超声振动切削技术汇报
振动切削加工技术
振动切削加工技术姓名：宋大同班级：机械工程1105班学号：113085201149摘要：振动切削加工技术是机械振动有利一面的应用，这是一种优于普通切削的新技术，是先进制造方法的重要组成部分。
本文通过振动切削与普通切削的对比，分析了振动切削的原理、特点、工艺效果及在切削过程中的作用。
同时论述了振动切削加工技术在工业中的具体应用和仍需解决的问题。
关键词：振动切削低频振动超声振动工艺效果应用机械振动同许多事物一样具有两面性，有其不利的一面，也有其有利的一面。
振动切削加工技术就是机械振动有利一面的应用。
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。
振动切削改变了工件与刀具之间的时间与空间的分配，从而改变了切削加工机理，达到了减小切削力和切削热，并且提高加工质量和效率的目的。
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，因而越来越引起人们的重视。
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。
切屑与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，一个是形成刀刃的刀面的作用。
由于刀刃与被切削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。
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、切削深度产生周期性的改变，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与时间存在条件，从而改变了加工机理，达到减小切削力、切削热，提高加工质量和效率的目的。
超声波振动辅助车削加工机理分析
建立了超声振动切削系统。
本文进行了超声振动辅助车削试验。
验证了振幅、切削速度与切削力的关系，验证了切削热分布的规律；并对超声波振动切削45号钢的切削参数进行了优化分析；对比了超声振动车削与普通车削的功率、表面粗糙度、切削力等；试验结果表明，振动车削可以降低切削力，表面粗糙度值在振动车削条件下明显减小。
关键词：超声波，振动切削，净切削比，有限元分析RESEACH ON ULTRASONIC VIBRATION TURNINGABSTRACTWith the development of the science and technology, precision and super-precision machining technologies have an important increasing position. For some workpieces of specific material and complex shape, it is difficult to use the conventional machining method, so non-traditional machining is developed rapidly. One of them is ultrasonic machining technology. It is indicated that ultrasonic technology has provided an huge help to improve the quality of product, reduce the costs of production, increase efficiency and so on. Now it is already entered into national defense and economy, science and technology, people’s life and other domains.Secondly, ultrasonic vibration cutting systems are studied theoretically. Net cutting time ratio r is defined, and relationship between r and cutting force is studied. The analysis indicates that the force increases as the r increases. With the software MARC, the temperature field variation rule of vibration cutting process is studied. The results of simulations show that heat dissipation when the tool comes off the workpiece is the mian reseon.Finally, the cutting experiment with and without ultrasonic vibrationis made. The superior ranges of cutting parameters are recommended. The cutting speed and ultrasonic amplitude between cutting force is verified. The results of experiments show that the cutting force and surface roughness are lower with ultrasonic vibration than without ultrasonic vibration.Keywords : ultrasonic, vibration turning, net cutting time ratio, finite element目 录摘要 (I)ABSTRACT (III)目录 (V)第一章绪论 (1)1.1课题背景 (1)1.2国内外研究发展现状 (2)1.2.1 超声振动系统 (2)1.2.2 超声振动切削理论 (4)1.2.3 超声车削加工系统 (7)1.3论文的主要研究内容 (9)第二章超声波辅助振动车削理论研究 (10)2.1超声波的基本原理及特点 (10)2.2超声波加工的基本原理 (10)2.2.1超声振动切削原理 (11)2.2.2切削力 (14)2.2.3 振幅的影响 (16)2.2.4 切削速度的影响 (17)2.2.5振动车削温度场的模拟 (18)2.3本章小结 (20)第三章超声波振动辅助车削系统的建立 (22)3.1超声装置概述及其选用 (22)3.2超声波发生器的选用 (24)3.3换能器 (27)3.3.1磁致伸缩换能器 (27)3.3.2压电式换能器 (28)3.3.3 换能器的匹配与选型 (28)3.4调幅器 (29)3.5超声波车刀的设计 (31)3.5.1 超声车刀特性 (31)3.5.2 采用F.E.A方法设计刀杆 (31)3.5.3实体建模 (34)3.5.4 软件ANSYS模态分析 (35)3.5.5 分析结果 (38)3.6连接与固定方案 (46)3.7本章小结 (48)第四章超声波振动辅助车削试验研究 (49)4.1切削试验方案 (49)4.1.1切削试验系统 (49)4.1.2切削试验步骤 (54)4.2.1切削深度对切削过程的影响 (56)4.2.2进给量对切削过程的影响 (57)4.2.3切削速度对切削过程的影响 (58)4.2.4参数优化 (59)4.3试验结果验证 (62)4.3.1 对振幅影响的验证 (62)4.3.2 对转速影响的验证 (64)4.3.3对温度仿真的验证 (65)4.4本章小结 (67)第五章总结与展望 (69)5.1全文总结 (69)5.2前景展望 (69)参考文献 (71)致谢 (75)攻读硕士学位期间发表的论文 (76)第一章 绪论1.1课题背景超声技术出现在20世纪初期。
超声振动磨削技术、
超声振动精密磨削技术的发展1、引言随着科学技术的进步，金属间化合物、工程陶瓷、石英、光学玻璃等硬脆材料以及各种增韧、增强的新型复合材料因其高硬度、耐磨损、耐高温、化学稳定性好、耐腐蚀等优点在航空航天、国防科技、生物工程、计算机工程等尖端领域中的应用日益广泛；但由于这些材料的脆硬特性，传统加工方法已不能满足对这些材料零件的精密加工要求，，因此有关其精密超精密磨削加工技术便成为世界各国研究的热点。
超声振动精密磨削技术便是顺应这一需要而发展起来的技术之一。
超声振动磨削技术的基本原理为：由超声波发生器产生的高频电振荡信号（一般为16～25KHz）经超声换能器转换成超声频机械振动，超声振动振幅由变幅杆放大后驱动工具砂轮产生相应频率的振动，使刀具与工件之间形成周期性的切削。
即工具砂轮在旋转磨削的同时做高频振动。
超声加工技术的经历了从传统超声波加工到旋转超声波加工的发展阶段，旋转式超声加工是在传统超声加工的工具上叠加了一个旋转运动。
这种加工用水带走被去除的材料并冷却工具，不需要传统超声加工中的磨料悬浮液，因此，这种方法被广泛的运用于超声振动磨削加工中[6]。
2、超声振动磨削技术发展回顾1927 年，R.W.Wood 和 A.L.Loomis 就发表了有关超声波加工的论文，超声加工首次提出。
1945 年L.Balamuth 就申请了关于超声加工的专利。
20 世纪 50～60 年代日本学者隈部淳一郎发表了许多对振动切削进行系统研究的论文，提出了振动切削理论，并成功实现了振动磨削等加工 [8] 。
1960 年左右，英国 Hawell 原子能研究中心的科学家发明了新的超声磨削复合加工方法。
超声振动磨削加工在难加工材料和高精度零件的加工方面显示了很大的优越性。
1986 年日本学者石川健一受超声电机椭圆振动特性启发，首次提出了“椭圆振动切削方法”（elliptical vibration cutting）。
20 世纪 90 年代初，日本神户大学社本英二等人对超声椭圆振动切削技术进行了深入研究，其最具代表性的研究成果是利用金刚石刀具采用双激励双弯曲合成椭圆振动的方式对黑色金属淬火不锈钢进行精密车削，最小表面粗糙度可以达到 Ra0.0106um，不但解决了金刚石不能加工黑色金属的难题，而且使这项技术达到了实用化阶段。
超声加工及振动切削
精密零件的加工
如微小型零件、复杂曲面 零件等需要高精度加工的 零件。
难加工环境的加工
如高温、高压、真空等极 端环境下的加工。
04
超声加工与振动切削的比较
工作原理的比较
超声加工
利用超声波的振动能量对工件进行加工，通过工具的快速振动，使工件表面材 料在工具的作用下产生局部高温、高压，使材料发生变形、破碎或去除。
应用领域的比较
超声加工
广泛应用于玻璃、陶瓷、石英等 硬脆材料的加工；在珠宝、钟表 制造等领域也有广泛应用。
振动切削
广泛应用于各种金属材料的加工 ，如汽车、航空、机械制造等领 域；在难加工材料的加工方面也 有一定应用。
05
超声加工与振动切削的发展趋势和未
来展望
超声加工的发展趋势和未来展望
高效化
随着工业生产对加工效率 的要求不断提高，超声加 工技术将不断优化，实现 更高效、更快速的生产。
振动切削的基本原理是利用振动系统产生的周期性弹性力，使刀具在切削过程中产生快速的 往复运动，从而实现对工件的加工。
振动切削过程中，刀具的振动频率和振幅对加工效果具有重要影响，需要根据不同的加工要 求进行合理选择。
振动切削的主要技术
超声振动切削
利用超声波的振动能量对工件进行加工，具有加工精度高、表面 质量好、适用于各种难加工材料等特点。
智能振动切削
结合人工智能和振动切削技术，实 现智能控制和自适应调整，提高加 工精度和效率。
多轴振动切削
研究多轴振动切削技术，实现复杂 形状和高精度零件的加工。
交叉学科的研究和应用前景
超声加工与振动切削的结合
01
研究超声加工与振动切削的结合技术，发挥各自的优势，提高
加工效率和精度。
超声振动切削报告
超声振动切削报告关键信息项：1、超声振动切削的原理和技术特点原理：＿___________________________技术特点：＿___________________________2、应用领域和优势应用领域：＿___________________________优势：＿___________________________3、设备和工具要求设备类型：＿___________________________工具规格：＿___________________________4、切削参数和工艺控制切削参数：＿___________________________工艺控制要点：＿___________________________ 5、质量检测和评估标准检测方法：＿___________________________评估标准：＿___________________________6、安全注意事项和防护措施安全风险：＿___________________________防护措施：＿___________________________11 超声振动切削的原理超声振动切削是一种在传统切削加工基础上引入超声振动的先进加工技术。
其原理是通过在刀具或工件上施加高频振动，使切削过程中的切削力、切削热等发生显著变化，从而改善切削性能。
具体来说，超声振动使得刀具与工件之间的接触状态发生周期性改变，实现了断续切削，减少了刀具与工件之间的摩擦和粘结，降低了切削力和切削温度。
111 技术特点超声振动切削具有以下显著特点：1111 降低切削力由于断续切削和摩擦的减少，切削力大幅降低，这有助于减少机床的负荷，提高加工精度和表面质量。
1112 减小切削热振动切削过程中的热量产生减少，有利于防止工件的热变形和热损伤，提高加工精度。
