基于正交試驗的一種硬脆性材料超聲振動車削試驗研究

鄧欣　付明　韓明洋　張超

摘要：硬脆性材料具有硬度高、易脆裂的材料特性，一般機械加工難以保證其加工質量，加工過程中易發生材料斷裂、刀具磨損等情況。基于此，將超聲振動車削技術應用于一種硬脆性材料的車削加工過程中，將超聲振動車削后與普通車削后材料的表面加工質量進行了對比;通過設計正交試驗，分析了在加工這種硬脆性材料過程中影響超聲振動車削效果的因素。結果表明，超聲振動車削加工出來的材料表面質量明顯好于普通車削。刀具進給速度越慢，表面加工質量越好;刀具振幅越小，表面加工質量越好;工件旋轉線速度越慢，表面加工質量越好，刀具磨損越小。

關鍵詞：硬脆性材料;超聲振動;車削;線速度;進給速度;振幅

0 引言

硬脆性材料的機械性能與一般的塑性材料差距較大[1]。大部分硬脆性材料具有較高的硬度，幾乎沒有韌性，在機械加工中容易產生崩邊、開裂等現象，給機械加工帶來一定難度。超聲振動車削是在傳統切削技術的基礎上，對刀頭沿軸向施加了超聲頻率的振動，一般在20 kHz以上，振幅在3～20 μm，從而獲得良好的加工性能，尤其是對硬脆性材料的加工具有其他加工方法無可替代的優勢[2]。本文將超聲振動車削加工技術應用于一種硬脆性材料的外圓加工中，對影響超聲振動車削效果和材料加工表面質量的因素進行研究，為超聲振動技術在其他硬脆性材料上的應用提供基礎試驗數據。

1 試驗方法

試驗使用山東華云機電科技有限公司生產的華云豪克能超聲振動車削裝置，其主要結構包括超聲振動發生裝置、傳感轉換線、超聲刀頭，最大振動頻率超過30 kHz，試驗中使用的振動頻率為20 kHz。將超聲振動刀頭裝夾在普通車床上進行車削加工試驗，超聲振動加工設備如圖1所示。

試驗所用試塊為一種核反應堆用慢化材料，其具有高硬度和脆性，是一種典型的硬脆性材料，其外形為直徑25 mm、長約150 mm的棒狀試塊。刀具材料為聚晶金剛石，型號為HY-0037，刀尖半徑0.4 mm，最小R角0.2 mm。所使用的表面粗糙度儀為TR200手持式表面粗糙度儀。

2 試驗結果分析

2.1? ? 表面加工質量宏觀形貌對比

對材料進行普通車削和超聲振動車削試驗，采用相同的工藝參數：進給速度0.15 mm/r，切削深度1.5 mm，切削線速度150 m/min。在超聲振動車削時給刀頭施加頻率為20 kHz、振幅為10 μm的超聲振動。最終加工表面質量宏觀形貌如圖2、圖3所示。

從圖2普通車削加工后材料的表面可以看出，表面有不少孔洞、小坑，在加工表面與未加工表面交界處，材料有崩裂現象;從圖3超聲振動車削加工后的材料表面可以看出，表面較為光整，孔洞、小坑等不良加工區域明顯減少，加工表面與未加工表面交界處的崩裂現象極少，整體表面加工質量較高。

2.2? ? 影響超聲振動車削加工表面質量的因素分析

有文獻表明，超聲振動車削效果主要與車削線速度、進給速度、振幅等有關，為了研究超聲振動加工表面質量與上述3個因素間的關系，我們進行了相關試驗，試驗參數中切削深度統一為1.5 mm，刀具振動頻率為20 kHz，刀尖最小R角為0.2 mm，冷卻介質為水。試驗采用L9（34）正交設計，進行車削線速度（A）、刀具進給速度（B）和振幅（C）三因素三水平試驗。

