超声振动切削加工

超声振动切削加工的研究现状及进展

摘要：简述了超声振动切削技术的发展、优点及应用领域。通过将超声振动切削与普通切削比较以及对振动切削过程特点的描述，探讨了超声振动切削的切削机理。文章还分析了振动切削技术的最新发展, 认为超声振动切削是一项有发展前途的新型技术。

关键词：超声振动切削；难加工材料：切削机理

Research of vibration assisted turning cutting technology and

Its development

Abstract：Introduces the history, advantages and application field of the ultrasonic cutting technology(UCT). By compared with ordinary cutting and the characteristics description of the ultrasonic vibration cutting process, explored Ultrasonic vibration cutting of the cutting mechanism. The paper also analyzes an up- to- date vibrating cutting technology and summarizes that the ultrasonic vibration cutting is a promising new technology.

Key Words: Ultrasonically vibrating cutting; Difficult - to - machine materials; Cutting Mechanism

0 前言

超声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。在20 世纪60 年代，日本隈部淳一郎先生就对该项技术做了大量的研究工作。

他的研究工作表明，对刀具施加一定频率和振幅的超声波振动,可以改变传统金属切削的切削性质, 改善切削效果, 他把该技术定义为振动切削。

迄今为止，世界各国虽然在振动切削（超声切削）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。

1 超声振动切削技术的优点

和传统切削技术相比, 超声振动切削具有如下优点:

(1) 超声振动切削可减少切屑变形区的塑性变形和摩擦, 减小切削力, 降低切削温度, 显著提高刀具的寿命;

(2) 加工质量好, 精度高, 工件表面粗糙度值小, 圆度好;

(3) 减少工件上积屑瘤的生成, 提高工件加工表面质量。

近年来, 随着宇航、原子能、军工、电力等行业的快速发展, 对产品的材料性能提出了更高的要求。材料要求在高温、高应力状态下工作, 或需要耐腐蚀、耐磨损性能, 大量使用各种非金属材料, 如石材、陶瓷、工程塑料、纤维增强材料。上述材料具有高硬度、高强度、低塑性和高脆性、有微观硬质点或夹杂物特点, 被称为难加工材料, 这些材料在加工过程中切削力加大, 切削温度高, 刀具耐用度下降, 已加工表面质量恶化, 切削过程难以控制, 这些问题造成加工效率低和表面质量下降。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。目前, 超声振动加工技术向振动车削、振动钻孔和镗孔、振动锯料、振动冲击加工、振动磨削、超声塑性加工以及复合加工等方面发展, 取得了一定的成就。

人们发现, 目前超声振动切削还存在一些技术问题, 这些问题制约着该技术的进一步发展和实用化, 是超声波切削技术仍然停留在实验阶段、不能大量应用实际生产的主要障碍。

2 超声振动切削机理

隈部淳一郎认为, 和普通切削相比, 超声振动切削技术通过对刀具施加强制性的振动,使刀具切削过程中产生有规律的、稳定的振动, 消除了刀具不稳定区域, 可显著减少机床系统的随机振动对切削的影响, 降低了平均切削力, 改善了切削质量。同时, 刀具和工件的周期性接触- 分离过程可降低切削温度, 改善了刀具的工作环境, 提高了刀具的使用寿命, 还能抑制积屑瘤的生长条件, 进一步改善切削质量。也有学者认为对脆性材料来说, 切削区局部产生的很高能量的冲击作用使切削区的工件材料快速变形, 摩擦系数降低, 剪切区材料的塑性变形减少, 降低切削力, 切削热变小。在加工高强度、高韧性材料, 加工复合材料中, 振动切削也表现了上述优点。但是, 人们对振动切削的微观机理尚认识不足, 至今没有成熟的理论解释超声波切削现象, 有必要深入研究、认识超声振动切削的实质, 促进超声切削技术的进一步发展。

一、普通切削与振动切削的比较

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)。

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。

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)。

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。

二、振动切削过程特点

众所周知，切削加工过程就是工件材料的塑性变形的过程，已加工表面的变形大小以及刀具的磨损程度等，都与切削过程中刀具与工件接触表面相互作用的条件有关，亦即与它们所处的时间和空间条件有关。

从刀具与工件接触角度分析振动切削（超声切削）特点有：

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