1113 改善表面质量能够获得更光滑、更低粗糙度的加工表面，提高零件的使用性能和寿命。
超声振动切削的发展现状_李征
摘要：超声振动切削技术具有独特的切削原理和优越的工艺效果，广泛应用于难加工材料。
本文主要介绍了超声振动切削的原理、优点和应用，概述了超声振动切削的国内外发展现状。
关键词：超声振动切削发展现状0引言随着科学技术的发展，各种难加工的新材料和复合材料在工业中的应用日益广泛，特别是光学玻璃、人工晶体、工程陶瓷等硬脆性材料也得到了极为广泛地应用。
由于材料的高硬度、高脆性和零件结构的复杂性给加工带来了极大的困难，从而限制了新材料和新结构应用范围的进一步扩展。
超声振动切削技术具有独特的切削原理和优越的工艺效果。
它可以明显地提高加工表面质量、加工精度和加工效率，特别是对工程陶瓷等硬脆难加工材料、有色金属的精密加工具有独特的优越性，因而引起了国内外学者的广泛重视。
1超声振动切削技术超声振动切削是一种脉冲切削。
振动切削过程中，由于刀具有规律的振动，刀具和工件产生周期性的接触与分离，使刀具在振动的一个周期中的极短时间内完成了切削，从而形成了脉冲切削的方式。
超声振动切削的脉冲切削力的平均值要远小于普通切削，一般可减小到普通切削的1/3~1/10。
振动切削中，刀具在振动源驱动下周期性接触、离开工件，切削液可充分进入切削区，切削液使用效果得到提高，刀具的耐用度也得到了提高。
同时，切屑容易顺利排出，加工表面的耐磨性和耐腐蚀性得到提高。
2国内外研究现状振动切削是一种新型的非传统的特种切削加工方法，它是给刀具（或工件）以适当的方向、一定的频率和振幅的振动，以改善其切削功效的脉冲切削方法。
与普通切削相比，振动切削具有切削力小、切削热降低、工件表面质量高、切屑处理容易、刀具耐用度提高、加工稳定、生产效率高等优点。
我国超声加工技术的研究始于50年代末，60年代初，哈尔滨工业大学应用超声车削，加工了一批飞机上的铝制细长轴，取得了良好的切削效果。
1973年上海超声波电子仪器厂研制成功CNM-2型超声研磨机。
1982年，上海钢管厂、中国科学院声学研究所及上海超声波仪器厂研制成功超声拉管设备，为我国超声加工在金属塑性加工中的应用填补了空白。
高频超声椭圆振动切削切削力分析
高频超声椭圆振动切削切削力分析0前言振动切削技术由日本宇都宫大学隈部淳一郎教授于20 世纪50 年代初期提出，根据刀具振动的轨迹，可分为普通振动切削和椭圆振动切削。
椭圆振动切削技术是日本学者社本英二等最早提出的，具有一系列优点，能有效降低切削力，提高表面加工精度，延长刀具寿命，特别适合精密和超精密加工领域。
传统振动切削加工中刀具后刀面与工件已加工表面的高频摩擦使刀具承受交变拉压应力，导致刀具疲劳崩刃。
超声椭圆振动切削技术使刀具以椭圆振动轨迹对工件进行切削，避免了刀具后刀面与已加工表面的摩擦，有效抑制了刀具的崩刃破损同时，将刀具前刀面与切屑之间有害的摩擦力变为有利的切削力，增加了刀具的剪切角，降低了切削过程中的吃刀杭力，提高了加工精度。
1超声椭圆振动切削机理1.1传统超声振动切削超声振动切削是在普通切削加工的基础上利用超声振动驱动装置激励切削刀具产生一个附加的强迫振动（通常，频率为20~40kHz,振动幅度为5~20um），使刀具形成一种脉冲式往复变速断续切削过程。
断续切削具有切削力明显下降、工件表面残余应力减小、切削区温度下降、有效抑制积屑瘤的产生、明显提高加工质量等优点。
但是，普通超声振动切削的往复断续切削过程也有负面影响，即切削刀具在切削过程中要承受一个随超声振动不断变化的交变应力。
如图1（a）所示当刀具与工件接触进人切削状态时，刀具要承受主切削力N r、吃刀抗力N f、切屑在前刀面上流动产生的摩擦力F r、已加工工件表面与刀具后刀面的摩擦力F f，从而使刀具承受切削合力F；图1(b)所示，当刀具与工件处于分离状态时，刀具只承受吃刀抗力N f和已加工工件表面与刀具后刀面的摩擦力F f，这时刀具承受的切削力合力F使刀具刀尖处承受一个向上的拉应力，产生拉应力集中区，正是由于刀具刀尖处承受的随超声振动高频变化的交变拉压应力，使刀具很容易在短时间内发生疲劳破损，对于天然金刚石、PCD、CBN 这类硬度高、抗弯强度差的刀具材料，刀具刀尖尤其是前刀面会在很短的时间内发生崩刃现象。
超声振动磨削技术、
超声振动精密磨削技术的发展1、引言随着科学技术的进步，金属间化合物、工程陶瓷、石英、光学玻璃等硬脆材料以及各种增韧、增强的新型复合材料因其高硬度、耐磨损、耐高温、化学稳定性好、耐腐蚀等优点在航空航天、国防科技、生物工程、计算机工程等尖端领域中的应用日益广泛；但由于这些材料的脆硬特性，传统加工方法已不能满足对这些材料零件的精密加工要求，，因此有关其精密超精密磨削加工技术便成为世界各国研究的热点。
超声振动精密磨削技术便是顺应这一需要而发展起来的技术之一。
超声振动磨削技术的基本原理为：由超声波发生器产生的高频电振荡信号（一般为16～25KHz）经超声换能器转换成超声频机械振动，超声振动振幅由变幅杆放大后驱动工具砂轮产生相应频率的振动，使刀具与工件之间形成周期性的切削。
即工具砂轮在旋转磨削的同时做高频振动。
超声加工技术的经历了从传统超声波加工到旋转超声波加工的发展阶段，旋转式超声加工是在传统超声加工的工具上叠加了一个旋转运动。
这种加工用水带走被去除的材料并冷却工具，不需要传统超声加工中的磨料悬浮液，因此，这种方法被广泛的运用于超声振动磨削加工中[6]。
2、超声振动磨削技术发展回顾1927 年，R.W.Wood 和 A.L.Loomis 就发表了有关超声波加工的论文，超声加工首次提出。
1945 年L.Balamuth 就申请了关于超声加工的专利。
20 世纪 50～60 年代日本学者隈部淳一郎发表了许多对振动切削进行系统研究的论文，提出了振动切削理论，并成功实现了振动磨削等加工 [8] 。
1960 年左右，英国 Hawell 原子能研究中心的科学家发明了新的超声磨削复合加工方法。
超声振动磨削加工在难加工材料和高精度零件的加工方面显示了很大的优越性。
1986 年日本学者石川健一受超声电机椭圆振动特性启发，首次提出了“椭圆振动切削方法”（elliptical vibration cutting）。
20 世纪 90 年代初，日本神户大学社本英二等人对超声椭圆振动切削技术进行了深入研究，其最具代表性的研究成果是利用金刚石刀具采用双激励双弯曲合成椭圆振动的方式对黑色金属淬火不锈钢进行精密车削，最小表面粗糙度可以达到 Ra0.0106um，不但解决了金刚石不能加工黑色金属的难题，而且使这项技术达到了实用化阶段。
硬脆材料的超声频振动切削机理及应用研究
硬脆材料的超声频振动切削机理及应用研究引言：硬脆材料具有高硬度和脆性的特性，传统机械加工方法难以满足其加工的要求。
而超声频振动切削作为一种新型的加工方法，通过施加超声频振动切削力来改善硬脆材料的切削性能。
本文旨在探讨硬脆材料的超声频振动切削机理及其应用研究。
一、硬脆材料的超声频振动切削机理超声频振动切削是一种利用超声波作用于切削刀具实现切削目标的加工方法。
