新型加工工藝

梁艷娟

[摘要]隨著尖端科學技術(shù)的發(fā)展，越來越多的產(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、甚至根本無法實現(xiàn)這類零件的加工，必須積極探索采用新的加工工藝來解決傳統(tǒng)工藝無法解決的問題。本文重點對超聲振動切削技術(shù)這一新型加工藝進行研究。

[關(guān)鍵詞]超聲振動切削 新型加工 工藝

前言

隨著時代的飛速發(fā)展，越來越多的尖端科技產(chǎn)品為滿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)計的零件不僅形狀越來越復(fù)雜，各種技術(shù)要求也愈來愈嚴格，所使用的材料也越來越難加工。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、高強度、高韌性的金屬加工問題;高脆性非金屬的加工問題;具有特殊截面型孔的各種特殊復(fù)雜表面的沖壓模、冷拔模的加工問題;以及具有特殊要求的零件的超精、光整加工問題等等，傳統(tǒng)的切削加工方法已經(jīng)很難勝任，甚至根本無法實現(xiàn)這類零件的加工。如何解決這類尖端產(chǎn)品的加工問題？超聲振動切削加工就是在這樣一種情形之下應(yīng)運而生的新的加工工藝。積極探索并采用新型加工工藝來解決傳統(tǒng)工藝無法解決的問題是擺在我們面前的新課題，

1.超聲振動切削加工的概況

超聲振動切削是使刀具以20-50KHz的頻率、沿切削方向高速振動的一種特種切削技術(shù)。這種20世紀60年代發(fā)展起來的先進制造技術(shù)通過在常規(guī)的切削刀具上施加高頻振動，使刀具與工件發(fā)生間斷性的接觸，從而導致傳統(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，因而越來越引起人們的重視。

超聲振動切削從微觀上看是一種脈沖切削。其在一個振動周期中，大于80%的時間里刀具與工件、切屑完全分離，刀具的有效切削時間很短，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，且不會產(chǎn)生積屑瘤。

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

在切削加工領(lǐng)域，提高加工精度方法很多，其中一個非常重要的研究方向在于：努力減小切削過程中的切削力和切削熱。超聲振動切削技術(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題。為了推廣應(yīng)用這項新技術(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“難加工材料薄壁零件的振動切削”進行了技術(shù)研究，主要研究成果和特點是對振動切削機理進行了較全面的分析和研究，如：

①對普通切削與振動切削進行了對比分析;

②對振動切削過程中的特點進行了分析;

③針對切削刃的運動機理、振動切削時工件的動態(tài)變化、不敏感性振動切削機理、超聲振動切削特點及原因分析、超聲振切時切削液的潤滑與冷卻作用機理進行了分析。

振動切削的實質(zhì)就是在傳統(tǒng)的切削過程中給刀具或工件附加某種有規(guī)律的振動，使切削速度、進給量、切削深度按一定規(guī)律變化。振動切削改變了工件與刀具之間的時間與空間的分配，從而改變了切削加工機理，達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.超聲振動切削和傳統(tǒng)切削加工的區(qū)別

振動切削是最近一、二十年來迅速發(fā)展起來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?shù)姆较蛏辖o刀具（或零件）一定的頻率與振幅，使其進行振動切削來改善它切削加工效果的一種加工方法。

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

振動切削加工的實質(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，使切削速度、進給量和切削深度按一定的規(guī)律進行變化。由于切削速度的改變以及加速度的出現(xiàn)，使得振動切削具有很多優(yōu)點，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。超聲波振動切削加工作為一種新型的先進的特種加工技術(shù)，國內(nèi)外很多學者對其產(chǎn)生了廣泛的興趣。

自上世紀70年代以后，各國在超聲振動車削、鉆削、磨削加工等方面的研究都有了較大的發(fā)展，機械加工的首要任務(wù)，就在于保證零件在幾何方面的質(zhì)量要求。隨著對產(chǎn)品性能要求的不斷提高，對零件加工精度的要求也就不斷提高。零件的加工精度對其使用性能如密封性、軸的回轉(zhuǎn)精度等有很大影響，對振切加工的推廣應(yīng)用有著重要的意義。

3.超聲振動切削的發(fā)展及應(yīng)用領(lǐng)域

超聲振動切削加工技術(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，自從其問世以來受到了各國的普遍重視，并積極地對其進行了開發(fā)研究工作。在超聲振動切削理論方面，從研究的深度、廣度以及實際應(yīng)用效果來看，日本處于國際領(lǐng)先地位。針對超聲振動切削硬金屬的問題，就刀具的圓角半徑對其使用壽命和振動切削系統(tǒng)穩(wěn)性的影響進行了研究分析，指出與普通切削加工相比，超聲振動切削即使使用較大的刀具前角，也不會產(chǎn)生顫振，同時還可以延長刀具的使用壽命，此外，還指出超聲振動切削加工具有抑制振顫的作用。在超聲振動切削研究的基礎(chǔ)上，日本研究人員于上世紀90年代提出了超聲波橢圓振動切削技術(shù)，它的基本原理是在普通超聲振動切削的基礎(chǔ)上，于切屑流出方向上增加一個正弦振動，兩個正交的正弦振動就可以合成一個刀具的橢圓切削運動，從而實現(xiàn)對工件進行橢圓軌跡的振動切削。實驗表明，超聲波橢圓振動切削突破了普通超聲振動切削臨界速度的限制，加強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，提高了切削過程中潤滑和冷卻效率。這一新技術(shù)解決了超聲振動切削中刀具的崩刃破損問題，并成功地將超聲橢圓振動切削技術(shù)應(yīng)用于超精密加工領(lǐng)域。

4.超聲振動切削加工的特點

優(yōu)點：

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

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;

主要取決于所用機床精度，所加工工件形位公差幾乎可接近機床相關(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，超聲振動切削可使零件已加工表面的疲勞強度、耐磨性、耐腐蝕性提高。

⑦加工過程穩(wěn)定，能有效消除顫振;

⑧切削液的作用得到充分發(fā)揮、潤滑作用提高;

超聲波振動切削時會在切削液內(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入切削區(qū)，從而提高了切削液的效果。沒有切削液時空氣冷卻，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：

雖然超聲振動切削加工優(yōu)勢明顯，但超聲振動切削技術(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，后刀面與已加工表面會產(chǎn)生一定的摩擦和撞擊，嚴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程中受到一個隨超聲振動不斷變化的交變應(yīng)力的影響。這些缺點較大程度地限制了超聲振動切削技術(shù)在精密加工領(lǐng)域的應(yīng)用。

4.超聲振動切削加工的實際應(yīng)用

由于切削速度的變化和加速度的出現(xiàn)，使得振動切削具有許多優(yōu)點，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，對我國機械制造業(yè)加工水平的提高以及新產(chǎn)品的開發(fā)具有重要意義。

超聲振動切削加工尤其是超聲波橢圓振動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，它改變了以往通過提高切削速度和刀具的鋒利化程度來降低切削力的極限，同時還可以提高弱剛度零件的形狀精度、增強工件系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及降低刀具磨損等，這些優(yōu)點逐漸拓寬了超聲橢圓振動切削在精密及其超精密切削領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，特別是實現(xiàn)了天然金剛石刀具對于黑色金屬的超聲波橢圓振動切削。

由于超聲振動切削具有很多普通切削加工難以實現(xiàn)的優(yōu)點，所以這類新型加工可廣泛應(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型的輪廓曲面及內(nèi)外球面、過度圓弧、錐面等

④.細長桿件及薄壁件車削加工

⑤.超細直徑零件車削加工

⑥.超精密加工

5.結(jié)束語

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