超聲橢圓振動(dòng)切削裝置應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展綜述*

鄭 鍇,胡高峰,辛文東,逯俊體,張 敏

(1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,天津 300222; 2.天津市高速切削與精密加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300222)

0 引 言

隨著國(guó)防軍工和航天航空等領(lǐng)域的快速發(fā)展,對(duì)工件的表面質(zhì)量和加工精度要求越來(lái)越高[1]。同時(shí),在高性能材料(例如玻璃、陶瓷、硬質(zhì)合金和鈦合金等)的表面進(jìn)行加工的需求也越來(lái)越多。傳統(tǒng)切削加工方法因加工精度低、表面質(zhì)量差和切削熱較高等原因,不能對(duì)硬脆性材料進(jìn)行加工。

超聲橢圓振動(dòng)切削的加工方法基于超聲橢圓振動(dòng)理論,最早是由日本學(xué)者隈部淳一郎教授提出的[2],該方法通過(guò)給刀具施加超聲振動(dòng),使工件與刀具產(chǎn)生間歇式的接觸分離。北京航空航天大學(xué)的肖華等[3]對(duì)超聲橢圓切削裝置設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)刀具表面的溫度顯著降低且刀具表面無(wú)明顯損壞。大連理工大學(xué)的康仁科等[4]在研究超聲橢圓振動(dòng)切削中發(fā)現(xiàn),這種加工方法可以減少犁溝和鱗刺的出現(xiàn),從而改善工件表面的加工質(zhì)量。通過(guò)以上內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn),超聲橢圓振動(dòng)切削裝置可以明顯改善工件表面加工質(zhì)量,提高表面加工精度,降低切削力,提高刀具使用壽命。

基于對(duì)高性能材料表面加工的需求,針對(duì)目前對(duì)各類(lèi)超聲橢圓振動(dòng)切削裝置缺少較為系統(tǒng)的描述等問(wèn)題,筆者綜述了超聲橢圓振動(dòng)切削裝置的原理及構(gòu)成,總結(jié)了各種類(lèi)型裝置的性能特性,通過(guò)對(duì)這類(lèi)裝置的總結(jié)與分析以期為超聲橢圓振動(dòng)切削技術(shù)發(fā)展提供理論支持。

1 超聲橢圓振動(dòng)切削原理及結(jié)構(gòu)組成

1.1 超聲橢圓振動(dòng)切削原理

超聲加工是通過(guò)對(duì)刀具施加超聲振動(dòng)來(lái)加工材料的,這是提高機(jī)械加工能效的一種有效手段。根據(jù)加工方式的不同可將超聲加工分為超聲輔助加工和超聲使能加工[5],具體如表1所列。

表1 超聲加工運(yùn)動(dòng)方式[5]

超聲橢圓振動(dòng)切削原理就是將高頻振動(dòng)的信號(hào)通過(guò)一定的裝置施加到刀具上,從而使刀具沿著橢圓軌跡進(jìn)行切削運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)刀具對(duì)工件的斷續(xù)加工[6]。其橢圓軌跡如圖1所示[7]。

圖1 橢圓振動(dòng)切削軌跡[7]

超聲橢圓振動(dòng)切削是從一維振動(dòng)切削發(fā)展而來(lái)的,一維超聲橢圓振動(dòng)切削技術(shù)最早是由日本的隈部淳一郎教授提出的[8]。二維超聲橢圓振動(dòng)理論在1994年由日本名古屋大學(xué)的社本英二教授等人提出[9]。其設(shè)計(jì)思路是在一維振動(dòng)的基礎(chǔ)上,引入另一維振動(dòng),兩個(gè)振動(dòng)的方向相互垂直,使其輸出部分的刀尖產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)[10]。日本學(xué)者Shamoto提出了三維橢圓振動(dòng)輔助切削的原理[11-13]。三種切削方式的加工特性如表2所列。

表2 三種切削方式加工特性[11-13]

1.2 超聲橢圓振動(dòng)切削裝置的構(gòu)成

超聲橢圓振動(dòng)切削裝置主要由超聲發(fā)生器、超聲換能器、變幅桿和刀架組成。超聲發(fā)生器由電源、振蕩器、激勵(lì)器和功率放大器等組成[14],可為振動(dòng)系統(tǒng)供能并使交流低頻電信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻電信號(hào)。超聲換能器的設(shè)計(jì)與選型與變幅桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要。

