振動切削技術(shù)的切削機理及發(fā)展趨勢的研究

1、.：.；振動切削技術(shù)的切削機理及開展趨勢的研討王飛 機械電子專業(yè) 學號：20214229029摘要：振動切削是近年來開展起來的一種新型切削加工技術(shù)，它能獲得普通切削無法比較的工藝效果。是現(xiàn)代切削技術(shù)的一個重要開展方向。文中對振動切削技術(shù)的切削機理及特點進展了論述，引見了近年來振動切削的最新研討運用情況及存在的問題，并對今后研討的開展方向進展了展望。關(guān)鍵詞：振動切削；切削機理；The cutting mechanism of Vibratory cutting technologyAnd its development trendsAbstract: Vibratory cutting is a

2、 new metal machining process and theory, which has been developed only recently, It has many adwantages that conventional metal cutting can not attain. It is considered one of the most important trends of modern metal machining technology. In this paper, the cutting mechanism and the feature of the

3、vibratory cutting are summarized, and the newest state of application and research work are introduced, the existing problems are also pointed out. Moreover, the theoretical study and its development trends are foreseen as well.Keywords: vibration machining; cutting mechanism; 1 引 言隨著科學技術(shù)和工業(yè)消費的不斷開展，

4、對各種精細機械零件的加工精度和外表質(zhì)量的要求越來越高；特別是隨著機械制造業(yè)的日益開展，對一些日益廣泛采用的有著高效、高精、高難度加工需求的各種難加工資料的加工，再利用傳統(tǒng)切削加工方法已很難滿足，有時甚至無法加工，比如不銹鋼耐熱鋼及鈦合金等。而振動切削技術(shù)就以其切削力小、切削熱降低、工件外表質(zhì)量提高、精度提高、切屑處置容易、刀具耐用度提高等優(yōu)點，可以獲得普通切削無法比較的工藝效果，特別是在難加工資料的加工和普通資料的難加工工序的加工等領(lǐng)域，處理了許多關(guān)鍵性的工藝問題，并獲得了良好效果1。 圖1 振動切削過程表示圖22 振動切削技術(shù)的切削機理振動切削是一種特種切削加工方法，振動切削是指在切削過程中

5、給刀具(工件)加上某種有規(guī)律的、可控的振動，從而改動加工(切削)機理的切削方法，是一種脈沖切削方法。振動切削的中心技術(shù)是振動器、電源和振動切削工藝1。振動切削的分類如圖23。 圖2 振動切削的分類在振動切削中，并沒有利用刀具振動的整個周期，而只是在極短的一瞬間進展切削?，F(xiàn)以切削方向的振動切削為例加以分析。圖3為切削方向振動切削表示圖。圖3中，刀具以振幅a、振動頻率沿f 圖3 切削方向振動切削表示圖切削方向振動；工件以切削速度向著刀具方向挪動。假設工件的切削速度和刀具的振動運動之間滿足，那么就可以使刀具從切削區(qū)時切離時，從而構(gòu)成脈沖切削。圖中:t1和t2分別為刀具切入、切出金屬資料的時間;t3為

6、相鄰下一周期刀具的切入時間。那么，刀具在一個振動周期內(nèi)的凈切削時間為tc。假設以工件作為參照物，刀具從A點開場切削工件，經(jīng)B和C點，到D點完成了一個振動周期。根據(jù)不同階段的加工特點，我們可以把整個周期分為3個階段: 切削階段。如圖中的AB段所示，此階段刀具進入切削區(qū)，對工件進展切削，實踐切削長度為Lt(周期凈切削量)。 刀-屑分別階段。如圖中BC段所示，在此階段，刀具停頓對金屬資料的切削加工，并自B點開場從切削區(qū)分別，到C點完成整個分別過程，刀-屑分別的實踐間隔 為周期分別量LG。 再切削階段。如圖中CD段所示，該階段是刀具重新回到切削區(qū)的過程，從而為下一周期的實踐切削加工做預備。至此，刀具完

7、成一個周期的振動切削加工，開場下一周期的實踐切削過程(DE段)。刀具與工件之間就這樣反復切削、分別，構(gòu)成振動切削特有的脈沖式延續(xù)切削3。3 振動切削技術(shù)的特點1 振動切削時摩擦系數(shù)減小，剪切角明顯增大，切削液的作用得到充分發(fā)揚，切削力減小的機理。如圖4所示,振動切削中,刀具在振動源的驅(qū)動下周期性接觸工件、分開工件,交變力的出現(xiàn),使刀具和切屑間的冷焊效果減弱,刀具和切屑間的摩擦由內(nèi)摩擦向外摩擦轉(zhuǎn)變。經(jīng)過大量的實驗研討闡明刀具和切屑間的摩擦系數(shù)只為傳統(tǒng)切削的1/10,且非常接近有光滑劑條件下的滑動摩擦系數(shù)。從表1可看出振動切削時摩擦系數(shù)大大減少。 圖4 從瞬時攝影看到的振動 表1 超聲切削振動與傳

