（精密仪器及机械专业论文）碳钢材料超声辅助振动金刚石镜面切削工艺技术的研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

中文摘要 近一个世纪以来，随着现代科学技术的飞速发展，特别是宇航、原子能、军 工、电力等行业快速发展，对产品的材料性能提出了更高的要求，尤其是各种难 加工碳钢材料和复杂形状工件在加工过程中出现的切削力大、切削温度高、刀具 耐用度下降、已加工表面质量低等特点，是传统加工方法远远不能应付的，这就 使得特种加工技术获得了很大的发展，其中，超声辅助切削加工技术作为特种加 工技术里面重要的一种，发展尤为迅速。超声波加工辅助金刚石切削加工技术出 现于上个世纪5 0 年代初期，是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的、广 泛应用于加工领域的高效率制造技术。实际生产的广泛应用表明，超声辅助切削 加工技术对提高产品质量，保障生产安全和设备安全运行，降低生产成本，提高 生产效率等方面具有很大的帮助。如今它已经广泛应用到国防建设、国民经济、 人民生活和科学技术各个领域。 论文主要工作如下： 建立超声波振动切削系统，首先根据各部件需求参数和匹配情况进行超声波 发生器、超声波换能器和变幅杆的选型与研究。 通过运用有限元仿真的方法对超声波变幅杆和整个振动单元进行分析，并运 用模态分析确定变幅杆的振动特性，即固有频率和振型，通过谐响应分析确定在 固有频率下的振幅放大倍数和变幅杆的位移节点，然后根据谐响应分析得出的位 移节点设计出超声波振动刀架，并使超声波振动切削系统成功安装在超精密车床 上。 本文最后在超精密车床上，分别采用典型刀具材料硬质合金、多晶金刚石和 单晶金刚石为材料的刀具对碳钢材料s t a v a x 进行切削实验，并展开了振动切削 最佳参数的研究。实验结果表明：超声波振动切削对比普通切削可以大大减小被 加工工件的表面粗糙度和加工刀具的磨损程度，并成功在模具钢表面获得了光学 镜面。 关键词：超精密加工超声波振动切削有限元仿真模具钢 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，e s p e c i a l l yi nt h ea e r o s p a c e ， p h o n i c s ，c o m m u n i c a t i o n ，b i o e n g i n e e r i n ga n dm i c r oe l e c t r o n i c s ，t h e r ei sam o r es t r i c t r e q u i r e m e n tf o r t h ep e r f o r m a n c eo fs o m em a t e r i a l s f o rs o m ew o r k p i e c e sw i t hs p e c i f i c m a t e r i a l sa n dc o m p l e xs h a p e s ，i ti sd i f f i c u l tt ou s et h ec o n v e n t i o n a lm a c h i n i n gm e t h o d t om a k ed u et oh e a v y c u t t i n gp o w e r , h i g hc u t t i n gt e m p e r a t u r e ，s e v e rt o o lw e a ra n dp o o r s u r f a c er o u g h n e s s ，t h e r e f o r e ，n o n t r a d i t i o n a lm a c h i n i n gi sd e v e l o p e dr a p i d l y o n eo f t h e mi su l t r a s o n i cm a c h i n i n gt e c h n o l o g y i te m e r g e di nt h el a s tc e n t u r y u l t r a s o n i c m a c h i n ei sa ne f f e c t i v et e c h n o l o g yw h i c hi sb a s e do np h y s i c s ，e l e c t r o n i c s ，m e c h a n i c s a n dm a t e r i a l ss c i e n c e w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g y ，i ti si n d i c a t e dt h a t u l t r a s o n i c t e c h n o l o g y h a sp r o v i d e da nh u g e h e l p t o i m p r o v et h eq u a l i t yo f p r o d u c t ，e n s u r et h es a f e t yo fm a n u f a c t u r ea n dt h