基于正交試驗(yàn)的一種硬脆性材料超聲振動(dòng)車(chē)削試驗(yàn)研究

摘

要：硬脆性材料具有硬度高、易脆裂的材料特性，一般機(jī)械加工難以保證其加工質(zhì)量，加工過(guò)程中易發(fā)生材料斷裂、刀具磨損等情況?；诖?，將超聲振動(dòng)車(chē)削技術(shù)應(yīng)用于一種硬脆性材料的車(chē)削加工過(guò)程中，將超聲振動(dòng)車(chē)削后與普通車(chē)削后材料的表面加工質(zhì)量進(jìn)行了對(duì)比；通過(guò)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，分析了在加工這種硬脆性材料過(guò)程中影響超聲振動(dòng)車(chē)削效果的因素。結(jié)果表明，超聲振動(dòng)車(chē)削加工出來(lái)的材料表面質(zhì)量明顯好于普通車(chē)削。刀具進(jìn)給速度越慢，表面加工質(zhì)量越好；刀具振幅越小，表面加工質(zhì)量越好；工件旋轉(zhuǎn)線速度越慢，表面加工質(zhì)量越好，刀具磨損越小。關(guān)鍵詞：硬脆性材料；超聲振動(dòng)；車(chē)削；線速度；進(jìn)給速度；振幅

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引言硬脆性材料的機(jī)械性能與一般的塑性材料差距較大。大部分硬脆性材料具有較高的硬度，幾乎沒(méi)有韌性，在機(jī)械加工中容易產(chǎn)生崩邊、開(kāi)裂等現(xiàn)象，給機(jī)械加工帶來(lái)一定難度。超聲振動(dòng)車(chē)削是在傳統(tǒng)切削技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)刀頭沿軸向施加了超聲頻率的振動(dòng)，一般在20kHz以上，振幅在3～20μm，從而獲得良好的加工性能，尤其是對(duì)硬脆性材料的加工具有其他加工方法無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)。本文將超聲振動(dòng)車(chē)削加工技術(shù)應(yīng)用于一種硬脆性材料的外圓加工中，對(duì)影響超聲振動(dòng)車(chē)削效果和材料加工表面質(zhì)量的因素進(jìn)行研究，為超聲振動(dòng)技術(shù)在其他硬脆性材料上的應(yīng)用提供基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。1

試驗(yàn)方法試驗(yàn)使用山東華云機(jī)電科技有限公司生產(chǎn)的華云豪克能超聲振動(dòng)車(chē)削裝置，其主要結(jié)構(gòu)包括超聲振動(dòng)發(fā)生裝置、傳感轉(zhuǎn)換線、超聲刀頭，最大振動(dòng)頻率超過(guò)30kHz，試驗(yàn)中使用的振動(dòng)頻率為20kHz。將超聲振動(dòng)刀頭裝夾在普通車(chē)床上進(jìn)行車(chē)削加工試驗(yàn)，超聲振動(dòng)加工設(shè)備如圖1所示。試驗(yàn)所用試塊為一種核反應(yīng)堆用慢化材料，其具有高硬度和脆性，是一種典型的硬脆性材料，其外形為直徑25mm、長(zhǎng)約150mm的棒狀試塊。刀具材料為聚晶金剛石，型號(hào)為HY-0037，刀尖半徑0.4mm，最小R角0.2mm。所使用的表面粗糙度儀為T(mén)R200手持式表面粗糙度儀。

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試驗(yàn)結(jié)果分析2.1

表面加工質(zhì)量宏觀形貌對(duì)比對(duì)材料進(jìn)行普通車(chē)削和超聲振動(dòng)車(chē)削試驗(yàn)，采用相同的工藝參數(shù)為：進(jìn)給速度0.15mm/r，切削深度1.5mm，切削線速度150m/min。在超聲振動(dòng)車(chē)削時(shí)給刀頭施加頻率為20kHz、振幅為10μm的超聲振動(dòng)。最終加工表面質(zhì)量宏觀形貌如圖2、圖3所示。從圖2普通車(chē)削加工后材料的表面可以看出，表面有不少孔洞、小坑，在加工表面與未加工表面交界處，材料有崩裂現(xiàn)象；從圖3超聲振動(dòng)車(chē)削加工后的材料表面可以看出，表面較為光整，孔洞、小坑等不良加工區(qū)域明顯減少，加工表面與未加工表面交界處的崩裂現(xiàn)象極少，整體表面加工質(zhì)量較高。2.2

