超聲波振動鏜孔試驗研究

超聲波振動鏜孔試驗研究

超聲波激勵刀的螺紋是一種結(jié)合機械切割和超聲波振動加工的復合加工方法（以下簡稱超聲波彈簧孔），屬于超聲波振動加工領(lǐng)域。由于超聲波激振刀具使切削刃產(chǎn)生超聲頻振動,形成了完全不同于普通切削的新切削機制,取得了難以想象的切削效能。這種切削技術(shù)對于難加工材料、脆性材料及有特殊要求的高標準零件加工是十分理想、有效的加工方法,進入90年代以來,正以強勁的勢頭與傳統(tǒng)機械加工、特種加工互補并進,發(fā)展迅速。超聲波振動切削機制是近年來深受重視的研究課題。日本學者從運動學、摩擦系數(shù)、脈沖切削力、系統(tǒng)剛性化等方面較詳細地研究了超聲波振動切削過程,還研究了超聲波振動鏜削45鋼的效果;其他國家的學者也從應(yīng)力和傳遞能量集中的觀點對超聲波振動切削機理進行了研究。本項課題根據(jù)精密孔及難加工材料孔加工的需要,按照超聲波振動車削機制,進行了超聲波振動鏜孔試驗,研究了超聲波振動鏜孔過程中,切削用量、工件材料等對切削性能的影響規(guī)律,提出了指導超聲波振動鏜孔開發(fā)與應(yīng)用的技術(shù)依據(jù)。1超聲振動切削超聲波振動鏜削機制為分離式振動切削過程。超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲頻正弦波通過聲學系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械振動,放大并傳遞給切削刃,使其產(chǎn)生沿圓周方向上的一定振幅的超聲頻扭轉(zhuǎn)振動而對材料進行切削。超聲波振動鏜孔試驗系統(tǒng):工件安裝在車床三爪卡盤上,車床主軸旋轉(zhuǎn)提供切削主運動;鏜削裝置安裝在車床橫向溜板上完成進給運動。試驗系統(tǒng)的主要參數(shù):切削刃振動頻率f≤21kHz,振幅A≤15μm,切削速度v≤80m/min,進給量t≤0.3mm/r。2試驗與分析2.1超聲振銑削表面加工表面粗糙度是衡量加工質(zhì)量的重要指標之一。試驗證明,超聲波振動鏜削后的表面粗糙度與刀具的振幅、頻率、切削用量及刀具幾何角度等有關(guān)。超聲波振鏜削表面由無數(shù)個微小的弧面LT×t組成,其中LT為每次切削長度。圖1是超聲波振動鏜削表面的顯微照片。被加工表面上微小弧面的大小由刀具振動振幅、頻率及進給量等決定,微小弧面狀態(tài)決定了被加工表面的質(zhì)量。(1)有ct與臨界切削速度vc不發(fā)生的關(guān)系圖2示出了幾種典型材料鏜削后表面粗糙度Ra與切削速度v之間的變化曲線,其中ap為吃刀深度。它表明,當v小于臨界切削速度vc時,表面粗糙度幾乎與切削速度無關(guān)。只有當v≥vc時,表面粗糙度與普通鏜削才沒有區(qū)別。在超聲波振動鏜削時,必須使v<vc(vc=A·ω,ω為角速度),而只有當v≤13vcv≤13vc時才會得到良好的振動鏜削效果。(2)修光刀圖3為幾種材料在試驗條件下表面粗糙度與進給量的變化曲線。它表明,超聲波振動鏜削時,在系統(tǒng)剛性較好且不產(chǎn)生自激振動的條件下,如果刀具帶有修光刃,表面粗糙度與進給量關(guān)系不大;如果刀具不帶有修光刃(例如圖3試驗中40CrMnSiMoVA的鏜削),則表面粗糙度隨進給量加大而略有增加。無論刀具是否加修光刃,超聲波振動鏜削都可得到表面粗糙度值很低的加工表面。在進行超聲波振動鏜削時刀具可帶有修光刃,并采用較大進給量切削以提高生產(chǎn)率。(3)超聲發(fā)生器的面粗糙度圖4示出了Ra與吃刀深度ap之間的變化曲線。由圖可知,吃刀深度對普通材料的表面粗糙度影響不大,但是對于超高強度合金鋼40CrMnSiMoVA有影響,這主要是因為該材料強度極限很高,隨著吃刀深度的增大,超聲波發(fā)生器功率滿足不了要求所致。