ee q u i p m e n to p e r a t i o n a l ，r e d u c et h e c o s t so fp r o d u c t i o n ，i n c r e a s e e f f i c i e n c ya n ds oo n n o wi ti sa l r e a d ye n t e r e di n t o n a t i o n a ld e f e n s ea n de c o n o m y , s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，p e o p l e sl i f ea n do t h e r d o m a i n s i nt h i st h e s i su l t r a s o n i cv i b r a t i n gs y s t e mi ss e tu p f i r s t l y , t h em o d a l so fg e n e r a t o r , t r a n s d u c e ra n du l t r a s o n i ca m p l i t u d ea m p l i f i e ra r ec h o s e nb a s e do np a r a m e t e rs e l e c t i o n a n dm a t c ho p t i m a lm a t c hc o n d i t i o n s e c o n d l y , t h ea m p l i f e r p o l ea n dt h ew h o l eu l t r a s o n i cv i b r a t i o ns y s t e ma r e a n a l y z e db yu s i n gf e m ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) m e t h o d t oo b t a i nt h ev i b r a t i o n m o d a la n dt h ei n t r i n s i cf r e q u e n c yo ft r a n s f o r m e r , m o d a la n a l y s i si sa p p l i e dt ot h e t r a n s f o r m e r t oa c q u i r et h es w i n gm a g n i f i c a t i o nf a c t o ra n dc l a m p i n gp o i n t ，p o l e h a r m o n i cr e s p o n s e a n a l y s i s i sm a d eo nt h et r a n s f o r m e r t h e na ne q u i p m e n ti s d e s i g n e dt oi n s t a llt h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o ns y s t e mo ns u p e r - p r e c i s i o nl a t h eb a s e do n t h ec l a m p i n gp o i n t f i n a l l y ，s e v e r a la l u m i n u ma n ds t a v a xd i es t e e lw o r k p i e c e sw i l lb ec u tb yu s i n g y g 8 ，p c da n dd i a m o n dt o o l st of i n dt h eo p t i m u mp a r a m e t e r s t h er e s u l t si n d i c a t e t h a tc u t t i n gu s i n gu l t r a s o n i cc a na c h i e v eb e t t e rs u r f a c eq u a l i t y , l e s st o o lw e a rt h a n g e n e r i ct u r n i n g ，w ea l s oc a ng e tt h es t a v a xm i r r o rf o rd i es t e e l k e yw o r d s ： u l t r a - p r e c i s i o nm a c h i n i n g ，u l t r a s o n i c ，v i b r a t i o nc u t t i n g ，f i n i t e e l e m e n t ，s t a v a x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞苤鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：a 磊 签字日期： 纱旨年孑月吵e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 、( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：加孑年g 月吵日 导师签名：屠芹叶 签字日期：3 口口苫年f 月彳日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题研究的来源和意义 第一章绪论 随着科学技术的发展，对机械产品及其零部件的使用性能要求越来越高( 如 航空航天、海底探测、地壳勘探以及原子能发电站等领域所需要的关键器件) 。 