超聲振動(dòng)切削在某細(xì)長(zhǎng)軸加工中的應(yīng)用研究

徐國(guó)紀(jì) 李凱東

（1.西儀股份有限公司，陜西 西安 710082；2.西安帕沃輻電氣工程有限公司，陜西 西安 710082）

1 概述

細(xì)長(zhǎng)軸的典型加工工藝是車削加工，但對(duì)于本文中材料是T2 銅、表面粗糙度Ra0.4、面輪廓度0.01mm 要求的細(xì)長(zhǎng)軸來說，普通的車削根本無法滿足。超聲振動(dòng)切削具有切削力小、加工表面粗糙度低、刀具耐用度高的優(yōu)點(diǎn)，我們通過對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸工藝零件的分析，介紹了振動(dòng)車削加工工藝流程，提出采用超聲振動(dòng)切削技術(shù)對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸加工，可以滿足細(xì)長(zhǎng)軸的幾何特征要求。

2 零件工藝性分析

在機(jī)械制造中，軸類零件是較為典型的零件，其不但承擔(dān)著荷載的承受能力，而且對(duì)于傳遞扭矩以及傳動(dòng)其他的零部件運(yùn)作都起到了支承的作用?，F(xiàn)代的機(jī)械設(shè)備不但要求精確度很高，而且還要保持高速的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，那么，機(jī)械設(shè)備的性能會(huì)直接受到軸類零件精度（尺寸偏差、幾何形狀、相互位置）的影響。

在軸類零件當(dāng)中，長(zhǎng)徑比大于20 的，被稱為細(xì)長(zhǎng)軸零件。隨著工業(yè)的發(fā)展，細(xì)長(zhǎng)軸類零件被廣泛地應(yīng)用到各領(lǐng)域當(dāng)中，而對(duì)其精度要求就越來越高了。如果采用普通切削的方式，很容易在切削力的作用下產(chǎn)生振動(dòng)彎曲，并因?yàn)榍邢鬟^程中所產(chǎn)生的熱量造成線膨脹并產(chǎn)生彎曲變形。零件圖見圖1。

圖1 細(xì)長(zhǎng)軸加工零件圖

2.1 傳統(tǒng)加工采用的車削和磨削加工工藝

2.1.1 車削。車削時(shí)由于法向力大工件發(fā)生振動(dòng)，工件變形大，尺寸控制不準(zhǔn)。表面粗糙度更無法控制。

2.1.2 磨削。即使采用專用砂輪磨削仍無法克服法向力大，軸彎曲變形的問題，加之砂輪修磨頻繁，工作效率極低。而磨削后的粗糙度Ra0.8－1.6mm 也無法滿足技術(shù)要求。

所以采用傳統(tǒng)車削和磨削的方法，無法滿足該細(xì)長(zhǎng)軸的要求。

2.2 超聲振動(dòng)車削

超聲震動(dòng)車削是在傳統(tǒng)切削技術(shù)的基礎(chǔ)之上，施加了超聲振動(dòng)，從而獲得很好的加工性能。具體操作上，當(dāng)沿著切削方向進(jìn)行車削的時(shí)候，要將車削的振動(dòng)頻率局限在超聲波范圍內(nèi)，即振動(dòng)頻率f=20～50KHz、振幅a=10－25μm。

采用超聲振動(dòng)車削，具有傳統(tǒng)的車削方式所不具備的優(yōu)點(diǎn)。

2.2.1 降低切削力。從微觀上看，振動(dòng)車削屬于是一種脈沖切削，刀具在一個(gè)振動(dòng)周期當(dāng)中，絕大部分時(shí)間都是處于與切屑完全分離的狀態(tài)，所以有效切削時(shí)間非常的短暫，那么，其切削力也會(huì)因此而大大減弱，只有普通切削力的1/3－1/10 左右。

2.2.2 提高了加工精度。在使用普通的車削方法，需要注意“讓刀”，而使用超聲振動(dòng)車削則可以避免這一現(xiàn)象，因?yàn)槭敲}沖切削，所以在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，刀具與工件基本上都是出于完全分離狀態(tài)。也就是說，切削動(dòng)作是在瞬間產(chǎn)生的，從而，會(huì)維持刀刃所處的位置，加工精度有所提高。即便是存在微小吃刀深度，也往往會(huì)小于0.01mm，按照預(yù)定的切削深度進(jìn)行精密加工成為可能。