1.2.1 超聲換能器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

橢圓振動(dòng)切削裝置中所使用的超聲換能器主要分為磁致伸縮換能器和壓電換能器兩種[15],這兩種換能器都可將發(fā)生器產(chǎn)生的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)信號(hào)。兩種裝置的介紹如表3所列[16-17]。壓電換能器因其性能穩(wěn)定、能量轉(zhuǎn)換效率高而被廣泛使用,而磁致伸縮換能器雖然應(yīng)變大,響應(yīng)快,但其成本較高,因而沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。

表3 兩種換能器的主要性能特性[16-17]

1.2.2 變幅桿結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

變幅桿在超聲橢圓振動(dòng)裝置中主要起聚能和放大換能器產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)的作用,其形狀一般為變截面桿。變幅桿根據(jù)截面形狀、設(shè)計(jì)需要主要可以分為指數(shù)型、圓錐型、階梯型、懸鏈線型變幅桿[18],不同種類(lèi)型變幅桿組合則變成了復(fù)合型變幅桿[19]。變幅桿的主要性能指標(biāo)為波度特征、振幅、放大倍數(shù)及應(yīng)力分布[20],不同種類(lèi)變幅桿的結(jié)構(gòu)和性能特性如表4所列[21]。

表4 不同種單一變幅桿的性能特性[21]

根據(jù)波長(zhǎng)的不同,變幅桿可以分為1/2波長(zhǎng)變幅桿和1/4波長(zhǎng)變幅桿。這兩種變幅桿的區(qū)別與聯(lián)系如表5所列[22]。

表5 兩種波長(zhǎng)變幅桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[22]

通過(guò)以上內(nèi)容可知,變幅桿在裝置當(dāng)中起到了一個(gè)承前啟后的作用,它可以將換能器的機(jī)械能聚合放大傳遞給刀架,以減少能量損失,然后刀架再帶動(dòng)PCD刀具對(duì)難加工材料進(jìn)行超精密加工。較普通切削來(lái)說(shuō),其切削力和推力分別降低了93%和53%[23]。

2 超聲橢圓振動(dòng)切削裝置的分類(lèi)及應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 共振與非共振超聲橢圓振動(dòng)切削裝置

由于實(shí)現(xiàn)超聲橢圓振動(dòng)加工方式的不同,可以將超聲橢圓振動(dòng)切削裝置分為共振型和非共振型兩種切削方式。北京航空航天大學(xué)的李勛等在振動(dòng)刀桿偏離軸線的位置添加了配重和刀具[24],由于配重相對(duì)軸線形成的不對(duì)稱(chēng)彎矩作用,從而獲得彎曲振動(dòng)模態(tài),進(jìn)而在前端刀具處復(fù)合形成橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡。河南理工大學(xué)的唐軍等[25]通過(guò)在圓柱形變幅桿的一周開(kāi)設(shè)斜梁而形成縱向和扭轉(zhuǎn)共振模態(tài),從而在變幅桿前端形成橢圓振動(dòng)。上述研制的裝置原理圖分別如圖2、3所示。

圖2 李勛等設(shè)計(jì)的共振型切削裝置

圖3 唐軍等設(shè)計(jì)的共振型切削裝置

但是這些裝置因?yàn)樵谧兎鶙U上進(jìn)行結(jié)構(gòu)變化,導(dǎo)致變幅桿質(zhì)量不對(duì)稱(chēng),因而難以控制加工頻率,限制了共振型裝置的發(fā)展。

非共振型裝置的振動(dòng)頻率相對(duì)較低,可以直接用壓電疊堆驅(qū)動(dòng)刀具運(yùn)動(dòng),且一般采用柔性鉸鏈的驅(qū)動(dòng)方式[26]。韓國(guó)的Kim等[27-28]設(shè)計(jì)出兩種非共振超聲橢圓振動(dòng)切削裝置,其生成橢圓運(yùn)動(dòng)的原理為:利用兩個(gè)壓電疊堆而產(chǎn)生具有一定相位差的平行運(yùn)動(dòng),然后通過(guò)運(yùn)動(dòng)而耦合為刀尖的橢圓運(yùn)動(dòng)。圖4為兩種裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。但是由于非共振型裝置鉸鏈結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大、制作難度高、刀尖高度調(diào)節(jié)不便,因而其發(fā)展受到了制約。

