柄的另一端分别与伸缩连杆的顶端相铰接；两个长曲柄的一端分别与伸缩连杆的底端相铰接，两个长曲柄的另一端分别与待深孔加工的工件的传动端可拆卸连接。
伸缩连杆的长度能够调节，从而改变长曲柄的往复运动幅度，即能够改变工件的的往复扭转幅度。
伸缩连杆优选包括螺纹套筒224、上螺纹杆223和下螺纹杆225；螺纹套筒顶部内腔和底部内腔中的螺纹方向相反，上螺纹杆的顶端与两个短曲柄相铰接，上螺纹杆的底部与螺纹套筒的顶部内腔螺纹配合；下螺纹杆的顶端与螺纹套筒的底部内腔螺纹配合，下螺纹杆的底端与两个长曲柄相铰接。
当只需单向扭转时，在工件的传动端直接加上伺服电机一与减速机一的组合即可，就不需要连杆机构了；三爪卡盘优选通过螺纹与工件联接，工作更为可靠。
振幅实时测量显示单元用于对轴向激振单元的轴向振幅进行实时检测与显示。振幅实时测量显示单元优选包括压电加速度计和显示元件。压电加速度计优选设置在参振机体上。
压电加速度计工作原理：某些晶体在一定方向上受力变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为“压电效应”。 压电加速度计利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。其产生的电信号经过电荷放大器等所述的一系列电路处理，最终在所述的显示元器件上实时显示。机体振动的位移稳定时才不至于导致枪钻破损，故设计在机体上装置一个测量振幅的装置，可以实时测得振幅的数值。待幅值稳定后，再进给枪钻切削。
机体减震单元包括减震弹簧、弹簧阻尼器和限位装置。
弹簧阻尼器设置在参振机体与安装基座之间。因为振动电机在机械和电磁方面的不足或不稳定会产生额外的振动，为了减少这些因素的影响，所以采用减震橡胶这一经济有效的方法。
伺服电机及伺服电机一均优选通过伺服电机支架与参振机体相连接，减震弹簧设置在伺服电机支架与参振机体之间。，用以削弱轴向振动带来的冲击。振动台的运动轨迹是直线型的，因此其不会对机床产生竖直方向的振动，只需削弱振动台对机床轴向的振动即可。振动台与安装基座通过直线滑轨连接，可以实现轴向的滑移。但是，机床加工平台与振动台安装基座是通过螺栓固性连接，因此轴向振动产生的冲击会传递到加工平台之上，增加了加工系统的不稳定性。鉴于此，在安装基座与振动台之间加装阻尼弹簧减震器，削弱轴向振动带来的冲击。
限位装置设置在安装基座的两端，用于对参振机体的轴向滑动位移进行限位。限位装置是为了有效防止工件与钻头之间的冲击的发生，安装基座上两端设有限位装置，限制振动台所能达到的最大位移。这样，在加工开始时的一次对刀过后，接下来的加工过程中，振动台的运动均可视为位移与枪钻进给方向相同的稳定往复运动，保证了加工过程的稳定。
本申请中，整体结构是关于中心线对称的，这对于保证振动过程的稳定很重要。
扭转单元有两种运动形式，伺服电机+减速机+联轴器+传动轴的单向扭转；伺服电机+减速机+联轴器+驱动轴+连杆机构+传动轴的周期往复扭转。
安装时，两台振动电机的质心要与参振机体的质心尽量重合，且需要辅助电路对其进行联锁，使其运转时完全同步，消除振动方向以外的振动分力的影响。
本发明融入了模块化的思想，保存轴向激振模块，撤去扭转模块时，可以换上V型块夹持棒料工件进行纯粹的轴向振动，还可以附加测力装置。