制造这些机械产品及零部件所用的材料，大多数都是难加工的黑色金属。碳钢材 料作为黑色金属里面最为重要的一种，它被广泛应用于工业领域【l 】。但是，众所 周知的是，能加工钢铁等黑色金属的一般刀具无法实现镜面切削，即使是立方氮 化硼、精密陶瓷等刀具，由于其机械性能的制约，也无法满足加工要求。而天然 金刚石可以磨出极锋利的刃口，可以加工出极高精度和表面质量的镜面。但是， 金刚石刀具加工时由于石墨化的缘故，会引起工具的过分磨损 2 - 5 1 。在真空中， 当温度超过1 8 0 0 k 时，金刚石将转化为石磨。如果铁元素存在，这个转化温度 将会减d , n4 0 0 k 和6 0 0 k 之间1 6 1 。有研究表明，金刚石刀具切削钢铁时比切削 铜、铝等有色金属的速度快上千倍1 7 】。金刚石刀具的这一特性严重阻碍了钢铁等 黑色金属在航空航天及国防领域中的应用。为了在加工钢铁元素时降低金刚石的 石磨化，科学家们尝试过很多办法。试验发现高碳钢在一个碳原子充足的情况下 切削，充足的碳原子环境可以帮助减小金刚石刀具的磨损比例。e v a n s 发现运用 低温学的办法当在一个冷却的环境切削时，可以降低刀具的磨损f 8 】。由此可以看 出，金刚石切削钢铁材料，已经成为当今精密a n t _ 领域迫切需要解决的重要课题 之一。运用超声波驱动金刚石刀具对钢铁等黑色金属进行切削也是一种有效的方 法，它已被证明可以有效的改善加工工件表面质量和降低刀具的磨损【9 】。本文就 是在超精密数控车床上进行超声波振动切削系统的设计，并进行超声波振动驱动 金刚石刀具，对钢铁等黑色金属进行切削实验研究。 1 2 超声波，3 d - 1 - 系统的研究现状 超声振动切削是在切削刀具上施以超声振动，刀具周期性的离开和接触工 件，其运动速度的大小和方向在不断改变，在一个切削循环过程中，刀具在很小 的位移上得到很大的瞬时速度和加速度，在局部产生很高的能量，对工件有冲击 作用，这有助于塑性金属趋向脆性状态，塑性变形减小，摩擦系数降低，切削力 天津大学硕士学位论文第一章绪论 大大降低。该方法最早于1 9 5 3 年，由日本学者隈部淳一郎教授发明并应用【9 】。 近年来，宇航、原子能、军工、电力等行业快速发展，对产品的材料性能提 出了更高的要求。材料要求在高温、高应力状态工作，或需要耐腐蚀、耐磨损性 能，大量使用各种非金属材料，如石材、陶瓷、工程塑料、纤维增强材料，上述 材料具有高硬度、高强度、低塑性和高脆性、有微观硬质点或夹杂物特点，被称 为难加工材料，这些材料在加工过程中切削力加大，切削温度高，刀具耐用度 下降，已加工表面质量恶化，切削过程难以控制，这些问题造成加工效率低和 表面质量下降。科研人员尝试用超声振动切削来加工上述难加工材料，取得了一 定的效果。实验表明，超声振动切削技术在相当大的程度上可以解决难加工材料 切削中很多关键的技术问题，比传统切削技术有明显的优势】。目前，超声振 动加工技术向振动车削、振动钻孔和镗孔、振动锯料、振动冲击加工、振动磨削、 超声塑性加工以及复合加工等方面发展，取得了一定的成就。 1 3 国内外超声波振动切削加工的研究现状 超声振动切削这一加工方法自上世纪五十年代末提出来后，国外许多专家学 者从不同的方面对其进行了大量的试验研究2 1 。 从研究的深度、广度以及世纪应用效果来看，日本在超声振动方面处于国际 领先地位。日本专门设立了专门的振动切削研究所，许多大学和科研机构也都设 有这个研究课题。日本研究超声加工的主要代表人物有两位：一位是中央大学的 岛川正寰教授，超声波工学一理论和实际是他的代表作；另一位是宇都大学 的隈部淳- - a g 教授， 精密加工一振动切削一基础和应用是他的代表作1 3 】。 日本研究人员不但把超声加工用在普通设备上，而且在精密机床，数控机床中也 引入了超声振动系统，并且将超声加工引入超精密加工机床。超声加工在日本已 获得近百项专利，在生产中发挥了一定作用。上世纪末，日本学者m o r i w a k i 和 s h a m o t o 发明了椭圆振动加工技术，用于切削淬硬钢零件，更是大大提高了刀具 寿命和工件的加工精度。同样是在上世纪末，日本超音波工业株式会社制成新型 u s s p 系列超声振动头，日本工业大学铃木等提出采用稍低频率( 3 0 0 0 5 0 0 0 h z ) 的振动切削方法，并称之为颤振切削法0 4 - 1 s 。 6 0 年代初，美国开始了超声加工的研究工作。由于当时超声加工技术还很不 成熟，包括声振系统、换能器、发生器的设计制造和质量都很差，美国的研究工 作曾经停顿了1 0 年。