徑向超聲振動銑削加工特性研究

于長春

(沈陽理工大學工程實踐中心，遼寧 沈陽 110159)

0 前言

超聲振動加工是在傳統加工的基礎上給刀具(或工件)額外施加超聲頻率機械振動的一種復合加工技術。徑向超聲振動銑削固名思義就是使普通銑削實現徑向進給和周期性振動，使加工參數按照某種規律發生變化，從而達到改善銑削性能的加工方法。

徑向超聲振動銑削改變了普通銑削過程中連續銑削的加工機理，與普通銑削加工相比，具有加工表面質量高、材料去除率高、加工精高度，切屑變形量小、切削力小、切削溫度低、功率損耗低、刀具磨損少、刀具使用壽命長、生產效率高等優點，在國防工業、現代醫學、機械制造、生物工程等領域具有廣泛的應用前景，尤其在難加工材料加工領域其應用價值更高。

1 徑向超聲振動銑削運動形式

超聲振動銑削是銑削加工理論與超聲波理論的綜合，通過給刀具(或工件)在某一方向上施加高頻、小振幅的超聲振動來改善加工效果。超聲振動銑削與普通銑削重要的不同點就是在加工過程中刀具與工件之間接觸不是連續的，而是斷續的，屬于斷續加工[1-3]的一種。

超聲振動銑削一般可根據振動方向劃分：主運動(徑向)方向、進給運動(徑向)方向、切削深度(軸向)方向。主運動方向銑削振動效果較好，應用相對廣泛；進給方向銑削對設備要求不高，可以在普通機床上實現，而且能夠提高加工表面的精度和粗糙度，刀具壽命也可以延長；切削深度方向銑削振動的作用會使零件壓應力增大，從而使零件強度增大，導致切削力增大，固而加快刀具磨損，造成加工表面粗糙，加工精度降低。

超聲振動銑削加工過程中主要振動方向如圖1所示。

圖1 超聲振動銑削加工過程中的主要振動方向

2 超聲振動銑削運動學軌跡分析

引入超聲振動之后，銑刀中心軌跡方程為：

x0=azNnt+Asin(2πft+ψ)y0=0

(1)

第n個刀尖的軌跡方程為：

xn=azNnt+Asin(2πft+ψ)+rsin(ωt-nφ)yn=rcos(ωt-nφ)

(2)

式中，A為振動幅值；f為振動頻率；ψ為振動信號的初相角。

利用MATLAB軟件對單個刀尖振動銑削軌跡進行仿真，仿真結果如圖2所示，圖中銑刀半徑為8 mm。

圖2 單個刀刃超聲振動銑削軌跡圖

為直觀觀察單個刀刃超聲振動銑削軌跡，對其進行局部放大，如圖3所示。

圖3 單個刀刃超聲振動銑削軌跡局部圖

3 徑向超聲振動切削刃運動機理

超聲振動輔助銑削的基本特征就是改普通銑削刀具與工件的連續接觸為周期性接觸和周期性分離，即實現刀具與工件的斷續接觸。圖4所示為在工件進給方向添加超聲振動后，得到的切削刃運動機理與主切削力波形。如果將銑削過程局部放大，其過程就類似多個小車刀在同時工作。

圖4 切削刃運動機理與主切削力波形

圖4中，刀具從原點O處開始振動，脈沖型切削力分別在ab段和a′b′段發揮作用并形成切屑。經過b點后，主切削力迅速降低為0，刀屑分離，一直至a′點，刀具與工件再次實現接觸，在a′b′段又形成脈沖切削力和切屑。刀具運動到b′時，刀具則與工件再次分離。如此反復，刀具與工件實現有規律的接觸、銑削、分離，這便完成了超聲振動銑削加工過程[4-6]。

4 徑向超聲振動銑削速度特性

振動銑削加工過程中，工件振動的位移表達式為

y=Asin2πft

(3)

工件的振動速度Vt的表達式為

Vt=y′=Aωcosωt

(4)

式中，y為工件位移；t為銑削時間。

圖4中的b和b′點即為刀具前刀面與切屑的脫離點，此時，切削速度Vc和工件振動速度Vt相等。則有：

-Vc=Aωcosωt

(5)

由式(5)可得出，當Vc>Aω時，方程無解，即刀具與工件無法實現斷續性接觸，該加工過程即為普通銑削過程。當Vc

綜上分析可知，刀具與切屑能否實現斷續性接觸與分離和切削速度密切相關。欲實現徑向超聲振動銑削，首要條件是滿足切削速度方向上工件與刀具的相對速度為零；如切削速度大于臨界速度Vcr時，刀具與切屑不發生分離，此時的切削即為普通連續切削；如切削速度小于臨界速度Vcr，則刀具與工件可以實現周期性接觸與周期性分離；所以，臨界切削速度Vcr可定義為

Vcr=Aω=2πAf=Vtmax

(6)

5 徑向超聲振動銑削的相對凈切削時間比

通過圖4可知，在t=tb時刻，工件與刀具的相對速度為0，則有

Vc+Aωcostb=0

(7)

另外，從b到a′期間，刀具的位移與工件的位移相等，可得

Asinω(T+ta)-Asinωtb=Vc(T+ta-tb)

(8)

定義相對凈切削時間r為

(9)

將式(7)和(9)帶入式(8)可得等式[7,8]為

(10)

超聲振動銑削加工中，相對凈切削時間r是非常重要的參數，其值越小，說明其在每個周期內所占比重就越小，這樣就可以使平均切削力降的更低。由式(10)發現，相對凈切削時間r主要受A、f和Vc三個因素的影響，通過控制這三個參數，比如增大振幅A、提高振動頻率f或者降低銑削速度Vc都可以達到降低r值的目的。

6 結論

本文通過對超聲振動銑削技術、速度特性、切削刃運動機理以及相對凈切削時間等進行分析研究得出結論如下：

(1)借助于徑向超聲振動的施加，超聲振動銑削實現了將傳統的連續銑削轉變成刀具與工件的斷續銑削。對改善表面質量，提高加工精高，降低切削力和切削溫度等都帶來了極大益處。

(2)形成刀具與工件在一定振幅和振動頻率下斷續接觸和脈沖切削力波形必須滿足的前題條件是Vc

(3)銑削過程中的相對凈切削時間r主要受A、f和Vc三個因素的影響，增大振幅A，提高振動頻率f，降低銑削速度Vc都可以降低r值。