超聲波加工對工件加工質量的影響研究

1、    超聲波加工對工件加工質量的影響研究    摘要：超聲波振動車削就是在切削過程中，對刀具施加一個強制的超聲波振動。采用超聲波振動車削，能明顯地提高工件的加工質量。文章通過分析超聲波振動加工的特點，并通過實際加工各種材料，得出工件較高的加工質量，為今后提高工件的質量提供了理論依據。關鍵詞：超聲波；振動加工；車削工件；加工精度；表面質量 ：a：th16 ：1009-2374（2015）05-0081-03 doi：10.13535/ki.11-4406/n.2015.03721 超聲波振動車削加工的特征超聲波振動車削就是在切削過程中，對刀具施加一個強制

2、的超聲波振動，以改善傳統的切削加工過程，達到提高加工質量和效率的目的。超聲波振動車削一般是在切削速度方向對車刀（或工件）施加振動（圖1）。圖1其實際切削速度的大小和方向是周期性變化的，從而改變了切削過程中車刀和工件的接觸情況。車刀為正弦振動時，其振動位移x和振動的速度v（t）分別為：（1）（2）式中：車刀刀尖振動角頻率（）車刀刀尖振動頻率車刀刀尖振幅時間初相位車刀與工件的相對速度，是工件線速度（即傳統車削速度）與車刀運動速度的矢量和。即：（3）圖2由圖2可見，區(qū)間為負值，即車刀前刀面自點開始脫離切削，并逐漸增大其離開的距離，過點后刀具開始接近切削，到點時就與切削接觸，進行切削。所以，超聲波振動

3、車削是一種時而切削時而脫離的間斷切削。從根本上改變了切削條件。首先使刀具與切削（工件）間的摩擦時間減少，摩擦系數明顯下降，剪切角增大，變形減小，減弱了金屬間的親和、粘結作用，使積屑瘤無法生成，切削力下降，切削過程穩(wěn)定。其次是超聲頻的斷續(xù)切削，形成周期性的沖擊，每次沖擊時間短（以10-6秒計），動能大，在（圖2）點處突然切入，瞬時切削速度和瞬時加速度為：（4）（5）形成局部高溫和高應力集中，又是新位錯的主要發(fā)源地，使切屑易于分離，切屑變形減弱，形成穩(wěn)定的帶狀切屑。此外，超聲波振動車削還是一種周期性的變速和變加速切屑，對切屑過程中的顫振有抑制作用，還可以低速取得高速的效果，使金屬變脆，降低塑性變形

4、量?？傊暡ㄕ駝榆囅骶哂泻芏鄡?yōu)點。當切削速度時，刀具就不會和切屑脫離，上述分離、沖擊等特征就消失，因此，把切削速度稱為超聲波振動車削的臨界切削速度。2 超聲波振動車削加工精度的分析超聲波振動車削實質是一種間斷切削過程。所以，車刀給工件的切削力是一些高頻的脈沖動態(tài)切削力和。但影響工件加工精度主要是徑向切削力。對于圖3所示的車刀工件振動系統的計算模型，工件在吃刀方向的運動方程式為：（6）式中：工件的等效質量工件的粘性阻尼系數工件在吃刀方向上的彈簧常數動態(tài)吃刀抗力圖3將傳統車削時的動態(tài)吃刀抗力代入（6）式，解得傳統車削的動態(tài)位移為：（7），式中：工件在吃刀方向上的角頻率阻尼比（）工件的臨界阻尼系

5、數吃刀抗力和吃刀方向位移y的相位角工件的位移是由靜態(tài)位移和隨時間變動的動態(tài)位移兩部分組成。當時，變動部分比靜態(tài)位移還大，工件的位移將形成隨時間變動的不穩(wěn)定狀態(tài)；當<<0時，工作的位移是隨時間而變動；只有在>>0時，它幾乎不隨時間而變動，是穩(wěn)定的。因此，長期以來，人們力圖從提高機床剛性，主軸回轉精度和改進刀具等方面著手，以提高切削速度加大激振頻率，從而實現>>0穩(wěn)定切削過程。然而，在傳統車削條件下實際上是無法實現的。超聲波振動車削依靠專門的振動裝置強制刀具作超聲頻的簡諧振動，使成為超聲頻的脈沖狀吃刀抗力。按傅立葉級數展開：（8）式中：刀具每一周期內的切削時間刀

