（机械工程专业论文）难加工材料薄壁零件的振动切削技术研究.pdf

四j i 大学硕士学位论文 难加工材料薄壁零件的振动切削技术研究 专业 工程硕士罗跃 摘要 机械工程 指导教师殷国富张明君 在切削加工领域，提高j j h - e 精度方法很多，其中一个非常重要的研究方向在于努力 减小切削过程中的切削力和切削热。超声振动切削技术在降低切削力和切削热方面有重 要的作用，可以较好地解决难加工材料、难加工零件以及精密加工等方面的一些工艺问 题。为了推广应用这项新技术和解决特种武器系统中精密薄壁零件的加1 二难题，本文在 中国工程物理研究院机械制造工艺研究所基金项目的资助下，进行难加工材料薄壁零件 的振动切削技术研究的研究t 作，主要研究成果和特点足： ( 1 ) 对振动切削机理进行了较全面的分析和研究：首先对普通切削与振动切削进行 了对比分析；其次对振动切削过程中的特点：切削刃的运动机理；振动切削时工件的动 态变化：不敏感性振动切削机理：超声振动切削特点及原冈分析；超声振切时切削液的 润滑与冷却作用机理进行了分析。 ( 2 ) 对超声振动切削国内外研究状况的分析，选择精车不锈钢薄壁圆筒外圆这道工 序进行超声改造，利用超声振动车削技术来解决中国工程物理研究院机械制造工艺研究 所的漳壁圆筒加【：技术难题。 ( 3 ) 通过对车间不锈钢薄壁圆筒的加工工艺的分析，对原有设各进行了超声改造。 设计出了一套新型实用的超声车削加工设备，主要包括选崩超声波发生器和换能器，设 计变幅杆、超声车刀以及其他一些必要的零部件，尽量使系统结构简单；提出了一种新 的结构和方法，设计出了一套超声车刀刀尖微调机构，使刀尖高度调整方便且能符合实 际生产要求和习惯，调整方便。 ( 4 ) 应用开发的系统和工艺进行了切削实验，解决实验调试过程中出现的问题，同 时进行实验数据和现象的分析，通过对得到的实验数据进行回归分析，找出了优化的超 四川大学硕士学位论文 声加1 二切削参数，完成了研制报告。最后的实验结果表明采用超声加工方法车削薄壁件 确实能够大幅度地提高零件的圆度和光洁度，提高刀具寿命。 关键词：超声车削，薄壁件，刀尖微调机构，切削力，圆度，粗糙度 i i 四川大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r ea r em a n ym e t h o d st oi m p r o v em a c h i n i n gp r e c i s i o n o n eo ft h e m o s ti m p o r t a n tr e s e a r c hi st or e d u c ec u t t i n gf o r c e sa n dt h ea m o u n to f h e a t p r o d u c e dd u r i n gm a c h i n i n g t h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o nc u t t i n g t e c h n o l o g yt a k e si m p o r t a n tr o l e si nt h er e d u c i n go fc u t t i n gf o r c e sa n d h e a t i th a sb e e nu s e dt os o l v em a n yc u t t i n gd i f f i e u l t i e se n c o u n t e r e d i n o r d i n a r ym a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n gp r a c t i c e s ，e s p e c i a l l y i nt h e c u t t i n go fs o m es p e c i a lm a t e r i a l sa n dp r e c i s i o nm a c h i n i n gp a r t s i n o r d e rt oa p p l yt h i sn e wt e c h n o l o g yt os o l v et h ed i f f i c u l t i e si nt h e m a c h i n i n gp r a c t i c e s ，w i t ht h eh e l po fo t h e rp a r t n e r s ，w ef i r s tu s e i t i nt h ei n s t i t u t eo fm a c h i n i n gt e c h n o l o g yo fc a e p t h eu l t r a s o n i c v i b r a t i o nc u t t i n g t e c h n o l o g yh a sb e e nu s e di nt h et u r n i n g o fas t a i n l e s