7 0 年代中期，美国在超声钻中心孔、光整加工、磨削、拉管 和焊接等方面，已处于生产应用阶段；超声车削、钻孔、镗孔、已处于试验性生 产设备原型阶段；通用超声振动切削系统已供工业应用，目前已形成部分标准 2 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 d 4 1 。2 0 0 4 年，美国诺丁汉大学v i b a b i t s k y 等人进行了超声波振动切削对航天 材料的加工研究，并对几种航天材料加工后表面质量进行了对比u 6 1 。 原苏联的超声加工研究也比较早，5 0 年代末6 0 年代初已发表过很有价值的论 文。在超声车削、钻孔、磨削、光整加工、复合加工等方面均有生产应用，并取 得了良好的经济效果。他们对超声加工设备操作人员的技能等级，共分为五级。 为了推动超声加工的应用，1 9 7 3 年原苏联召开了一次全国性的讨论会，充分肯定 了超声波加工的经济效果和实用价值，对这项技术在全国的推广应用起到了积极 作用。前苏联在振动切削技术方面做了大量应用工作，但主要是面向国防工业， 所以技术报道不全面。 2 0 0 3 年底，新加坡南洋理工大学研究了加入超声振动后材料的脆塑转变情 况，得出在相同条件下加入超声振动后缩短了材料的脆塑转变时间t i t 。 德国和英国也对超声加工的机理和工业应用进行了大量研究工作，在生产 中，并发表了许多有价值的论文，在生产中也得到了积极的应用1 6 1 。 我国超声加工的研究始于五十年代末，曾经掀起过一阵群众性的“超声热”， 由于当时超声波发生器、换能器、声振动系统还很不成熟，缺乏合理的组织和持 续的研究工作，很快就冷却了下来。 六十年代末，哈尔滨工业大学应用超声切削，加工了一批飞机上的铝制细长 轴，取得了良好的切削效果，但事后没有进行深入的总结和研究。由于我国特定 的历史条件，中断了这项新技术得研究工作十多年。 1 9 7 6 年以后，我国再次开展超声加工的试验研究和理论探讨工作。吉林工 业大学、广西大学及甘肃光学仪器厂等单位，率先进行超声车削设备及试验研究。 l9 8 2 年，上海钢管厂研究所及上海超声仪器厂、中国科学院声学所研制成功超 声拉管设备，为我国超声加工在金属塑性加工中的应用填补了空白。1 9 8 3 年1 0 月，机械电子工业部科技司委托机械工艺师杂志编辑部在西安召开了我国第 一次“振动切削专题讨论会”，会议充分肯定了振动切削在金属切削中的重要作 用，交流了研究和应用成果，促进了这项新技术在我国的深入研究和推广应用。 1 9 8 5 年，机械电子工业部第1 1 研究所研制成功了超声旋转加工机，在玻璃、陶 瓷、y a g 激光晶体等脆性材料的钻孔、套料、端洗、内外圆磨削及螺纹加工中， 取得了优异的工艺效果。1 9 8 9 年，成功研制超声衍磨装置，在汽车、拖拉机、 摩托车发动机气缸、跑管、油缸、煤矿液压支架等精密孔的衍磨加工中进行了生 产应用，并通过了部级鉴定，填补了国内技术空白。1 9 9 0 年，超声衍磨装置被 列为国家级新产品。1 9 9 1 年，我国研制成功了变截面细长杆超声车削装置，从 根本上解决了节制杆、各种复杂形状的变幅杆、等截面细长杆精密加工的重大技 术难题，对保证产品质量，提高制造技术水平有重大意义，这项技术也通过鉴定。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 一 图11 哈尔滨t 业大学的超声波振动切削系统 在最近几年，随着超声加工技术的发展，我国已经形成几太加工技术：精密 超精密振动车削与镗削、内，外圆振动磨削、微孔深孔斛孔振动钻削、振动攻丝 与铰孔、振动衍磨与抛光、振动切削、振动挤压强化与表面特性、振动去毛刺等。 在超声波振动切削领域中，我国已经取得了显著的战绩 其小，北京航天航空大学张德远教授领导的课题组在难加t 材料振动攻丝、 加工精度控制技术研究方面有了突出的研究成果1 1 5 1 ：吉林工业大学千立江教授 研究组研究了z 向分离型超声振动车削的运动特性，并指出根据运动特性的综合 作用，给振动切削带来一系列优点。东南大学汤铭权教授等从振动切削运动学八 手，探讨了超声振动切削机理，设计制造了超声振动车削用快速落刀装置：哈尔 滨上业大学的周明教授等进行了脆性材料振动切削的研究，得出了临界切削深度 与切削速度的联系。 可以相信，随着超声加工设备的不断完善和理论研究工作的不断深八，它必 将在我国技术进步和社会现代化建设中起到重要作用。 1 4 振动切削概述 振动切削是近期迅速发展起来的一种新型的非传统的特种切削加工方法。它 足在切削, n r i i 的基础上，利用振动驱动装置，使得固定在变幅杆末端的刀具能以 频率f 、振幅a 在切削方向上作正弦强迫振动，并且只存在切削速度小于临界切 削速度2 m a 时，d 能形成一种断续的变速切削过程。振动切削与传统切削的一 个最大不同在于传统切削足利用丰轴自身旋转提供切削能量，通过主轴带动工件 挤压刀具来去除材料：而超声波振动切削则足利用刀具自身高频振动带来能量， 不需要主轴旋转能量来达到去除材料的目的。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 振动切削的实质是在切削过程中使刀具或工件产生某种有规律的、可控的振 动，使切削速度( 或进给量、切削深度) 按某种规律变化，从而改善切削状态， 提高工件表面质量。 