1.前言
   振動切削加工是20世紀60年代發展起來的一種先進制造技術,它通過在常規的切削刀具上施加高頻振動,使刀具和工件發生間斷性的接觸,從而使傳統切削模式發生了根本性的變化。由于此變化解決了傳統切削加工中固有的難題,如切削中的振動和切削熱變形等,從而得到了優良的切削效果。迄今為止世界各國雖然在振動切削某些現象的解釋上,某些參數的選擇上還有一些差別,但對它的工藝效果是一致公認的。作為精密機械http://www.stonebuy.com/machine/加工和難加工材料加工中的一種新技術,它已經滲透到各個加工領域,出現了各種復合加工方法,使傳統的加工技術有了一個飛躍。研究表明,由于其在一定范圍內能夠有效地解決難切削材料的加工及其精密切削加工方面的問題并在加工中具有一系列的特點,因而越來越引起人們的重視而受到世界各國的矚目。

   2.普通切削與振動切削

   在普通切削中,切削是靠刀具與工件的相對運動來完成的。切屑和已加工表面的形成過程,本質上是工件材料受到刀具的擠壓,產生彈性變形和塑性變形,使切屑與母體分離的過程(見圖1)。在這種刀具始終不離開切削的普通切削中,刀具的作用包括兩個方面:一個是刀刃的作用;一個是形成刀刃的刀面的作用。由于刀刃與被切物接觸處局部壓力很大,從而

   使被切物分離。刀面則在切削的同時撐擠被切物,促進這種分離。普通切削中,伴隨著切屑的形成,由于切屑與刀具之間的擠壓和摩擦作用,將不可避免地產生較大的切削力,較高的切削溫度,使刀具磨損和產生切削振動等有害現象。

圖1 普通切削

   基于這種思想,在和有害的自激振動現象作斗爭中產生了一種新的切削方法——振動切削。振動切削即是通過在切削刀具上施加某種有規律的、可控的振動,使切削速度、背吃刀量發生周期性的改變,從而得到特殊的切削效果的方法(見圖2)。振動切削改變了工具和被加工材料之間的空間與時間存在條件,從而改變了加工(切削)機理,達到減小切削力、切削熱,提高加工質量和效率的目的。振動切削按所加頻率不同可分為高頻振動和低頻振動,低頻振動僅僅從量上改變切屑的形成條件,主要用來解決斷屑問題以及與此相關的一系列問題。而超聲振動(高頻振動)切削已經使切屑形成機理產生重大變化,可以提高被加工材料的可加工性,提高刀具壽命和工件加工質量。超聲加工的工藝效果來自刀具和工件之間的分離運動,即它是一種脈沖式的斷續切削過程。所以,作為精密加工和難加工材料加工中的一種新技術,它的切削效果已經得到世界各國的一致公認,認為它是傳統加工技術的一個飛躍。

圖2 振動切削

   振動切削系統的流程是:超聲波電源輸出大功率的超聲頻的交流信號,由換能器將電能轉換成同頻率的機械http://www.stonebuy.com/machine/振動,經過變幅桿進行振幅放大,從而帶動刀具振動。其組成如圖3所示。把振動系統固定在刀架上,刀桿的左端是刀片,右端是振動驅動中心,由換能器和變幅桿將縱向振動轉換為彎曲刀桿的橫向振動。

   3.振動切削的特點及工藝效果分析

   (1)振動切削的特點

   振動切削可以使切削力大幅度降低,使摩擦熱減小、刀具壽命提高和已加工表面粗糙度值減少,即有以下特點:

1.工件 2.刀片 3.刀架 4.刀桿5.變幅桿 6.換能器 7.循環冷卻水
圖3 振動系統組成圖

   ①在切削過程中,刀具前面不是始終與工件保持接觸狀態,而是處于有規律的接觸、分離狀態。

   ②有規律的脈沖沖擊切削力取代了連續切削力。

   ③刀具(或工件)的有規律強迫振動取代了刀具和工件無規律的自激振動。

   ④切削力大部分來自刀具(或工件)的振動,刀具(或工件)的運動僅是為了滿足工件加工幾何形狀而設置的。

   (2)工藝效果分析

   ①瞬間切削力增大

   根據連續彈性體動力分析理論,在普通切削中,切削力一直作用在工件上,使得周邊的材料也參與抵抗變形,就使得切口處切削力降低。在振動切削中,材料的破壞過程與普通切削不同,它由每次沖擊產生細微破壞而完成切削。在振動切削中,因振動提高了實際的瞬間切削速度,并以動態沖擊力作用于工件,使得局部變形減少,作用力集中,瞬間切削力增大。從而獲得較大的波前切應力,有利于金屬的塑性脆化。減小塑性變形,利于切削。在超硬材料的加工方面,這一優點更為突出。