圖4 Kim教授設(shè)計(jì)的非共振型裝置[27-28]

2.2 單激勵(lì)與雙激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)切削裝置

根據(jù)產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)的信號(hào)數(shù)量,可將切削裝置分為單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)和雙激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)切削裝置。單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)切削裝置由于只存在一路電壓信號(hào)的激勵(lì),所以需要使變幅桿的輸出端產(chǎn)生兩個(gè)自由度的機(jī)械振動(dòng)。

南京航空航天大學(xué)的殷振等[29]通過(guò)在變幅桿上添加非對(duì)稱(chēng)缺口的方式,使變幅桿從單一縱向振動(dòng)變成了縱彎復(fù)合振動(dòng),從而在刀具前端合成橢圓振動(dòng)。除此之外,他還設(shè)計(jì)了一種復(fù)合梁變幅桿,此變幅桿采用懸臂梁的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)橢圓振動(dòng)[30]。這兩種結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。而單激勵(lì)裝置的工作頻率單一,刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡不可調(diào)整,因此其發(fā)展必須要解決這些問(wèn)題。

圖5 殷振等人設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖

雙激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)切削裝置則可輸入兩種電激勵(lì)信號(hào),通過(guò)這兩種信號(hào)間的相位差的調(diào)整,使得正弦振動(dòng)疊加合成形成橢圓軌跡[31]。因此,兩個(gè)振動(dòng)裝置的排列角度和安裝方法至關(guān)重要。

美國(guó)西北大學(xué)的F.Ehman教授等[32]設(shè)計(jì)出一套裝置,該裝置利用夾角為60°的兩個(gè)壓電換能器激起刀尖處的橢圓振動(dòng)。美國(guó)北卡羅來(lái)納大學(xué)的T.A.Dow 教授等[33]設(shè)計(jì)了一種相互平行的壓電疊堆,壓電疊堆通過(guò)彼此的激勵(lì)信號(hào)的相位差帶動(dòng)特殊結(jié)構(gòu)的刀架產(chǎn)生位移變化從而形成橢圓振動(dòng)。兩種裝置的具體原理如圖6所示。但是由于雙激勵(lì)裝置是通過(guò)控制相位差來(lái)合成橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡,所以對(duì)相位差的精準(zhǔn)調(diào)整將是研究人員后續(xù)攻克的重點(diǎn)方向。

圖6 兩種雙激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)切削裝置原理圖

2.3 幾種典型裝置的性能特性

從以上介紹的幾種裝置可以看出,振動(dòng)方式和產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)的數(shù)量是對(duì)該裝置進(jìn)行分類(lèi)的重要依據(jù),幾種典型裝置的性能特性表如表6所列。

表6 典型裝置性能特性

綜上所述,可以總結(jié)出不同類(lèi)型的超聲橢圓振動(dòng)切削裝置特性,結(jié)果如表7所列。

表7 不同種類(lèi)型的裝置特性

3 結(jié) 語(yǔ)

超聲橢圓振動(dòng)切削是一種快速發(fā)展的特種加工技術(shù),其與傳統(tǒng)的加工方式相比較,能夠明顯地降低切削力和切削熱,提高工件的表面質(zhì)量,大大提高刀具壽命,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)硬脆材料和難加工材料的超精密加工。

文中重點(diǎn)闡述了超聲橢圓振動(dòng)切削裝置中各類(lèi)型超聲換能器與變幅桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),從而使相關(guān)研究人員根據(jù)設(shè)計(jì)需要選擇合適的超聲換能器和變幅桿。同時(shí),從激勵(lì)方式與振動(dòng)方式上,文中重點(diǎn)總結(jié)了不同類(lèi)型的超聲橢圓振動(dòng)切削裝置的性能特性并對(duì)這類(lèi)裝置進(jìn)行了一個(gè)較為系統(tǒng)的總結(jié),有利于超聲橢圓振動(dòng)切削技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

探尋加工工藝多樣化,實(shí)現(xiàn)多學(xué)科交叉,擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域,可以為超聲橢圓振動(dòng)的設(shè)計(jì)提供新的思路和方法,使這種加工方式不僅僅只應(yīng)用于機(jī)床加工,還可使其向智能制造、生物醫(yī)藥等方向轉(zhuǎn)移,使超聲橢圓振動(dòng)切削裝置能夠得到更好的應(yīng)用發(fā)展。