s t h i nc y l i n d e rs u r f a c e t h i st e c h n o l o g yh a sa l s ob e e nu s e di no t h e r m a n u f a c t u r i n gp r a c t i c e s i nc a e p t h em a i nr e s u l t so ft h i sp r o j e c t i n c l u d e ： ( 1 ) f i r s to fa l l ，w ea n a l y z et h em e c h a n i s mo fu l t r a s o n i cv i b r a t i o n c u t t i n g i n t r o d u c e t h er e s e a r c ha c t u a l i t yo fv i b r a t i o nc u t t i n g ， d i s c u s st h em e c h a n i s mo fl u b r i c a t i o na n dt h em e c h a n i s no fc o o l i n gf o r l u b r i c a n t ( 2 ) a f t e ra n a l y z i n gt h ec u r r e n tt e c h n o l o g i e su s e di nt h ec u t t i n g o ft h i nc y l i n d e rs u r f a c e ，as e to fn e wu l t r a s o n i cv i b r a t i o nc u t t i n g t o o l sa r ed e s i g n e df o rt h ec o m m o nc u t t i n gm a c h i n i n g ，i n c l u d i n gs o l i d h o r n ，u l t r a s o n i cv i b r a t i o nc u t t i n gt o o la n do t h e rp a r t s ( 3 ) w i t hal o to fc u t t i n ge x p e r i m e n t s ，t h es y s t e ma r et u r nt ot h e l l i 四川大学硕士学位论文 a c c e p t e dc o n d i t i o n s a f t e ra n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n dr e s u l t s t h e o p t i m i z a t i o nt u r n i n gp a r a m e t e r s h a sb e e n f o u n d ，a n d ar e g r e s s e q u a t i o n t or e p r e s e n tt h e i rr e l a t i o n s h i p si sa l s oo b t a i n e d i nt h e d e s i g na n dc u t t i n ge x p e r i m e n t s ，s o m en e ws t r u c t u r e sa n dm e t h o d sa r e u s e d ，o n eo ft h ee x a m p l ei st h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o nc u t t i n gt o o l s t i p h e i g h ta d j u s t m e n tm e c h a n i s m ，w h i c he n a b l e st u r n i n gt h ep o s i t i o n so f t o o l s s o m ek e yf a c t o r sa r ea l s of o u n d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o nc u t t i n gt e c h n o l o g yc o u l di m p r o v et h e t u r n i n gp r e c i s i o na n dr o u g h n e s so ft h i nc y l i n d e r s u r f a c eg r e a t l y k e y w o 讨s ：u l t r a s o n i c v i b r a t i o n t u r n i n g ，t h i n - w a l lp i e o e s ， t o o l s t i ph e i g h ta d j u s t m e n tm e c h a n i s m ，c u t t i n g f o r c e ，r o u n d n e s s ， s u r f a c er o u g h n e s 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 精密与超精密加工的发展 随着科学技术和工业生产的发展，对机械零件的加工精度和表面质量的要求越来越 高，同时口益广泛地采用不锈钢，耐热钢，钛合金以及陶瓷等各种难加工材料来制造零 件，这对切削加工技术提出了更高的要求，给切削加工带来了很大的困难。 