超聲波振動鏜削刀具的設計與研究

超聲波振動鏜削刀具的設計與研究

1超聲振動銑削刀具的特點超聲振動擠出加工工藝用于精確的噴射加工，結束加工中的材料，具有良好的效率。超聲波振動鏜削時系統(tǒng)處于超聲頻共振狀態(tài),刀具以一定振幅沿圓周方向做超聲頻振動。因此采用的鏜刀不同于普通鏜刀,必須滿足超聲波振動鏜削要求,在刀具結構、材料、尺寸、安裝等諸方面都有特殊性。本文根據(jù)難加工材料進行超聲波振動鏜孔的要求,設計出了超聲波振動鏜孔刀具,取得了理想的切削效果。2選擇合理的切削刀振動用于超聲波振動鏜削的鏜刀首先必須滿足振動頻率和振幅要求。鏜刀振動頻率應與換能器頻率一致,切削刃振幅為10～25μm,振動沿圓周方向。振幅過小影響切削效率,過大刀具易產(chǎn)生疲勞破壞。對鏜刀的總體要求:鏜刀切削刃材料應具有較高的使用壽命;加工表面應有較小的表面粗糙度;鏜刀具有較好的剛性及抗疲勞性。2.1機械設計(1)復合形刀桿的選擇鏜刀整體結構根據(jù)鏜孔的尺寸和前級放大倍數(shù)確定。前級放大倍數(shù)足夠時可選用等直徑圓柱刀桿,如需要放大作用應選圖1所示的帶有放大倍數(shù)的復合形刀桿。根據(jù)需要可選小端接圓柱的圓錐形復合放大刀桿、階梯形復合放大刀桿或小端接圓柱的指數(shù)形復合變幅刀桿。由于所設計鏜刀要求放大倍數(shù)約為2,故選用放大倍數(shù)小、承載能力強、形狀因數(shù)大的小端接圓柱的圓錐形復合變幅刀桿。圓錐形不僅可將振幅放大,還可起到過渡作用。(2)合理設計銑削系統(tǒng)的尺寸及尺寸由于必須滿足共振條件,該鏜刀的結構尺寸要求較為嚴格,其結構尺寸與刀具切削刃材料、刀桿材料及共振頻率有關。①刀桿材料選用45鋼,調(diào)質(zhì)處理,硬度為HRC30～35,其聲學特性為:密度ρ=7.9g/mm3,剪切彈性模量G=8×109N/m2,橫波聲速s=3251m/s。刀片材料雖然為硬質(zhì)合金,但刀片質(zhì)量較小,設計時可忽略不計;②扭轉振動系統(tǒng)換能器共振頻率為20.7kHz,因此鏜刀的設計頻率為20.7kHz;③刀桿直徑d2可根據(jù)鏜孔直徑確定,在保證鏜孔要求的前提下,直徑宜盡量選大。本鏜刀最小鏜孔直徑為?14mm,故刀桿直徑確定為?12mm。根據(jù)系統(tǒng)的放大倍數(shù),初步確定錐桿的大端直徑d2=22mm;刀桿放大倍數(shù)初步確定為2。④刀桿長度l和a的長度是保證刀具共振的關鍵參數(shù),可通過式(1)計算:(N?1)2kl?N(kl)2tankl?(N?1)2tanklkltanka[N(kl)2?(N?1)kltankl]=1(Ν-1)2kl-Ν(kl)2tankl-(Ν-1)2tanklkltanka[Ν(kl)2-(Ν-1)kltankl]=1(1)式中N=d1d2?k=2πfSΝ=d1d2?k=2πfSf——鏜刀振動頻率;S——刀桿材料的橫波聲速;l——錐桿長度;a——圓柱桿長度。當l=50時,可得a=26.14,104.7,183.2…。a可根據(jù)鏜孔深度確定,但a的長度增加是不連續(xù)的,必須增加半波長的倍數(shù)(本例為78.53mm)。