8、統(tǒng)切削的摸彩系數(shù)在振動切削中,由于刀具沖擊被切資料,使工件加工外表資料產(chǎn)生的裂紋深度比實踐切削長度大的多,使刀具前方產(chǎn)生裂紋構(gòu)成偏角,使實踐剪切角成,如圖5所示,所以振動切削中剪切角明顯增大,從而提高切削效率。 圖5 振動切削時剪切角的變化超聲振動切削時,空化作用在切削液中的作用很明顯,所謂空化作用是指由于液體微粒的猛烈振動,會在液體內(nèi)部產(chǎn)生小空洞。這些小空洞迅速脹大和閉合,使液體微粒之間發(fā)生猛烈的撞擊作用,從而產(chǎn)生很大的壓強。微粒間這種猛烈的相互作用,會使液體的溫度驟然升高,起到很好的攪拌作用,從而使2種不相溶的液體(如水和油)發(fā)生乳化,且加速溶質(zhì)的溶解,加速化學反響。切削液獲得了很大的能量

9、更容易進入切削區(qū),從而切削液的作用得到充分發(fā)揚。振動切削是一個在極短時間內(nèi)完成的微量切削過程。對于高頻振動切削,在切削循環(huán)過程中,刀具在很小的位移上得到很大的瞬時速度和加速度,在部分產(chǎn)生很高的能量,有助于塑性金屬趨向脆性形狀,塑性變形減小,摩擦系數(shù)降低;同時,振動切削時剪切角有明顯增大的趨勢,且切削液的空化作用使得切削過程更容易進展,從而與普通切削相比振動切削降低了切削力。2 振動切削時切削溫度明顯降低的機理。振動切削時,由于刀具與切屑之間摩擦系數(shù)明顯減小,切削力大大降低,且振動切削只是在很短的時間內(nèi)才進展有效切削,而刀具在這樣短的時間內(nèi)很難生成大量的切削熱,且相對散熱時間又長,另外又充分利用

10、了切削液的作用,所以導致振動切削的溫度很低。3 振動切削時加工精度和外表質(zhì)量提高，耐腐性和耐蝕性均得到提高的機理。振動切削減小或消除了切削振動,使加工精度和外表質(zhì)量明顯提高。振動切削的實踐切削時間短,遠遠小于刀具或工件振動的過渡時間,刀具在切削工件時,還沒有來得及振動,就曾經(jīng)與工件發(fā)生分別,這就是振動切削能減小甚至消除振動的緣由，振動切削實驗證明,無論高頻還是低頻振動切削,只需參數(shù)選擇適宜,就能有效地減輕工藝系統(tǒng)的振動,從而提高加工精度和外表質(zhì)量。振動切削的剩余應力非常小，且加工蛻變層也較淺，只在刃口附近集中很小量的加工變形，任務外表的金屬組織變化很小，具有與工件內(nèi)部幾乎相當?shù)慕M織。因此，其耐

11、腐性、耐蝕性均得到提高。4 振動切削時減少或消除了切削加工中的自激振動，減少刀具磨損，延伸刀具壽命的機理。恰當?shù)牟捎谜駝忧邢?，可以減少或消除機器本身的自激振動，到達消振作用，起到“以振抑振的效果振動切削由于切削阻力小，切削溫度低，其綜協(xié)作用的結(jié)果使刀具磨損減少、壽命延伸。當振動方向、振動參數(shù)和切削用量選擇適宜時，普通可使工具壽命提高幾倍到幾十倍，對難加工資料、難加工工序其效果更好。實驗闡明，在一定的切削條件下硬質(zhì)合金刀具振切淬硬鋼時，刀具壽命可達適用程度；鉆削時可使鉆頭壽命延伸17倍，中心鉆延伸3倍以上4。5 振動切削時切屑處置容易的機理。隨著切削加工技術(shù)不斷向高效、高精、自動化等方向開展，以

12、及環(huán)保認識的加強，切屑處置問題也越來越遭到關(guān)注。采用振動切削，切屑非常易于處置，切屑外形和大小可控，具有不纏繞工件、溫度低、排屑順、易清理等優(yōu)點。如微小深孔的加工，由于切削空間小，刀具的剛性差、強度低，因此切屑排出困難，用普通鉆削方法幾乎無法加工，而采用軸向振動鉆削工藝后，就可防止切屑堵塞景象，可實現(xiàn)可靠斷屑排屑1。4 振動切削技術(shù)的運用及開展情況2 振動切削技術(shù)的運用情況 振動切削技術(shù)是在研討切削加工本質(zhì)根底上開展起來的一種精細加工方法，彌補了普通切削的某些缺乏，有相當重要的適用價值，在一些運用領(lǐng)域尤其顯示了其獨特的優(yōu)越性，主要有以下幾方面：(1) 難加工資料的加工。如高溫合金、鈦合金、高強