在硬脆材料的加工过程中，通过施加超声振动力，可以激发材料颗粒之间的滑动和变形，从而改善切削过程中的切削状态。
具体来说，超声频振动切削机理主要包括以下几个方面的影响因素：1. 振幅效应：超声振动切削中的振幅大小对切削过程的影响非常显著。
适当的振幅可以改变材料的切削角度和切削力，提高切削效率。
2. 减摩效应：超声波的作用可以降低切削力和摩擦阻力，减少工具与工件界面的磨损。
这是由于超声波振动产生的微小滑动和摩擦热可以在工具刀具与工件之间形成一层固体润滑膜。
3. 超声冷却效应：超声波振动可以在切削过程中产生微小的振动幅度和频率变化，使切削区域得到均匀的冷却。
这有助于减小切削温度，提高材料切削的质量和精度。
二、硬脆材料的超声频振动切削应用研究超声频振动切削在硬脆材料的加工中已得到广泛的应用。
以下分别从切削效率、切削质量和切削精度三个方面介绍了该方法的应用研究情况。
1. 切削效率提升：超声频振动切削的振动作用可以有效降低硬脆材料的切削力，提高切削效率。
研究发现，超声波振动切削技术可以提高硬脆材料的切削深度和切削速度，提高生产效率。
2. 切削质量改善：超声频振动切削减摩效应可以降低工具与工件的摩擦，减少工具磨损和表面质量的损伤。
研究表明，在超声频振动切削下，硬脆材料的表面粗糙度得到明显改善，切削面质量得到提高。
3. 切削精度提高：超声频振动切削可以实现对硬脆材料的精密加工。
由于超声振动切削能够在微观尺度上改变材料的切削状态，因此可以实现更精细的切削控制和更高的加工精度。
超声椭圆振动切削技术
超声椭圆振动切削技术超声振动切削从微观上看是一种脉冲切削。
在一个振动周期中，的有效切削时间很短，大于80%时间的里与工件、切屑完全分离。
与工件、切屑断续接触，这就使得所受到的摩擦变小，所产生的热量大大减少，切削力显著下降，避免了普通切削时的“让刀”现象，并且不产生积屑瘤。
利用这种振动切削，在普通机床上就可以进行精密加工，圆度、圆柱度、平面度、平行度、直线度等形位公差主要取决于机床主轴及导轨精度，最高可达到接近零误差，使以车代磨、以钻代铰、以铣代磨成为可能。
与高速硬切削相比，不需要高的机床刚性，并且不破坏工件表面金相组织。
在曲线轮廓零件的精加工中，可以借助数控车床、加工中心等进行仿形加工，可以节约高昂的数控磨床购置费用。
1.性能指标1.1切削力小，约为普通切削力的1/3-1/10。
1.2加工精度高，主要取决于所用机床精度，所加工工件形位公差几乎可接近机床相关精度。
1.3切削温度低，工件保持室温状态。
1.4不产生积屑瘤，工件变形小，没有毛刺。
1.5切削表面粗糙度低，可接近理论粗糙度值，最高可达Ra0.2以下。
1.6被加工零件的“刚性化”，即与普通切削相比，相当于工件刚性提高。
1.7加工过程稳定，能有效消除颤振。
1.8切削液的冷却、润滑作用提高。
1.9耐用度呈几倍到几十倍提高。
1.10被加工表面呈压应力状态，零件疲劳强度、耐磨性、耐腐蚀性提高。
1.11切削后的工件表面呈彩虹效果。
2.应用范围由于超声振动切削有如此多的优点，所以可广泛应用于航空、航天、军工等领域各种难加工材料的切削加工。
2.1难加工材料切削：如耐热钢、钛合金、恒弹性合金、高温合金、不锈钢、冷硬铸铁、工程陶瓷、复合材料和花岗岩等。
2.2加工淬硬钢零件及超硬零件，能得到很高的加工精度和表面质量：用硬质合金可以很轻松地加工硬度达HRC60以上的淬硬钢零件，如高速钢、轴承钢等；用PCD加工硬质合金，可以大大提高的耐用度。
2.3成型切削：利用成型切削加工各种类型的轮廓曲面及内外球面、过度圆弧、锥面等。
振动切削加工技术探究
关键 词 ： 振动切 削； 低频振动 ； 超声波振 动 ； 工艺效果
１普通切削与振动切削 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 、 在普通切削中， 切削过程提靠刀具与工件的相列运动来完成的。 在这 石料等非金属材料 由于机械 、 物理 、 化学等特洼难以加工 ， 而采用超声振 种刀具始终不离开切削的普通切削中， 工件材料受到刀具的挤压， 产生弹 动切削则可化难为易。 例如用硬质合金刀具振动车削淬硬钢（ ＨＲ ｃ ３ ５ — ４ ５ ） 性变形和塑 Ｉ 生 变形 ， 使切屑与母体分离 ， ８ Ｉ 而形成切屑与已加工表面。此 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 过程中刀具的作用包括两个方面： —个是刀刃的作用， 另—个是刀面的作 到“ 虹面” 的表面光洁度， 也可用金刚石刀具进行振动精密加工。 又如钛， 原 用。由于刀刃与被切削材料接触处局部压力很大，从而使被切削＊ ） ｔ ￣ － Ｖ Ａ － 来只能以 磨削和研磨作为精加工， 现用硬质合金振动车削时 ， 其端面的最 嫂可达 ２ — ３ Ｘｍ， Ｉ 最ｆ 诃达 ０ ５ ｍ 。 离。 刀面则在切削的同时撑挤被切物 ， 加剧这种分离。 普通切削过程中， 由 大 键 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 ４ ２难加工零件的切削加工 高的切削温度， 同时伴随着刀具磨损和切削振动等有害现象。基于这种思 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、 小 想， 产生了—种新的切削方法——振动切削。 振动切削 臣 过给切削刀具 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 （ 或工件） 施加适当方向、 —定频率和振幅的振动， 以改善其切削功效的脉 通切削加工很困难 ， 用振动切削， 既可以提高加工质量 ， 又可提高生产效 冲切削方法。振动切削改变了刀具和被加工材料之间的空间与时间存在 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（ ７ ． ０ ｍ ｍ， 长 条件 ， 使切削速度、 切削深度产生周斯眭的改变 ， 从而改变 了加工机理 ， 达 ２ ２ ０ ａ ｒ ｍ）外圆，振动频率为 Ｆ ＝ ２ １ ． Ｓ ｋ Ｈ ｚ ，振幅为 Ａ ＝ １ ５ Ｉ ｎ ， ｆ ＝ ０ ． ０ ５ ｍ ｍ ／ ｒ ， 到 划、 七 刀 削力、 切削热， 提｜ 高力 阳明 弼蟀 的目的。 ａ ｐ ＝ ０ ． ０ １ ｍ ｍ， 用机械油作为切削液 ， 工件加工后可获得直径精度为 ４ ｍ， ２振动切削分类 最大粗糙度为 １ Ｉ Ｔ Ｉ 。又如超声振动精镗由特殊钢制成的薄壁圆筒（ 工件 振动切削按所Ｉ 力 酷椰 同可分为低颜 动和高频振动。 长７ ０ ｍ ｍ， 孔径 １ ５ ｍｍ ， 壁厚 ｌ ｍｍ） ， 在镗过的 ５ ０ ａｍ长度上可测出内孑 ｒ Ｌ 精 度为 ４ ｍ， 最大表面粗糙度为 ３ ｍ 。 ２ １ 低频振动切削 振动频率在（ ２ ｏ 一 １ ５ ０ ） Ｈ Ｚ的振动切削称为低频振动切削。