振动切削改变了工具和加工工件之间的空间与时间存在条件，从而改变了加 工( 切削) 机理，达到了减小切削力、降低切削温度、提高加工质量和效率的目 的。振动切削按所加频率的不同可分为高频振动和低频振动，低频振动仅仅从量 上改变切屑的形成条件，主要用来解决断屑问题以及其他相关问题；而超声波振 动属于高频振动，它的切削使切屑形成机理发生了重大变化，可以提高被加工材 料的可加工性，提高刀具寿命和工件的加工质量。超声波振动加工的工艺效果来 自刀具和工件之间的分离运动，是一种脉冲式的断续切削过程。作为精密加工和 难加工材料的一种新技术，它的优点和效果目前在世界各地已经得到了承认和肯 定。本文所运用的超声波振动切削属于z 向分离型超声波振动切削，总结起来， 它主要有以下几个特性： 1 分离特性 z 向分离型超声波振动切削时，车刀前刀面与切屑之间不像传统车削过程那 样总是紧密接触的，而是周期性的分离。分离特性彻底改变了车削时前刀面的接 触条件，使前刀面与切屑的摩擦时间缩短，摩擦系数显著下降，剪切角增大，变 形减小，特别是高频的分离使金属间的亲和作用和黏结作用大大减弱，切屑很难 粘于前刀面上，从而使积屑瘤难以生成，因此，切削过程比普通车削稳定得多， 出现了切削力下降，表面质量和加工精度提高等一系列的加工效果。 2 冲击特性 振动车削过程是宏观上连续，微观上高频断续的冲击切削，每次冲击的时间 t 。极短。这种冲击是周期的，在某点处突然切入工件，使刀具刃口附近产生局部 很大的集中应力和局部高温，故使得切屑较容易的从工件本体上分离出来。冲击 特性引起了振动车削过程中切屑形成机理的很大变化，切削能量集中，切屑变形 减弱，平均切削力下降，出现了稳定的带状屑和刚性化效果，提高了加工表面质 量和加工精度。 3 变速特性 振动车削是一种周期性的变速度和变加速度的切削过程，而且形态也是多变 的，在振动切削过程中，因为车床主轴也有一定旋转速度的缘故，车削的切入虽 然是冲击式的，但切出却是非常平稳的。另外，在每一周期中最大切削速度和平 均切削速度都要大于离开切屑时的切削速度。总之，振动切削虽然也是一种断续 切削，但却与传统的断续切削大不相同。它实质是把常速的普通车削在极短的周 期内做了重新分配，这是振动车削所特有的功能。它使得实际切削速度得以提高， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 导致被切金属变脆，降低了塑性变形量，这对塑性材料的加工有很大的益处。变 速特性对车削过程中的颤振现象也有抑制作用，可提高加工质量。还可在低速切 削时获得较高速车削的一些效果。 4 往复熨压特性 振动车削的另一特性是刀具相对工件的运动不是单方向前进的，而是周期的 往复运动。因此，已加工表面在形成以后，又经过刀具后退，再前进的重复熨压 作用，其次数随分离系数的不同而不等。实验表明，振动车削的往复熨压特性使 车削的实质变成了切削与熨压的联合作用，能明显提高加工表面的质量。 由于这四个运动特性综合作用的结果，给振动车削带来一系列的优点1 1 9 。 1 4 1 振动切削与普通切削的比较 在普通切削中，切削是靠刀具与工件的相对运动来完成的。切屑与已加工表 面的形成过程，本质上是工件材料在第一变形区内受到刀具的剪切产生滑移、在 第二变形区和第三变形区分别受到前刀面和切削刃钝圆弧的挤压和摩擦作用，产 生塑性变形，使刀屑与本体分离的过程。在这种刀具始终不离开工件的普通切削 中，刀具的作用包括两个方面：一个是刀刃的作用；一个是形成刀刃的刀面的作 用。由于刀刃与工件接触处局部压力很大，从而使工件分离。刀面则在切削的同 时挤压工件，促进这种分离。普通切削中，伴随着切屑的形成，由于切屑与刀具 之间的挤压和摩擦作用，将不可避免产生较大的切削力、较高的切削温度，使刀 具磨损和产生切削振动等不利现象。振动切削有益的一面t 在一定条件下切削功 率可以降低15 - - 3 0 、切削收缩显著减小、改善了切屑的形成条件、得到碎断 切屑等。超声振动就是利用这种特点【l3 1 。 1 4 2 振动切削分类 振动切削是用不同的振动发生器，使刀具发生强迫振动。按照不同形式对振 动切削进行分类。以下为具体分类： 1 、按刀具振动方向分类 按刀具振动方向分，可分为吃刀抗力方向、进给抗力方向和主切削力方向三 种振动切削。在实际应用中，可以根据加工要求选择振动频率和振动方向，一般 来说，主切削力方向的振动切削效果最好。 2 按振动频率分 按振动频率分，可分为高频振动切削和低频振动切削。刀具或工件振动频率 在2 0 0 h z 以下的振动切削则称为低频振动切削。低频振动切削的振动主要靠机 械装置来实现，主要应用于切削速度较低的切削加工，如：钻削、铰削、攻丝、 6 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 拉丝、抛光等，主要目的是达到顺利排屑，提高生产效率和延长工具寿命。刀具 或工件振动频率在1 0 k h z 以上的振动切削称为高频振动切削。高频振动切削是 利用超声波发生器、换能器、变幅杆、支撑调节结构与刀具等组合机构来实现。 高频振动切削加工方法主要能够改善工件加工表面质量与加工精度、延长刀具寿 命、提高切削效率、扩大切削加工范围。可广泛用于车、刨、铣、磨、螺纹加工、 抛光等方面。通常，把高频振动切削就叫做超声波振动切削。 3 按振动性质分 按振动性质分，可分为自激振动切削和强迫振动切削两种。 