振动切削技术的切削机理及发展趋势的研究

振动切削技术的切削机理及发展趋势的研究王飞机械电子专业学号：20094229029摘要：振动切削是近年来发展起来的一种新型切削加工技术，它能获得普通切削无法比拟的工艺效果。是现代切削技术的一个重要发展方向。文中对振动切削技术的切削机理及特点进行了阐述，介绍了近年来振动切削的最新研究应用状况及存在的问题，并对今后研究的发展方向进行了展望。关键词：振动切削；切削机理；ThecuttingmechanismofVibratorycuttingtechnologyAnditsdevelopmenttrendsAbstract:Vibratorycuttingisanewmetalmachiningprocessandtheory,whichhasbeendevelopedonlyrecently,Ithasmanyadwantagesthatconventionalmetalcuttingcannotattain.Itisconsideredoneofthemostimportanttrendsofmodernmetalmachiningtechnology.Inthispaper,thecuttingmechanismandthefeatureofthevibratorycuttingaresummarized,andtheneweststateofapplicationandresearchworkareintroduced,theexistingproblemsarealsopointedout.Moreover,thetheoreticalstudyanditsdevelopmenttrendsareforeseenaswell.Keywords:vibrationmachining;cuttingmechanism;1引言随着科学技术和工业生产的不断发展，对各种精密机械零件的加工精度和表面质量的要求越来越高；特别是随着机械制造业的日益发展，对一些日益广泛采用的有着高效、高精、高难度加工需求的各种难加工材料的加工，再利用传统切削加工方法已很难满足，有时甚至无法加工，比如不锈钢．耐热钢及钛合金等。而振动切削技术就以其切削力小、切削热降低、工件表面质量提高、精度提高、切屑处理容易、刀具耐用度提高等优点，可以获得普通切削无法比拟的工艺效果，特别是在难加工材料的加工和普通材料的难加工工序的加工等领域，解决了许多关键性的工艺问题，并取得了良好效果[1]。图1振动切削过程示意图[2]2振动切削技术的切削机理振动切削是一种特种切削加工方法，振动切削是指在切削过程中给刀具(工件)加上某种有规律的、可控的振动，从而改变加工(切削)机理的切削方法，是一种脉冲切削方法。振动切削的核心技术是振动器、电源和振动切削工艺[1]。振动切削的分类如图2[3]。图2振动切削的分类在振动切削中，并没有利用刀具振动的整个周期，而只是在极短的一瞬间进行切削。现以切削方向的振动切削为例加以分析。图3为切削方向振动切削示意图。图3中，刀具以振幅a、振动频率沿f图3切削方向振动切削示意图切削方向振动；工件以切削速度v向着刀具方向移动。如果工件的切削速度v和刀具的振动运动之间满足afv2，那么就可以使刀具从切削区时切离时，从而形成脉冲切削。图中:t1和t2分别为刀具切入、切出金属材料的时间;t3为相邻下一周期刀具的切入时间。那么，刀具在一个振动周期内的净切削时间为tc。若以工件作为参照物，刀具从A点开始切削工件，经B和C点，到D点完成了一个振动周期。根据不同阶段的加工特点，我们可以把整个周期分为3个阶段:⑴切削阶段。如图中的AB段所示，此阶段刀具进入切削区，对工件进行切削，实际切削长度为Lt(周期净切削量)。⑵刀-屑分离阶段。如图中BC段所示，在此阶段，刀具停止对金属材料的切削加工，并自B点开始从切削区分离，到C点完成整个分离过程，刀-屑分离的实际距离为周期分离量LG。⑶再切削阶段。如图中CD段所示，该阶段是刀具重新回到切削区的过程，从而为下一周期的实际切削加工做准备。