超聲振動銑削加工系統的振動特性試驗

[摘 要] 基于超聲振動銑削的切削機理，建立超聲振動銑削過程的動力學模型，并通過試驗對超聲振動銑削加工系統的振動特性進行研究。

[關 鍵 詞] 超聲；銑削；振動

[中圖分類號] TG506.5 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2016）12-0070-02

超聲加工是指給工具或工件沿一定的方向施加超聲頻的振動進行加工的方法，英文簡稱USM。通常把振動頻率在16 kHz以上的高頻振動切削叫做超聲振動切削。

切削系統是一個非常復雜的動態系統。在切削過程中，由于刀具與工件之間的相對振動與很多因素有關，所以一旦造成不穩定切削狀態，將會對工件的加工精度、表面質量以及生產效率產生較大影響，甚至還會使刀具和機床系統損壞，造成事故。因此，本文主要討論超聲振動切削機理，建立超聲振動銑削過程的動力學模型，并通過試驗對超聲振動銑削加工系統的振動特性進行研究。

一、超聲振動切削機理

超聲振動切削從微觀上看是一種脈沖式的斷續切削過程。在一個振動周期中，刀具和工件周期性的分離和接觸，刀具的有效切削時間很短，80%以上的時間的刀具與工件、切屑是完全分離的。刀具與工件、切屑斷續接觸，這就使刀具所受到的摩擦變小，所產生的熱量大大減少，切削力顯著下降，避免了普通切削時的“讓刀”現象，并且不產生積屑瘤，達到提高加工質量和效率的目的。

刀具運動軌跡如圖1所示，刀具在切削方向以O為中心，以頻率f作簡諧振動，工件以速度v向右運動，當刀具運動到A點時，工件速度小于刀具速度，此時兩者的速度方向相同，并且刀具與工件是分離的。當刀具繼續運動到下頂點后返回到B點時，刀具開始與工件接觸，進入切削過程，直到刀具和工件分離為止，如此循環，就連續地產生了有規律的脈沖切削力波形。

二、超聲振動銑削過程的動力學模型

在切削過程中，振動主要發生在刀尖和被加工工件之間，“刀具—工件”系統并不是靜止不動的。因此，要想全面了解切削過程，就必須對其進行動力學分析。在對工件進行加工過程中，由于受工件硬度、導熱性、強度等因素的影響，切削過程中產生振動，切削力發生變化，從而影響工件的表面質量和加工精度。

超聲振動切削是將高頻簡諧振動施加到刀具上，使工件與刀具切削刃的相對位置保持不變，減少切削加工中的顫振，從而實現精密加工。本文將銑床切削加工系統的模型簡化成彈簧—質量—阻尼系統，用相互垂直的兩個自由度的系統來構成基本的超聲銑削動力學模型，如圖2所示。

三、超聲振動銑削加工系統的振動特性試驗

在超聲振動銑削加工的過程中，保證銑削加工獲取優良工藝效果的重要參數是振幅和頻率。如果要使銑削系統在超聲作用下工作可靠，就必須弄清楚超聲振動銑削系統中的振幅與頻率，因此，對超聲振動銑削系統進行振動特性測試試驗是非常有必要的。

試驗設備：

（1）杭州成功超聲設備有限公司生產的TJS-D超聲波數字控制驅動電源；

（2）型號為INV3060F-5120的智能信號采集處理分析儀；

（3）KeyNCE激光位移傳感器，型號：LK-G10。

檢測對象：頻率和振幅。

加工刀具上施加由超聲波發生器提供的超聲振動，并使用KeyNCE激光位移傳感器測量其振動幅度，同時信號采集器也將采集到的數據變換后，將測量數據傳輸到計算機中，計算機上將顯示刀具的振動幅值，超聲振動銑削加工系統的振動特性測試原理如圖3所示，超聲振動測試現場如圖4（a）所示。

超聲振動測試所得的波形圖如圖4（b）所示，經過對TJS-D超聲波數字控制驅動電源的調試發現，最佳的振動效果在振動頻率為36.42 kHz是所得到的，其波形圖符合其位移方程y=asinwt，呈正弦曲線，這時刀具的振動幅值A=10.394 μm。

四、結論

1.基于超聲振動銑削的切削機理，建立了超聲振動銑削過程的動力學模型。

2.對超聲振動銑削加工系統的振動特性進行試驗，結果表明超聲振動效果最優時，超聲振動頻率為36.42 kHz，振幅A為10.394 μm。

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