高頻超聲橢圓振動(dòng)切削切削力分析

高頻超聲橢圓振動(dòng)切削切削力分析—"亠一、亠0前言振動(dòng)切削技術(shù)由日本宇都宮大學(xué)隈部淳一郎教授于20世紀(jì)50年代初期提出，根據(jù)刀具振動(dòng)的軌跡，可分為普通振動(dòng)切削和橢圓振動(dòng)切削。橢圓振動(dòng)切削技術(shù)是日本學(xué)者社本英二等最早提出的，具有一系列優(yōu)點(diǎn)，能有效降低切削力，提高表面加工精度，延長刀具壽命，特別適合精密和超精密加工領(lǐng)域。傳統(tǒng)振動(dòng)切削加工中刀具后刀面與工件已加工表面的高頻摩擦使刀具承受交變拉壓應(yīng)力，導(dǎo)致刀具疲勞崩刃。超聲橢圓振動(dòng)切削技術(shù)使刀具以橢圓振動(dòng)軌跡對工件進(jìn)行切削，避免了刀具后刀面與已加工表面的摩擦，有效抑制了刀具的崩刃破損同時(shí)，將刀具前刀面與切屑之間有害的摩擦力變?yōu)橛欣那邢髁?，增加了刀具的剪切角，降低了切削過程中的吃刀杭力，提高了加工精度。1超聲橢圓振動(dòng)切削機(jī)理1.1傳統(tǒng)超聲振動(dòng)切削超聲振動(dòng)切削是在普通切削加工的基礎(chǔ)上利用超聲振動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置激勵(lì)切削刀具產(chǎn)生一個(gè)附加的強(qiáng)迫振動(dòng)(通常，頻率為20?40kHz，振動(dòng)幅度為5?20um),使刀具形成一種脈沖式往復(fù)變速斷續(xù)切削過程。斷續(xù)切削具有切削力明顯下降、工件表面殘余應(yīng)力減小、切削區(qū)溫度下降、有效抑制積屑瘤的產(chǎn)生、明顯提高加工質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。但是，普通超聲振動(dòng)切削的往復(fù)斷續(xù)切削過程也有負(fù)面影響，即切削刀具在切削過程中要承受一個(gè)隨超聲振動(dòng)不斷變化的交變應(yīng)力。如圖1(a)所示當(dāng)?shù)毒吲c工件接觸進(jìn)人切削狀態(tài)時(shí)，刀具要承受主切削力Nr、吃刀抗力Nf、切屑在前刀面上流動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力Fr、已加工工件表面與刀具后刀面的摩擦力Ff,從而使刀具承受切削合力F；圖1(b)所示，當(dāng)?shù)毒吲c工件處于分離狀態(tài)時(shí)，刀具只承受吃刀抗力Nf和已加工工件表面與刀具后刀面的摩擦力Ff,這時(shí)刀具承受的切削力合力F使刀具刀尖處承受一個(gè)向上的拉應(yīng)力，產(chǎn)生拉應(yīng)力集中區(qū)，正是由于刀具刀尖處承受的隨超聲振動(dòng)高頻變化的交變拉壓應(yīng)力，使刀具很容易在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生疲勞破損，對于天然金剛石、PCD、CBN這類硬度高、抗彎強(qiáng)度差的刀具材料，刀具刀尖尤其是前刀面會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生崩刃現(xiàn)象。工件方向1刀具匚件!

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方向態(tài)刀尖受力'圖1傳統(tǒng)超聲振動(dòng)切削時(shí)刀具受力:(b工件方向1刀具匚件!