至此，刀具完成一个周期的振动切削加工，开始下一周期的实际切削过程(DE段)。刀具与工件之间就这样反复切削、分离，形成振动切削特有的脉冲式间断切削[3]。3振动切削技术的特点（1）振动切削时摩擦系数减小，剪切角明显增大，切削液的作用得到充分发挥，切削力减小的机理。如图4所示,振动切削中,刀具在振动源的驱动下周期性接触工件、离开工件,交变力的出现,使刀具和切屑间的冷焊效果减弱,刀具和切屑间的摩擦由内摩擦向外摩擦转变。通过大量的实验研究表明刀具和切屑间的摩擦系数只为传统切削的1/10,且十分接近有润滑剂条件下的滑动摩擦系数。从表1可看出振动切削时摩擦系数大大减少。图4从瞬时摄影看到的振动表1超声切削振动与传统切削的摸彩系数在振动切削中,由于刀具冲击被切材料,使工件加工表面材料产生的裂纹深度比实际切削长度大的多,使刀具前方产生裂纹形成偏角,使实际剪切角成,如图5所示,所以振动切削中剪切角明显增大,从而提高切削效率。图5振动切削时剪切角的变化超声振动切削时,空化作用在切削液中的作用很明显,所谓空化作用是指由于液体微粒的剧烈振动,会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合,使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用,从而产生很大的压强。微粒间这种剧烈的相互作用,会使液体的温度骤然升高,起到很好的搅拌作用,从而使2种不相溶的液体(如水和油)发生乳化,且加速溶质的溶解,加速化学反应。切削液获得了很大的能量更容易进入切削区,从而切削液的作用得到充分发挥。振动切削是一个在极短时间内完成的微量切削过程。对于高频振动切削,在切削循环过程中,刀具在很小的位移上得到很大的瞬时速度和加速度,在局部产生很高的能量,有助于塑性金属趋向脆性状态,塑性变形减小,摩擦系数降低;同时,振动切削时剪切角有明显增大的趋势,且切削液的空化作用使得切削过程更容易进行,从而与普通切削相比振动切削降低了切削力。（2）振动切削时切削温度明显降低的机理。振动切削时,由于刀具与切屑之间摩擦系数明显减小,切削力大大降低,且振动切削只是在很短的时间内才进行有效切削,而刀具在这样短的时间内很难生成大量的切削热,且相对散热时间又长,另外又充分利用了切削液的作用,所以导致振动切削的温度很低。（3）振动切削时加工精度和表面质量提高，耐腐性和耐蚀性均得到提高的机理。振动切削减小或消除了切削振动,使加工精度和表面质量明显提高。振动切削的实际切削时间短,远远小于刀具或工件振动的过渡时间,刀具在切削工件时,还没有来得及振动,就已经与工件发生分离,这就是振动切削能减小甚至消除振动的原因，振动切削实验证明,无论高频还是低频振动切削,只要参数选择合适,就能有效地减轻工艺系统的振动,从而提高加工精度和表面质量。振动切削的残余应力非常小，且加工变质层也较浅，只在刃口附近集中很小量的加工变形，工作表面的金属组织变化很小，具有与工件内部几乎相当的组织。因此，其耐腐性、耐蚀性均得到提高。（4）振动切削时减少或消除了切削加工中的自激振动，减少刀具磨损，延长刀具寿命的机理。恰当的采用振动切削，可以减少或消除机器本身的自激振动，达到消振作用，起到“以振抑振”的效果振动切削由于切削阻力小，切削温度低，其综合作用的结果使刀具磨损减少、寿命延长。当振动方向、振动参数和切削用量选择合适时，一般可使工具寿命提高几倍到几十倍，对难加工材料、难加工工序其效果更好。实验表明，在一定的切削条件下硬质合金刀具振切淬硬钢时，刀具寿命可达实用水平；钻削时可使钻头寿命延长17倍，中心钻延长3倍以上[4]。（5）振动切削时切屑处理容易的机理。随着切削加工技术不断向高效、高精、自动化等方向发展，以及环保意识的加强，切屑处理问题也越来越受到关注。采用振动切削，切屑非常易于处理，切屑形状和大小可控，具有不缠绕工件、温度低、排屑顺、易清理等优点。