超聲波加工對工件加工質(zhì)量的影響研究

摘要：超聲波振動車削就是在切削過程中，對刀具施加一個強(qiáng)制的超聲波振動。采用超聲波振動車削，能明顯地提高工件的加工質(zhì)量。文章通過分析超聲波振動加工的特點(diǎn)，并通過實(shí)際加工各種材料，得出工件較高的加工質(zhì)量，為今后提高工件的質(zhì)量提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：超聲波；振動加工；車削工件；加工精度；表面質(zhì)量 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TH16 文章編號：1009-2374（2015）05-0081-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0372

1 超聲波振動車削加工的特征

超聲波振動車削就是在切削過程中，對刀具施加一個強(qiáng)制的超聲波振動，以改善傳統(tǒng)的切削加工過程，達(dá)到提高加工質(zhì)量和效率的目的。超聲波振動車削一般是在切削速度方向?qū)嚨叮ɑ蚬ぜ┦┘诱駝樱▓D1）。

圖1

其實(shí)際切削速度的大小和方向是周期性變化的，從而改變了切削過程中車刀和工件的接觸情況。車刀為正弦振動時，其振動位移X和振動的速度V（t）分別為：

（1）

（2）

式中：

——車刀刀尖振動角頻率（）

——車刀刀尖振動頻率

——車刀刀尖振幅

——時間

——初相位

車刀與工件的相對速度，是工件線速度（即傳統(tǒng)車削速度）與車刀運(yùn)動速度的矢量和。

即：

（3）

圖2

由圖2可見，，區(qū)間為負(fù)值，即車刀前刀面自點(diǎn)開始脫離切削，并逐漸增大其離開的距離，過點(diǎn)后刀具開始接近切削，到點(diǎn)時就與切削接觸，進(jìn)行切削。所以，超聲波振動車削是一種時而切削時而脫離的間斷切削。從根本上改變了切削條件。首先使刀具與切削（工件）間的摩擦?xí)r間減少，摩擦系數(shù)明顯下降，剪切角增大，變形減小，減弱了金屬間的親和、粘結(jié)作用，使積屑瘤無法生成，切削力下降，切削過程穩(wěn)定。其次是超聲頻的斷續(xù)切削，形成周期性的沖擊，每次沖擊時間短（以10-6秒計），動能大，在（圖2）點(diǎn)處突然切入，瞬時切削速度和瞬時加速度為：

（4）

（5）

形成局部高溫和高應(yīng)力集中，又是新位錯的主要發(fā)源地，使切屑易于分離，切屑變形減弱，形成穩(wěn)定的帶狀切屑。此外，超聲波振動車削還是一種周期性的變速和變加速切屑，對切屑過程中的顫振有抑制作用，還可以低速取得高速的效果，使金屬變脆，降低塑性變形量。總之，超聲波振動車削具有很多優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)切削速度時，刀具就不會和切屑脫離，上述分離、沖擊等特征就消失，因此，把切削速度稱為超聲波振動車削的臨界切削速度。

2 超聲波振動車削加工精度的分析

超聲波振動車削實(shí)質(zhì)是一種間斷切削過程。所以，車刀給工件的切削力是一些高頻的脈沖動態(tài)切削力和。但影響工件加工精度主要是徑向切削力。對于圖3所示的車刀—工件振動系統(tǒng)的計算模型，工件在吃刀方向的運(yùn)動方程式為：

（6）

式中：

——工件的等效質(zhì)量

——工件的粘性阻尼系數(shù)

——工件在吃刀方向上的彈簧常數(shù)

——動態(tài)吃刀抗力

圖3

將傳統(tǒng)車削時的動態(tài)吃刀抗力代入（6）式，解得傳統(tǒng)車削的動態(tài)位移為：

（7）

，

式中：

——工件在吃刀方向上的角頻率

——阻尼比（）

——工件的臨界阻尼系數(shù)

——吃刀抗力和吃刀方向位移y的相位角

工件的位移是由靜態(tài)位移和隨時間變動的動態(tài)位移兩部分組成。當(dāng)時，變動部分比靜態(tài)位移還大，工件的位移將形成隨時間變動的不穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)ω<<ω0時，工作的位移是隨時間而變動；只有在ω>>ω0時，，它幾乎不隨時間而變動，是穩(wěn)定的。

因此，長期以來，人們力圖從提高機(jī)床剛性，主軸回轉(zhuǎn)精度和改進(jìn)刀具等方面著手，以提高切削速度加大激振頻率，從而實(shí)現(xiàn)ω>>ω0穩(wěn)定切削過程。然而，在傳統(tǒng)車削條件下實(shí)際上是無法實(shí)現(xiàn)的。