—般来说， ４ ３高精度， 高表面质量工件的切削加工 低频振动切削的振动主要是靠机械装置实现 ， 其装置结构简单 ， 造价低， 与 辫韪 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 技术难度小， 使用维护比较方便， 而且振动参数受负载影响较小。主要用 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 于切削速度较低的切削加工 ， 如： 钻削、 铰削、 攻丝、 拉削及抛光等， 主要 目 面产生残余压应力 ， 切削过程稳定， 容易加工出高精度与高表面质量的工 件。 的是达到 利 排屑、 提高生产率和延长刀具寿命。 ４ ４威型 切 削加匝 ２ ２高频振动切削 高频振动切削又称为超声波振动切削， 利用成型切削刀具加工各种类型的轮廓曲面及内外球面、过渡圆弧 在（ １ ５ — ３ ５ ） Ｋ Ｈ Ｚ ， 利用超声波发生器、 换能器和变幅杆来实现的振动切削。 锥 面。 ４ ． ５排屑断屑 比较困难的切削加工 通常来自超声波发生器的正弦波形的电震荡通过换自 醑 变成只有 兀 个微 米的机械振动， 然后经过变幅杆将振幅彰 ｒ 大 到 １ ５ Ｉ Ｔ Ｉ 以上， 而连接在变幅 钻孔、 铰孔、 攻丝 、 拉削等切削加工时， 切屑往往处于半封闭或封闭状 杆前端的刀具就能以相同的频率进行振动。超声波振动切削以改善加工 态， 因而常不得不由于扫 瞩 断 屑困难而降ｆ 氐 切削用量， 这日 寸 虫 唠澜 振动切 精度和表面粗糙度， 提高切削效率， 扩大切削加工适应范围为主要 目的。 削则可 比 顷币 ０ 地解决排屑断屑问题而保证加工质量与提高生产效率。 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。高频振 例如利用超声波切削能顺利解决传统的钻孔工艺在排屑冷却等方面存在 动切削加工的工艺效果来自刀具和工件之间的分离运动，已经使切屑形 的困难 ， 尤其适用于深孔和比 惰密的小深孔加工。 结束语 蝴 理产生重大变化 ， 即它是一种脉冲式往复变速断续切削过程， 所以作 为精密加工和准ｎ Ⅱ 工材料加工中的—种新技术，它使传统加工技术有 了 随着科学技术的进步和发展，振动切削加工作为精密机械加工和难 个飞 跃。本文 所要介 绍 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， 对超声波振 ３超声波振动切削加工的特点 动切削的研究和开发也越来越受到人们的重视，使传统的加工技术有了 ３ ． １切削力大大戒小。 超声波振动切削技术通过对刀具施加强制性的 个飞跃。目前世界各国虽然在 最 动切削某些现象的解释 Ｅ ， 某些参数的 还有—些差别 ， 但对它的工艺效果是—致公认的。目 前我国在振动 振动 ， 使刀具在切削过程中产生有规律 的、 稳定的振动 ， 消除了刀具不稳 选择 Ｌ 定区域， 可显著减少机床系统的随饥振动对切削的影响 ， 氐 了平均切削 切削技 术研究利用 方面和 国外相 比 ｌ 呸有较 大差距 ，大力加强振 动切削技 术的研究、 推广和应用 ， 这既是对切削技术的挑战， 也是对切削行业陈旧 力。 ３ ２切削温度明显降低。刀具与工件的周期 ｌ 生接触 一 分离过程， 切削 体制的挑战 ， 同时也促进切削加工技术向复合方 向发展， 列提 高我国机械 热更难以传到切削区， 易于冷却， 可有效降低切削温度 ， 改善刀具的工作 制造业的加工水平和新产品开发具有十分重要的意义。 参考文献 环境。 １ 预 立志龙 泽叽， 冉启文等振 动切削研究状况及发展趋势Ｉ 木斯大学学 ３ ３切肖 ０ 液 ｛ 瓣 Ｕ 了 苞 分发挥。 由 二 ｊ 疆声 囊 力 切削— 方 ｌ 刃 『 削液均匀乳化， 形成均匀—致的乳化液微粒； 另一方面乳化液微粒获得了 报阳 然科 学， ￣ ＆ ） ， ２ ０ ０ ０ ， １ ８ （ ２ ） ： １ ２ １ — １ Ｚ ｃ ２ １ 李祥林 氍 动切削技术及在机械加工中的应用呻 北隶 北京科学技术出 很大能量， 更容易进 入切削区， 从而提高了切削液的效果。
超声椭圆振动切削技术
超声椭圆振动切削技术超声振动切削从微观上看是一种脉冲切削。
在一个振动周期中，的有效切削时间很短，大于80%时间的里与工件、切屑完全分离。
与工件、切屑断续接触，这就使得所受到的摩擦变小，所产生的热量大大减少，切削力显著下降，避免了普通切削时的“让刀”现象，并且不产生积屑瘤。
利用这种振动切削，在普通机床上就可以进行精密加工，圆度、圆柱度、平面度、平行度、直线度等形位公差主要取决于机床主轴及导轨精度，最高可达到接近零误差，使以车代磨、以钻代铰、以铣代磨成为可能。
与高速硬切削相比，不需要高的机床刚性，并且不破坏工件表面金相组织。
在曲线轮廓零件的精加工中，可以借助数控车床、加工中心等进行仿形加工，可以节约高昂的数控磨床购置费用。
1.性能指标1.1切削力小，约为普通切削力的1/3-1/10。
1.2加工精度高，主要取决于所用机床精度，所加工工件形位公差几乎可接近机床相关精度。
1.3切削温度低，工件保持室温状态。
1.4不产生积屑瘤，工件变形小，没有毛刺。
1.5切削表面粗糙度低，可接近理论粗糙度值，最高可达Ra0.2以下。
1.6被加工零件的“刚性化”，即与普通切削相比，相当于工件刚性提高。
1.7加工过程稳定，能有效消除颤振。
1.8切削液的冷却、润滑作用提高。
1.9耐用度呈几倍到几十倍提高。
1.10被加工表面呈压应力状态，零件疲劳强度、耐磨性、耐腐蚀性提高。
1.11切削后的工件表面呈彩虹效果。
2.应用范围由于超声振动切削有如此多的优点，所以可广泛应用于航空、航天、军工等领域各种难加工材料的切削加工。
2.1难加工材料切削：如耐热钢、钛合金、恒弹性合金、高温合金、不锈钢、冷硬铸铁、工程陶瓷、复合材料和花岗岩等。
2.2加工淬硬钢零件及超硬零件，能得到很高的加工精度和表面质量：用硬质合金可以很轻松地加工硬度达HRC60以上的淬硬钢零件，如高速钢、轴承钢等；用PCD加工硬质合金，可以大大提高的耐用度。
2.3成型切削：利用成型切削加工各种类型的轮廓曲面及内外球面、过度圆弧、锥面等。
SiCp／Al复合材料超声振动复合切削加工技术研究
SiCp／Al复合材料超声振动复合切削加工技术研究本文主要研究SiCp/Al复合材料超声振动复合切削加工技术，以探究该方法的适用性和加工效果。
首先，本文介绍了超声振动复合切削技术的基本原理和研究现状，包括超声振动加工的原理、应用领域以及在材料加工中的应用具体情况等。
之后，本文着重介绍了SiCp/Al复合材料的组成、制备方法和加工难度等特点。
并针对这些特点，提出了超声振动复合切削加工的方案，并进行了实验验证。
实验中，本文选用了SiCp/Al复合材料板坯作为样品，采用了数控落地铣床进行加工。
获得的结果表明，相比于传统切削加工，超声振动复合切削可以明显地提高加工效率、减小切屑量、降低损伤产生率，并且制件表面质量更加优良。
此外，本文还对不同加工参数下的加工效果进行了分析，并确定了最佳的加工参数组合。