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方向態(tài)刀尖受力'圖1傳統(tǒng)超聲振動(dòng)切削時(shí)刀具受力:(b)刀具應(yīng)力集中區(qū)狀態(tài)刀尖受力分析打具I運(yùn)動(dòng)方向1.2超聲橢圓振動(dòng)切削超聲橢圓振動(dòng)切削刀具的刀尖按照橢圓軌跡運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行斷續(xù)的非連續(xù)性切削，在每個(gè)振動(dòng)切削周期內(nèi)，刀具按順時(shí)針橢圓軌跡完成一次微量切削。如圖2所示。與普通振動(dòng)切削不同的是，當(dāng)?shù)毒吲c工件處于分離狀態(tài)時(shí)，后刀面與已加工表面離開一定距離，刀具刀尖不會(huì)受到向上的拉應(yīng)力，這樣，既可以避免刀具刀尖疲勞斷裂崩刃，也防止了刀具后刀面與已加工表面的劇烈微動(dòng)磨擦，保證了已加工表面的質(zhì)量；同時(shí)，刀具前刀面與切屑之間的摩擦力方向與其他方式切削的摩擦力方向正好相反，由有害的阻力變成有益的切削力，刀具可以利用該摩擦力將切屑強(qiáng)制帶出切削區(qū)，有力地促進(jìn)了切屑的排出，使切屑厚度、吃刀抗力下降，抑制了切削毛刺和刀尖處積屑瘤的產(chǎn)生，降低了工件表面的殘余應(yīng)力。Z1<—rl(■圖2超振動(dòng)切削運(yùn)動(dòng)示意圖2超聲橢圓振動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析橢圓運(yùn)動(dòng)可以由一個(gè)平面內(nèi)兩個(gè)相互垂直且同頻率有一定相位差的X、Y方向的兩個(gè)簡諧運(yùn)動(dòng)合成。設(shè)X、Y方向的運(yùn)動(dòng)方程為：X■■=Asm{2ivf卜目）Y=E或口（2寸） + 1（式中，A為X方向運(yùn)動(dòng)的振幅，B為Y方向運(yùn)動(dòng)的振幅，p為兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的相位差，則合成運(yùn)動(dòng)方程為：(Asm/?)2根據(jù)不同的相位差P,可以得到不同的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示，當(dāng)兩個(gè)互相垂直且同頻率的振動(dòng)相位差p為0°或180°時(shí)，產(chǎn)生直線振動(dòng)；當(dāng)相位差P為90°時(shí)，振動(dòng)軌跡為以X為長軸、Y為短軸的正橢圓；當(dāng)相位差p為其他角度時(shí)，振動(dòng)軌跡為傾斜的橢圓。通過分別調(diào)整X向和Y向振動(dòng)的振幅A、B，以及它們之間的相位差p，可準(zhǔn)確控制超聲橢圓振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡和方向，找到適合橢圓振動(dòng)加工的切削狀態(tài)。p=o/}=5tA打Ap=o/}=5tA打AX/2/>3k/4圖3與不同相位差對應(yīng)的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡3切削力分析利用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行普通型和橢圓振動(dòng)切削力的對比試驗(yàn)。具體試驗(yàn)條件如下：采用HARDING精密儀表車床進(jìn)行加工，刀具為硬質(zhì)合金刀具，具體參數(shù)分別為Y=9°,a=11°,K=62.5°,k'=62.5°,r=0.4mm,吃刀量為30|Jm；進(jìn)給速度為50|Jm/r,振動(dòng)參數(shù)f=21kHz,Ax=3|Jm,Ay=2pm,工件材料為純銅,切削液為乳化液。采用瑞士KISTLER公司9257型車削測力儀對切削過程的力信號進(jìn)行采集，超聲橢圓振動(dòng)車削力和普通車削力的對比曲線如圖4所示,切削力總體試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。普通車削 橢圜提動(dòng)牟削'圖4普通車削與高頻橢圓振動(dòng)車削力曲線對比從圖5可以看出，在切削速度系數(shù)：K=1左側(cè)的區(qū)域，高頻橢圓振動(dòng)切削的主切削力和吃刀抗力分別是同等切削條件下的普通切削力17%和32%以下。在K=1右側(cè)的區(qū)域,隨著切削速度的不斷增大,高頻橢圓振動(dòng)切削降低切削力的效果逐漸減弱，當(dāng)速度系數(shù)K=2時(shí)，高頻橢圓振動(dòng)切削的主切削力和吃刀抗力基本上都是普通切削力的50%,在速度系數(shù)K>3以后，高頻橢圓振動(dòng)的吃刀抗力和普通切削的吃刀抗力兩者相差不大,振動(dòng)切削降低切削力的效果基本上消失。0 I I i i i i15.70 314t) 47.10 62.80 78.50圖5切削力與工件線速度的關(guān)系曲線1.普通車削F 2.普通車削Fcp3?高頻橢圓振動(dòng)車削F4?高頻橢圓振動(dòng)車削Fcp在振動(dòng)加工領(lǐng)域內(nèi)，速度系數(shù)K是一個(gè)關(guān)鍵因數(shù)，可表示為：k=v/Vc=^7J ⑶式中，V為工件的線速度，v為臨界切削