实现机械零件精密加：f 的途经有两条：一条是利用高精密度机床，加工出高精密度 零件；另一条是探索新型加工技术，以改善材料的加工性，从而提高加工精度和加工效 率。从精密与超精密加工技术发展史来看，各国通常都是采用精密与超精密加工机床来 实现高精度零件的n i ，但是通过该途经实现高精密度加工耗资巨大，为生产出精密与 超精密加工机床需要解决许多技术难题。例如，加工温度变化引起的热膨胀问题，加工 装置稳定控制微细材料的切除问题等等，这些都将导致整台机床成本的提高和机床结构 的复杂化。如美国劳伦斯利物莫尔国家实验室( l a u r e n c el i v e r m o r en a t i o n a l l a b o r a t o r y ) 1 9 8 3 年研制成功的d t m - 3 超精密车床，采用了高压液体静压轴承，其刚性 大，动态性能好，同时采用了恒温油冷系统，油温控制在2 0 + 0 0 0 2 5 ，有效地消除了 加工时的热变形，该机床还采用了压电晶体误差补偿系统，使位移误差控制在0 0 1 3 微 米以下，该机床机构复杂，耗资上亿美元“。又如美国太平洋西北研究所根据与原子能 委员会签定的合同研制的金刚石车床( 。一x 毫微米车床) ，该车床的特点是具有按4 毫 微米单位双轴计算机数控运动的x 轴和m 轴控制的刀具运动结构，刀具进刀控制是由线 性空气轴承支持的刀杆上下的偏移来确定的，并通过偏心旋转( u 轴) 实现，刀具进给 运动( x 轴) 是固定空气轴承的x 轴滑动产生的，两轴均由直流伺服马达驱动。u 轴采 用了著名的摩尔超精密旋转台，5 1 9 2 位主编码器用于计算机数控反馈控制，并将1 转分 割为9 3 4 5 6 1 0 7 单位进行旋转精密控制。安装m x 机构的机械底座重达8 0 0 0 k g ，空 气情动面的平直度和平行度在0 7 6 毫微米，该机床加工精度为：粗糙度1 0 2 3 毫微米， 形状加工精度7 5 毫微米，该机床结构复杂，制造困难，成本更高。因此通过提高机床设 四川大学硕士学位论文 各自身精度实现机械零件的精度加丁，其代价是巨大的，而且由于条件的限制，其实现 也是困难的，这决定了该方法不能被广泛应用o “。 因此，国内外许多专家学者探寻通过改进切削技术或采用新的加工方法以达到零件 的精密加工，由此产生了诸如超声振动切削技术，误差补偿控制加工技术等新的加工技 术，随着科学技术的发展和新材料的出现，这类新技术更是受到广泛重视并得到长足的 发展，国内外机械加工业将其作为今后实现精密加工途经之一加以研究和推广，由于我 国机械加工实际情况是：机床数量多，精度等级低，性能不稳定，研究和推广该技术， 实现在较低等级机床上加工出高精度的零件，更具有现实意义和实用价值。 1 2 超声振动切削国内外研究状况 超声振动切削( 除特殊说明外后面简称为振动切削) 是5 0 年代末期发展起来的一种 新型的非传统r o t - 的特种切削加工方法，它是给刀具( 或工件) 以适当方向，一定频率 和振幅的振动，以改善其切削功效的脉冲切削方法。由于该方法能产生特殊的加工工艺 效果而受到日、美、前苏联、英、德等工业发达国家的普遍重视，国内外许多专家学者 从不同的方面对其进行了大量的实验研究。日本宇都宫大学教授隈部淳一郎在1 9 5 6 年首 先提出了系统性的振动切削理论，并发表了大量论文，出版了精密加工振动切削基础 与应用专著，详细阐述了振动切削的概念、机理、装置以及振动切削的工艺效果等， 在国际上影响很大，他已把振动切削理论成功地应用于车、铣、刨、钻、镗、铰、拉、 磨削、螺纹加工、齿轮加工、抛光、珩磨、锯切、拉伸与挤压等冷热加工领域“1 。在美 国。1 ，6 0 年代初就对振动切削进行了研究，但其走了一段弯路，直到7 0 年代初期该技 术重新受到政府及空军的重视，组织了一个专家小组专门调查了振动切削在飞行器与飞 机制造业中应用的可能性，撰写了一个详细的综合报告，确认了振动切削的工艺效果与 发展前景，7 0 年代中期，美国在超声波振动钻中心孔、磨削、光整加工与振动焊接、振 动拉管等方面己处于生产应用阶段，振动车、钻、镗等切削加工己处于实验性生产设备 阶段，通用超声波振动切削系统己供工业应用，目前该系统己形成部分标准化并为企业 所采用。前苏联开展超声波振动切削的研究也比较早，5 0 年代末6 0 年代初就发表了许 2 四川大学硕十学位硷文 多很有价值的论文，在振动车削、钻孔、攻丝与磨削等方面均有生产应用，并且还为- t ； 供超声波振动攻丝的丝锥设计提供了研究数据和计算公式，1 9 7 3 年前苏联召开了一次全 国性的振动切削讨论会，会上交流了研究成果，总结了经验，推动了这项技术的应用。 