工件与扭转激振装置同安装在激振架上，实现工件的轴向振动和扭转。轴向的振幅在微米级可调节，能够承受超过2000N的轴向冲击载荷，不会出现卡死或者噪声太大的状况。结构紧凑，设计目标是可以加载长度在300mm至400mm、直径在20mm至30mm的工件。可以有效帮助减小切削力、降低切削热、提高工件表面质量和加工精度、优化切屑处理、延长刀具寿命、增强加工的稳定性、提高生产效率。
一种深孔机床轴-扭复合激振试验方法，通过对深孔机床轴-扭复合激振实验装置中的模块组件进行调整，从而实现轴向激振、单向轴扭复合激振和往复轴扭复合激振三种振动形式。
根据深孔加工过程中，对深孔直线度或轴线偏斜的钻削质量要求的不同，实现四种钻削运动方式之间的切换。
四种钻削运动方式分别包括：
运动方式一、工件旋转，刀具作进给运动；由于工件在被加工的时候，孔径总是转动到主轴的回转中心，所以孔能获得较高的轴向直线度，如果工件的旋转中心与刀具属于同轴度，加工出来的内孔拥有很高的直线度和圆度。
运动方式二、工件不动，刀具旋转又做进给运动；刀具旋转进给的缺点是：刀杆的刚度低，一旦由于某些原因使刀具切入时偏离预定路线，它就会继续偏斜下去而无法自行纠正；由于刀杆自身的弯曲或夹持不正等原因，易产生振动而增加孔的粗糙度，但是刀具旋转进给的方式可以加工几乎所有的深孔零件，所以采用这种加工方式加工极为普遍。
运动方式三、工件旋转，刀具作相反方向旋转及进给运动；采取工件旋转刀具反向旋转进给方式。其好处是即使刀具切入工件时稍许偏离工件轴线，由于工件旋转，因此最初钻出的孔只有直径上的缩小（当切削刃切入工件而导向块尚未进入时）或扩大（当导向块开始进入时），只要钻套与刀具之间的间隙不大，即使钻套有一定的偏心，也不会造成孔的偏斜。可以使走偏倾斜量最低化，因而加工出的深孔可以获得更高的同轴度和直线度。
运动方式四、工件做旋转与进给运动。
其中，轴向激振的试验方法，包括如下步骤。
步骤11，激振试验装置组装：将轴向激振单元与加工机床进行安装；然后，将待深孔加工的工件安装固定在工件轴向固定组件上。
步骤12，振动电机参数设置：先将两个振动电机通过联锁实现同步控制；然后，根据设定的振幅和激振力，调节两块偏重块之间的夹角；同时，通过变频器设置振动电机的振动频率在20~50Hz及转速。
步骤13，轴向激振：振动电机同步启动，工件及参振机体同步振动。
步骤14，轴向振幅测量：振幅实时测量显示单元对工件及参振机体的轴向振幅进行测试，当测试的轴向振幅的波动范围满足设定要求时，记录此时的轴向振幅。
步骤15，轴向振幅调整：将步骤14记录的轴向振幅与步骤12中设定的振幅进行比较，当两者不一致时，再次调整两块偏重块之间的夹角，并重复步骤13至步骤14，直至记录的轴向振幅与设定的振幅相一致。
步骤16，深孔加工：轴向振幅调整完成后，使用钻头对装夹在工件轴向固定组件上的工件进行深孔加工试验。
步骤17，同一轴向振幅下不同振动频率的深孔加工试验：在步骤12中，通过改变变频器的频率，重复步骤13至步骤16，实现同一轴向振幅下不同频率的深孔加工试验。
步骤18，不同振幅和激振力下的深孔加工试验：在步骤12中，通过改变两块偏重块之间的夹角，重复步骤13至步骤17，实现不同轴向振幅和激振力下的深孔加工试验。
单向轴扭复合激振的试验方法，包括如下步骤。
步骤21，激振试验装置组装：将轴向激振单元中的工件轴向固定组件进行拆除或将往复扭转组件中的连杆机构进行拆除；然后，将单向扭转组件和工件扭转夹持组件与参振机体可拆卸连接，待深孔加工的工件安装固定在工件扭转夹持组件上；工件的传动端与单向扭转组件中减速机一的输出轴相连接。