最后，本文总结了超声振动复合切削加工技术在SiCp/Al复合材料加工中的优势和特点，并提出了进一步的研究方向和应用前景。
本文的研究成果对于推动SiCp/Al复合材料加工技术的发展, 提高加工效率和质量水平具有重要的实际意义。
超声振动复合切削加工技术作为一种新兴的加工方法，具有许多优点。
首先，在加工过程中，超声振动可以降低切削力和切削温度，因此可以减小切削屑量和损伤产生率，提高制件表面质量。
其次，超声振动对材料的塑性、韧性和硬度的影响较小，那么对于硬度较高、脆性较大的复合材料而言，有着较好的应用价值。
最后，由于超声振动加工时，刀具轨迹也在产生微振动，这种微振动有助于刃口自清洁，可以有效减小切屑粘在刀具上的情况，从而延长刀具寿命。
SiCp/Al复合材料是一种常用的铝基复合材料，由于SiC颗粒的加入，其硬度、耐磨性和热稳定性均得到了明显提升，因此在航空航天、汽车工业、机器制造等领域有着广泛的应用。
然而，SiC颗粒的存在也使得该复合材料的加工难度较大。
普通的切削加工容易造成刃口磨损和切屑粘附等情况，影响加工效率和制件质量。
超声振动切削报告
超声波振动切削与传统切削刀具磨 损的比较
切削速度： 90m/min 进给量： 0.1mm/rev 切削时间： 20min 刀具材料： CBN 加工材料： 低合金钢
超声波振动切 削与传统切削 切削力的比较
超声波振动切削与传统切削加工表 面粗糙度的比较
加工零件成品
6、结论
• 超声波振动在很大程度上改善了传统的加工方法， 在各种非金属脆硬材料加工方面得到广泛应用，取 得了卓越的成绩。大量的试验研究和加工结果表明， 超声振动加工有能量集中、瞬间作用、快速切削的 特性，能有效地改变传统加工的切削机制，具有独 特的加工工艺效果。 • 和源远流长的切削技术相比，超声振动切削技术在 短暂的发展历程中已经取得了令人欣慰的成绩，在 工业的不同方面得到了的应用。随着社会对材料提 出更高的要求， 随着新型难加工材料的不断出现， 超声加工技术将得到更大的发展， 有理由相信这门 技术的未来是很有前景的。
• 近年来， 科研人员尝试用超声振动切削来 加工上述难加工材料，取得了一定的效果。 实验表明，超声振动切削技术在相当大的 程度上可以解决难加工材料切削中很多关 键的技术问题，比传统切削技术有明显的 优势。
Hale Waihona Puke 、超声波振动切削技术基本概念超声波振动切削技术是把超声波振动的力 有规律地加在刀具上，使刀具周期性地切 削和离开工件的加工技术，是结合超声波 技术和传统切削工艺的一种新型切削技术。
2、超声波振动切削技术基本原理
• 超声波振动切削的基本原理就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。
振动切削实验设备
3、振动的方式
切 向 振 动
径 向 振 动
数控机床高速加工中的超声波切削技术
数控机床高速加工中的超声波切削技术数控机床在制造业中已经发挥了巨大的作用。
随着科技的不断进步，数控机床的加工速度和效率也在不断提高。
而在数控机床高速加工中，超声波切削技术被广泛应用。
在本文中，我们将会探讨超声波切削技术在数控机床高速加工中的应用以及其优势。
一、超声波切削技术概述超声波切削技术是指利用高频振动产生的高速冲击力，通过切割材料来实现加工的一种技术。
超声波的频率通常在20kHz至100kHz之间，能够产生很强的切割力，同时又能够保证加工过程的平稳性和精度。
与传统的机械切削比较，超声波切削技术具有以下优点：1. 切削表面光洁度高。
由于超声波的高频振动可以有效减少表面的毛刺和划痕，因此材料的表面光洁度得到了大幅提高。
2. 切削力小。
超声波切削技术基于高频振动产生的切割力，能够有效减少切削力的大小，从而减小加工时的材料变形和振动干扰。
3. 切削速度快。
通过超声波技术进行切削，能够使材料的切割速度得到显著提高，提高了加工效率。
二、超声波切削技术在数控机床高速加工中的应用在高速加工中，数控机床对于材料的硬度和密度等要求也越来越高。
而超声波切削技术不仅可以提高加工材料的表面光洁度，还可以保证切削力和加工速度的稳定性，因此得到了广泛应用。
1. 超声波螺旋铣削技术超声波螺旋铣削技术是利用超声波产生的振动力，通过刀具沿轴线旋转并前进的方式进行切割的一种技术。
该技术能够提高材料的表面光洁度、减少工件的残余应力和缩小加工误差等效果。
在加工硬质合金材料时，该技术能够减少潜在的切削劣化影响。
2. 超声波钻削技术钻削过程通常存在着划痕和毛刺等现象，因此在加工过程中会产生很大的剪切力和振动干扰。
而超声波钻削技术能够有效减少这些现象的发生，提高了加工的质量和精度。
3. 超声波切割技术超声波切割技术是指利用高频振动产生的切割力，通过切断材料的方式进行切割的一种技术。
该技术可以使切割角度变得更加尖锐，从而最大限度地减少了物料的损失。
超声振动辅助大应变挤出切削制备超细晶带材的机理研究
超声振动辅助大应变挤出切削制备超细晶带材的机理研究是一个涉及材料加工和晶体学的领域。
在这个研究中，使用超声振动辅助大应变挤出切削技术来制备超细晶带材。
这种技术通过在加工过程中施加超声振动，并引入大应变，实现了晶粒尺寸的细化，从而获得具有优良性能的超细晶带材。
该机理研究主要包括以下方面：
晶粒尺寸细化：超声振动能够引起材料内部的微观变形，从而促进晶粒的细化。
振动力场可以提高材料的塑性变形能力，使晶界滑移更容易发生，从而促进晶粒的再结晶和细化。
应变梯度引起的变形：在大应变挤出切削过程中，材料经历了高应变梯度的变形状态。
这种高应变梯度会导致材料的位错密度增加，晶胞变形和晶界滑移的激活，从而进一步促进了晶粒的细化。
温度效应：在超声振动辅助大应变挤出切削过程中，由于振动能量的输入，材料的温度会升高。
适当的升温可以降低材料的流动应力和增加晶粒边界的扩散速率，有利于晶粒的再结晶和细化。
切削效应：切削刀具对材料的切削作用可以产生高剪应力和应变梯度，促进晶粒的细化和奇异晶界的生成。
超声振动辅助可进一步增强切削效应，使材料流动性更好，进而实现更好的晶粒细化效果。
通过整合以上因素，机理研究可以对超声振动辅助大应变挤出切削制备超细晶带材的细化机制进行深入探索，为相关工艺的优化和应用提供理论基础。
这对于开发高性能材料以及改善现有材料的性能具有重要的科学和工程意义。
振动切削
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。由于刀刃与被切削物 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。基于这种思想，产生了一种 新的切削方法——振动切削。
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二、振动切削分类