13、鋼等高強度資料的加工；石英玻璃、陶瓷、磁性資料等脆性資料的加工；金屬基、樹脂基、陶瓷基等復合資料的加工。(2) 難加工構(gòu)造的加工。如薄壁筒、細長桿等弱剛度零件的加工；微腔體、微肋、微梁等微小零件的加工；微孔、斜孔、深孔、窄深槽等易斷刀構(gòu)造的加工，以及零件理想棱邊等。(3) 零件外表完好化的加工。零件加工外表完好性指的是零件經(jīng)過機械加工后外表層的機械物理性能、金相組織等均能滿足運用要求，并確保具有一定的運用壽命。振動切削在零件外表完好化的加工中可以獲得比傳統(tǒng)切削更良好的工藝效果，如振動去毛刺、銳邊和倒角等理想棱邊的加工等。(4)排屑斷屑比較困難的切削加工。如鉆孔、鉸孔、攻絲、剖斷、鋸切和拉削等切

14、削加工時，切屑往往處于半封鎖或封鎖形狀，常因排屑斷屑困難而降低切削用量，這時假設采用振動切削那么可以比較順利地處理排屑斷屑問題，從而保證加工質(zhì)量和提高消費效率。4.2 振動切削技術(shù)存在的問題1 人們對振動加工的微觀機理的解釋尚缺乏科學的定量描畫，實驗研討曾經(jīng)較為廣泛，但實際卻相對滯后；2 超聲振動系統(tǒng)功率相對偏低，超聲電源設備、切削安裝和測試系統(tǒng)的系列化、商品化程度不夠，一定程度影響了其運用和推行；3 如何將振動有效地傳送到資料的塑性變形區(qū)，其中包括尋求更合理的激振方式和設計最正確振動傳輸系統(tǒng)；4 機器在振動下疲勞損壞問題，以及振動對環(huán)境的污染問題等。4.3 未來開展趨勢(1) 對振動切削實際

15、的深化研討。當前和今后的一個時期對振動切削機理的研討將主要集中在振動切削形狀下工件上多余金屬是如何與工件相分別并構(gòu)成屑的；振動切削中刀具與工件相互作用的力學分析；振動切削機理的微觀研討及數(shù)學描畫；效率更高的實驗及適用振動切削系統(tǒng)。(2) 從實驗性研討開場轉(zhuǎn)向?qū)嵺`消費運用研討。適用的大功率振動切削系統(tǒng)等待能早日問世， 目前為止，輸出功率為4 KW的振動切削系統(tǒng)曾經(jīng)研討出來并投產(chǎn)運用。(3) 適用的低頻振動加工將得到開展?，F(xiàn)有的不盡完好的實驗結(jié)果闡明，低頻振動加工有時可以到達與超聲振動加工類似的結(jié)果，但低頻振動加工往往需求較好的隔振措施，噪聲污染相對較大。(4) 研制和采用新的刀具資料。在振動切削

16、中，除了選用適宜的刀具參數(shù)外，人們將更多的留意力轉(zhuǎn)移為對刀具資料的開發(fā)和運用上，其中天然金剛石、人造金剛石和超細晶粒的硬質(zhì)合金資料的研討和運用為主要方向。(5) 迅速向其他領(lǐng)域浸透和擴展。由振動車削、振動鉆削、攻絲等擴展到振動珩磨、拋光、刨削、磨削、拉削和研磨等機械加工中，并迅速向其他領(lǐng)域浸透，比如在醫(yī)療機械方面就運用了超聲振動原理勝利研制了超聲振動手術(shù)刀等。6實現(xiàn)振動切削的自動化和智能化。由于振動切削是一種先進的加工工藝，振動參數(shù)對工件加工質(zhì)量的影響非常大，而且要根據(jù)不同的加工對象，不同的材質(zhì)做相應的變化，因此靠以往的切削設備不能實現(xiàn)這一目的，必需添加能進展改動振動參數(shù)的自動控制系統(tǒng)，充分實

17、現(xiàn)振動切削的自動化和智能化。振動切削的最終目的是順應新型資料的出現(xiàn)，優(yōu)化切削過程，全面提高工件加工質(zhì)量；而受實驗設備等客觀要素的限制不能夠在實驗中大幅度地隨意改動參數(shù)；因此用計算機仿真來全方位地分析和優(yōu)化切削過程是必需的，這就要求在以往認識的根底上，根據(jù)振動實際、切削實際、控制實際、計算機圖形學等對系統(tǒng)進展籠統(tǒng)的描畫并構(gòu)造振動切削的仿真模型，實現(xiàn)對振動切削的動態(tài)仿真。5 結(jié)論經(jīng)過以上研討分析可得出振動切削特點的因果關(guān)系框圖如圖64所示。圖6 振動切削特點的因果關(guān)系框圖由于振動切削的這些特點，使它可以替代磨削，對高速鋼、淬硬鋼進展切削，可以實現(xiàn)精細微量切削;可以對硬脆資料例如陶瓷、玻璃進展切削加工，而這些是普通切削所不能勝任的。振動切削具有豐富的實際內(nèi)涵和極為誘人的運用前景，需求進展不懈的探求