步骤22，振动电机及伺服电机一参数设置：振动电机参数的设置方法同步骤12；伺服电机一设置初始转速。
步骤23，单向轴扭复合激振：伺服电机一和振动电机均同步启动，工件及参振机体同步振动；同时，工件与三爪卡盘均进行单向扭转运动。
步骤24，轴向振幅测量：振幅实时测量显示单元对工件及参振机体的轴向振幅进行测试，当测试的轴向振幅的波动范围满足设定要求时，记录此时的轴向振幅。
步骤25，轴向振幅调整：将步骤24记录的轴向振幅与步骤22中设定的振幅进行比较，当两者不一致时，再次调整两块偏重块之间的夹角，并重复步骤23至步骤24，直至记录的轴向振幅与设定的振幅相一致。
步骤26，深孔加工：轴向振幅调整完成后，使用钻头对装夹在工件扭转夹持组件上的工件进行深孔加工试验。
步骤27，同一轴向振幅下不同振动频率的深孔加工试验：在步骤22中，通过改变变频器的频率，重复步骤23至步骤26，实现同一轴向振幅下不同频率的深孔加工试验。
步骤28，同一轴向振幅下不同转速时的深孔加工试验：在步骤22中，改变伺服电机一的转速，重复步骤23至步骤27，实现同一轴向振幅下不同转速时的深孔加工试验。
步骤29，不同振幅和激振力下的深孔加工试验：在步骤22中，通过改变两块偏重块之间的夹角，重复步骤23至步骤28，实现不同轴向振幅和激振力下的深孔加工试验。
往复轴扭复合激振的试验方法，包括如下步骤。
步骤31，激振试验装置组装：将轴向激振单元中的工件轴向固定组件进行拆除或将单向扭转组件进行拆除或单向扭转组件解除与工件传动端的连接；然后，将往复扭转组件和工件扭转夹持组件与参振机体可拆卸连接，待深孔加工的工件安装固定在工件扭转夹持组件上；工件的传动端与连杆机构中的长曲柄相连接。
步骤32，振动电机、伺服电机及伸缩连杆参数设置：振动电机参数的设置方法同步骤12；伺服电机设置初始转速；伸缩连杆调整至设定长度。
步骤33，往复轴扭复合激振：伺服电机和振动电机均同步启动，工件及参振机体同步振动；同时，工件与三爪卡盘均进行往复扭转运动。
步骤34，轴向振幅测量：振幅实时测量显示单元对工件及参振机体的轴向振幅进行测试，当测试的轴向振幅的波动范围满足设定要求时，记录此时的轴向振幅。
步骤35，轴向振幅调整：将步骤34记录的轴向振幅与步骤32中设定的振幅进行比较，当两者不一致时，再次调整两块偏重块之间的夹角，并重复步骤33至步骤34，直至记录的轴向振幅与设定的振幅相一致。
步骤36，深孔加工：轴向振幅调整完成后，使用钻头对装夹在工件扭转夹持组件上的工件进行深孔加工试验。
步骤37，同一轴向振幅下不同振动频率的深孔加工试验：在步骤32中，通过改变变频器的频率，重复步骤33至步骤36，实现同一轴向振幅下不同频率的深孔加工试验。
步骤28，同一轴向振幅下不同扭转幅度时的深孔加工试验：在步骤32中，改变伸缩连杆的伸缩长度，重复步骤33至步骤37，实现同一轴向振幅下不同扭转幅度时的深孔加工试验。
步骤39，不同振幅和激振力下的深孔加工试验：在步骤22中，通过改变两块偏重块之间的夹角，重复步骤33至步骤38，实现不同轴向振幅和激振力下的深孔加工试验。
本发明仅针对深孔枪钻钻削。在实际加工中，由于枪钻长径比较大，钻杆刚度较低，在深孔枪钻钻削系统中，枪钻自身受弹性因素及过程阻尼影响，钻杆振幅衰减严重，不能有效实现预期目标，故本次设计选择激振工件实现来振动钻削可有效降低振幅衰减幅度。
