超声车削

超声车削铣削加工

刘毅飞 106001 100203111

摘要：提出了新型高效实用化超声车削设备开发思路和方案，成功开发了新型超声车削装置，使用新型超声车削装置对难加工材料进行了超声车削试验，为工业化应用奠定了基础。关键词：超声波；车削加工

Abstrat: in this paper,by looking back over the development course of ultrasonic turning technology, the exploitation idea and scheme is put forward about a new type equipment of high efficiency ultrasonic turning. The new type ultrasonic turning equiphard machining material. It establish the foundation for industrialized application.

Key words:ultrasonic; turing technology

引言：

从当前的制造业的发展趋势来看，现代加工技术将具有巨大的发展潜力和应用空间，随着科学技术和工业生产的迅猛发展，加工精度要求日益提高，表面质量要求近乎苛刻，难加工材料大量涌现，难加工问题日益凸现。陶瓷、光学玻璃、功能晶体、金刚石、宝石和先进复合材料等具有优越的物理、化学和机械性能，在航空、航天、军工、电子、汽车和生物工程等领域正得到越来越广泛的应用，并且其应用还在不断向新的领域扩展。与此同时，人们开始探索特种加工方式来加工这些难加工材料。超声加工技术就是在此背景下发展起来的，实践证明，它是加工上述难加工硬脆材料的高效和经济有效的方法之一。超声技术在工业中的应用开始于20世纪10～20年代，它是以经典声学理论为基础，同时结合电子技术、计量技术、机械振动和材料学等学科领域的成就发展起来的一门综合技术。超声技术的应用可划分为功率超声和检测超声两大领域。与此同时超声车削具有切削力小、切削温度低、刀具寿命长、加工精度高、表面质量好等一系列优点，一直受到国内外的高度重视。日本、美国、德国、俄罗斯、中国等国家投入大量资金进行了研究和开发。超声车削技术是机电声一体化技术，其发展一直受到机械、电子、声学三个学科领域技术发展的制约。因此，超声车削技术研究属于跨学科交叉技术研究。

1、超声车削装置

超声车削是给刀具（或工件）在某一方向上施加一定频率和振幅的振动，以改善车削效能的车削方法。振动车削有两种：一种是以断削为主要目的，这时多采用低频（最多几百赫兹）、大振幅（最大可达几毫米）的进刀方向振刀；另一种是以改善加工精度和表面粗糙度、提高车削效率、扩大车削加工适应范围为主要目的，则要用高频、小振幅振刀。经验表明，在车削速度方向振刀效果最好。

超声车削装置的作用是使车刀获得一定振幅的超声频机械振动，将超声振动系统和车刀固定在刀架上即可实现超声车削加工。根据刀尖的振动方向，可将超声车削装置分为纵向振动超声车削装置、弯曲振动超声车削装置和扭转振动超声车削装置三种形式。

图1 纵向震动超声车削

图1是纵向振动超声车削装置使用小质量车刀，不必测量和确定超声车刀的位移及节点，因而使用方便。但是，这种装置需采用刚性固定变幅杆的方法，而且变幅杆应具有足够的刚度。随着超声车削技术研究的不断深入，而且这种装置使用方便，车刀成本低，因而他的应用越来越多。

图2是弯曲振动超声车削装置的特点正好与纵向振动超声车削装置相反，该装置弯曲振动刀杆节点的测定、压块的调节比较麻烦，如果车刀磨损，更新刃磨后节点发生变化，辅助时间长，调整较繁琐，这些缺点使他的应用受到了限制。目前，弯曲振动超声车削装置在生产中的应用比纵向振动超声车削装置略少一些，但实验室里使用的较多。

图3是扭转振动超声车削，此装置应用相对略少一些。

2、超声车削原理

超声车削方法是在传统的车削过程中给刀具施加超声波振动而形成的一种新型加工方法，装置结构原理图，如图’ 所示。超声车削装置由超声波发生器、换能器、变幅杆、车刀和工艺装置构成。超声波发生器将220v，50HZ 的交流电转换成超声频的正弦波电振荡信号，换能器将电振荡信号转换成超声频机械振动，变幅杆将换能器的纵向振动放大后传递给超声车刀。