英国和德国等国家对振动切削的理论与工业应用的技术条件进行了大量的研究工作，发 表了许多有价值的论文，并在生产中积极应用和推广该技术。 目前它们的研究趋势是从实验性研究转向应用性研究，实验装置向实用性方向发展。 它们的研究结果表明，采用振动切削技术可提高刀具寿命，如振动车削不锈钢薄壁零件 上的精密螺纹，刀具寿命由普通车削5 0 个零件提高到可切削i 0 0 0 0 个零件，加工玻璃、 陶瓷，刀具寿命可提高2 0 倍以上，使用k i o 硬质合金刀具超声振动刨削硬铝、黄铜及碳 索钢时，其表面粗糙度均达到r z o 2um ，在回转精度很高的车床上用振动切削和振动研 磨淬硬钢、不锈钢、黄铜、硬铝，可使零件的圆度、圆柱度、表面粗糙度近似为零。振 动切削加t 材料已从实验中碳钢向难加工材料方向发展，近几年对硬脆材料、韧性材料 等的振动切削更为重视。振动切削装置已用晶体管取代电子管的超声波发生器。随着科 学技术的发展，换能器将逐步采用电致伸缩效应的压电晶体以取代镍片磁致伸缩换能器。 但是，在振动切削机理方面，它们都是根据各自实验发现的现象和所得到的工艺效果来 推断分析。因此在振动切削机理方面还没有形成一致的观点”“”。 我国的超声振动切削技术的研究始于5 0 年代末期，由于当时超声波发生器、换能器、 声振系统都很不成熟，以及缺乏合理的组织和持续的研究工作，该技术未能得到重视。 6 0 年代末，哈尔滨工业大学应用超声振动车削加工了一批飞机用铝制细长杆零件，取得 了良好的切削功效，但之后没有进行深入的总结和研究。由于众所周知的原因，对该技 术的研究一度中断，1 9 7 6 年以后，此项技术重新受到重视，1 9 8 3 年机械工业部委托机 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”，讨论了振动切 削技术在我国的研究一应用，促进了这项新技术在我国的深入研究和推广应用。近二十 多年来，我国在振动切削理论与应用方面进行了深入的研究，由广西大学、南京电影机 械厂等单位联合研制成功我国第一代超声振动切削装置( c z o - - 2 5 0 a 型) 。，该装置由超 声波发生器、激化电流源、切削机械头( 包括换能器) 和换能器冷却装置等部分组成。 3 四川大学硕士学位论文 为方便计算和设计，广西大学的阮世勋教授提出了超声振动切削系统中谐振元件的简便 算法和超声振动变幅杆设计用表的计算机编制。在超声振动切削机理方面的研究，吉林 工业大学的王立江教授首先提示出切向( z 向) 分离型超声振动切削具有分离、冲击、 变速、往复熨压四个运动特性，并发现振动切削对颤振具有抑制作用，它们的综合作用 给振动切削带来了特殊的工艺效果。东南大学的汤铭权教授“研究发现振动切削时产生 的切屑惯性效应和刀具的加速效应对振动切削的工艺有一定的影响。振动切削产生的特 殊功效的实验研究主要在加工表面光洁度、切削力、切削温度、圆度误差、圆柱度误差、 刀具寿命和加工表层金属物理机械性能等方面。实验结果表明：振动切削的加工精度、 加工表层物理机械性能明显好于普通切削，特别是加工不锈钢、钛合金、陶瓷材料和淬 硬钢等难加工材料、难加工零件，振动切削更显示出优势。在振动切削应用方面，振动 切削技术除被广泛应用于车削、磨削、研磨、抛光、超精密加工外，还被应用于机械加 工的其它领域，并取得了明显的成效，其中以超声振动挤压强化工艺最为突出 1 1 儿“：【1 3 1 钔 1 朝 振动切削技术是一门新兴的边缘科学，它涉及到电学、机械学和声学三个学科，对 它们的研究还有待进一步深入。目前我国对振动切削技术的研究还仅局限于实验室，还 没有将该技术广泛应用于生产，其中主要原因是由于超声振动切削装置技术落后，体积 庞大，能量转换效率低，实际使用时安装调试设备耗时。并且在以往的研究中，对振动 切削功效研究较多，对装置的设计理论研究较少，因此，对振动切削技术的研究，必须 重视对振动切削装置的改进与研制，这样才有利于广泛推广应用该技术”m 7 8 3 n 9 ”。 1 3 课题的研究意义及经济效益 在切削加工领域中，提高加工质量和经济效益的方法虽然很多，但一个非常重要的 着眼点在于努力减少切削过程中的切削力和切削热。与普通切削相比较，超声振动切削 技术在降低切削力和切削热方面起到了积极的作用，令人信服地解决了普通切削中难以 解决的许多工艺问题。特别是在难加工材料和难加工零件以及精密加工中，超声振动切 削更是显示出其无法比拟的工艺效果针对我国机械加工业的现状，研究和开发该技术， 4 四川大学硕士学位论文 利用该技术，使在较低等级机床上实现精密加工。具有现实意义及实用价值。 目前我们将超声复合加工应用于精密车削难加工材料薄壁零件的外圆加工，未来可 以进一步应_ ；f j 于半精密车削加工以及超声精密车削难加工材料薄壁零件的球壳加工。