   ②零件表面質量的提高 由表面粗糙度值計算公式:

   在振動切削中,由于不靈敏性振動切削機理的特性,Δf和Δαp都趨于零,故ΔRth也趨近于零,從而使已加工表面的表面粗糙度值接近幾何表面粗糙度值。

   ③有利于冷卻

   刀具的高速振動對刀具的散熱十分有利,同時由于刀具的前面周期性脫離工件,使得切削液更容易進入刀具和工件之間,也增加了系統的散熱能力。振動切削中,刀具在振動源驅動下周期性接觸、離開工件。刀屑分離時,切削液產生空化作用,切削液充分進入切削區。振動切削時刀具對工件的沖擊作用,應力波的出現,有利于切削區裂紋的萌生和擴展。刀屑接觸時,由于壓力差出現,使得切削液滲透作用加強,充分發揮切削液的潤滑和冷卻作用。這些都大大降低了前刀面與切屑間及后刀面與已加工工件表面間的摩擦。

   4.振動切削技術的應用

   振動切削技術是在研究了切削加工本質的基礎上所提出的一種精密加工方法,它彌補了普通切削加工的不足,但并不能完全取代普通切削加工,而有一定的適用范圍,主要有以下幾方面:

   (1)難切削材料的加工

   不銹鋼、淬硬鋼、高速鋼、鈦合金、高溫合金、冷硬鑄鐵以及陶瓷、玻璃、石材http://www.stonebuy.com/等非金屬材料由于力學、物理、化學等特性而難以加工,如采用超聲振切削則可化難為易。例如用硬質合金刀具振動車削淬硬鋼(35～45HRC)外圓、端面、螺紋與鏜孔時,不但提高了平行度、垂直度與同心度,而且可達到“鏡面”的表面粗糙度,也可用金剛石刀具進行振動精密加工。又如鈦歷來只能以磨削和研磨作為精加工,現用硬質合金刀具振動車削時,其端面上的最大表面粗糙度值可達Ra=2～3μm,最佳時可達Ra=0.5μm。此外,用普通切削加工石墨與氧化鋁等材料時得不到平整的加工表面,只有采用超聲振動才能產生微粒式的切削分離并得到整齊的加工表面。國外用超聲振動能順利地切削富鋁紅柱石,如果將超聲波能源切斷,工件會馬上損壞,根本無法加工。

   (2)難加工零件的切削加工

   如易彎曲變形的細長軸類零件,小徑深孔、薄壁零件,薄盤類零件與小徑精密螺紋以及形狀復雜、加工精度與表面質量要求又較高的零件,用普通切削與磨削加工很困難,用振動切削,既可提高加工質量,又可提高生產效率,例如用硬質合金車刀超聲振動精車細長的退火調質鋁棒(Φ7.2mm,長220mm)的外圓,振動頻率為F=21.5kHz,振幅為A=15μm,f=0.05mm/r,ap=0.01mm,用全損耗系統用油作為切削液,加工后可獲得工件直徑精度為4μm,最大表面粗糙度值Ra=1μm。又如超聲振動精鏜有特殊鋼制成的薄壁圓筒(工件長70mm,孔徑15mm,壁厚1mm),在鏜過的50mm長度上可測出內孔精度為4μm,最大表面粗糙度值Ra=3μm。

   (3)高精度、高表面質量工件的切削加工

   與普通切削相比,振動切削時切屑變形與切削力小,切削溫度低,加工表面上不產生積屑瘤、鱗刺與表面微裂紋,再加上表面硬化程度較大,表面產生殘余壓應力小,切削過程穩定,容易加工出高精度與高表面質量的工件。例如前述的超聲振動車削軟鋁制成的細長軸(長200mm,7mm)時可得到圓度2μm、圓柱度3μm/170mm的加工精度。超聲車削Φ5mm的電動機整流器銅線時,可得到Ra=0.05μm的鏡面,用其他加工方法是不可能達到的。

   (4)排屑、斷屑比較困難的切削加工

   鉆孔、鉸孔、攻螺紋、剖斷、鋸切、拉削等切削加工時,切屑往往處于半封閉或封閉狀態,因而常不得不由于排屑斷屑困難而降低切削用量,這時如果用振動切削則可比較順利地解決排屑斷屑,保證加工質量與提高生產效率。

   5.結語

   隨著科學技術的發展和進步,超聲波振動切削作為一種新技術正在逐步滲透到各個領域,對超聲波振動切削的研究和開發也越來越受到人們的普遍重視。我國在振動切削技術研究利用方面和國外相比有較大差距,大力加強高速超高速磨削加工技術的研究、推廣和應用,對提高我國機械http://www.stonebuy.com/machine/制造業的加工水平和加快新產品http://www.stonebuy.com/sample/開發具有十分重要的意義。