高頻超聲橢圓振動(dòng)精密切削

王桂林 段夢(mèng)蘭 張德遠(yuǎn)

振動(dòng)切削技術(shù)由日本宇都宮大學(xué)隈部淳一郎教授于20世紀(jì)50年代初期提出，根據(jù)刀具振動(dòng)的軌跡，可分為普通振動(dòng)切削和橢圓振動(dòng)切削。橢圓振動(dòng)切削技術(shù)是日本學(xué)者社本英二等最早提出的，具有一系列優(yōu)點(diǎn)，能有效降低切削力，提高表面加工精度，延長(zhǎng)刀具壽命，特別適合精密和超精密加工領(lǐng)域［1～5］。

盡管橢圓振動(dòng)切削具有一系列優(yōu)點(diǎn)，但是在加工效率方面具有劣勢(shì)。目前，所研究的橢圓振動(dòng)切削，一般是指分離型的、不連續(xù)的切削過(guò)程，即切削速度小于刀具最大振動(dòng)速度(臨界切削速度)。實(shí)用化橢圓振動(dòng)切削中的工作頻率一般為20 kHz左右，振幅為5 μm左右，其臨界切削速度為0.628 m/s。為滿足分離的切削條件和發(fā)揮橢圓振動(dòng)切削的優(yōu)勢(shì)，采用的切削速度一般很低，從而導(dǎo)致加工效率低，制約了橢圓振動(dòng)切削的廣泛應(yīng)用。

本文針對(duì)此問(wèn)題，提出了提高振動(dòng)頻率來(lái)解決此問(wèn)題的方案，研制了一種新型的高頻橢圓振動(dòng)換能器(147.5 kHz)，并進(jìn)行了精密車削硬鋁的試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，高頻橢圓振動(dòng)切削可以應(yīng)用在精密和超精密加工領(lǐng)域，解決低頻橢圓振動(dòng)切削加工效率低的問(wèn)題。

1 橢圓振動(dòng)切削機(jī)理

橢圓振動(dòng)切削刀具的刀尖按照橢圓軌跡運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行斷續(xù)的、非連續(xù)性切削，如圖1所示。其運(yùn)動(dòng)方程和速度公式如式(1)～(4)所示。

其中，Az為刀具橢圓振動(dòng)軌跡在z方向上的振幅，Ay為刀具橢圓振動(dòng)軌跡在y方向上的振幅，f為振動(dòng)頻率。由式(3)可知，當(dāng)vz＞0時(shí)，刀具和工件接觸，切削過(guò)程開始;當(dāng)vz＜0時(shí)，刀具和工件分離，切削過(guò)程終了。

橢圓振動(dòng)車削對(duì)表面粗糙度的影響包括兩個(gè)方面的內(nèi)容:刀具在進(jìn)給方向留下的殘留面積高度Rz和切削方向上刀具留下的振紋高度Rth。

在精密和超精密切削中，Rz取決于進(jìn)給量f和刀尖圓弧半徑 rε，Rz=f2/(8rε)，通常很小。因此，為滿足對(duì)表面粗糙度的要求，應(yīng)避免橢圓振動(dòng)切削產(chǎn)生的Rth對(duì)表面粗糙度的影響或產(chǎn)生較小的影響。

2 高頻超聲橢圓振動(dòng)換能器

橢圓振動(dòng)的產(chǎn)生一般采用超聲壓電換能器來(lái)實(shí)現(xiàn)。常規(guī)超聲橢圓振動(dòng)換能器結(jié)構(gòu)，一般采用郎之萬(wàn)夾心式結(jié)構(gòu)，工作頻率一般為20 kHz左右，工作振幅為10幾μm。換能器的整體尺寸一般為1/2波長(zhǎng)(幾十cm)，使得換能器設(shè)計(jì)和制作都較為方便。但當(dāng)頻率提高時(shí)，由于波長(zhǎng)變小，使得郎之萬(wàn)換能器結(jié)構(gòu)尺寸大大減小，給設(shè)計(jì)制作帶來(lái)很大困難，尤其要產(chǎn)生橢圓振動(dòng)，就更加困難。

本文根據(jù)雙路振動(dòng)的合成原理，設(shè)計(jì)了一種新型橢圓振動(dòng)換能器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

拍攝這種風(fēng)格的作品時(shí)，一定要用單點(diǎn)對(duì)焦模式，保證自己可以精準(zhǔn)控制焦點(diǎn)位置。如果用的是自動(dòng)模式，對(duì)準(zhǔn)的就可能是最近的或最顯眼的物體。

該換能器采用縱向和橫向兩路超聲振動(dòng)來(lái)合成橢圓振動(dòng)。其運(yùn)動(dòng)學(xué)分析如下:

設(shè)兩路振動(dòng)位移如式(5)所示

其中φ為二路正弦輸入的相位差。假定，A1=1，A2=1.5，那么，得到不同相位差合成運(yùn)動(dòng)的軌跡如圖3所示。由此，調(diào)節(jié)兩路超聲波的相位差，就可得到我們所需要的橢圓軌跡振動(dòng)。

由于換能器結(jié)構(gòu)及制作決定了其兩路的諧振頻率很難達(dá)到一致，因此使換能器工作頻率稍偏離系統(tǒng)諧振頻率，不完全工作在諧振狀態(tài)，最大振幅將受到一定程度影響。本文設(shè)計(jì)的換能器工作在147.5 kHz，最大振幅為1μm。

