超聲振動車削精密液壓閥芯的試驗研究

王棟梁，秦娟娟，孫永吉，張紅梅

（1.蘭州工業學院 工程訓練中心，蘭州 730050；2.蘭州工業學院 機電工程學院，蘭州 730050）

0 引言

超聲振動車削是在普通車削過程中給刀具施加20～50kHz的超聲振動而形成的一種新的加工技術，其具有切削力小、工件表面質量高及刀具磨損量小的特點[1,2]。利用該技術加工精密液壓閥芯可以有效提高產品的表面光潔度，使閥芯與閥體的表面形貌配合縫隙均勻，解決閥芯磨損和滑閥卡緊問題，應用前景較好。

由于超聲切削的優良特性，使其在金屬加工領域成為研究熱點。劉偉杰等人[3]分析了液壓機構精密級閥芯的工藝難點，提出并應用了以車代磨的方案；胡林華等人[4]研究了超聲振動切削參數對金剛石刀具的磨損量和已加工表面粗糙度的影響規律；史龍飛等人[5]建立了超聲振動輔助切削條件下基于響應面法的粗糙度預測模型；宗昌生等人[6]用MATLAB軟件分析了不同速比和不同相位差對超聲橢圓振動運動軌跡的影響；于海鵬等人[7]利用有限元軟件AdvantEdge對橢圓振動切削進行相關模擬仿真研究。

上述文獻表明：在超聲切削方面，偏向理論和仿真研究的文獻較多，而試驗研究的較少；并且在試驗研究中所使用的切削參數均太小，實際加工參考意義不大；針對液壓閥芯所常用的材料GCr15或Cr12MoV的試驗研究極少。本文將通過精密液壓閥芯超聲振動切削試驗，在刀尖圓弧半徑r分別為0.2mm、0.4mm、0.8mm車削條件下，對比分析超聲振動切削與普通切削的加工效果，揭示刀具圓弧半徑對切削溫度、閥芯表面粗糙度、切屑宏觀形態的影響規律。

1 超聲車削試驗方案

1.1 試驗設備

本次試驗方案如圖1所示，所使用數控車床的型號為CAK5085si。試驗系統主要由K型熱電偶、日本三豐SJ-201C型數顯表面粗糙度儀[8～11]、20kHz-1800w的超聲波發生器及配套的振動子組成。試驗現場如圖2所示。

圖1 超聲車削試驗方案圖

圖2 超聲車削試驗現場圖

1.2 工件材料

試驗工件采用的是直徑為45mm，長度為130mm的Cr12MoV模具鋼，其化學組成成分為：C:1.55；Si:0.35；Mo:0.45；Mn:0.35；Cr:11.25；P:0.025；V：0.20；S：0.025。經過1130℃機油淬火，250℃低溫回火處理后，其硬度為39.5～41.5HRC。

1.3 試驗刀具

試驗使用的刀具是型號為TNMG160402/04/08HQCA5525的涂層刀具，該刀具的品牌為日本KYOCERA。刀片的實物圖如圖3所示，涂層刀片的組成和性能如表1所示，刀片裝夾在刀體后的有效幾何參數如表2所示。

圖3 涂層刀片實物圖

表1 涂層刀片的組成和性能

表2 車刀有效幾何參數

1.4 切削用量的選擇

根據超聲切削理論并結合生產實際，背吃刀量ap的取值范圍為0.01～0.02mm，每轉進給量f的范圍為0.08～0.16mm，切削速度v的范圍為15～35m/min，刀尖圓弧半徑r的范圍為0.2～0.8mm。

2 試驗結果與分析

2.1 切削溫度

切削過程中熱電偶連續采集刀尖的切削溫度，并應用上位機軟件JYDAM記錄所有歷史數據。不同刀尖圓弧半徑下切削溫度如圖4所示。

圖4 不同刀尖圓弧半徑下切削溫度

從圖4中可以看出，超聲振動切削的溫度整體要低于普通切削，這是由于超聲振動的斷續切削，使得切屑未堆積到刀尖上而很快與工件、刀具分離，提高了散熱效率。當刀具圓弧半徑r=0.4mm時，切削溫度最低；刀具圓弧半徑r=0.8mm時，切削溫度最高，這是由于刀尖圓弧半徑增大時，刀具與工件的摩擦接觸面加大，產生的熱量較多造成的；在切削參數f=0.12mm，v=15m/min，ap=0.015mm時，超聲切削溫度和普通切削溫度變化都比較平緩。

2.2 閥芯表面粗糙度

每一組試驗數據完成后，測量已車削表面不同位置的粗糙度，測量4次取它們的平均值作為最終值。

不同刀尖圓弧半徑下閥芯表面粗糙度如圖5所示。

圖5 不同刀尖圓弧半徑下閥芯表面粗糙度

由圖5可以看出，超聲振動切削的表面質量要優于普通切削，這是由于超聲振動的斷續切削，有效減少了積屑瘤和鱗刺的產生，降低了表面粗糙度，提高了閥芯的表面質量；當切削參數f=0.12mm，v=15m/min，ap=0.015mm時，超聲振動切削的閥芯表面粗糙度值變化不明顯，其值均在1.5um左右；在不同切削參數條件下，刀尖半徑r=0.2mm時的粗糙度值較大。

2.3 切屑宏觀形態

在試驗中為判斷刀尖圓弧半徑對加工質量的影響，收集了每次加工的切屑進行對比。圖6～圖8所示的是在不同刀尖圓弧半徑的情況下，切削參數f=0.12mm，v=15m/min，ap=0.015mm時，兩種加工方式所形成的切屑宏觀形態。

圖6 r=0.2mm時的切屑宏觀形態

圖7 r=0.4mm時的切屑宏觀形態

圖8 r=0.8mm時的切屑宏觀形態

從圖6～圖8中可以看出，隨著刀尖圓弧半徑的增大，切屑宏觀形態依次為：粒狀，小螺旋狀，大螺旋狀；另外，在同一組數據中可以看出，超聲切削產生的切屑較為松散，且顏色白亮，這說明了超聲切削切屑流出比較順暢，沒有由于摩擦發熱而引起切削氧化變色。

3 結論

本文通過精密液壓閥芯的超聲車削試驗，在刀尖圓弧半徑r分別為0.2mm、0.4mm、0.8mm車削條件下，對比分析了超聲振動切削與普通切削的加工效果，揭示刀具圓弧半徑對切削溫度、閥芯表面粗糙度、切屑宏觀形態的影響規律，得出以下結論：1）超聲振動切削的溫度整體要低于普通切削，在切削參數f=0.12mm，v=15m/min，ap=0.015mm時，超聲切削溫度和普通切削溫度變化比較平緩。2）超聲振動切削的表面質量要優于普通切削，當切削參數f=0.12mm，v=15m/min，ap=0.015mm時，超聲振動切削的閥芯表面粗糙度值變化不明顯，其值均在1.5um左右；在不同切削參數條件下，刀尖半徑r=0.2mm時的粗糙度值較大。3）在切削參數f=0.12mm，v=15m/min，ap=0.015mm時，隨著刀尖圓弧半徑的增大，切屑宏觀形態依次為：粒狀，小螺旋狀，大螺旋狀；在同等條件下，超聲切削產生的切屑較為松散，且顏色白亮。