也 可更进步推广到其他适合超声复合加工的场合，如黑色金属、有色金属及其合金的薄 壁零件精密加工问题，精密细长轴的加工问题，喷涂材料的加工问题，新型超硬材料、 复合材料的精密加工问题，工程陶瓷发动机汽油机部件的精密加工问题，冷硬轧辊的精 密高效加工问题，计算机磁鼓、精密磁盘的精密高效加工问题，大螺纹和微型螺纹的攻 丝中断丝问题，液压件上的精密小深孔加工问题，发动机大直径缸体、缸套，液压缸体、 缸套的精密加工问题。 该项目的研究是与新的精密制造技术及新的加工工艺的推广应用直接相联系的。若 本研究开发成功，则证明采用新技术是可以解决我院机械制造加工难题，也可以解决该 地区制造行业的其他加工难题。同时可以早日将难加工材料应用于国防和国民经济的各 个领域，因此产生的社会效益是十分巨大的。超声复合加工技术不论对车削还是对磨削， 在同等加工条件下比普通加工方法的加工效率可提高数倍，刀具耐用度可提高2 倍以上， 加_ = i _ ：的表面粗糙度、圆度、圆柱度等可比普通加工提高2 级，尺寸精度高、表面质量好， 综合效益十分明显，并且它具有用一种刀具可以加工不同材料的特点，扩大了企业刀具 对材料的应用范围，由此产生的经济和社会效益也是十分显著的。特别是新的加工技术 的推广，不仅表现为经济和社会效益，更主要的是它将推动我院以及该地区的制造水平 的整体提高，这也是先进的工业国竞相研究开发各种先进制造技术的原因所在。 1 4 课题来源及本文所做的工作 本课题源于中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，属于“提高难加工材料薄壁 零件加工质量的研究”和“难加工材料薄壁零件加工设备的精化与改造”两个项目的研 究内容。此项目系中国工程物理研究院机械制造工艺研究所十五预研课题。 中国工程物理研究院的型号产品中长期存在难加工材料薄壁零件加工的难题，特别 是型号小型化后难加工材料薄壁零件加工的难题尤其突出。加工后零件聍形状、尺寸精 5 四川i 大学硕上学位论文 度及表面粗糙度达不到设计要求。在中国工程物理研究院机械制造工艺研究所的支持下， 以其一车间作为一个试点，在一车间技术组的多名同志的参与下共同合作攻关。由于超 声振动车削已被证明具有很多普通车削所没有的优点。“。2 ”2 ，因此我们将超声振动车削 引入到难加工材料薄壁零件的加工中来。我们首先选择精车难加工材料薄壁零件的外圆 这道工序进行超声改造，研制出一套超声切削装置安装在精密车床上进行超声车削，以 期解决精车难加工材料薄壁零件外圆加_ t 的技术难题。同时我们将继续将该项技术推广 应用到其他车间，直至其他研究所的制造企业中，以促进我院制造行业整体水平的提高。 本课题的目的是利用超声车削加工来大幅度地提高难加工材料薄壁零件的表面质量 和尺寸精度。因此在深入剖析难加工材料薄壁零件加工的工艺过程，分析产生废品原因 的基础上，我们进行了设备超声改造。通过分析超声加工机理和有关的参考资料，设计 出一套新型实用的超声车削加工设备。该设各包括外购的超声波发生器和换能器，自行 开发设计的变幅杆、超声车刀、刀尖微调机构以及其它一些零部件。然后在车床上进行 安装调试，并通过对大量的超声车削实验数据的分析，找出对超声加工效果影响最大的 几个要素，和超声车削加工的优化切削参数，并对实验系统进行优化设计。对得到的实 验数据进行回归分析，找出切削用量( 切削速度、进给量、切削深度) 与表面粗糙度和 圆度之间的关系。 6 四川大学硕士学位论文 第二章振动切削机理 振动切削加t 是给刀具( 或工件) 以适当方向，一定频率和振幅的振动，以改善其 切削功效的脉冲切削方法。由于其在一定范围内能够有效地解决难切削材料的加工及其 精密切削加1 二方面的问题，并在加工中具有一系列的特点，因而越来越引起人们的重视 而受到世界各国的瞩目。 2 1 普通切削与振动切削 在普通切削中，切削是靠刀具与工件的相对运动来完成的。切屑和已加工表面的形成 过程，本质上是工件材料受到刀具的挤压，产生弹性变形和塑性变形，使切屑与母体分 离的过程。在这种刀具始终不离开切削的普通切削中，刀具的作用包括两个方面：一个 是刀刃的作用：个是形成刀刃的刀面的作用。由于刀刃与被切物接触处局部压力很大， 从而使被切物分离。刀面则在切削的同时撑挤被切物，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有害现象。但切削振动也有它有益 的一面：在一定条件下切削功率可以降低1 5 3 0 ，切屑收缩显著减小，改善了切削的 形成条件，得到碎断切屑等。是否可以这样设想：从进一步改善材料的可加工性出发， 在传统的切削过程中人为地给工艺系统造成某种有规律的振动，以发挥其有利的方面而 消除其不利的影响呢? 基于这种思想，产生了一种新的切削方法振动切削。振动切削即是通过在切削 刀具上施加某种有规律的、可控的振动，使切削速度、切削深度发生周期性的改变，从 而得到特殊的切削效果的方法。振动切削改变了工具和被加工材料之间的空间一时间存 在条件，从而改变了加工( 切削) 机理，达到减小切削力、切削热，提高加工质量和效 率的目的。振动切削按所加频率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与此相关的一系列问题。