振动切削技术的特点及其应用

   1.前言

   振动切削加工是20世纪60年代发展起来的一种先进制造技术,它通过在常规的切削刀具上施加高频振动,使刀具和工件发生间断性的接触,从而使传统切削模式发生了根本性的变化。由于此变化解决了传统切削加工中固有的难题,如切削中的振动和切削热变形等,从而得到了优良的切削效果。迄今为止世界各国虽然在振动切削某些现象的解释上,某些参数的选择上还有一些差别,但对它的工艺效果是一致公认的。作为精密机械加工和难加工材料加工中的一种新技术,它已经渗透到各个加工领域,出现了各种复合加工方法,使传统的加工技术有了一个飞跃。研究表明,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工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.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(见图1)。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;一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,将不可避免地产生较大的切削力,较高的切削温度,使刀具磨损和产生切削振动等有害现象。

图1 普通切削

   基于这种思想,在和有害的自激振动现象作斗争中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、背吃刀量发生周期性的改变,从而得到特殊的切削效果的方法(见图2)。振动切削改变了工具和被加工材料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(高频振动)切削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。超声加工的工艺效果来自刀具和工件之间的分离运动,即它是一种脉冲式的断续切削过程。所以,作为精密加工和难加工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。

图2 振动切削

   振动切削系统的流程是:超声波电源输出大功率的超声频的交流信号,由换能器将电能转换成同频率的机械振动,经过变幅杆进行振幅放大,从而带动刀具振动。其组成如图3所示。把振动系统固定在刀架上,刀杆的左端是刀片,右端是振动驱动中心,由换能器和变幅杆将纵向振动转换为弯曲刀杆的横向振动。

   3.振动切削的特点及工艺效果分析

   (1)振动切削的特点

   振动切削可以使切削力大幅度降低,使摩擦热减小、刀具寿命提高和已加工表面粗糙度值减少,即有以下特点:

1.工件 2.刀片 3.刀架 4.刀杆5.变幅杆 6.换能器 7.循环冷却水
图3 振动系统组成图

   ①在切削过程中,刀具前面不是始终与工件保持接触状态,而是处于有规律的接触、分离状态。

   ②有规律的脉冲冲击切削力取代了连续切削力。

   ③刀具(或工件)的有规律强迫振动取代了刀具和工件无规律的自激振动。

   ④切削力大部分来自刀具(或工件)的振动,刀具(或工件)的运动仅是为了满足工件加工几何形状而设置的。

   (2)工艺效果分析

   ①瞬间切削力增大

   根据连续弹性体动力分析理论,在普通切削中,切削力一直作用在工件上,使得周边的材料也参与抵抗变形,就使得切口处切削力降低。在振动切削中,材料的破坏过程与普通切削不同,它由每次冲击产生细微破坏而完成切削。在振动切削中,因振动提高了实际的瞬间切削速度,并以动态冲击力作用于工件,使得局部变形减少,作用力集中,瞬间切削力增大。从而获得较大的波前切应力,有利于金属的塑性脆化。减小塑性变形,利于切削。在超硬材料的加工方面,这一优点更为突出。

   ②零件表面质量的提高 由表面粗糙度值计算公式:

   在振动切削中,由于不灵敏性振动切削机理的特性,Δf和Δα_{p都趋于零,故ΔRth也趋近于零,从而使已加工表面的表面粗糙度值接近几何表面粗糙度值。}

   ③有利于冷却

   刀具的高速振动对刀具的散热十分有利,同时由于刀具的前面周期性脱离工件,使得切削液更容易进入刀具和工件之间,也增加了系统的散热能力。振动切削中,刀具在振动源驱动下周期性接触、离开工件。刀屑分离时,切削液产生空化作用,切削液充分进入切削区。振动切削时刀具对工件的冲击作用,应力波的出现,有利于切削区裂纹的萌生和扩展。刀屑接触时,由于压力差出现,使得切削液渗透作用加强,充分发挥切削液的润滑和冷却作用。这些都大大降低了前刀面与切屑间及后刀面与已加工工件表面间的摩擦。

   4.振动切削技术的应用

   振动切削技术是在研究了切削加工本质的基础上所提出的一种精密加工方法,它弥补了普通切削加工的不足,但并不能完全取代普通切削加工,而有一定的适用范围,主要有以下几方面:

   (1)难切削材料的加工

   不锈钢、淬硬钢、高速钢、钛合金、高温合金、冷硬铸铁以及陶瓷、玻璃、石材等非金属材料由于力学、物理、化学等特性而难以加工,如采用超声振切削则可化难为易。例如用硬质合金刀具振动车削淬硬钢(35～45HRC)外圆、端面、螺纹与镗孔时,不但提高了平行度、垂直度与同心度,而且可达到“镜面”的表面粗糙度,也可用金刚石刀具进行振动精密加工。又如钛历来只能以磨削和研磨作为精加工,现用硬质合金刀具振动车削时,其端面上的最大表面粗糙度值可达R_{a=2～3μm,最佳时可达Ra=0.5μm。此外,用普通切削加工石墨与氧化铝等材料时得不到平整的加工表面,只有采用超声振动才能产生微粒式的切削分离并得到整齐的加工表面。国外用超声振动能顺利地切削富铝红柱石,如果将超声波能源切断,工件会马上损坏,根本无法加工。}

   (2)难加工零件的切削加工

   如易弯曲变形的细长轴类零件,小径深孔、薄壁零件,薄盘类零件与小径精密螺纹以及形状复杂、加工精度与表面质量要求又较高的零件,用普通切削与磨削加工很困难,用振动切削,既可提高加工质量,又可提高生产效率,例如用硬质合金车刀超声振动精车细长的退火调质铝棒(Φ7.2mm,长220mm)的外圆,振动频率为F=21.5kHz,振幅为A=15μm,f=0.05mm/r,a_{p=0.01mm,用全损耗系统用油作为切削液,加工后可获得工件直径精度为4μm,最大表面粗糙度值Ra=1μm。又如超声振动精镗有特殊钢制成的薄壁圆筒(工件长70mm,孔径15mm,壁厚1mm),在镗过的50mm长度上可测出内孔精度为4μm,最大表面粗糙度值Ra=3μm。}

   (3)高精度、高表面质量工件的切削加工

   与普通切削相比,振动切削时切屑变形与切削力小,切削温度低,加工表面上不产生积屑瘤、鳞刺与表面微裂纹,再加上表面硬化程度较大,表面产生残余压应力小,切削过程稳定,容易加工出高精度与高表面质量的工件。例如前述的超声振动车削软铝制成的细长轴(长200mm,7mm)时可得到圆度2μm、圆柱度3μm/170mm的加工精度。超声车削Φ5mm的电动机整流器铜线时,可得到R_{a=0.05μm的镜面,用其他加工方法是不可能达到的。}

   (4)排屑、断屑比较困难的切削加工

   钻孔、铰孔、攻螺纹、剖断、锯切、拉削等切削加工时,切屑往往处于半封闭或封闭状态,因而常不得不由于排屑断屑困难而降低切削用量,这时如果用振动切削则可比较顺利地解决排屑断屑,保证加工质量与提高生产效率。

   5.结语

   随着科学技术的发展和进步,超声波振动切削作为一种新技术正在逐步渗透到各个领域,对超声波振动切削的研究和开发也越来越受到人们的普遍重视。我国在振动切削技术研究利用方面和国外相比有较大差距,大力加强高速超高速磨削加工技术的研究、推广和应用,对提高我国机械制造业的加工水平和加快新产品开发具有十分重要的意义。