针对钻削过程中钻头状态监测问题,基于声发射采集系统和振动采集系统设计超声轴向振动钻削钻头故障监测装置,分别应用完整钻头和故障钻头进行45钢板的超声振动钻削对比试验,采集不同钻头状态的AE和振动信号,通过时域分析、频域分析和小波分解,分析故障钻头对AE和振动信号的影响。试验结果表明:通过AE和振动信号判别钻头状态,判别结果与实际一致,能够实现钻头的故障诊断。

针对钻削加工时难以直接观察刀具磨损状态的问题,基于声发射采集系统设计了超声轴向振动钻削刀具磨损状态监测装置,并在7075铝板上进行超声振动钻削试验。分析刀具磨损状态对声发射信号RMS值的影响,并通过小波分解技术对比分析刀具在不同磨损状态下的声发射信号变化规律;根据声发射信号对刀具磨损状态进行实时监测。试验结果表明:声发射信号的RMS值与刀具的磨损程度呈正相关;通过小波分解可知,随着刀具磨损的增加,信号的能量逐渐由低频段向高频段转移,可以通过监测声发射信号RMS值与能量的变化实现刀具磨损状态的有效识别。

在振动钻削加工原理的基础上建立振动钻削过程中平均摩擦力的数学模型,分析动载荷对平均摩擦力的影响规律。在超声振动钻削试验装置上对0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢进行了普通钻削和超声振动钻削试验,对比分析了孔壁表面粗糙度、钻头磨损形貌和切屑形状。结果表明:超声振动钻削能够减少平均摩擦力;通过观察加工后钻头与孔的表面形貌,超声振动钻削钻头磨损程度低,孔壁表面粗糙度值小,具有更好的断屑、排屑性能。

建立深小孔轴向振动钻削加工仿真分析模型,针对轴向力通过DEFORM-3D有限元软件进行了超声振动钻削与普通钻削仿真,对两组仿真结果进行分析比较,并在超声轴向振动钻削装置上对不锈钢板进行了深小孔振动钻削和普通钻削实验,利用压电传感器测量了振动钻削和普通钻削加工的轴向力。实验结果与仿真结果对比表明:仿真结果与实验结果偏差低于8%,超声振动钻削的平均轴向力小于普通钻削的平均轴向力,钻削过程平稳。