而超声振动 7 四川大学硕士学位论文 ( 高频振动) 切女0 已经使切屑形成机理产生重大变化，可以提高被加工材料的可加工性， 提高刀具寿命和工件加工质量，是我们的主要研究对象。超声加工的_ 丁艺效果来自刀具 和工件之间的分离运动，即它是种脉冲式的断续切削过程。所以作为精密加工和难加 t 材料加工中的一种新技术，它的切削效果已经得到世界各国的一致公认，认为它是传 统加工技术的一个飞跃。 2 2 振动切削过程中的特点 众所周知，切削加工时，工件材料塑性变形的过程，已加工表面的变形大小以及刀 具的磨损程度等，都与切削过程中刀具与工件接触表面相互作用的条件有关，亦即与它 们所处的时间和空间条件有关。 当给工艺系统加上振动( 包括超声振动) 以后，其刀具与工件各接触表面的相互作 用条件都与普通切削有很大区别。小振幅的高频振动虽然对工件表面尺寸和形状不会有 什么影响，但却使刀具摩擦和磨损条件产生很大变化，使刀具与工件的接触表面产生附 加的往复运动，从而造成刀具前后面摩擦力( 向量) 产生周期性的变化，因而能减小切 屑流出的阻力，使切屑能在更有利的条件下形成。 在难加工材料的切削中，刀具的工作表面经常出现“滞流层”，产生一种特殊的静摩 擦。如果给刀具加上超声振动，就会产生动摩擦并且以动摩擦代替静摩擦，从而使摩擦 力大大降低，这对切削加工十分有利。 超声振动切削( 高频振动) 使切屑形成机理产生重大变化。州吲，它对切削过程的影 响可大致归纳成以下几个方面： ( 1 ) 周期性地改变了实际切削速度的大小和方向； ( 2 ) 周期性地改变了刀具运动角度，包括前角、后角、刃倾角等； ( 3 ) 周期性地改变被切金属层的厚度： ( 4 ) 改变了所加载荷的性质，使刀具由静载荷变为了动载荷； ( 5 ) 改变了已加工表面的形成条件，从而改善了表面质量，提高了加工精度； ( 6 ) 改善了切削液到达切削区的条件； 8 四川大学硕士学位论文 ( 7 ) 改变了刀具工作表面的接触条件，减小了切屑形成区的变形，降低了切削力； ( 8 ) 改变了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一振动切削的 消振效果； ( 9 ) 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： n 尊= 、机$ + n 撮曲 由于机床功率n 吝l 可以大大减小，所以总的功率nn 也相应降低。 2 3 切削刃的运动机理 刀具在切削方向以0 为中心，以频率f 作简谐振动，工件以速度v 向右运动，刀具 避蝰色 位移 、 _ t j| 八 弋 t 。 ， 图2 - i 刀具运动轨迹图 运动轨迹如图2 - 1 中正弦曲线所示，在刀具运动到a 点时速度和工件速度方向相同，而 且刀具速度大于工件速度，刀具脱离工件。刀具继续运动到下顶点后返回，到b 点再与 9 四川大学硕士学位论文 工件接触，如此循环周而复始。 则刀具与工件的间断性切削过程可以如下描述： 刀具的位移：x = as i n 耐 刀具的运动速度： ”d = a w c o s 耐 刀具开始离开工件的时间t - 应满足v d = d 口c o s d y ，= 一v ( 2 一1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) n 代表刀具速度，负号表示刀具相对工件反向运动。 则当刀具运动速度的大小和方向与切削速度的大小和方向相同时，刀具离开工件的 那一点的时间t - 为： 忙面ic o s l f l 兰2 , 。i 1 j 治4 ) 1 2 矽 从上式可知，若v n 。，则上式不成立，这意味着刀具不能脱离工件。当切削速 度v v 。时，刀一屑之间不存在分离状态，称为不分离型超声车削。当切削速度v v 。时， 刀一屑之间存在分离状态，称为分离型超声车削。6 “”3 。超声振动切削中把v 。称为临界切 削速度。 v 。= 2 ；, r a f ( 2 5 ) 刀具自a 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 具和工件脱离点在任意时刻的位置为： x = a s i n c o t l v ( t 一1 ) ( 2 6 ) 在t ：时刻刀具到达b 点开始切削工件，此时： 由上式可得 a s i n a r t 2 = a s i n t z r t l v ( f 2 一t 1 ) ( 2 7 ) a s i n a r t l + v t l = a s i n a r t 2 + w 2 将( 2 4 ) 式代入( 2 7 ) 可解得刀具与_ 丁件重新接触的时刻t 2 净切削时间 l o ( 2 8 ) 四川i 大学硕士学位论文 t f = t + f l f 2 这里r = 1 i f 为振动周期，则相对净切削时间 u 。是难以实现的，因 为车床的刚性不是无限大的。同时，切削速度的大幅度增加必将对刀具的耐热性提出新 的更高的要求。所以其结果，在普通切削中，工件的位移( 在切削力作用下) 还是静位 移与动态位移的叠加。 