超声振动切削加工

超声振动切削加工的研究现状及进展摘要：简述了超声振动切削技术的发展、优点及应用领域。通过将超声振动切削 与普通切削比较以及对振动切削过程特点的描述，探讨了超声振动切削的切削机理。 文章还分析了振动切削技术的最新发展，认为超声振动切削是一项有发展前途的新 型技术。关键词：超声振动切削；难加工材料：切削机理Research of vibration assisted turning cutting technology andIts developmentAbstract： Introduces the history, advantages and application field of the ultrasonic cutting technology(UCT). By compared with ordinary cutting and the characteristics description of the ultrasonic vibration cutting process, explored Ultrasonic vibration cutting of the cutting mechanism. The paper also analyzes an up- to- date vibrating cutting technology and summarizes that the ultrasonic vibration cutting is a promising new technology.Key Words: Ultrasonically vibrating cutting; Difficult - to - machine materials; Cutting Mechanism0前言超声振动切削技术是把超声波振动的力有规律地加在刀具上，使刀具周期性地 切削和离开工件的加工技术，是结合超声波技术和传统切削工艺的一种新型切削技 术。在20世纪60年代，日本隈部淳一郎先生就对该项技术做了大量的研究工作。 他的研究工作表明，对刀具施加一定频率和振幅的超声波振动，可以改变传统金属切 削的切削性质，改善切削效果，他把该技术定义为振动切削。迄今为止，世界各国虽然在振动切削(超声切削)某些现象的解释上，某些参数 的选择上还有一些差别,但对它的工艺效果是一致公认的。作为精密机械加工和难加工材料加工中的一种新技术，它已经渗透到各个加工 领域，出现了各种复合加工方法，使传统的加工技术有了一个飞跃。研究表明，由于其在一定范围内能够有效地解决难切削材料的加工及其精密切 削加工方面的问题并在加工中具有一系列的特点，因而越来越引起人们的重视而受 到世界各国的瞩目。1超声振动切削技术的优点和传统切削技术相比，超声振动切削具有如下优点：(1) 超声振动切削可减少切屑变形区的塑性变形和摩擦，减小切削力，降低切 削温度，显著提高刀具的寿命；(2) 加工质量好，精度高，工件表面粗糙度值小，圆度好；(3) 减少工件上积屑瘤的生成，提高工件加工表面质量。近年来，随着宇航、原子能、军工、电力等行业的快速发展，对产品的材料性 能提出了更高的要求。材料要求在高温、高应力状态下工作，或需要耐腐蚀、耐磨 损性能，大量使用各种非金属材料，如石材、陶瓷、工程塑料、纤维增强材料。上 述材料具有高硬度、高强度、低塑性和高脆性、有微观硬质点或夹杂物特点，被称 为难加工材料，这些材料在加工过程中切削力加大，切削温度高，刀具耐用度下降, 已加工表面质量恶化，切削过程难以控制，这些问题造成加工效率低和表面质量下 降。近年来，科研人员尝试用超声振动切削来加工上述难加工材料，取得了一定的 效果。实验表明，超声振动切削技术在相当大的程度上可以解决难加工材料切削中 很多关键的技术问题，比传统切削技术有明显的优势。目前，超声振动加工技术向 振动车削、振动钻孔和镗孔、振动锯料、振动冲击加工、振动磨削、超声塑性加工 以及复合加工等方面发展，取得了一定的成就。人们发现，目前超声振动切削还存在一些技术问题，这些问题制约着该技术的 进一步发展和实用化，是超声波切削技术仍然停留在实验阶段、不能大量应用实际 生产的主要障碍。2超声振动切削机理隈部淳一郎认为，和普通切削相比，超声振动切削技术通过对刀具施加强制性 的振动，使刀具切削过程中产生有规律的、稳定的振动，消除了刀具不稳定区域，可 显著减少机床系统的随机振动对切削的影响，降低了平均切削力，改善了切削质 量。同时，刀具和工件的周期性接触-分离过程可降低切削温度，改善了刀具的工 作环境，提高了刀具的使用寿命，还能抑制积屑瘤的生长条件，进一步改善切削质 量。也有学者认为对脆性材料来说，切削区局部产生的很高能量的冲击作用使切削 区的工件材料快速变形，摩擦系数降低，剪切区材料的塑性变形减少，降低切削力, 切削热变小。在加工高强度、高韧性材料，加工复合材料中，振动切削也表现了上 述优点。但是，人们对振动切削的微观机理尚认识不足，至今没有成熟的理论解释 超声波切削现象，有必要深入研究、认识超声振动切削的实质，促进超声切削技术 的进一步发展。一、普通切削与振动切削的比较在普通切削中，切削是靠刀具与工件的相对运动来完成的。切屑和已加工表面的 形成过程，本质上是工件材料受到刀具的挤压，产生弹性变形和塑性变形，使切屑与 母体分离的过程（见图1）。在这种刀具始终不离开切削的普通切削中，刀具的作用包括两个方面:一个是刀 刃的作用；一个是形成刀刃的刀面的作用。由于刀刃与被切物接触处局部压力很大, 从而使被切物分离。刀面则在切削的同时撑挤被切物，促进这种分离。