如微小深孔的加工，由于切削空间小，刀具的刚性差、强度低，因而切屑排出困难，用普通钻削方法几乎无法加工，而采用轴向振动钻削工艺后，就可避免切屑堵塞现象，可实现可靠断屑排屑[1]。4振动切削技术的应用及发展状况[2]4.1振动切削技术的应用情况振动切削技术是在研究切削加工本质基础上发展起来的一种精密加工方法，弥补了普通切削的某些不足，有相当重要的实用价值，在一些应用领域尤其显示了其独特的优越性，主要有以下几方面：(1)难加工材料的加工。如高温合金、钛合金、高强钢等高强度材料的加工；石英玻璃、陶瓷、磁性材料等脆性材料的加工；金属基、树脂基、陶瓷基等复合材料的加工。(2)难加工结构的加工。如薄壁筒、细长杆等弱刚度零件的加工；微腔体、微肋、微梁等微小零件的加工；微孔、斜孔、深孔、窄深槽等易断刀结构的加工，以及零件理想棱边等。(3)零件表面完整化的加工。零件加工表面完整性指的是零件经过机械加工后表面层的机械物理性能、金相组织等均能满足使用要求，并确保具有一定的使用寿命。振动切削在零件表面完整化的加工中可以取得比传统切削更良好的工艺效果，如振动去毛刺、锐边和倒角等理想棱边的加工等。(4)排屑断屑比较困难的切削加工。如钻孔、铰孔、攻丝、剖断、锯切和拉削等切削加工时，切屑往往处于半封闭或封闭状态，常因排屑断屑困难而降低切削用量，这时如果采用振动切削则可以比较顺利地解决排屑断屑问题，从而保证加工质量和提高生产效率。4.2振动切削技术存在的问题（1）人们对振动加工的微观机理的解释尚缺乏科学的定量描述，试验研究已经较为广泛，但理论却相对滞后；（2）超声振动系统功率相对偏低，超声电源设备、切削装置和测试系统的系列化、商品化程度不够，一定程度影响了其应用和推广；（3）如何将振动有效地传递到材料的塑性变形区，其中包括寻求更合理的激振方式和设计最佳振动传输系统；（4）机器在振动下疲劳损坏问题，以及振动对环境的污染问题等。4.3未来发展趋势(1)对振动切削理论的深入研究。当前和今后的一个时期对振动切削机理的研究将主要集中在振动切削状态下工件上多余金属是如何与工件相分离并形成屑的；振动切削中刀具与工件相互作用的力学分析；振动切削机理的微观研究及数学描述；效率更高的试验及实用振动切削系统。(2)从试验性研究开始转向实际生产应用研究。实用的大功率振动切削系统期待能早日问世，目前为止，输出功率为4KW的振动切削系统已经研究出来并投产使用。(3)实用的低频振动加工将得到发展。现有的不尽完整的试验结果表明，低频振动加工有时可以达到与超声振动加工相似的结果，但低频振动加工往往需要较好的隔振措施，噪声污染相对较大。(4)研制和采用新的刀具材料。在振动切削中，除了选用合适的刀具参数外，人们将更多的注意力转移为对刀具材料的开发和使用上，其中天然金刚石、人造金刚石和超细晶粒的硬质合金材料的研究和应用为主要方向。(5)迅速向其他领域渗透和扩展。由振动车削、振动钻削、攻丝等扩展到振动珩磨、抛光、刨削、磨削、拉削和研磨等机械加工中，并迅速向其他领域渗透，比如在医疗机械方面就应用了超声振动原理成功研制了超声振动手术刀等。（6）实现振动切削的自动化和智能化。由于振动切削是一种先进的加工工艺，振动参数对工件加工质量的影响非常大，而且要根据不同的加工对象，不同的材质做相应的变化，因此靠以往的切削设备不能实现这一目标，必须增加能进行改变振动参数的自动控制系统，充分实现振动切削的自动化和智能化。振动切削的最终目的是适应新型材料的出现，优化切削过程，全面提高工件加工质量；而受实验设备等客观因素的限制不可能在实验中大幅度地随意改变参数；因此用计算机仿真来全方位地分析和优化切削过程是必须的，这就要求在以往认识的基础上，根据振动理论、切削理论、控制理论、计算机图形学等对系统进行形象的描述并构造振动切削的仿真模型，实现对振动切削的动态仿真。5结论通过以上研究分析可得出振动切削特点的因果关系框图如图6[4]所示。图6振动切削特点的因果关系框图由于振动切削的这些特点，使它可以代替磨削，对高速钢、淬硬钢进行切削，可以实现精密微量切削;可以对硬脆材料例如陶瓷、玻