振動切削的研究與應用

趙琪 姜廣勝

【摘??要】振動切削是一種脈沖切削，是在傳統切削過程中給刀具（或工件）施以某種可控的有規律的振動，使刀具以一定的振幅或頻率振動的加工方法。作為精密機械加工和難加工材料加工中的一種新技術，它已經滲透到各個加工領域，出現了各種復合加工方法，使傳統的加工技術有了一個飛躍，因而越來越引起人們的重視而受到世界各國的矚目。

【關鍵詞】振動切削;表面加工質量;切削力

1.前言

切削過程中給刀具（或工件）加上某種有規律、可控的振動[1]，使切削刀具對著以一定的切削速度ν運動的工件，以一定的振幅a，振動頻率f，在切削方向上進行正弦波振動，滿足ν<2πaf，形成連續有規律的脈沖切削力波形，即形成振動切削。振動切削可以使本來容易產生彈性振動的工藝系統中的工件與切削刃的相對位置處于不振的狀態，從而提高工件加工精度，改善已加工表面質量。對于難加工材料。如淬硬鋼、陶瓷等加工;難加工工藝，如細長軸、薄壁筒加工，振動切削具有普通切削無法比擬的工藝效果。

2.振動切削的分類

（1）按振動源分為強迫振動切削和自激振動切削

強迫振動切削是利用專門的振動裝置，使刀具（工件）產生某種有規律的可控制的振動來進行切削的方法。自激振動切削是利用切削過程中產生的振動進行切?削的。

（2）按振動頻率分為：低頻振動切削（20-150Hz）和超聲振動切削（15-35?kHz）。

但在振動鉆削中，尤其在軸向振動鉆削中，分為超低頻振動鉆削，即頻轉比（振動頻率與轉動頻率之比）小于1;低頻振動鉆削，即頻轉比在1～6;高頻或稱超聲波振動鉆削。

（3）按振動方向分為主運動方向，進給抗力方向和吃刀抗力方向的振動切削。

主運動方向振動切削可明顯改善切削性，切削時所消耗的功率可降低?15%～30%;進給抗力方向振動切削可保證有效和可靠地斷屑以及滿意的表面粗糙度，刀具的耐用度也有所提高，但幅度不大;吃刀抗力方向振動切削將表面粗糙度變壞，促使切削刃較快磨損，采用這種振動切削只有在超聲振動切削時才有效。

3.振動切削的應用

日本、俄羅斯、美國、英國和德國等都對振動切削進行了大量研究開發工作。我國振動切削研究起步較晚，目前也開展了許多對振動切削的研究，在難加工材料的加工、難加工零件的切削加工、排屑和斷屑比較困難的切削加工中都取得了許多重要的成果。

（1）難加工材料的加工

不銹鋼、淬火鋼、高速鋼、鈦合金、高溫合金、冷硬鑄鐵、純鎳以及陶瓷、玻璃、石材等非金屬材料由于機械、物理、化學等特性而難以加工，如采用振動切削則化難為易[2]。

上海交大機械學院的徐可偉等人[3]，對顆粒增強鋁基復合材料的振動切削進行了研究，經過實驗，得出了振動切削的切屑變形系數小，剪切角大，切削穩定，表面粗糙度好于普通切削的結論，并且指出，振動切削金屬基復合材料存在一個最佳進給量。

廣西大學的張伯榮等人[4]，用普通硬質合金刀具對過共晶鋁硅合金活塞進行了超聲波振動切削，切削過程切削力小，無積屑瘤現象，表面粗糙度比較接近理論粗糙度，大大改善了其加工性，從而可以代替金剛石刀具。

（2）難加工零件的切削加工

如易彎曲變形的細長軸類零件，小徑深孔、薄壁零件，薄盤類零件與小徑精密螺紋以及形狀復雜、加工精度與表面質量要求又較高的零件，用普通切削與磨削加工很困難，用振動切削，既可提高加工質量，又可提高生產效率[5]。

焦作工學院的焦鋒等人在超聲振動車削超薄壁零件（照相機導向鏡筒的）的粗糙度和圓度誤差方面進行了試驗研究，超聲振動切削出的工件，圓度誤差僅是普通精密切削的1/3;而表面粗糙度比普通切削要下降30%，達到Ra0.63Ium以下，滿足了設計要求。

例如用硬質合金車刀超聲振動精車細長的退火調質鋁棒（φ7.2mm，長?220mm）的外圓，振動頻率為F=21.5kHz，振幅為A=15um，f=0.05mm/r，ap=0.01mm用全損耗系統用油作為切削液，加工后可獲得工件直徑精度為4um，最大表面粗糙度值?Ra=1um。

（3）排屑、斷屑比較困難的切削加工

孔鉆、鉸孔、攻螺紋、剖斷、鋸切、拉削等切削加工時，切屑往往處于半封閉或封閉狀態，因而常不得不由于排屑斷屑困難而降低切削用量，這時如果用振動切削則可比較順利地解決排屑斷屑，保證加工質量與提高生產效率。

西安交大的高本河等人對鉆削減小孔心斜偏誤差的機理進行了研究，利用振動鉆削的脈沖切削特性，探討了振動鉆削減小孔心偏斜的內在機理，并通過振動鉆削試驗對理論推導結果進行了驗證。指出振動鉆削可顯著減小深孔切削過程的孔心偏斜誤差。

哈爾濱工業大學的張其馨等人對碳纖維復合材料振動鉆孔做了試驗研究和機理探討。吉林工大的王立江等人以φ0.35mm的鉆頭為例研究了微小孔鉆削時附加超聲波后的一系列效果，并分析了原因。實驗表明在附加超聲振動后，能獲得更好的表面加工質量。

4.結語

隨著科學技術的發展和進步，振動切削作為一種新技術正在逐步滲透到各個領域，對振動切削的研究和開發也越來越受到人們的普遍重視。我國在振動切削技術研究利用方面和國外相比有較大差距，大力加強高速超高速磨削加工技術的研究、推廣和應用，對提高我國機械制造業的加工水平和加快新產品開發具有十分重要的意義。

參考文獻：

[1]隈部淳一郎.精密加工振動切削（基礎與應用）[M].北京：機械工業出版社，1986.

[2]M.Komaraiah?and?R.P.Naraaimha，A?study?on?the?influence?of?workpiece?in?ultrasonic?machining[J].Int.J.Mach.Tools?Manrfact，1993，33（3）：485-505].

[3]徐可偉，等.顆粒增強鋁基復合材料的振?動切削研究[J].航天工藝，2001，（6）：1-?6.

[4]張伯榮，等.過共晶鋁硅活塞的超聲振動切削[J].機械工程師，2000，（2）：2?8-30.

[5]王應彪，劉傳紹，高國富.振動切削技術的特點及其應用[J].金屬加工（冷加工），2008（02）：42-44.

作者簡介：

趙琪（1990.4），男，漢族，河北省石家莊市人，陸軍步兵學院石家莊校區。研究方向：機械工程。

（作者單位：陸軍步兵學院石家莊校區）