本发明不仅可以完成振动钻削的模式切换，亦可以完成运动方式的切换，可以根据直线度、轴线偏斜等钻削质量的侧重点不同选择钻削运动方式。同时，运动方式的切换打破了现有机床对实施特定工艺条件的限制，拓展了适用范围。例如，在外界条件类似时，枪钻的直径越小，其所需的转速级就越高。若应用同时相互反转可以获得更高的转速级数，因而为应用枪钻加工时提供了转速的保证。
采取何种钻削运动方式最为合理，主要取决于工件的结构形状、尺寸和重量，而不是首先从不同加工方式产生的加工误差大小来考虑。为尽可能提高加工质量，本次设计提出了将振动钻削与以上几种运动方式结合的加工方法。也即对振动钻削的三种振动形式以及钻削的四种加工方式进行了集成设计，该设计拓展了机床加工适用范围，拓展了机械加工工艺的操作空间。
在枪钻钻削加工中，钻入、钻削和钻出这三个阶段的钻削机理截然不同，同时四种钻削运动方式影响钻削质量的侧重点均有不同，故针对这三个阶段的钻削质量的变化规律选择适当的调整钻削运动方式或通过调整钻削参数，来实现钻削加工的保质保量。
现以钻入、钻削和钻出三区段轴向振动钻削与工件旋转、刀具作反向旋转及进给运动为例。在正常的轴向振动钻削前提下，振幅、振动频率、刀具进给、背吃刀量等参数均保持不变。（1）若枪钻主轴最高转速大于切削转速，在启动机床时，主动降低枪钻转速，再以工件反向旋转转速进行叠加，以此保证实际切削转速不变。（2）若枪钻主轴转速小于所需切削转速，在安全钻削前提下，将主轴转速与工件反向转速合理分配，以此满足实际切削转速需求。（枪钻转速和工件转速大小应尽可能相等）。上述加工方法不仅保证了振动钻削的优越性，同时也提高了振动钻削的直线度，降低了深孔轴线偏斜。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种深孔机床轴-扭复合激振试验方法，其特征在于：通过对深孔机床轴-扭复合激振实验装置中的模块组件进行调整，从而实现轴向激振、单向轴扭复合激振和往复轴扭复合激振三种振动形式；
深孔机床轴-扭复合激振实验装置包括轴向激振单元、扭转单元和振幅实时测量显示单元；
轴向激振单元包括变频器、振动电机、参振机体和工件轴向固定组件；振动电机的数量为两个，对称设置在参振机体的两侧，两个振动电机的质心与参振机体的质心相重合；参振机体底部与安装基座水平滑动连接，安装基座固定在加工机床上；
两个振动电机能同步振动，每个振动电机均连接一个变频器；每个振动电机的电机轴两端各设置两个角度能调节的偏重块；
工件轴向固定组件与参振机体可拆卸连接，用于将待深孔加工的工件进行位置固定；
扭转单元用于使待深孔加工的工件进行单向或周期往复扭转，当工件轴向固定组件与参振机体拆除后，扭转单元能与参振机体可拆卸连接；
扭转单元包括单向扭转组件、周期往复扭转组件和工件扭转夹持组件；
工件扭转夹持组件包括同轴设置的圆锥滚子轴承支座和三爪卡盘；圆锥滚子轴承支座与参振机体可拆卸连接，圆锥滚子轴承支座中安装有圆锥滚子推力轴承，待深孔加工的工件的加工端与三爪卡盘固定连接，待深孔加工的工件的中部安装在圆锥滚子推力轴承内；
单向扭转组件包括伺服电机一和减速机一，减速机一的入力轴与伺服电机一的电机输出轴相连接，减速机一的输出轴与待深孔加工的工件的传动端可拆卸连接；
周期往复扭转组件包括两个伺服电机、两个减速机、两根驱动轴和连杆机构；两个伺服电机同轴且相向设置，每个伺服电机的电机输出轴均与减速机的入力轴相连接，减速机的输出轴均通过联轴器连接一根驱动轴；连杆机构包括两个短曲柄、两根长曲柄和伸缩连杆；