影響共振頻率的因素還有硬質(zhì)合金的聲學參數(shù)和切削時的負載。由于硬質(zhì)合金聲速高,圓柱桿要相應加長,但考慮到切削刃和切削負載作用,共振長度又應縮短,因此需要通過試驗進行綜合分析來確定。⑤放大倍數(shù)M可由式(2)計算M=∣∣Nkl(N?1)coskasinkl+klcosk(l+a)∣∣Μ=|Νkl(Ν-1)coskasinkl+klcosk(l+a)|(2)圖1所示鏜刀放大倍數(shù)M=2.27,滿足使用要求。⑥在刀桿上開槽(安裝在使用刀架上劃線,以確定槽口方向),裝入刀片,用銀釬焊(也可用銅釬焊)焊接,保證焊縫均勻,沒有氣隙。由于硬質(zhì)合金的聲學參數(shù)與刀桿不一致,計算起來比較復雜,故刀片尺寸不宜過大。用莫氏錐柄將鏜刀裝入扭轉鏜削裝置的莫氏錐孔中,在波節(jié)處用固緊套壓緊。(3)刀具材料和幾何角度的確定刀片材料:由于硬質(zhì)合金切削性能好,因此盡量選用硬質(zhì)合金(亦可用高速鋼)。在切削過程中,由于切削刃需超聲頻振動,刀具必須具有一定的抗沖擊性和韌性,因此多選用YG類硬質(zhì)合金(本鏜刀刀片選用YM052硬質(zhì)合金)。刀具幾何角度(見圖2):①前角γ0由于超聲波振動切削時切削區(qū)變形極小,收縮系數(shù)接近1,因此前角對切削過程影響很小,故多采用0°前角。②后角α0后角對切削過程影響不大,一般取6°～8°。本設計中取α0=6°。③主偏角κr與副偏角κr′這兩個角度對表面粗糙度有很大影響。超聲波振動切削時具有以下特點:切削區(qū)金屬的塑性變形很小,在脈沖力起作用的不靈敏性振動切削中,系統(tǒng)的微觀彈性振動幾乎消失,影響加工表面粗糙度的因素主要為幾何因素;切削力很小,系統(tǒng)剛性加強。因此應盡量減小主偏角和副偏角。加工盲孔時可取κr=92°,κr′=3°,必要時可帶有修光刃。④刃傾角λs超聲波振動鏜孔時切屑成彈簧狀輕松排出,刃傾角對切削過程影響不大,故可取λs=0°。3超聲振動銑削加工工藝在所設計的超聲波扭轉振動裝置上用設計的超聲波振動鏜刀進行鏜孔試驗,試驗結果為:(1)刀具的起振性能好,振動穩(wěn)定,發(fā)熱少,波節(jié)清晰,刀架無振動感,系統(tǒng)長時間工作性能穩(wěn)定;(2)鏜刀懸伸很長但剛性滿足要求,沒有發(fā)生振動,切削過程穩(wěn)定;(3)切削速度在7～40m/min范圍內(nèi)鏜削不銹鋼1Cr18Ni9TiA始終未發(fā)現(xiàn)積屑瘤,刀刃十分光滑,加工表面具有超聲波振動加工特有的均勻網(wǎng)狀花紋但未發(fā)現(xiàn)鱗刺;(4)切削溫度保持室溫。在試驗過程中工件、切屑、刀具沒有明顯溫升。即便超聲振動干式鏜孔,切削熱也很小。在試驗過程中刀具磨損十分緩慢,在鏜削1Cr18Ni9TiA時,刀具刃口非常鋒利,幾乎看不出磨損;(5)加工表面粗糙度達到磨削效果。用該鏜刀干式鏜削1Cr18Ni9TiA孔,表面粗糙度Ra=0.6μm;鏜削40CrMnSiMoVA(HRC50～55)孔,表面粗糙度Ra<0.3μm。4結語設計