2.2.3 不會(huì)產(chǎn)生變形。超聲振動(dòng)切削時(shí)，由于脈沖切削的刀具與工件之間的摩擦幾乎不存在，釋放的熱量大幅度減少，所以一般都會(huì)保持室溫狀態(tài)。因此，工件不會(huì)因?yàn)榕蛎浂兴冃巍?/p>

2.2.4 粗糙度降低。采用超聲振動(dòng)切削技術(shù)，可以使被加工的零件更為“剛性化”，提高了其耐磨性和耐腐蝕性。刀具壽命有所提高。由于加工過程穩(wěn)定，顫振現(xiàn)象得到有效消除，因此不但降低了表面粗糙度，而且還避免了毛刺產(chǎn)生，更不會(huì)產(chǎn)生積屑瘤。

切削后效果。采用超聲振動(dòng)切削技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了細(xì)長(zhǎng)軸加工的精細(xì)加工。超聲的空化作用使切削液的冷卻作用和潤(rùn)滑作用也因此而有所提高，使切削后的工件表面呈現(xiàn)出了彩虹效果。鑒于超聲振動(dòng)切削的這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于細(xì)長(zhǎng)軸的加工工藝要求是完全可以滿足的。

3 超聲振動(dòng)車削工藝設(shè)計(jì)

3.1 工藝流程

本零件采用振動(dòng)車削技術(shù)使得工藝變得簡(jiǎn)單，主要流程如下：下料——粗車（檢）——熱處理時(shí)效（檢）——精車（振動(dòng)車削）（檢）——線切割除工藝夾頭。

3.2 工藝說明

在進(jìn)行超聲振動(dòng)車削加工過程中，要經(jīng)歷粗車和精車兩個(gè)加工流程。粗車是將毛坯多余的材料快速去除的過程，對(duì)于零件的尺寸和粗糙度的要求不會(huì)太高，只要初步成型就可以。對(duì)于切削的速度，會(huì)選擇低點(diǎn)。一般而言，經(jīng)過粗車之后，表面的粗糙度Ra 達(dá)到12.5μm 即可。

精車工序就是要對(duì)零件尺寸的公差、 形位公差和表面粗糙度的達(dá)到要求。

經(jīng)過了精車環(huán)節(jié)之后所獲得的零件精度完全符合要求。一般可以達(dá)到表面粗糙度Ra 為0.4μm。

3.3 刀具設(shè)計(jì)

超聲振動(dòng)車削技術(shù)的刀具設(shè)計(jì)，要求刀尖圓弧半徑R 要小于0.8mm 的切刀樣，刀具的振動(dòng)幅值要控制在10～25μm 以上。因?yàn)槌曊駝?dòng)切削通過高頻機(jī)械振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)切削過程，并降低切削力，以獲得良好的工藝效果，那么振動(dòng)刀具的設(shè)計(jì)選用就顯得尤為重要了。

3.4 超聲振動(dòng)切削系統(tǒng)的組成

超聲振動(dòng)加工技術(shù)主要由超聲電源，換能器、變幅桿以及定位刀架及刀具組成。

4 切削參數(shù)

（1）車床主軸轉(zhuǎn)速：臨界切削速度公式V≦2πfa（V－切削速度、f－振動(dòng)頻率、a－振幅）轉(zhuǎn)速N≦V/πD(D－零件加工部分最大直徑)

（2）吃刀量：b=0.1－0.5。

（3）走刀量F：計(jì)算殘留高度h 小余0.006mm（粗糙度值）時(shí)的F 值。

5 切削效果圖

6 結(jié)論

對(duì)于細(xì)長(zhǎng)軸的切削加工加工，采用超聲振動(dòng)切削加工技術(shù)，對(duì)刀具和切削參數(shù)進(jìn)行合理的計(jì)算設(shè)計(jì)，就可以獲得更好的加工性能。超聲振動(dòng)加工技術(shù)可以勝任對(duì)于普通加工來說是復(fù)雜的，困難的，甚至無法解決的問題，由于超聲振動(dòng)加工技術(shù)效果十分顯著，是目前先進(jìn)的加工技術(shù)之一，有著廣闊的應(yīng)用前景。

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