两个短曲柄的一端分别与对应的驱动轴相连接，两个短曲柄的另一端分别与伸缩连杆的顶端相铰接；两个长曲柄的一端分别与伸缩连杆的底端相铰接，两个长曲柄的另一端分别与待深孔加工的工件的传动端可拆卸连接；
根据深孔加工过程中，对深孔直线度或轴线偏斜的钻削质量要求的不同，实现四种钻削运动方式之间的切换；四种钻削运动方式分别包括：运动方式一、工件旋转，刀具作进给运动；运动方式二、工件不动，刀具旋转又做进给运动；运动方式三、工件旋转，刀具作相反方向旋转及进给运动；运动方式四、工件做旋转与进给运动；
振动钻削的三种振动形式以及钻削的四种钻削运动方式能相互结合，从而拓展机床加工适用范围；
其中，轴向激振的试验方法，包括如下步骤：
步骤11，激振试验装置组装：将轴向激振单元与加工机床进行安装；然后，将待深孔加工的工件安装固定在工件轴向固定组件上；
步骤12，振动电机参数设置：先将两个振动电机通过联锁实现同步控制；然后，根据设定的振幅和激振力，调节两块偏重块之间的夹角；同时，通过变频器设置振动电机的振动频率在20~50Hz及转速；
步骤13，轴向激振：振动电机同步启动，工件及参振机体同步振动；
步骤14，轴向振幅测量：振幅实时测量显示单元对工件及参振机体的轴向振幅进行测试，当测试的轴向振幅的波动范围满足设定要求时，记录此时的轴向振幅；
步骤15，轴向振幅调整：将步骤14记录的轴向振幅与步骤12中设定的振幅进行比较，当两者不一致时，再次调整两块偏重块之间的夹角，并重复步骤13至步骤14，直至记录的轴向振幅与设定的振幅相一致；
步骤16，深孔加工：轴向振幅调整完成后，使用钻头对装夹在工件轴向固定组件上的工件进行深孔加工试验；
单向轴扭复合激振的试验方法，包括如下步骤：
步骤21，激振试验装置组装：将轴向激振单元中的工件轴向固定组件进行拆除或将往复扭转组件中的连杆机构进行拆除；然后，将单向扭转组件和工件扭转夹持组件与参振机体可拆卸连接，待深孔加工的工件安装固定在工件扭转夹持组件上；工件的传动端与单向扭转组件中减速机一的输出轴相连接；
步骤22，振动电机及伺服电机一参数设置：振动电机参数的设置方法同步骤12；伺服电机一设置初始转速；
步骤23，单向轴扭复合激振：伺服电机一和振动电机均同步启动，工件及参振机体同步振动；同时，工件与三爪卡盘均进行单向扭转运动；
步骤24，轴向振幅测量：振幅实时测量显示单元对工件及参振机体的轴向振幅进行测试，当测试的轴向振幅的波动范围满足设定要求时，记录此时的轴向振幅；
步骤25，轴向振幅调整：将步骤24记录的轴向振幅与步骤22中设定的振幅进行比较，当两者不一致时，再次调整两块偏重块之间的夹角，并重复步骤23至步骤24，直至记录的轴向振幅与设定的振幅相一致；
步骤26，深孔加工：轴向振幅调整完成后，使用钻头对装夹在工件扭转夹持组件上的工件进行深孔加工试验；
往复轴扭复合激振的试验方法，包括如下步骤：
步骤31，激振试验装置组装：将轴向激振单元中的工件轴向固定组件进行拆除或将单向扭转组件进行拆除或单向扭转组件解除与工件传动端的连接；然后，将往复扭转组件和工件扭转夹持组件与参振机体可拆卸连接，待深孔加工的工件安装固定在工件扭转夹持组件上；工件的传动端与连杆机构中的长曲柄相连接；
步骤32，振动电机、伺服电机及伸缩连杆参数设置：振动电机参数的设置方法同步骤12；伺服电机设置初始转速；伸缩连杆调整至设定长度；
步骤33，往复轴扭复合激振：伺服电机和振动电机均同步启动，工件及参振机体同步振动；同时，工件与三爪卡盘均进行往复扭转运动；