自激振动切削是利用切削过程中本省产生的振动进行切削。强迫振动切削是 利用专门设置的振动装置，使刀具或工件产生某种规律的可控振动进行切削的方 法。 1 4 3 不敏感性振动切削原理 在振动切削过程中，对原工艺系统可不采取任何其他的消振措施，只要振动 参数选择合适，即合理的选择振动参数( 特别是频率比厂厂：振动系统振动频 率，无：工件固有频率) 就能有效的消除和减轻工艺系统的振动，明显提高切削 过程的动态稳定性。 不敏感性振动切削机理是由日本著名专家隈部淳一郎教授提出，指所加的振 动频率大于工件的固有频率时的振动切削机理，在厂 无3 时，工件位移不再随 时间发生变化，而形成静位移。可以根据静力学的方法按下式求出位移大小： x = ( t c r ) ? i k 其中t 。丁为相对切削时间，弓为切削功率，k 为振动切削弹簧系数。 当缈 国。3 时，超声波振动加工工件的动态位移仅为普通车削的t ，t 倍。 这种切削特性，实际相当于在切削过程中给工件振动系统增加了刚性。而从工艺 效果来看，它与增加工件的夹紧力、使用中心架、顶尖等提高机床主轴系统刚度 的方法，具有相同的切削效果 1 3 1 。 般情况下，工件固有频率多数在5 0 0 h z 以下，因此采用2 0 k h z 以上的超 声波振动切削时，大都属于不敏感性振动切削。 1 5 超声波振动加工的特点 超声波加工，是指给工具或工件沿一定方向施加超声振动进行加工的方法。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 超声波振动切削是近代出现的一种特殊的超精密车削加工方法，超声波振动发生 器将工频交流电转换为有一定输出功率的超声频电振荡，然后通过换能器将此超 声频电振荡变为超声机械振动。在高频振动下借助变幅杆把振动的位移幅值进行 放大并将它添加到切削刀具上。超声波振动切削显著减小了切削力、切削热和刀 具磨损，同时对比传统切削还显著提高了被加工工件表面质量 2 0 - 2 1 。在加工难切 削材料时，常与其他加工方法结合加工，如超声车削、超声磨削、超声电解加工、 超声线切割等。这些加工方法可以显著被提高加工工件表面质量、加工效率等。 超声波振动切削是在切削过程中个刀具迭加上一种可控的振动作用而形成 的一种切削加工方法。在超声振动切削中，常规情况下宏观的连续切削变成了微 观的脉动断续切削，常规的匀速切削变成了超声的变速和变加速切削，单向切削 变成了双向往复熨压切削【l9 1 。超声波振动切削在每个振动周期内只有1 3 的时 间在切削，在剩余的时间脱离工作，这就使得切削液能够充分进入切削区域，冷 却润滑非常充分，大大降低了切削温度，使得刀具的寿命可以得到大幅度的提高。 加上超声振动会带动周围切削液振动，这就使得切削液对刀具和工件不会发生粘 结，另外，超声振动切削还会引起切削力的降低，可以提高切削深度，并且提高 切削精度。由此可以得到超声振动切削有如下的优点： ( 1 ) 切削力大大降低超声振动切削与普通切削不同，它在极短的时间内完 成一个微量切削过程，刀具在极小位移上得到一个极大的瞬时速度和加速度，这 种局部产生的冲击能量可以使材料迅速变形，切削变形区的塑性变形和摩擦减 小，显著提高刀具寿命。 ( 2 ) 改善表面加工质量由于振动切削具有分离作用，失去了积屑瘤和鳞刺 的形成条件，减小了摩擦力，可以加工得到粗糙都较小的表面质量。 ( 3 ) 降低切削温度振动切削过程中，由于其切削力不是靠刀具的挤压而是 靠振动系统本身产生的。由于是断续切削，因而其切削时间极短，在刀具与工件 分离的时间内，冷切液能够充分进入，降低切削温度。另外，在极短的切削过程 中，热量也来不及传到更深的金属内部，所以其平均热量是十分微小的【2 3 1 。 1 6 论文的研究内容 本课题主要是通过软件模拟完成超声波振动切削系统和超声波驱动刀架的 设计，然后基于超声波振动的基础上，利用硬质合金刀具、p c d 人造金刚石刀具 和天然金刚石刀具分别对s t a v a x 模具钢进行微量切削，采用不同的切削用量和 振动参数进行实验，对实验数据进行综合分析，得到振动参数、切削用量、刀具 寿命和工件表面质量之间的关系和规律，开辟了对模具钢材料进行超精密切削的 天津大学硕士学位论文第一章绪论 实用化途径，本论文主要工作如下： ( 1 ) 超声波振动发生器和换能器的选用，刀具及其他零部件的选型，并对安装 和调试阶段中出现的问题进行分析和论述。 ( 2 ) 有限元分析：根据振动理论和有限元方法，借助于有限元软件a n s y s i o 0 进 行变幅杆的动力学分析。这包括模态分析和谐响应分析，建立变幅杆的有 限元模型，用模态分析确定了在超声波发生器的激振频率范围内，变幅杆 的固有频率，利用这个固有频率，对变幅杆进行谐响应分析，其目的是为 了得出变幅杆在固有频率下，当固定端面施加一个随正弦规律变化的振幅 时，自由端面所得到的振幅是怎样变化的，在得到自由端面的振幅后，可 以求出变幅杆的放大比。另外，通过谐响应分析，找到超声波在变幅杆内 部传播的位移节点，为超声波驱动刀架的设计提供理论依据。 ( 3 ) 运用阻抗分析仪和激光测振仪对振动系统的固有频率和变幅杆末端的振幅 进行测量，对有限元分析结果进行验证。 ( 4 ) 根据有限元分析结果设计和加工刀架支撑机构，使超声波振动切削系统能 够运用于超精密车床上。 ( 5 ) 选用各类型刀具，采用此套振动系统对铝件和s t a v a x 模具钢件进行大量切 削实验，对实验数据进行分析，总结出机床主轴转速、进给量、切削深度、 振动幅度与工件表面粗糙度和刀具磨损程度之间的对应关系，找出对 s t a v a x 模具钢进行镜面切削的最佳切削参数。 9 天津大学硕士学位论文第二章超声波振动系统的动力学分析 第二章超声波振动切削系统 超声波振动主要是由超声波发生器将2 2 0 v 的交流电转换为频率为2 0 k h z 以上的超声频电振荡信号，然后，换能器将电信号转化为机械振动信号，最后再 通过变幅杆把换能器产生的机械振动放大，最终在变幅杆末端得到适合加工的超 声振动幅值。本章主要介绍超声波切削运动的基本机理和超声波振动切削系统各 个部件的基本功能以及工作原理，并成功建立一整套超声波振动切削系统。 2 1 超声波简介 声波是入耳能感受的一种纵波，它的频率在1 6 1 6 k h z 范围内。当频率超过 1 6 k h z ，就称为超声波。超声波和声波一样，可以在气体、液体和固体介质中传 播。由于超声波频率高、波长短、能量大，所以传播时反射、折射、共振及损耗 等现象更显著。 科学试验和生产应用表明，当超声波强度很高时，不是为听觉服务的一些特 性和作用表现得很突出，并且已获得大量应用。因此，随着超声技术应用的发展， 现在已把不是为人的听觉服务的声频范围内的声波的应用，也列入超声技术应用 范畴，统称为超声应用。总的来说，超声波具有以下特性： ( 1 ) 频率高、波长短： 因此方向性好，易于形成声束。在介质中传播时，与光波相似，遵循几何光 学的基本规律，具有反射、折射、聚焦等特性。 ( 2 ) 超声波能传递很强的能量。 ( 3 ) 当超声波经过液体介质传播时，将以极高的频率压迫液体质点振动，当液 体介质中连续的形成压缩和稀疏区域。由于液体基本上不可压缩，由此产生压力 正负交变的液压冲击和空化现象。由于这一过程时间极短，液体空腔闭合压力可 达几十个大气压，并产生巨大的液压冲击。这一交变的脉冲压力作用在邻近的零 件表面上会使其破坏，引起固体物质分散、破碎。这种现象就是空化现象。 ( 4 ) 超声波通过不同的介质时，在界面上发生波速突变，产生波的折射和反射 现象。能量反射的大小，决定于两种介质的波阻抗( 密度与波速的乘积) ，介质 的波阻抗相差越大，超声波通过界面时能量的反射率越高。当超声波从液体或固 体传入空气，或者从空气传入液体或固体时，反射率都接近1 0 0 。为了改善超 声波在相邻介质中的传递时能量的反射损失，往往在声学部件的各连接面间加入 1 0 天津大学硕士学位论文 第二章超声波振动系统的动力学分析 机油、凡士林作为传递介质，以消除空气引起的能量损失。 ( 5 ) 超声波在一定的条件下，会产生波的干涉和共振现象。 2 2 超声波切削的基本机理 经过科学家们的多次切削实验，不难发现，与常规加工方法相比，真正提高 金属加工表面质量、减小刀具磨损量的主要原因是：一方面合理的运用振动功效： 在振动时，刀具与工件切削接触时间少，切屑较快分离，同时加强切削液的润滑 和冷却作用：另一方面是振动切削能大幅度的减小切削力，使传统切削连续、恒 定的力变成振动切削断续、突变的力，改变了切削的力作用原理。超声振动切削 是切屑形成机理发生了重大变化，对切削效果的影响大致可以归纳如下： ( 1 ) 周期性的改变了实际切削速度的大小和方向； ( 2 ) 周期性的改变了刀具运动角度； ( 3 ) 周期性的改变了被切金属层的厚度： ( 4 ) 改变了所加载荷的性质，使刀具由静载荷变成了动载荷； ( 5 ) 改变了已加工表面的接触条件，减小了切屑形成区的变形，降低了切削力； ( 6 ) 改善了切削液到达切削区的条件； ( 7 ) 改变了已加工表面的形成条件，从而改善了工件表面质量，提高加工精度； ( 8 ) 改变了加工工艺系统的动态稳定性，从而得到振动切削特有的切削效果。 改变了消耗在切削过程中的功率n ，使能量分布发生了变化。 2 2 1 切削刃的运动机理 为了更好的分析实验结论，我们从切削刃的运动机理入手：图2 1 就是超声 波振动切削装置的示意图。 图2 1 超声波振动切削示意图 l l 天津大学硕士学位论文第二章超声波振动系统的动力学分析 显示了在切削方向上频率为f ，周期为t ，振幅为a ，工件以切削速度v 旋转 时的各种不同形式切削力信号的变化。切削工具从o 点开始振动，然后以速度v 向工件移动，在a 点开始与工件进行接触，在a 点和b 点之间，接触力引起了切削 的形成。从b 点开始，当刀具速度超过工件速度后刀具斜面和工件开始分离。然 后，从b 点n c 点的过程中，刀具又开始向工件靠拢并接触上，所以在c 点和d 点 之间切削又开始形成。 刀具与工件的间断性切削过程可以如下描述： 在振动切削过程中，刀具的位移为： y = a s i n g o t 在上式中，y ，a 和t o 分别代表位移，振幅和刀具的角速度。 刀具速度为： 痧：塑：么缈c o s 刎 8 t 在b 点和d 点，当刀具的速度等于工件的速度时： 一矿= a c o c o s r o t l 则可得： 仁去c o s - l ( 盖)2 丽s1 丽 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 在这里，v 是切削速度，如果v a c o ，则切削过程将和普通切削过程没有任 何区别，这是因为始终保持了工具和工件的接触。