梁艷娟

[摘要]隨著尖端科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的產(chǎn)品由于形狀復(fù)雜、技術(shù)要求超高或所使用的材料超難加工，傳統(tǒng)的切削加工方法已經(jīng)很難勝任、甚至根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)這類(lèi)零件的加工，必須積極探索采用新的加工工藝來(lái)解決傳統(tǒng)工藝無(wú)法解決的問(wèn)題。本文重點(diǎn)對(duì)超聲振動(dòng)切削技術(shù)這一新型加工藝進(jìn)行研究。

[關(guān)鍵詞]超聲振動(dòng)切削 新型加工 工藝

前言

隨著時(shí)代的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的尖端科技產(chǎn)品為滿(mǎn)足需求不得不往高精度、高速度、大功率、高溫、高壓、小型化發(fā)展，所設(shè)計(jì)的零件不僅形狀越來(lái)越復(fù)雜，各種技術(shù)要求也愈來(lái)愈嚴(yán)格，所使用的材料也越來(lái)越難加工。諸如特別難切削的硬質(zhì)合金、耐熱鋼、不銹鋼等各種高硬度、高強(qiáng)度、高韌性的金屬加工問(wèn)題;高脆性非金屬的加工問(wèn)題;具有特殊截面型孔的各種特殊復(fù)雜表面的沖壓模、冷拔模的加工問(wèn)題;以及具有特殊要求的零件的超精、光整加工問(wèn)題等等，傳統(tǒng)的切削加工方法已經(jīng)很難勝任，甚至根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)這類(lèi)零件的加工。如何解決這類(lèi)尖端產(chǎn)品的加工問(wèn)題？超聲振動(dòng)切削加工就是在這樣一種情形之下應(yīng)運(yùn)而生的新的加工工藝。積極探索并采用新型加工工藝來(lái)解決傳統(tǒng)工藝無(wú)法解決的問(wèn)題是擺在我們面前的新課題，

1.超聲振動(dòng)切削加工的概況

超聲振動(dòng)切削是使刀具以20-50KHz的頻率、沿切削方向高速振動(dòng)的一種特種切削技術(shù)。這種20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)制造技術(shù)通過(guò)在常規(guī)的切削刀具上施加高頻振動(dòng)，使刀具與工件發(fā)生間斷性的接觸，從而導(dǎo)致傳統(tǒng)切削模式產(chǎn)生根本性的變化，很好地解決了普通切削加工中原有的難題。它既可作為一種精密加工方法，又可作為高效率切削方法，特別是對(duì)某些難加工工件以及難切削材料的加工其效益更為顯著，因而越來(lái)越引起人們的重視。

超聲振動(dòng)切削從微觀上看是一種脈沖切削。其在一個(gè)振動(dòng)周期中，大于80%的時(shí)間里刀具與工件、切屑完全分離，刀具的有效切削時(shí)間很短，刀具與工件、切屑之間斷續(xù)接觸，使得刀具所受的摩擦變小，切削力顯著下降，所產(chǎn)生的熱量大大減少，避免了普通切削的“讓刀”現(xiàn)象，且不會(huì)產(chǎn)生積屑瘤。

在普通機(jī)床上使用超聲振動(dòng)切削，可進(jìn)行精密加工，圓度、圓柱度、平面度、平行度、直線(xiàn)度等形位公差最高可達(dá)到接近零誤差，使得以車(chē)代磨、以銑代磨、以鉆代鉸成為可能。超聲振動(dòng)切削與高速硬切削相比，機(jī)床剛性不需要太高，且工件表面的金相組織不會(huì)被破壞。曲線(xiàn)輪廓零件精加工，可借助數(shù)控車(chē)床、加工中心等進(jìn)行仿形加工，節(jié)約高昂的數(shù)控磨床購(gòu)置費(fèi)用。

在切削加工領(lǐng)域，提高加工精度方法很多，其中一個(gè)非常重要的研究方向在于：努力減小切削過(guò)程中的切削力和切削熱。超聲振動(dòng)切削技術(shù)在降低切削力和切削熱方面有重要的作用，可以較好地解決難加工材料、難加工零件以及精密加工等方面的一些工藝問(wèn)題。為了推廣應(yīng)用這項(xiàng)新技術(shù)和解決特種武器系統(tǒng)中精密薄壁零件的加工難題，本文對(duì)“難加工材料薄壁零件的振動(dòng)切削”進(jìn)行了技術(shù)研究，主要研究成果和特點(diǎn)是對(duì)振動(dòng)切削機(jī)理進(jìn)行了較全面的分析和研究，如：