6、具的振動周期（）同樣，代入（6）式可得超聲波振動車削的動態(tài)位移為：（9）由式（9）可知，當脈沖切削力作用于工件時，工件在切深方向上，隨時間而擺動的規(guī)律。它的級數項是個遞減級數，隨著的增大而迅速減小，以至于趨近于零，與項比差一個數量級以上，只要，就可以完全忽略級數項，工件的動態(tài)變化就能穩(wěn)定下來，成為靜力學的靜態(tài)位移。這對于超聲波振動車削來說是很容易的。因此真正實現穩(wěn)定切削靜態(tài)位移：（10）由于超聲波振動車削時一般為0.10.3，使工件在吃刀抗力方向的位移減小為傳統車削時的1/31/10。所以，加工精度和表面質量得以大幅度的提高。此外，由于脈沖切削力作用的時間極短，產生的切削熱遠遠少于傳統切削，散

7、熱時間又遠大于發(fā)熱時間，使切削溫度大大低于傳統切削。同時，極短的實際切削時間，使工件還沒有來得及振動，刀具就已經脫離切削，使振動得以消除或減小，這些都將有助于加工精度的提高。3 超聲波振動車削精度和粗糙度試驗試驗裝置如圖4所示，由超聲波發(fā)生器（1）、磁致伸縮換能器（2）、變幅桿（3）、諧振刀桿（4）和節(jié)點壓塊（5）等部分組成。圖4由發(fā)生器輸出的超聲電頻能，通過換能器轉變?yōu)橥瑯宇l率的縱向振動的機械能，經變幅桿把振幅放大到預定值，推動諧振刀桿進行超聲波振動車削。 超聲波振動車削形成的切屑均成細長螺旋狀，灰白色無氧化變色，顯然切削溫度和變形都很小，用重量法測得變形系數由傳統車削的45降為12，工件材

8、料，切削用量等幾乎都沒有什么影響。用yd-200a圓度儀測量所得的典型圓度試件如表1所示。超聲波振動車削的圓度大大高于傳統車削，約為1/71/13。表1 試驗條件及典型實測結果工件材料 車削方式 切深（mm） 進給量（mm/r） 切削速度（m/min） 圓度（um）20鋼 傳統切削超聲切削 0.10.1 0.750.75 10.510.5 252.8cr18ni9ti 傳統切削超聲切削 0.050.05 0.0750.075 1313 282.2通過對20鋼、45鋼、不銹鋼、鋁合金和淬火高速鋼等材料，掃描電鏡和金相顯微鏡分析超聲波振動車削和傳統車削的表面顯微形狀，也可明顯地看出，超聲波振動車削

9、沒有撕裂、耕犁和滑擦等弊端，也不形成積屑瘤和鱗刺等現象。加工表面上極有規(guī)律地分布著以切削長度（刀具振動一周期內與切削時間對應的在切削方向上的切削長度，）紋路為縱線，以進給量為橫線的網格狀花紋，其光滑平整是傳統車削無法比擬的，一般可提高13級。4 結語（1）超聲波振動車削真正實現了單純靜態(tài)位移的穩(wěn)定切削，無論車削何種材料，都可以顯著地提高工件的圓度；（2）超聲波振動車削各種材料時，所得加工表面勻一光整，沒有積屑瘤和鱗刺，不存在撕裂、耕犁和滑擦等缺陷，可獲得良好的表面質量，粗糙度減小23級；（3）超聲波振動車削變形小且穩(wěn)定，切削溫度低，即使淬火高速鋼、鈦合金也是如此；（4）超聲波振動車削時，對于任何材料的工件，都能形成細螺旋狀切削，即使是淬火高速鋼和硬鋁也是這樣，切屑變形基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。參考文獻1 馮之敬.制造工程與技術原理m.北京：清華大學出版社，2