影響超聲振動(dòng)車(chē)削加工表面質(zhì)量的因素分析有文獻(xiàn)表明，超聲振動(dòng)車(chē)削效果主要與車(chē)削線速度、進(jìn)給速度、振幅等有關(guān)，為了研究超聲振動(dòng)加工表面質(zhì)量與上述3個(gè)因素間的關(guān)系，我們進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)中切削深度統(tǒng)一為1.5mm，刀具振動(dòng)頻率為20kHz，刀尖最小R角為0.2mm，冷卻介質(zhì)為水。試驗(yàn)采用L9（34）正交設(shè)計(jì)，進(jìn)行車(chē)削線速度（A）、刀具進(jìn)給速度（B）和振幅（C）三因素三水平試驗(yàn)。車(chē)削線速度因素三水平A1、A2、A3分別為線速度150m/min、200m/min、300m/min這3個(gè)常用車(chē)削線速度。進(jìn)給速度因素三水平B1、B2、B3分別為0.03mm/r、0.04mm/r、0.05mm/r。振幅因素三水平C1、C2、C3分別為5μm、10μm、15μm。根據(jù)正交設(shè)計(jì)方案得出9種試驗(yàn)方案，分別進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)材料加工表面進(jìn)行粗糙度測(cè)量，得到超聲振動(dòng)車(chē)削表面加工質(zhì)量影響因素的正交試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，以A1、B1、C1組合加工出來(lái)的表面粗糙度值最低，即在車(chē)削線速度為150m/min、刀具進(jìn)給速度為0.03mm/r、刀具振幅為5μm時(shí)加工表面粗糙度值最低，加工表面質(zhì)量最高。2.3

極差分析極差分析法簡(jiǎn)單直觀，用極差R來(lái)分析各因素對(duì)結(jié)果的影響程度，R值越大，相應(yīng)因素對(duì)目標(biāo)參數(shù)的影響就越大，重要性越大。R=max（k1，k2，k3，…，ki）-min（k1，k2，k3，…，ki）式中，ki為第i水平對(duì)應(yīng)指標(biāo)和Ki的平均值，即ki=Ki/r，其中r為任一列同一水平的出現(xiàn)次數(shù)。本試驗(yàn)為三水平試驗(yàn)，r值為3。根據(jù)表1結(jié)果，以加工后表面粗糙度值為考核指標(biāo)進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，極差值R從大到小依次為0.45、0.14、0.04，所對(duì)應(yīng)的影響因素分別為刀具進(jìn)給速度、車(chē)削線速度、刀具振幅。因此，刀具的進(jìn)給速度對(duì)超聲振動(dòng)車(chē)削加工材料的表面粗糙度值影響最大，其次為車(chē)削線速度，最后為刀具的振幅。根據(jù)表2中每個(gè)因素第1、第2、第3水平對(duì)應(yīng)的總平均值k1，k2，k3，得到各影響因素與超聲振動(dòng)車(chē)削加工表面粗糙度的關(guān)系，如圖4所示。從圖4可以看出：刀具振幅與加工后表面粗糙度值之間先呈正相關(guān)關(guān)系，后呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，存在最優(yōu)振幅；刀具進(jìn)給速度和車(chē)削線速度均與加工后表面粗糙度值呈正相關(guān)關(guān)系；刀具進(jìn)給速度越快，車(chē)削線速度越高，加工后表面粗糙度值越大，加工表面質(zhì)量越差。在3種影響因素中，刀具進(jìn)給速度對(duì)加工后材料的表面粗糙度值即表面質(zhì)量影響最大，且為正相關(guān)，因此，在超聲振動(dòng)車(chē)削此種硬脆性材料時(shí)，在不影響加工進(jìn)度時(shí)，進(jìn)給速度應(yīng)當(dāng)盡可能降低。

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結(jié)論（1）超聲振動(dòng)車(chē)削技術(shù)可以應(yīng)用于此種硬脆性材料上，且超聲振動(dòng)車(chē)削在其上的加工表面質(zhì)量要優(yōu)于普通車(chē)削。（2）對(duì)于硬脆性材料的超聲振動(dòng)車(chē)削加工，影響其最終表面質(zhì)量的因素主要是刀具進(jìn)給速度和車(chē)削線速度，且隨進(jìn)給速度和車(chē)削線速度的增大，其表面粗糙度值增大，表面加工質(zhì)量降低。超聲振動(dòng)車(chē)削加工時(shí)，表面加工質(zhì)量并不會(huì)隨刀具振幅線性降低而降低，而是呈現(xiàn)先降低后升高的規(guī)律，刀具振幅對(duì)表面加工質(zhì)量的影響相