①對(duì)普通切削與振動(dòng)切削進(jìn)行了對(duì)比分析;

②對(duì)振動(dòng)切削過(guò)程中的特點(diǎn)進(jìn)行了分析;

③針對(duì)切削刃的運(yùn)動(dòng)機(jī)理、振動(dòng)切削時(shí)工件的動(dòng)態(tài)變化、不敏感性振動(dòng)切削機(jī)理、超聲振動(dòng)切削特點(diǎn)及原因分析、超聲振切時(shí)切削液的潤(rùn)滑與冷卻作用機(jī)理進(jìn)行了分析。

振動(dòng)切削的實(shí)質(zhì)就是在傳統(tǒng)的切削過(guò)程中給刀具或工件附加某種有規(guī)律的振動(dòng)，使切削速度、進(jìn)給量、切削深度按一定規(guī)律變化。振動(dòng)切削改變了工件與刀具之間的時(shí)間與空間的分配，從而改變了切削加工機(jī)理，達(dá)到了減小切削力和切削熱并且提高加工質(zhì)量和效率的目的。

2.超聲振動(dòng)切削和傳統(tǒng)切削加工的區(qū)別

振動(dòng)切削是最近一、二十年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型的非傳統(tǒng)加工的特種切削加工方法。它是在適當(dāng)?shù)姆较蛏辖o刀具（或零件）一定的頻率與振幅，使其進(jìn)行振動(dòng)切削來(lái)改善它切削加工效果的一種加工方法。

傳統(tǒng)的切削加工是將車(chē)刀固定在刀架上，在整個(gè)切削的過(guò)程中，車(chē)刀的刀尖并不是一直處于靜止的狀態(tài)，而是以不規(guī)則的振動(dòng)頻率和振幅、非常復(fù)雜的振動(dòng)形式，進(jìn)行微小的振動(dòng)切削，切削現(xiàn)象也是不斷地作無(wú)規(guī)則的變化。

振動(dòng)切削加工的實(shí)質(zhì)就是在普通切削加工的基礎(chǔ)上，給切削刀具（或零件）加上某種有規(guī)律的振動(dòng)，使切削速度、進(jìn)給量和切削深度按一定的規(guī)律進(jìn)行變化。由于切削速度的改變以及加速度的出現(xiàn)，使得振動(dòng)切削具有很多優(yōu)點(diǎn)，特別是在難加工材料以及普通材料的難加工工序中，都產(chǎn)生了極其出色的效果。超聲波振動(dòng)切削加工作為一種新型的先進(jìn)的特種加工技術(shù)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)其產(chǎn)生了廣泛的興趣。

自上世紀(jì)70年代以后，各國(guó)在超聲振動(dòng)車(chē)削、鉆削、磨削加工等方面的研究都有了較大的發(fā)展，機(jī)械加工的首要任務(wù)，就在于保證零件在幾何方面的質(zhì)量要求。隨著對(duì)產(chǎn)品性能要求的不斷提高，對(duì)零件加工精度的要求也就不斷提高。零件的加工精度對(duì)其使用性能如密封性、軸的回轉(zhuǎn)精度等有很大影響，對(duì)振切加工的推廣應(yīng)用有著重要的意義。