車削線速度因素三水平A1、A2、A3分別為線速度150 m/min、200 m/min、300 m/min這3個常用車削線速度。進給速度因素三水平B1、B2、B3分別為0.03 mm/r、0.04 mm/r、0.05 mm/r。振幅因素三水平C1、C2、C3分別為5 μm、10 μm、15 μm。

根據正交設計方案得出9種試驗方案，分別進行試驗，對材料加工表面進行粗糙度測量，得到超聲振動車削表面加工質量影響因素的正交試驗結果，如表1所示。

由表1可以看出，以A1、B1、C1組合加工出來的表面粗糙度值最低，即在車削線速度為150 m/min、刀具進給速度為0.03 mm/r、刀具振幅為5 μm時加工表面粗糙度值最低，加工表面質量最高。

2.3? ? 極差分析

極差分析法簡單直觀，用極差R來分析各因素對結果的影響程度，R值越大，相應因素對目標參數的影響就越大，重要性越大[3]。

R=max（k1，k2，k3，…，ki）-min（k1，k2，k3，…，ki）

式中，ki為第i水平對應指標和Ki的平均值，即ki=Ki/r，其中r為任一列同一水平的出現次數[4]。本試驗為三水平試驗，r值為3。

根據表1結果，以加工后表面粗糙度值為考核指標進行極差分析，結果如表2所示。

由表2可以看出，極差值R從大到小依次為0.45、0.14、0.04，所對應的影響因素分別為刀具進給速度、車削線速度、刀具振幅。因此，刀具的進給速度對超聲振動車削加工材料的表面粗糙度值影響最大，其次為車削線速度，最后為刀具的振幅。

根據表2中每個因素第1、第2、第3水平對應的總平均值k1，k2，k3，得到各影響因素與超聲振動車削加工表面粗糙度的關系，如圖4所示。

從圖4可以看出：刀具振幅與加工后表面粗糙度值之間先呈正相關關系，后呈負相關關系，存在最優振幅;刀具進給速度和車削線速度均與加工后表面粗糙度值呈正相關關系;刀具進給速度越快，車削線速度越高，加工后表面粗糙度值越大，加工表面質量越差。在3種影響因素中，刀具進給速度對加工后材料的表面粗糙度值即表面質量影響最大，且為正相關，因此，在超聲振動車削此種硬脆性材料時，在不影響加工進度時，進給速度應當盡可能降低。

3 結論

（1）超聲振動車削技術可以應用于此種硬脆性材料上，且超聲振動車削在這種材料上的加工表面質量要優于普通車削。

（2）對于硬脆性材料的超聲振動車削加工，影響其最終表面質量的因素主要是刀具進給速度和車削線速度，且隨進給速度和車削線速度的增大，其表面粗糙度值增大，表面加工質量降低。超聲振動車削加工時，表面加工質量并不會隨刀具振幅線性降低而降低，而是呈現先降低后升高的規律，刀具振幅對表面加工質量的影響相對較小。

（3）本文試驗研究中沒有列入振動頻率這一因素，對于振動頻率對最終加工表面質量的影響沒有探究，對于振幅的影響也沒有做進一步研究。

（4）本文為超聲振動車削技術在其他硬脆性材料上的應用提供了參考，對研究影響超聲振動車削加工效果的因素進行了定性分析。

[參考文獻]

[1] 陳明君，王立松，梁迎春，等.脆性材料塑性域的超精密加工方法[J].航空精密制造技術，2001（2）：10-12.

[2] 徐國紀，李凱東.超聲振動切削在某細長軸加工中的應用研究[J].河南科技，2013（18）：132.

[3] 張建國，牛愛軍.基于正交實驗的多孔金屬激光燒結成型工藝的研究[J].制造業自動化，2008（12）：47-49.

[4] 潘柏松，龔惠玲，劉紅.基于正交試驗法的注塑工藝多目標優化設計[J].浙江工業大學學報，2007（3）：308-312.

收稿日期：2020-03-01

作者簡介：鄧欣（1991—），男，四川成都人，碩士，研究實習員，研究方向：特種加工與復合加工。