3 高頻橢圓振動(dòng)切削試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)條件

試驗(yàn)設(shè)備由美國(guó)Hardedge精密車床、自制的高頻橢圓超聲振動(dòng)換能器和高頻超聲電源［6］等組成，如圖4所示。

進(jìn)行常規(guī)和橢圓振動(dòng)車削硬鋁(LY12)外圓試驗(yàn)，分別考察表面粗糙度和切削力。其它條件相同，僅改變切削速度進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如表1所示。

表1 高頻橢圓振動(dòng)切削試驗(yàn)條件

3.2 表面粗糙度試驗(yàn)

利用英國(guó)Taylor表面粗糙度儀進(jìn)行進(jìn)給方向粗糙度測(cè)量，每種條件下分別在不同位置測(cè)量5次，計(jì)算5次平均值，得到如圖5所示的表面粗糙度曲線。

圖5表明，在高頻條件下，超聲橢圓振動(dòng)切削對(duì)精密切削已加工表面存在負(fù)面影響，但影響不大，基本上趨于一致。

3.3 切削力試驗(yàn)

測(cè)力儀選用瑞士KISTLER公司的9254型超精密壓電式測(cè)力儀及其配套微機(jī)測(cè)量系統(tǒng)，得到如圖6所示的切削力曲線。

圖6表明，在不分離切削區(qū)內(nèi)，高頻橢圓振動(dòng)切削可以顯著降低切削時(shí)的主切削力和吃刀抗力，因而可提高加工精度。但是隨著切削速度的不斷增大，降低切削力的幅度不斷降低，在達(dá)到一定切削速度時(shí)，基本上和普通車削一致。在不分離區(qū)，也具有一定程度的降低切削力的效果。這主要是因?yàn)樵诓环蛛x切削狀態(tài)時(shí)，刀具沒有與工件的切削表面完全分離，切屑始終與前刀面相互接觸;但是刀具在吃刀抗力(y向)的振動(dòng)仍然存在，對(duì)切削厚度和切削角度的影響仍然存在。一方面，切削厚度的周期性變化導(dǎo)致切削力周期性變化;另一方面，切削角度呈周期性的變化，使得在切入階段刀具更容易切入，同時(shí)降低了前刀面與切屑之間的摩擦和擠壓，而在切出階段刀具的動(dòng)態(tài)前角都小于靜態(tài)前角，摩擦力對(duì)刀具具有反拉作用，從而使切削力能在一定程度上得到降低。

3.4 加工效率對(duì)比試驗(yàn)

為了便于比較，分別進(jìn)行20.5 kHz和147.5 kHz橢圓振動(dòng)車削LY12的試驗(yàn)。在其它相同切削條件下，比較在獲得同樣表面粗糙度的前提下，兩者所采用的切削速度的差別。試驗(yàn)條件如表3所示。

先將主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為125 r/min，進(jìn)行低頻超聲橢圓振動(dòng)車削試驗(yàn)，利用Taylor Hobson輪廓儀測(cè)量表面粗糙度，作為參考值。然后，用高頻超聲橢圓振動(dòng)車削進(jìn)行試驗(yàn)，主軸轉(zhuǎn)速?gòu)?25 r/min開始，逐漸往上調(diào)，測(cè)量各次表面粗糙度，并與低頻振動(dòng)橢圓車削進(jìn)行比較。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表3 高頻橢圓振動(dòng)切削試驗(yàn)條件

表4 低頻和高頻橢圓振動(dòng)切削對(duì)比

表4表明，在保證表面粗糙度的前提下，高頻超聲橢圓振動(dòng)切削可以在較高轉(zhuǎn)速或切削速度下進(jìn)行;而在相同條件下，低頻振動(dòng)切削只能在較低切削速度下進(jìn)行。因此，高頻振動(dòng)條件下提高了工作效率。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)同普通切削方式比較，高頻橢圓振動(dòng)和普通低頻橢圓振動(dòng)切削一樣，具有降低切削力、提高加工精度的效果。

(2)在精密切削中，高頻超聲橢圓振動(dòng)切削對(duì)表面粗糙度具有負(fù)面影響，但影響不大，惡化程度較小。

(3)在滿足同一表面粗糙度及相同切削條件下，高頻超聲橢圓振動(dòng)切削可以采用較高的切削速度，從而可提高工作效率。

(4)研制開發(fā)的高頻超聲橢圓超聲振動(dòng)系統(tǒng)具有一定的實(shí)用價(jià)值，將有益于促進(jìn)橢圓振動(dòng)切削在精密切削加工中的應(yīng)用。

1 隈部淳一郎.精密加工—振動(dòng)切削基礎(chǔ)及應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

2 季遠(yuǎn)，李勛，張德遠(yuǎn).超聲橢圓振動(dòng)精密切削［J］.航空制造技術(shù)，2005(4)

3 E.Shamoto，T.Moriwaki.Study on Elliptical Vibration Cutting［J］.Ann.CIRP，1994，43(1)

4 李勛.超聲橢圓振動(dòng)車削技術(shù)的研究［D］.北京航空航天大學(xué)［博士學(xué)位論文］，2007.

5 李華.單激勵(lì)橢圓超聲振動(dòng)切削的研究［D］.北京航空航天大學(xué)［博士學(xué)位論文］，2006.

6 王桂林，張德遠(yuǎn).高頻橢圓振動(dòng)切削加工用超聲電源的研制，電力電子技術(shù)，2008，42(2)