3.超聲振動(dòng)切削的發(fā)展及應(yīng)用領(lǐng)域

超聲振動(dòng)切削加工技術(shù)在難加工材料和普通材料的難加工工序中表現(xiàn)出了優(yōu)良的工藝效果，因此，自從其問(wèn)世以來(lái)受到了各國(guó)的普遍重視，并積極地對(duì)其進(jìn)行了開(kāi)發(fā)研究工作。在超聲振動(dòng)切削理論方面，從研究的深度、廣度以及實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，日本處于國(guó)際領(lǐng)先地位。針對(duì)超聲振動(dòng)切削硬金屬的問(wèn)題，就刀具的圓角半徑對(duì)其使用壽命和振動(dòng)切削系統(tǒng)穩(wěn)性的影響進(jìn)行了研究分析，指出與普通切削加工相比，超聲振動(dòng)切削即使使用較大的刀具前角，也不會(huì)產(chǎn)生顫振，同時(shí)還可以延長(zhǎng)刀具的使用壽命，此外，還指出超聲振動(dòng)切削加工具有抑制振顫的作用。在超聲振動(dòng)切削研究的基礎(chǔ)上，日本研究人員于上世紀(jì)90年代提出了超聲波橢圓振動(dòng)切削技術(shù)，它的基本原理是在普通超聲振動(dòng)切削的基礎(chǔ)上，于切屑流出方向上增加一個(gè)正弦振動(dòng)，兩個(gè)正交的正弦振動(dòng)就可以合成一個(gè)刀具的橢圓切削運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件進(jìn)行橢圓軌跡的振動(dòng)切削。實(shí)驗(yàn)表明，超聲波橢圓振動(dòng)切削突破了普通超聲振動(dòng)切削臨界速度的限制，加強(qiáng)了刀具和工件的接觸與分離，增加了超聲切削的效果，改善了刀具的受力狀況，提高了切削過(guò)程中潤(rùn)滑和冷卻效率。這一新技術(shù)解決了超聲振動(dòng)切削中刀具的崩刃破損問(wèn)題，并成功地將超聲橢圓振動(dòng)切削技術(shù)應(yīng)用于超精密加工領(lǐng)域。

4.超聲振動(dòng)切削加工的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

與傳統(tǒng)的普通切削相比，超聲振動(dòng)切削加工具優(yōu)點(diǎn)顯著，傳統(tǒng)的普通切削根本無(wú)法超越和比擬，其優(yōu)點(diǎn)具體概括如下：

①切削力小，約為普通刀具切削力的1/3-1/10;

一般情況下，超聲振動(dòng)切削其刀——屑間摩擦因數(shù)只有傳統(tǒng)切削的1/10，所以切削力可以減小到傳統(tǒng)切削的1/3～1/10，塑性材料減少得更多。

②加工精度高;

主要取決于所用機(jī)床精度，所加工工件形位公差幾乎可接近機(jī)床相關(guān)精度。

③切削溫度低，工件保持室溫狀態(tài);

由于刀——屑間接觸出現(xiàn)間歇，切削熱更難以傳到切削區(qū)，易于冷卻，所以平均切削溫度降到與室溫差不多，切屑不變色，用手摸不會(huì)燙手。

④可控制切屑的形狀和大小，改善排屑狀況，不產(chǎn)生積屑瘤，工件變形小，沒(méi)有毛刺;

⑤提高加工精度和表面質(zhì)量，切削表面粗糙度低，可接近理論粗糙度值，最高可達(dá)Ra0.2以下;

⑥被加工零件的“剛性化”，被加工表面呈壓應(yīng)力狀態(tài)，使工件剛性得到提高;

即與普通切削相比，超聲振動(dòng)切削可使零件已加工表面的疲勞強(qiáng)度、耐磨性、耐腐蝕性提高。

⑦加工過(guò)程穩(wěn)定，能有效消除顫振;

⑧切削液的作用得到充分發(fā)揮、潤(rùn)滑作用提高;

超聲波振動(dòng)切削時(shí)會(huì)在切削液內(nèi)產(chǎn)生“空化”作用，一方面使切削液均勻乳化，形成均勻一致的乳化液微粒;另一方面切削液微粒獲得了很大能量更容易進(jìn)入切削區(qū)，從而提高了切削液的效果。沒(méi)有切削液時(shí)空氣冷卻，在10-8s內(nèi)刀具前刀面上就可形成單分子層氧化膜，從而減小了刀屑間的摩擦。

⑨可提高刀具使用壽命，刀具耐用度呈幾倍到幾十倍提高。

⑩切削后的工件表面呈彩虹效果。

缺點(diǎn)：

雖然超聲振動(dòng)切削加工優(yōu)勢(shì)明顯，但超聲振動(dòng)切削技術(shù)仍然存在一定的局限性。比如刀具與工件在處于分離狀態(tài)時(shí)，后刀面與已加工表面會(huì)產(chǎn)生一定的摩擦和撞擊，嚴(yán)重影響了已加工表面的加工精度和表面質(zhì)量，并且使切削刀具在切削過(guò)程中受到一個(gè)隨超聲振動(dòng)不斷變化的交變應(yīng)力的影響。這些缺點(diǎn)較大程度地限制了超聲振動(dòng)切削技術(shù)在精密加工領(lǐng)域的應(yīng)用。