• 1.振动切削按振动质量分为自激振动切削和强迫 振动切削。自激振动切削是利用切削过程中产生 的振动进行切削的。强迫振动切削是利用专门设 置的振动装置，使刀具或工件产生某种有规律的 可控振动进行切削的方法。 • 2.振动切削按刀具振动方向分为吃刀抗力方向、 进给抗力方向和 主 切削力方向三种振动切削。 • 3.振动切削按所加频率不同可分为高频振动和低 频振动。振动频率在200HZ以下的振动切削称为 低频振动切削，低频振动仅仅从量上改变切
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• ⑥提高加工精度和表面质量。 • ⑦可提高已加工表面的耐磨性和耐蚀性。
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四、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，使得局部变形减小，作用力集 中，瞬间切削力增大。从而获得较大的波前剪应 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。
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• 3.高精度，高表面质量工件的切削加工 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，切削过程稳定，容易加工出 高精度与高表面质量的工件。 • 4.排屑断屑比较困难的切削加工 钻孔、铰孔、攻丝、剖断、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问题而保 证加工质量与提高生产效率。
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RESEARCH ON THREE-DIMENSIONAL ULTRASONIC VIBRATION CUTTING TECHNOLOGY
Abstract：Based on ultrasonic vibration cutting technology, three-dimensional ultrasonic vibration cutting technology based on three-parallel piezoelectric ceramics is researched to realize ultra-precision machining of complex surface of hard brittle material in the micro-scale. The three-dimensional ultrasonic vibration cutting head based on three-parallel piezoelectric ceramics is proposed, and the structure of the work head is modeled in three-dimension, and the motion analysis and simulation of the head mechanism is completed. ABAQUS is used to analyze the structure of the working head. The influence of the width of the whole structure, the length of the tool chuck and the groove size of the diaphragm on the natural frequency of the working head are summarized. Based on the analysis results, the work head structure is optimized and the prototype of the working head is developed. Finally, three-way ultrasonic vibration signal is applied to drive the three-dimensional ultrasonic vibration cutting system, and the influence of different vibration phase difference of the three parallel piezoelectric ceramic vibrator on the tip vibration path is obtained. Through the dynamic analysis of the working head structure, the working frequency of the head structure is 27-28KMH, which is the fourth vibration mode and the fifth vibration mode. It is concluded that the natural frequency of the structure increases with the increase of the width of the structure, and decreases with the length of the tool chuck and the size of the groove of the diaphragm. The amplitude of the piezoelectric ceramic vibrator is about 1um. Key words：ultrasonic vibrationultra-precisionning; piezoelectricceramicsvibrator; FEM analysis; three-dimensional vibrate
2 三维超声振动切削工作头的设计
三维超声振动切削技术是一种全新的加工方法， 是超声振动切削的特殊形式。这种切削技术可以使 刀具刀尖在三维空间产生振动，实现微小尺度范围 内硬脆性难加工材料三维复杂型面的超精密加工。 2.1 三维超声振动切削工作头的初步构思
对三维超声振动切削工作头的初步构思如图所 示。工作头结构主要由刀具夹头、膜片平台、压电 振子、基座等组成。工作头具有三个并联放置的压 电振子， 每个压电振子由两片压电陶瓷片紧固而成。 基于三并联压电陶瓷的三维超声振动切削工作头的 工作原理，与基于二并联压电陶瓷的超声椭圆振动 切削工作头相类似。三并联压电陶瓷振子产生的超 声振动推动膜片平台运动， 膜片平台的运动包括绕、 轴的转动和沿轴的平移。膜片平台将产生的转动和 移动通过刀具夹头传递给切削刀具，这三个运动的 综合作用使刀具刀尖产生三维空间的振动轨迹[7,8]。 2.2 压电陶瓷片和切削刀具的选用
3.