3、新型高效实用化超声车削系统

这种新型高效实用化超声车削系统由采用具有频率自动跟踪系统的超声波发生器、弯曲振动夹芯式压电换能器、弯曲振动变幅杆和弯曲振动刀杆组成。振动模式采用弯曲振动模式。

弯曲振动模式的超声车削系统的结构示意图，如下图所示

1.刀具

2.弯曲振动刀杆

3.弯曲振动变幅杆

4.弯曲振动夹心式压电换能器

5.超声波发生器

6.节点压块

4、超声车削应注意的问题

（1）车床的选择和调整

试验证明，精度比较低的车床经过适当的调整也是可以使用的。由于超声车削属

于精密加工，选用精密机床和超精密机床，效果会更理想。

（2）超声振动系统的安装和调整

当把换能器变幅杆和车刀组装成一个声震系统并装在普通车床刀架上时，往往由于设计、制造不当而出现许多问题。

（3）切削用量的选择

超声车削受临界车削速度的限制，为保证超声车削获得较高的加工质量，一般取车削速度为临界超声切削速度的三分之一。而对于切削深度受超声波发生器输出功率、换能器类型和被加工材料的限制。对于250W超声波发生器、镍片换能器而言，加工中碳钢时，车削深度一般不超过0.3mm。如果车削深度或进给量太大时，由于振东能量的限制，会降低车刀刀尖振幅，无法维持谐振时的正弦波形态，破坏超声车削条件，使工艺效果变差。对于进给量一般来说进给量越小，表面粗糙度的值越小，这和普通车削的结果是一样的。

（4）车刀刀尖高度的调整

超声车削对车刀刀尖高度有严格的要求。他要求车刀刀尖最好低于工件回转中心，一个振幅值。当刀具上振时，刀尖正好处于工件的回转中心处，为此，必须精确测量机床主轴的回转中心高，然后调整刀尖的中心高，使其最好低于一个振幅值，

如果车道刀尖高于工件的回转中心，车刀下振时，车刀将不能离开工件，刀具后刀面将与工件产生强烈摩擦，从而大大的增加了切削力，使工件产生振动，工件加工表面和已加工表面将布满规则发亮的低频振纹。

(5)切削液的选择

超声车削试验表明，加车削液比不加车削液效果好，一般来说，选用机油加锭子油或机油加煤油作为车削液，工艺效果更佳。

5、超声车削对加工精度和表面质量的影响

（1）超声车削对加工精度的影响

采用超声车削和普通车削的两种方式加工1mm的不锈钢工件，比较所得0.5mm 的尺寸精度。试验结果显示，普通车削时，随着时间的延长，伴随着尺寸的分散，其直径逐渐增大，尺寸误差范围为8微米。超声车削时，尺寸误差的范围为3微米，直径的扩大量也比较小，超声车削时，不但提高了工件的加工精度，而且获得了很高的表面质量，延长了刀具寿命。其次超声车削对表面粗糙度也有一定的影响，例如普通车削20号钢时，切削不连续，切削过程不平稳，时有啃切现象发生，随着切削速度的提高，表面质量逐渐得到一定改善，因此在普通车削时表面粗糙度受很多影响，是不稳定的。由于超声车削可以有效的降低摩擦撕裂、表面塑性变形，各种突起、褶皱和积削瘤的影响，而且即使在很低的切削速度下，也能排出松螺旋卷式的带状屑，使切削过程平稳。因此超声车削比普通车削平稳，对于某些只能进行中低速车削的零件加工具有更重要的意义。

6、难加工材料的超声车削

随着科学技术的发展，在机械制造、国防工业、宇航工业和声学领域中，大量使用耐热钢、钛合金、恒弹性合金、高温合金、不锈钢、冷硬铸铁和工程陶瓷等材料。这些材料具有良好的耐热性、耐蚀性高的比强、优异的常温和高温力学性能。由于他们的强度高、导热性差，加工硬化倾向严重，其加工型仅为普通材料的30%-40%，用传统的切削方法加工时，切削用量小，刀具磨损十分严重，甚至无法进行切削，给切削加工带来很大困难。硬脆材料例如花岗岩、陶瓷、萃硬钢的切削加工性就更差了。我国切削工作者对这些难加工材料进行了大量的超声车