步骤34，轴向振幅测量：振幅实时测量显示单元对工件及参振机体的轴向振幅进行测试，当测试的轴向振幅的波动范围满足设定要求时，记录此时的轴向振幅；
步骤35，轴向振幅调整：将步骤34记录的轴向振幅与步骤32中设定的振幅进行比较，当两者不一致时，再次调整两块偏重块之间的夹角，并重复步骤33至步骤34，直至记录的轴向振幅与设定的振幅相一致；
步骤36，深孔加工：轴向振幅调整完成后，使用钻头对装夹在工件扭转夹持组件上的工件进行深孔加工试验。
2.根据权利要求1所述的深孔机床轴-扭复合激振试验方法，其特征在于：轴向激振的试验方法，还包括步骤17，同一轴向振幅下不同振动频率的深孔加工试验：在步骤12中，通过改变变频器的频率，重复步骤13至步骤16，实现同一轴向振幅下不同频率的深孔加工试验。
3.根据权利要求2所述的深孔机床轴-扭复合激振试验方法，其特征在于：轴向激振的试验方法，还包括步骤18，不同振幅和激振力下的深孔加工试验：在步骤12中，通过改变两块偏重块之间的夹角，重复步骤13至步骤17，实现不同轴向振幅和激振力下的深孔加工试验。
4.根据权利要求1所述的深孔机床轴-扭复合激振试验方法，其特征在于：单向轴扭复合激振的试验方法，还包括步骤27，同一轴向振幅下不同振动频率的深孔加工试验：在步骤22中，通过改变变频器的频率，重复步骤23至步骤26，实现同一轴向振幅下不同频率的深孔加工试验。
5.根据权利要求4所述的深孔机床轴-扭复合激振试验方法，其特征在于：单向轴扭复合激振的试验方法，还包括步骤28，同一轴向振幅下不同转速时的深孔加工试验：在步骤22中，改变伺服电机一的转速，重复步骤23至步骤27，实现同一轴向振幅下不同转速时的深孔加工试验。
6.根据权利要求5所述的深孔机床轴-扭复合激振试验方法，其特征在于：单向轴扭复合激振的试验方法，还包括步骤29，不同振幅和激振力下的深孔加工试验：在步骤22中，通过改变两块偏重块之间的夹角，重复步骤23至步骤28，实现不同轴向振幅和激振力下的深孔加工试验。
7.根据权利要求1所述的深孔机床轴-扭复合激振试验方法，其特征在于：往复轴扭复合激振的试验方法，还包括步骤37，同一轴向振幅下不同振动频率的深孔加工试验：在步骤32中，通过改变变频器的频率，重复步骤33至步骤36，实现同一轴向振幅下不同频率的深孔加工试验。
8.根据权利要求7所述的深孔机床轴-扭复合激振试验方法，其特征在于：往复轴扭复合激振的试验方法，还包括步骤28，同一轴向振幅下不同扭转幅度时的深孔加工试验：在步骤32中，改变伸缩连杆的伸缩长度，重复步骤33至步骤37，实现同一轴向振幅下不同扭转幅度时的深孔加工试验。
9.根据权利要求8所述的深孔机床轴-扭复合激振试验方法，其特征在于：往复轴扭复合激振的试验方法，还包括步骤39，不同振幅和激振力下的深孔加工试验：在步骤22中，通过改变两块偏重块之间的夹角，重复步骤33至步骤38，实现不同轴向振幅和激振力下的深孔加工试验。
10.根据权利要求1所述的深孔机床轴-扭复合激振试验方法，其特征在于：当钻入、钻削和钻出三区段轴向振动钻削与工件旋转、刀具作反向旋转及进给运动相结合时，应使枪钻转速和工件转速大小相等；若枪钻主轴最高转速大于切削转速，在启动机床时，主动降低枪钻转速，再以工件反向旋转转速进行叠加，以此保证实际切削转速不变；若枪钻主轴转速小于所需切削转速，在安全钻削前提下，将主轴转速与工件反向转速进行匹配，以此满足实际切削转速需求。
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