2 4 3 振动切削时工件的动态位移 根据切削力的分析，振动切削时工件的运动微分方程为 窘+ z 卢妄+ c o o z x = p s i n 耐( p ( t ) ) 把脉冲状切削力波形按傅立叶级数展开： 特等晶哗势n 等兀 c o s n 耐 将( 2 - 1 5 ) 代入( 2 - 1 4 ) 得方程的解为 ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) 。嘉+刍丽po丽m20(2丽mr)isintjr丽t痂no)t+tg-ttn 2 ( o 旦2 n 毒c 丛o c o o ； 智4 善2 门2 2 ；+ 【1 2 ：) l 2 4 4 振动切削与普通切削的比较 通过数学计算，我们得出普通切削与振动切削工件位移的数学解析式 ( 普通切削) 。鲁嘻孝辚赫sin(mot+tg-1tn 2 ( o 篙者 ； 鲁4 古2 九2 2 ；+ ( 1 2 国；j l 2 玎舌o ( 振动切削) 以下分析切削过程的几种情况 1 4 端 丽 四j i 大学硕十学位论文 ( 普通切削) ( 振动切削) ( 2 一1 7 ) ( 2 1 8 ) t 。t 一般在1 3 1 1 0 之间，所以工件在振动切削状态下位移将显著减小，这对提 高加工精度，保证加工质量将十分有利。普通切削中u m 。是不可能的。而在振动切削 中，因车刀以f = 2 0 5 0 k b z 的频率振动，而工件、车刀组成的振动系统的固有频率uo 一 般在5 0 0 h z 以下，所以振动切削中，实现c o 。o 的情况是十分容易的。振动切削真正实 现了用静力学的观点解释车削现象。 ( 2 ) c o 3 即完全可以忽略级数 项，而实现m u 。 3 对振动切削来说是极其容易的事。 振动切削时的工件位移一般仅为普通切削的1 1 0 左右，而工件在切削加工中的位移 在很大程度上决定着加工零件的精度和表面光洁度。由于振动切削时工件位移的大幅度 减小，使其加工精度和光洁度大大提高。振动切削的这种特有加工方式和工艺效果使普 通切削难以实现的“。 2 5 不敏感性振动切削机理 在振动切削过程中，对原工艺系统不采取任何其他的消搌措施。只要振动参数选择 1 5 矗一面 工 0 一丁 r 一瑶 工 四j i l 大学硕士学位论文 合适，就能有效地消除和减轻工艺系统的振动，从而获得稳定切削的良好工艺效果。在 振动切削的条件下，合理地选择振动参数( 特别是频率比u u ，。一振动切削的振动 频率；u 。一工件的固有频率) ，可以明显地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的隈部淳- - f i g 教授提出“。，指所加的振动频率 大于工件囤有频率时的振动切削机理。它是指在u u 。 3 时，工件位移不再随时间发 生变化，而形成静位移。由上面的工件位移分析可知，此时可以根据静力学的方法按下 式求出位移的大小： x：蔓墨(2-19) rk 当u 3u 。时，超声车削时t 件的动态位移仅为普通车削的t 。t 倍。这种切削特性， 实际上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 工件的加紧力、或使用中心架，或使机床主轴系统钢度提高具有相同的切削效果。 一般情况下，工件的固有频率多数在5 0 0 h z 以下，因此采用2 0 k h z 以上的超声振动 切削时，大都属于不敏感性振动切削。 在本课题实验中，声振系统的共振频率是2 4 k h z ，因此属于不敏感性振动切削。 2 6 超声振动切削特点及原因分析 2 6 1 平均切削力大大降低 超声振动切削中一般情况下t 。t 一般只有1 3 1 l o ，而超声振动切削中u 【1 ) o 根 据不敏感性振动切削机理，及式( 2 - - 1 8 ) 和( 2 1 9 ) 可知，超声振动切削的平均切削力 仅是普通切削的t 。t ，郎1 3 1 1 0 ，因而平均切削力大大降低了。 1 6 四j i i 大学硕士学位沦文 7 0 6 0 主5 0 v4 0 耋3 0 基2 0 1 0 o 0 10 30 5 切削深度( m 讯) 图2 4 超声切削力和普通切削力的对比 在超声车削不锈钢材料( i g r l 8 n i 9 t i ) 试验中，我们将振动切削装置固定在c j $ $ 4 精密测力仪上，分别测定了普通切自4 和振动切削时的切削力情况，得到以上图2 4 。 如图2 - 4 ，在不同切削深度下，普通切削和振动切削的比值从l 。8 1 到6 变化，平均 有4 1 1 ，和理论分析的基本相符，超声振动切削的平均切削力大大减小了。在实际测试 中，振动切削的切削力并不像理论中预测的那样规则脉冲，是一种不规则的正弦脉冲， 且波动较大。 2 6 2 加工精度提高 由式( 2 - 1 8 ) 和( 2 1 9 ) 得： k t 七( 2 - 2 0 ) f 。 式中k ：振动切削中的有效弹簧系数： k ：普通切削中的有效弹簧系数。 如果等- l 3 - l 1 。