普通切削中, 伴随着切屑的形成，由于切屑与刀具之间的挤压和摩擦作用，将不可避免地产生较大 的切削力，较高的切削温度,使刀具磨损和产生切削振动等有害现象。振动切削即是通过在切削刀具上施加某种有规律的、可控的振动，使切削速度、 背吃刀量发生周期性的改变，从而得到特殊的切削效果的方法（见图2）。众所周知，切削加工过程就是工件材料的塑性变形的过程，已加工表面的变形大小以及刀具的磨损程度等，都与切削过程中刀具与工件接触表面相互作用的条件 有关，亦即与它们所处的时间和空间条件有关。从刀具与工件接触角度分析振动切削（超声切削）特点有： 在切削过程中，刀具前面不是始终与工件保持接触状态,而是处于有规律的接 触、分离状态。 有规律的脉冲冲击切削力取代了连续切削力。 刀具（或工件）的有规律强迫振动取代了刀具和工件无规律的自激振动。 切削力大部分来自刀具（或工件）的振动，刀具（或工件）的运动仅是为了满足 工件加工几何形状而设置的。从切屑形成机理上分析振动切削（超声切削）特点有：当给工艺系统加上振动（包括超声振动）以后，其刀具与工件各接触表面的相 互作用条件都与普通切削有很大区别。小振幅的高频振动虽然对工件表面尺寸和形 状不会有什么影响，但却使刀具摩擦和磨损条件产生很大变化，使刀具与工件的接 触表面产生附加的往复运动，从而造成刀具前后面摩擦力（向量）产生周期性的变 化，因而能减小切屑流出的阻力，使切屑能在更有利的条件下形成。在难加工材料的切削中，刀具的工作表面经常出现“滞流层”，产生一种特殊的 静摩擦。如果给刀具加上超声振动，就会产生动摩擦并且以动摩擦代替静摩擦，从 而使摩擦力大大降低，这对切削加工十分有利。超声振动切削（高频振动）使切屑形成机理产生重大变化，它对切削过程的影 响可大致归纳成以下几个方面：（1）周期性地改变了实际切削速度的大小和方向；（2）周期性地改变了刀具运动角度，包括前角、后角、刃倾角等；（3）周期性地改变被切金属层的厚度；（4）改变了所加载荷的性质，使刀具由静载荷变为了动载荷；（5）改变了已加工表面的形成条件，从而改善了表面质量，提高了加工精度;（6）改善了切削液到达切削区的条件；（7）改变了刀具工作表面的接触条件，减小了切屑形成区的变形，降低了切削 力；（8）改变了工艺系统的动态稳定性，从而得到振动切削特有的切削效果一振动 切削的消振效果；（9）改变了消耗在切削过程中的功率N，使能量分布发生了变化。3超声切削技术的发展近年来，超声波振动切削得到一些新的发展出现了超声波椭圆切削技术。日本学者在上世纪90年代提出了超声椭圆切削技术，基本原理是在普通超声振 动切削的基础上，在切屑流出方向上增加一个正弦振动，两个正交振动合成一个刀 具的椭圆切削运动，实现对工件进行椭圆轨迹的切削。超声波椭圆切削原理见图3。图3超声波椭圆振动切削原理切削椭圆时，在变幅杆的两个垂直面上各安装一只压电陶瓷片，在这两只压电 陶瓷片上分别加载超声正弦信号使压电陶瓷发生伸缩振动，变幅杆在互相垂直的两 各方向发生超声波振动，得到变幅杆的椭圆轨迹的复合振动，通过调节两个振动的 振幅和相位差，可以得到变蝠杆的任意椭圆振动运动，实现切削刀具的椭圆振动切 削方式。实验表明，超声椭圆切削突破了普通超声振动切削临界速度的限制，加强 了刀具和工件的接触-分离，增加了超声切削的效果，改善了刀具的受力状况，提 高了切削过程中润滑和冷却效率。大量实验表明，和常规超声振动切削相比，超声椭圆切削的切削力大幅度下降, 加工精度显著提高，刀具寿命明显提高，积屑瘤抑制效果更好，很适合难加工材料 的切削加工。超声椭圆切削技术是传统振动切削的发展，由于增加了超声振动源，超声波装 置更加复杂。其切削机理仍需要进一步研究。4结论超声振动在很大程度上改善了传统的加工方法，在各种非金属脆硬材料加工方 面得到广泛应用，取得了卓越的成绩。大量的试验研究和加工结果表明，超声振动加 工有能量集中、瞬间作用、快速切削的特性,能有效地改变传统加工的切削机制，具 有独特的加工工艺效果。和源远流长的切削技术相比，超声振动切削技术在短暂的发展历程中已经取得 了令人欣慰的成绩，在工业的不同方面得到了的应用。随着社会对材料提出更高的 要求，随着新型难加工材料的不断出现，超声加工技术将得到更大的发展，有理由 相信这门技术的未来是很有前景的。参考文献1 日隈部淳一郎.精密加工振动切削(基础与应用)M.北京：机械工业 出版社，1985.2 叶邦彦，周泽华.超声振动切削改善硬脆材料加工性的研究J.华南理 工大学学报(自然科学版)，1994.(10):132136.3 张镜澄.超声换能器机械振速的自动稳定J.应用声学，1991.(3):2225.4 Zhou Ming ,Wang X. J ,Ngoi B. K. A ,et al. Brittle-ductile transition in the diamond cutting of glasses with the aid of utrasonic vibration J . Journal of Materials Processing Technology ,2002 (121).5 Jun -Seok Lee ,Deug-Woo Lee ,Yoong-Ho Jung ,et al. A study on micro-grooving characteristics of planar lightwave circuit and glass using ultrasonic vibration cuttingJ . Journal of Materials Processing Technology ,2002 (130).