超聲波振動車削依靠專門的振動裝置強(qiáng)制刀具作超聲頻的簡諧振動，使成為超聲頻的脈沖狀吃刀抗力。按傅立葉級數(shù)展開：

（8）

式中：

——刀具每一周期內(nèi)的切削時間

——刀具的振動周期（）

同樣，代入（6）式可得超聲波振動車削的動態(tài)位移為：

（9）

由式（9）可知，當(dāng)脈沖切削力作用于工件時，工件在切深方向上，隨時間而擺動的規(guī)律。它的級數(shù)項(xiàng)是個遞減級數(shù)，隨著的增大而迅速減小，以至于趨近于零，與項(xiàng)比差一個數(shù)量級以上，只要，就可以完全忽略級數(shù)項(xiàng)，工件的動態(tài)變化就能穩(wěn)定下來，成為靜力學(xué)的靜態(tài)位移。這對于超聲波振動車削來說是很容易的。因此真正實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定切削靜態(tài)位移：

（10）

由于超聲波振動車削時一般為0.1～0.3，使工件在吃刀抗力方向的位移減小為傳統(tǒng)車削時的1/3～1/10。所以，加工精度和表面質(zhì)量得以大幅度的提高。

此外，由于脈沖切削力作用的時間極短，產(chǎn)生的切削熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于傳統(tǒng)切削，散熱時間又遠(yuǎn)大于發(fā)熱時間，使切削溫度大大低于傳統(tǒng)切削。同時，極短的實(shí)際切削時間，使工件還沒有來得及振動，刀具就已經(jīng)脫離切削，使振動得以消除或減小，這些都將有助于加工精度的提高。

3 超聲波振動車削精度和粗糙度試驗(yàn)

試驗(yàn)裝置如圖4所示，由超聲波發(fā)生器（1）、磁致伸縮換能器（2）、變幅桿（3）、諧振刀桿（4）和節(jié)點(diǎn)壓塊（5）等部分組成。

圖4

由發(fā)生器輸出的超聲電頻能，通過換能器轉(zhuǎn)變?yōu)橥瑯宇l率的縱向振動的機(jī)械能，經(jīng)變幅桿把振幅放大到預(yù)定值，推動諧振刀桿進(jìn)行超聲波振動車削。

超聲波振動車削形成的切屑均成細(xì)長螺旋狀，灰白色無氧化變色，顯然切削溫度和變形都很小，用重量法測得變形系數(shù)由傳統(tǒng)車削的4～5降為1～2，工件材料，切削用量等幾乎都沒有什么影響。

用YD-200A圓度儀測量所得的典型圓度試件如表1所示。超聲波振動車削的圓度大大高于傳統(tǒng)車削，約為1/7～1/13。

表1 試驗(yàn)條件及典型實(shí)測結(jié)果

工件材料 車削方式 切深（mm） 進(jìn)給量（mm/r） 切削速度（m/min） 圓度（um）

20鋼 傳統(tǒng)切削

超聲切削 0.1

0.1 0.75

0.75 10.5

10.5 25

2.8

Cr18Ni9Ti 傳統(tǒng)切削

超聲切削 0.05

0.05 0.075

0.075 13

13 28

2.2

通過對20鋼、45鋼、不銹鋼、鋁合金和淬火高速鋼等材料，掃描電鏡和金相顯微鏡分析超聲波振動車削和傳統(tǒng)車削的表面顯微形狀，也可明顯地看出，超聲波振動車削沒有撕裂、耕犁和滑擦等弊端，也不形成積屑瘤和鱗刺等現(xiàn)象。加工表面上極有規(guī)律地分布著以切削長度（刀具振動一周期內(nèi)與切削時間對應(yīng)的在切削方向上的切削長度，）紋路為縱線，以進(jìn)給量為橫線的網(wǎng)格狀花紋，其光滑平整是傳統(tǒng)車削無法比擬的，一般可提高1～3級。

4 結(jié)語

（1）超聲波振動車削真正實(shí)現(xiàn)了單純靜態(tài)位移的穩(wěn)定切削，無論車削何種材料，都可以顯著地提高工件的圓度；（2）超聲波振動車削各種材料時，所得加工表面勻一光整，沒有積屑瘤和鱗刺，不存在撕裂、耕犁和滑擦等缺陷，可獲得良好的表面質(zhì)量，粗糙度減小2～3級；（3）超聲波振動車削變形小且穩(wěn)定，切削溫度低，即使淬火高速鋼、鈦合金也是如此；（4）超聲波振動車削時，對于任何材料的工件，都能形成細(xì)螺旋狀切削，即使是淬火高速鋼和硬鋁也是這樣，切屑變形基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

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作者簡介：張曉武（1968-），廣東五華人，安徽省淮南技工學(xué)校副教授，研究方向：CG、CAD/CAM教學(xué)與研究。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）