4.超聲振動(dòng)切削加工的實(shí)際應(yīng)用

由于切削速度的變化和加速度的出現(xiàn)，使得振動(dòng)切削具有許多優(yōu)點(diǎn)，特別是在難加工材料和普通材料的難加工工序加工中，都收到了極其出色的效果。超聲振動(dòng)切削加工技術(shù)已經(jīng)滲透到了許多工業(yè)領(lǐng)域，并且發(fā)揮著其突出的作用，對(duì)我國(guó)機(jī)械制造業(yè)加工水平的提高以及新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)具有重要意義。

超聲振動(dòng)切削加工尤其是超聲波橢圓振動(dòng)切削是一種打破了傳統(tǒng)切削加工的新型的切削加工方法，它改變了以往通過(guò)提高切削速度和刀具的鋒利化程度來(lái)降低切削力的極限，同時(shí)還可以提高弱剛度零件的形狀精度、增強(qiáng)工件系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及降低刀具磨損等，這些優(yōu)點(diǎn)逐漸拓寬了超聲橢圓振動(dòng)切削在精密及其超精密切削領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，特別是實(shí)現(xiàn)了天然金剛石刀具對(duì)于黑色金屬的超聲波橢圓振動(dòng)切削。

由于超聲振動(dòng)切削具有很多普通切削加工難以實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，所以這類(lèi)新型加工可廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍工等領(lǐng)域各種難加工材料的切削加工。如：

①.難加工材料切削：如耐熱鋼、鈦合金、恒彈性合金、高溫合金、不銹鋼、冷硬鑄鐵、工程陶瓷、復(fù)合材料和花崗巖等

②.加工淬硬鋼零件及超硬零件，能得到很高的加工精度和表面質(zhì)量：用硬質(zhì)合金刀具可以很輕松地加工硬度達(dá)HRC60以上的淬硬鋼零件，如高速鋼、軸承鋼等;用PCD刀具加工硬質(zhì)合金，可以大大提高刀具的耐用度

③.成型切削：利用成型切削刀具加工各種類(lèi)型的輪廓曲面及內(nèi)外球面、過(guò)度圓弧、錐面等

④.細(xì)長(zhǎng)桿件及薄壁件車(chē)削加工

⑤.超細(xì)直徑零件車(chē)削加工

⑥.超精密加工

5.結(jié)束語(yǔ)

隨著各種新型材料的不斷涌現(xiàn)，振動(dòng)切削研究日趨深入，超聲波振動(dòng)切削的研究和應(yīng)用必將得到重視并取得重大進(jìn)展。美國(guó)已把超聲波振動(dòng)切削應(yīng)用到金屬加工中，并在飛行器和飛機(jī)制造工業(yè)中，開(kāi)始研究應(yīng)用的可能性。超聲波振動(dòng)切削原型系統(tǒng)已供工業(yè)應(yīng)用，并且已部分標(biāo)準(zhǔn)化。日本設(shè)立了專(zhuān)門(mén)的振動(dòng)切削研究所，許多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)都有超聲振動(dòng)切削的研究課題。目前，日本不但把超聲振動(dòng)切削應(yīng)用于普通設(shè)備，在大型設(shè)備和大型船用柴油機(jī)缸套鑊削機(jī)床，也取得了良好應(yīng)用效果。在精密機(jī)床、數(shù)控機(jī)床也引入了超聲振動(dòng)系統(tǒng)，其中振動(dòng)切削機(jī)床已部分系列化。蘇聯(lián)對(duì)超聲波振動(dòng)切削在磨削、晰磨、攻絲等方面均已有應(yīng)用。我國(guó)對(duì)超聲波振動(dòng)的研究，近幾年來(lái)也已開(kāi)始進(jìn)行，但目前尚處于起步階段，在生產(chǎn)中基本上還沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用。有些高等院校已開(kāi)始對(duì)超聲波振動(dòng)切削、精密加工、振動(dòng)布磨，以及超聲振動(dòng)輾壓表面等分別開(kāi)始了研究。還有一些單位對(duì)超聲振動(dòng)拋光、鉆孔、振動(dòng)鉆削不銹鋼等進(jìn)行了試驗(yàn)。開(kāi)展超聲振動(dòng)切削的研究及應(yīng)用任重而道遠(yuǎn)。