試驗表明,在超聲波發(fā)生器功率和系統(tǒng)剛性足夠的條件下,可以增大吃刀深度。(4)修光刀對表面粗糙度的影響刀具幾何角度對表面粗糙度影響的研究表明,刀具前角γ0、后角α0對表面粗糙度影響不大。主偏角、副偏角的影響與普通鏜削的規(guī)律相近,但影響程度小得多。修光刃對表面粗糙度影響較大。在系統(tǒng)允許刀具帶有修光刃的條件下,可采用大進給量切削。在切削硬度大于50HRC的淬硬材料時,應(yīng)采用負前角或帶有負倒棱的刀具切削以避免崩刀。刀具材料應(yīng)選用沖擊韌性好的硬質(zhì)合金。本試驗中采用的刀具材料為硬鈷類硬質(zhì)合金。(5)超高強度鋼ha54試驗證明,材料的物理機械性能對超聲波振動鏜削效果影響不大。試驗用材料的表面粗糙度由優(yōu)到劣排序為:45鋼(HB180～220),45鋼淬火(HRC40～45),超高強度合金鋼40CrMnSiMoVA(HRC50～55),不銹鋼1Cr18Ni9Ti。從其排序可以看出,材料性能對表面粗糙度的影響與傳統(tǒng)概念相同,但由于切削機理改變,其影響已十分微弱。2.2超聲振動銑削零件的精度圓度是衡量加工精度的重要指標之一。傳統(tǒng)的觀點認為這項指標在很大程度上取決于機床的精度,然而超聲波振動鏜削在普通設(shè)備上也能得到形狀精度較高的零件。該項試驗在C618K車床上進行。(1)超聲波振動銑削加工特點圖5示出了切削速度對圓度影響的變化曲線。它表明,超聲波振動鏜削在v≤13vcv≤13vc時其加工圓度精度很高,這是因為超聲波振動鏜削時脈沖切削力作用使平均切削力大為降低,極大地增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性,從而使加工圓度達到很高的精度。隨著切削速度的增加,鏜削越來越接近普通鏜削,加工圓度下降,最終接近普通鏜削。(2)超聲波發(fā)生器+吃刀深度圖6示出了進給量對加工圓度的影響曲線。它表明,超聲波振動鏜削時進給量對加工圓度影響不大,可以采用較大進給量以提高加工效率。圖7是加工圓度與吃刀深度的關(guān)系曲線。在超聲波發(fā)生器有足夠功率保證切削刃有規(guī)律振動的條件下,吃刀深度對加工圓度幾乎無影響。但吃刀深度的增加,會影響刀具切削刃振動特性,使加工圓度下降。一般選取的鏜削深度應(yīng)視超聲系統(tǒng)功率而定。2.3超聲系統(tǒng)穩(wěn)定性振動鏜削時必須保證:(1)f>3f0,f為刀具切削刃振動頻率,f0為工藝系統(tǒng)的固有頻率;(2)v≤13vc(2)v≤13vc。在保證上述條件下,系統(tǒng)工作穩(wěn)定性將直接影響切削效果。系統(tǒng)工作在超聲頻范圍內(nèi),條件(1)自然滿足。因此,提高系統(tǒng)頻率和振幅會改善切削效果,顯著提高生產(chǎn)率。2.4表面冷作硬化加工后零件表面的冷作硬化程度是影響零件使用性能的主要指標之一。為了考查超聲波振動鏜削表面冷作硬化狀態(tài),對加工后冷作硬化傾向大的兩種材料進行試驗,其結(jié)果見表1。由表1可見,超聲波振動鏜削表面冷作硬化比普通切削表面冷作硬化程度小得多,一般可降低2～4倍。這說明切削時切削區(qū)冷態(tài)塑性變形比小,這是由于其切削過程已由普通切削的擠壓過程變?yōu)槌暡ㄕ駝用}沖力作用下的純切削過程,對零件的使用性能影響較小。3超聲振動銑削的優(yōu)點(1)超聲波振動鏜削的加工表面由無數(shù)個大小相等的微小弧面構(gòu)成網(wǎng)狀花紋,其表面粗糙度值低于磨削表面粗糙度值。(2)超聲波振動鏜削的相關(guān)規(guī)律為:當鏜削速度v≤13vcv≤13vc時,切削速度對切削效果影響不大。在一定條件下進給量與吃刀深度對切削效果無顯著影響,可以采用較