，则：k _ ( 3 - 1 0 由于振动切削而使脉冲力发生作用，其有效的弹簧常数是原来弹簧常数的t t 。倍， 例如3 - 1 0 倍。这样就大大提高了系统的刚性。例如振动切削细长的圆棒、薄壁圆篱、弯 曲的薄板等零件，由于脉冲力的作用，从而使原来的工件形状能保持不变，其弹簧常数 表面上增大了t t 。倍，得到了如同加工大直径的圆棒、厚壁圆筒、謦埂笋同样的加工效 四川大学硕士学位论文 果。振动切削的这种效果，称为工件刚性化效果。 因此，在振动切削中，一方面由于工件刚性化效果，另一方面，在振动切削中虽然 刀刃在振动，但刀刃与t 件接触产生切屑的各个瞬间，刀刃所处的位置总是相同的且 不受工件材料的影响，t 件材料的一些缺陷并不影响刀尖的运动轨迹。从而提高了工件 的加工精度，使精密加工成为可能。 工件加_ t 前的误差，以类似的形式反映到加工后的工件上去的规律，称为毛坯误差 复映规律。毛坯误差复映的程度是以毛坯误差复映系数占来表示的。普通切削时，毛坯 误差复映系数e 。可用下式计算： 铲南 式中 爿：径向切削力系数 k ：普通车削时的工艺系统刚度。 一般情况下，k 4 ，所以可把式( 2 2 1 ) 简化为 ( 2 2 i ) 铲誓( 2 - 2 2 ) 而在超声车女0 中，由于工件的刚性化效果，其毛坯误差复映系数占。为： 铲争睾= 扣 ( 2 - 2 3 ) 超声车削的毛坯误差复映系数e 。是普通车削的毛坯误差复映系数e 。的t 。t 倍，所 以超声车削可以大大减小工件的圆度误差。 2 6 3 表面粗糙度减小 振动切削中的刀具与切屑的分离作用，破坏了积屑瘤和鳞刺的形成条件，减小了摩 擦力，同时超声振动提高了系统的刚度和稳定性，使工件表面粗糙度明显减小。 已加工表面的表面粗糙度r 。与用几何学的表面粗糙度r m ( r t h = s 2 8 r ) 之差 a r ，。可表述为： 1 8 四川大学硕士学位论文 战= 嘉血+ 坐2 ( 2 - z t ， 式中s ：进给量 s ：进给量的变化 f ：切削深度的变化 r ：刀具圆弧半径 根据振动切削的不灵敏性振动切削机理，t t o ，k s o ，所以上式中r 。一o ，已加 工表面粗糙度接近于在此基础上，再加上前述种种振动切削效果，使振动切削的已 加工表面的粗糙度r 。与r 。n 相一致。即工件表面粗糙度只与刀尖形状及迸给量有关，而 与刀具材料、工件材料无关”。 2 6 4 切削温度降低 振动切削中，由于其切屑生成机理与普通切削有着很大的不同，p s i n r o t 切削力( 生 成切屑靠这个力) 不是靠刀具的挤压而是靠振动系统本身产生的。而且其脉冲状切削力 的时间极短，刀具在这样短短时间里很难生成大量的切削热。即使在切削中生成微量切 削热，由于热量是以脉冲状形式出现，所以其平均热量是十分微小的。在振动切削中， 由于是断续切削，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。 我们在实验中，多次连续进行车削，发现平均切削温度凡乎与室温相同，切屑完全 没有氧化变色，就是赤手去摸也不会灼伤。 2 7 超声振切时切削液的润滑与冷却作用机理 2 7 1 超声振切的运动特性与切削液的浸润作用 普通切削时切削液的主要作用是冷却与润滑。超声波振动切削时，由于其运动学特 性，更能充分发挥其冷却与润滑的作用。 超声振切时的分离作用打开了刀一屑间的禁区，使切削液在瞬时真空的作用下因泵 吸作用而被吸入刀一屑分离空间内，充分发挥了其润滑作用。冲击作用则使切屑形成以 后在刀一屑分离时间内还存在一定的强振动，加之刀具本身也处在振动状态，结果加强 四川i 大学硕士学位论文 了切削液的动态润湿作用，使切屑底层、刀具表面等区域能迅速为切削液所涂复，形成 油膜。实际上，泵吸作用与动态润湿作用又减轻了附面层流动队泵吸作用的阻碍。 往复运动特性则改变了刀一工件间相对运动关系。当刀一屑远离的时间内，由于存 在工件曲率半径与刀具的后角，在后刀面与_ 丁件表面间形成了压力油楔。在刀一屑趋近 的时间内，刀具表面仍存在附面层油膜，加上刀一工件间的相对摩擦速度较高，因而会 减小界面间的大气压力，有利于补充新的切削液。在切削时间内，一种可能是在冲击力 的作用下，刀屑间的切削液部分绕刀刃转移到刃区附近的刀工件界面上；另一种 可能是刚形成的工件表面能位高，易于提高切削液的润湿性，来自后刀面方面及两侧的 切削液会迅速涂复在新表面上。此外，由于刀尖处振幅最大，振切时切削液迅速得到雾 化，增强了切削液的渗透性。一般可从以下几个方面进一步强化切削液的浸润程度： ( 1 ) 选取粘度小、油性好、抗泡沫性好、抗氧化与抗污染性能好的洁净的切削液， 如选择低粘度矿物油切削液即比较适宜。 ( 2 ) 磨性能好的刀具材料或适当增大后角以增大刀具的锋利程度。 ( 3 ) 强化分离特性与往复运动特性。当切削速度一定时，可通过提高振幅来实现： 当振幅一定时，可通过降低切削速度来实现。 2 7 2 超声振切的运动特性与切削液的减摩作用 ( 1 ) 缓冲作用 超声振切时的切入瞬间刀一屑、刀一工件间具有相互作用的冲击特性。采用切削 液后，这种冲击作用首先发生于界面间的油膜