因此，有一个关键的临界切削 速度v c ，由振动切削可以得到：圪= a c o = 2 r v t f 。 刀具自b 点脱离工件后，工件以切削速度v 继续前进，刀具离开工件向右运 动，刀具和工件关键脱离点在任意时刻的位置为：、 一 y = a s i n o t l v ( t t 1 ) 在t ：时刻刀具达n c 点开始切削工作，此时： 1 2 ( 2 5 ) 天津大学硕士学位论文 第二章超声波振动系统的动力学分析 a s i n 2 = a s i n c o t l 一v ( t 2 一t 1 ) 由上式可以得出： a s i n o t l + w 1 = a s i n w t 2 + v t 2 将( 2 4 ) 代入( 2 - 6 ) 可解得刀具与工件重新接触的时刻f ：。 净切削时间： t c = t + t l t 2 这里t = l 伪振动周期，则相对净切削时间 t 。t = 1 + f l t t 2 t ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 工件在刀具振动一周时间内所走过的距离为阿，所以刀具振动一周的切削 长度为： l r = v t = v | 。 ( 2 - 1 0 、 t 。丁值在振动切削中是一个重要的参数。这个值小，说明每个振动周期中刀具 的净切削时间所占的比例小，平均切削力小。振动切削实验表明，当矿v c = 1 3 时，在兼顾振动效果与加工效率方面比较理想。 2 2 2 降低切削力和切削温度的机理 由切削刃运动机理可以看出，在振动切削时，刀具与工件之间相对运动速度 的大小和方向均产生周期性变化，被加工材料的弹塑性变形和刀具各接触表面的 摩擦系数都较小，且切削力和切削热均以脉冲形式出现，使切削力和切削温度的 平均值大幅度下降，从而改善了切削条件，提高了工件加工质量和刀具使用寿命， 减小切削力引起的变形和切削温度引起的表面热损伤、表面热应力及工件热变 形，尤其为需要热处理的零件减小热处理变形及裂纹创造了十分有利的条件，容 易实现超精密加工。超声振动切削时一个在极短时间内完成的微量切削过程，刀 具在很小的位移上得到很大的瞬时速度和加速度，这种局部产生的很高的冲击能 量使切削区材料快速变形、摩擦系数降低、剪切区材料的塑性变形减小，因此振 天津大学硕士学位论文 第二章超声波振动系统的动力学分析 动切削时的切削力大大减小了 2 2 - 2 4 。 超声振动切削中一般情况下f ，丁一般只有1 3 1 1 0 ，超声波振动切削的平均 切削力也仅使普通切削的t ，丁，即1 3 1 1 0 。因而平均切削力大大降低了。在超 声波振动切削的过程中，刀具与刀屑在一个振动周期内分离一次，当刀具离开切 屑后又重新接触进入切削时，这个过程可以看作是塑性碰撞过程，该碰撞过程使 工件材料获得冲击能量，该能量对振动切削过程有着不可忽视的作用，是振动切 削的固有特性，它使得普通切削过程中单一的挤压切削过程转变成为冲击一挤压 剪切的过程，使得在振动切削的一个周期内，装置所需要的能量是由两部分构成 的：塑性碰撞时的能量和碰撞后刀具振动切削做功直至刀具与切屑分离所耗能 2 4 1 。 振动切削中，由于切屑生成机理与普通切削有着很大的不同，p s i n c o t 切削 力不是靠刀具的挤压而是靠振动系统本身产生的。而且其脉冲切削力作用时间 短，刀具在短时间内很难生成大量的切削热。即使在切削中生成微量切削热，由 于热量是以脉冲形式出现，在极短的切削过程中，热量来不及传到更深的金属内 部，所以其平均热量是十分微小的，振动切削时，相当于上下急促摆动的断续加 热，刀具和工件不容易出现热焊现象。由于振动切削时断续切削，可以充分发挥 切削液的冷却和润滑作用，所以降低了切削温度。 总体来说，振动切削切削力的小的原因有： ( 1 ) 振动的切削过程为周期式冲击式切削平均切削力小而稳定 1 3 2 5 由于是高频短时间冲击式切削，一是不会因刀具挤压工件而产生随即强迫振 动；二是刀具有规律的振动来自外界振源，不受切削过程的影响。即刀刃冲击并 切下切屑的各个瞬间，刀刃所处位置始终保持不变，故切削力非常稳定。与普通 切削相比，振动切削的切屑变形小。由于振动切削与工件是断续接触，在脱离接 触的瞬间，切屑底层会生成一层氧化膜，防止切屑底层与刀具前刀面粘结，从而 磨损降低。 ( 2 ) 切削液冷却与润滑更充分 ，便于切削液进入切削区，实施有效的润滑和冷却，使磨损进一步降低。 ( 3 ) 切屑变形小 由于刀具与工件高频断续接触，接触时间极短，切削来不及变形就被切离， 从而切削力相应减小。 2 3 超声波振动切削系统组成 超声波振动切削系统主要是由超声波发生器、换能器和变幅杆三部分组成。 1 4 天津大学硕士学位论文第二章超声波振动系统的动力学分析 超声波发生器主要由振荡器、电压放大器、功率放大器和输出变压器等部分 组成。其中，振荡器是超声波发生器的核心，为了保证超声波发生器的频率稳定， 发生器和换能器阻抗匹配，最近研制的超声波发生器还装有声跟踪电路和频率自 动跟踪电路。目前，超声波发生器正向大功率、小体积、低成本、标准化、积木 化、智能化及可靠性方向发展。 换能器是将超声波发生器产生了超