基座的三维图如图 7 工作头基座的结构图 与三维模型所示。
（2-1）
规定逆时针旋转为正，顺时针为负。动平台转 动变换矩阵欧拉角转动矩阵的齐次坐标形式为
������������������������ = ������������ ∗ ������������ ∗ ������������ （ 2 − 2） 综合平移变换和旋转变换，动平台坐标变换矩 阵的齐次坐标矩阵 T 为
器产生超声频率的电信号传递给换能器，换能器将 电信号转换为同频率的机械振动，机械振动经变幅 杆放大后传递给切削刀具，实现超声振动切削。 1.2 超声振动切削原理
超声振动切削是在普通切削加工的基础上，使 切削刀具以超声频率沿切削方向高速脉冲式往复振 动的切削技术，又称为一维超声振动切削。通过对 切削刀具施加一定频率和振幅的振动，可以改变金 属切削性质，有效地改善切削效果。超声振动切削 的刀具振动方向可以是吃刀抗力方向、主切削力方 向和进给抗力方向，其中主切削力方向的振动切削 效果最好。
三维超声振动切削技术的研究
摘要：将在超声振动切削技术的基础上，研究基于三并联压电陶瓷的三维超声振动切削技术，实现微小尺度范围内对硬脆性 材料复杂型面的超精密加工。提出基于三并联压电陶瓷的三维超声振动切削工作头，对工作头结构进行三维建模，完成工作 头机构的运动分析和仿真。利用 ABAQUS 对工作头结构进行动力学分析。研究总结出整体结构宽度尺寸、刀具夹头长度尺 寸、膜片平台凹槽尺寸对工作头结构固有频率的影响。依据分析结果对工作头结构进行优化改善，研制了工作头物理样机。 最后，依靠本实验室的三路超声信号驱动控制电路，对三维超声振动切削系统进行激振实验. 得出三并联压电陶瓷振子不同 振动相位差对刀尖振动轨迹的影响。通过对工作头结构的动力学分析得出工作头结构的工作频率 27-28KMH，为第四阶振型 和第五阶振型。通过模态分析总结出工作头结构的固有频率随结构宽度尺寸的增大而增大，随刀具夹头长度尺寸、膜片平台 凹槽尺寸的增大而减小。压电陶瓷振子激振实验得出单个压电陶瓷振子的振幅约为 1um。 关键词：超声振动切削；超精密加工；压电陶瓷振子；有限元分析；三维振动 中图分类号：TH161
压电陶瓷振子产生的振动推动膜片平台运动， 从而带动切削刀具产生振动。三组压电陶瓷振子产 生振动的相位差可调，交替的振动使切削刀具在三 维空间产生运动。实际装配时刀具夹头与壳体，壳 体与基座之间分别需要螺钉来紧固。压电陶瓷振子 在装配时，对同轴度的要求较高，应保证其装配精 度。
图 3 三维超声振动切削工作头装配图
1 超声振动切削机理
1.1 超声振动切削系统
三维超声振动切削工作头的结构尺寸需要根据 所选用的切削刀具和压电陶瓷片的尺寸来确定。选 用的切削刀具是美国肯纳公司的系列金刚石刀片。
超声振动切削系统主要由换能器、变幅杆、切 削刀具以及超声信号发生器组成[5]。超声信号发生
图 1 金刚石刀片和尺寸
选用的压电陶瓷片及电极连接方式如（图 1 金 刚石刀片和尺寸）所示。 （图 a，是压电陶瓷片的结 构图， （图 b，所示是压电陶瓷片的装配形式。压电 陶瓷片的外径 D=10，内径 d=5，厚度 S=2mm。需 要选用 6 片压电陶瓷片，每个电振子上装配两片。 选用的压电陶瓷片正反两面渡银，正面标有黑点处 为正极，反面为负极。压电陶瓷相当于电容，每个 压电陶瓷振子中两个压电陶瓷片负极对接，正极在 两端，需要三个电极片。中电极片接负极，两端电 极片接正极。对压电陶瓷片燥接电极时，掉接时间 不能超过 3 秒，电烙铁的功率要小于 20 瓦。
1. 刀具夹头 刀具夹头是三维超声振动切削工作头结构的核 心，也是最复杂的部分，是产生三维超声振动轨迹 的关键。刀具夹头的结构图如图 4 工作头刀具夹头 结构图所示，三维图如图 5 工作头刀具夹头三维模 型所示。
图 2 压电陶瓷片和装配方式
2.3
工作头结构的设计建模
通过对三维超声振动切削工作头的构思，设汁 的结构主要包括刀具夹头、膜片平台、压电陶瓷振 子、基座以及保护外壳等，如（图 3 三维超声振动 切削工作头装配图）所示 三个压电陶瓷振子平行放置在基座上，振子顶 部顶尖嵌入膜片平台上对应的小孔。壳体对压电陶 瓷振子起支撑和保护作用。信号输入线通过壳体上 的接线口接入，驱动压电陶瓷振子产生振动。基座 上对应压电陶瓷振子处开孔，用于安装紧定螺钉， 调节压电陶瓷振子的预紧力。
图 4 工作头刀具夹头结构图
图 5 工作头刀具夹头三维模型
2.
压电陶瓷振子的三维图如图 6 工作头压电 陶瓷振子三维模型所示。
2.4
运动分析
三维超声振动切削工作头中有三个平行放置的 压电陶瓷振子。对压电振子施加频率相同有一定相 位差的振荡电信号，产生竖直方向的三个振动：
图 6 工作头压电陶瓷振子三维模型
图 7 工作头基座的结构图与三维模型