振動切削技術(shù)的切削機(jī)理及發(fā)展趨勢的研究

1、振動切削削技術(shù)的的切削機(jī)理理及發(fā)展展趨勢的的研究王飛機(jī)械械電子專專業(yè)學(xué)號號：200094422990299摘要：振振動切削削是近年年來發(fā)展展起來的的一種新新型切削削加工技技術(shù)，它它能獲得得普通切切削無法法比擬的的工藝效效果。是是現(xiàn)代切切削技術(shù)術(shù)的一個個重要發(fā)發(fā)展方向向。文中中對振動動切削技技術(shù)的切切削機(jī)理理及特點(diǎn)點(diǎn)進(jìn)行了了闡述，介介紹了近近年來振振動切削削的最新新研究應(yīng)應(yīng)用狀況況及存在在的問題題，并對對今后研研究的發(fā)發(fā)展方向向進(jìn)行了了展望。關(guān)鍵詞：振動切切削；切削機(jī)理理；The cutttinng mmechhaniism of Vibbrattoryy cuuttiing tecchnool

2、oggyAnd itss deevellopmmentt trrenddsAbsttracct: Vibbrattoryy cuuttiing is a nnew mettal macchinningg prroceess andd thheorry,wwhicch hhas beeen ddeveelopped onlly rreceentlly,IIt hhas manny aadwaantaagess thhat connvenntioonall meetall cuuttiing cann noot aattaain. Itt iss coonsiiderred onee off th

3、he mmostt immporrtannt ttrennds of moddernn meetall maachiininng ttechhnollogyy. IIn tthiss paaperr, tthe cutttingg meechaanissm aand thee feeatuure of tthe vibbrattoryy cuuttiing aree suummaarizzed,andd thhe nneweest staate of apppliccatiion andd reeseaarchh woork aree inntrooducced, thhe eexisstin

4、ng pprobblemms aare alsso ppoinntedd ouut. Morreovver, thhe ttheooretticaal sstuddy aand itss deevellopmmentt trrendds aare forreseeen as welll.Keywwordds: vibbrattionn maachiininng;cutttingg meechaanissm;1 引 言隨著科學(xué)學(xué)技術(shù)和和工業(yè)生生產(chǎn)的不不斷發(fā)展展，對各各種精密密機(jī)械零零件的加加工精度度和表面面質(zhì)量的的要求越越來越高高；特別別是隨著著機(jī)械制制造業(yè)的的日益發(fā)發(fā)展，對對一些日日益廣泛泛采

5、用的的有著高高效、高高精、高高難度加加工需求求的各種種難加工工材料的的加工，再利用用傳統(tǒng)切切削加工工方法已已很難滿滿足，有有時甚至至無法加加工，比比如不銹銹鋼耐熱鋼鋼及鈦合合金等。而振動動切削技技術(shù)就以以其切削削力小、切削熱熱降低、工件表表面質(zhì)量量提高、精度提提高、切切屑處理理容易、刀具耐耐用度提提高等優(yōu)優(yōu)點(diǎn)，可可以獲得得普通切切削無法法比擬的的工藝效效果，特特別是在在難加工工材料的的加工和和普通材材料的難難加工工工序的加加工等領(lǐng)領(lǐng)域，解解決了許許多關(guān)鍵鍵性的工工藝問題題，并取取得了良良好效果果1。圖1振動動切削過過程示意意圖222振動切切削技術(shù)術(shù)的切削削機(jī)理振動切削削是一種種特種切切削加工工

6、方法，振動切切削是指指在切削削過程中中給刀具具(工件)加上某某種有規(guī)規(guī)律的、可控的的振動，從而改改變加工工(切削)機(jī)理的的切削方方法，是是一種脈脈沖切削削方法。振動切切削的核核心技術(shù)術(shù)是振動動器、電電源和振振動切削削工藝1。振動切切削的分分類如圖圖23。圖2 振動動切削的的分類在振動切切削中，并沒有有利用刀刀具振動動的整個個周期，而只是是在極短短的一瞬瞬間進(jìn)行行切削。現(xiàn)以切切削方向向的振動動切削為為例加以以分析。圖3為切削削方向振振動切削削示意圖圖。圖33中，刀刀具以振振幅a、振動動頻率沿沿f圖3 切削削方向振振動切削削示意圖圖切削方向向振動；工件以以切削速速度向著著刀具方方向移動動。如果果工

7、件的的切削速速度和刀刀具的振振動運(yùn)動動之間滿滿足，那那么就可可以使刀刀具從切切削區(qū)時時切離時，從從而形成成脈沖切切削。圖圖中:t1和t2分別為為刀具切切入、切切出金屬屬材料的的時間;t3為相鄰鄰下一周周期刀具具的切入入時間。那么，刀具在在一個振振動周期期內(nèi)的凈凈切削時時間為ttc。若以以工件作作為參照照物，刀刀具從AA點(diǎn)開始始切削工工件，經(jīng)經(jīng)B和CC點(diǎn)，到到D點(diǎn)完完成了一一個振動動周期。根據(jù)不不同階段段的加工工特點(diǎn)，我們可可以把整整個周期期分為33個階段段:切削階階段。如如圖中的的AB段段所示，此階段段刀具進(jìn)進(jìn)入切削削區(qū)，對對工件進(jìn)進(jìn)行切削削，實(shí)際際切削長長度為LLt(周期期凈切削削量)。刀-

8、屑屑分離階階段。如如圖中BBC段所所示，在在此階段段，刀具具停止對對金屬材材料的切切削加工工，并自自B點(diǎn)開開始從切切削區(qū)分分離，到到C點(diǎn)完完成整個個分離過過程，刀刀-屑分分離的實(shí)實(shí)際距離離為周期期分離量量LG。再切削削階段。如圖中中CD段段所示，該階段段是刀具具重新回回到切削削區(qū)的過過程，從從而為下下一周期期的實(shí)際際切削加加工做準(zhǔn)準(zhǔn)備。至至此，刀刀具完成成一個周周期的振振動切削削加工，開始下下一周期期的實(shí)際際切削過過程(DDE段)。刀具具與工件件之間就就這樣反反復(fù)切削削、分離離，形成成振動切切削特有有的脈沖沖式間斷斷切削3。3 振振動切削削技術(shù)的特特點(diǎn)（1）振振動切削削時摩擦擦系數(shù)減減小，剪剪

9、切角明明顯增大大，切削液液的作用用得到充充分發(fā)揮揮，切削力力減小的的機(jī)理。如圖4所示,振動切切削中,刀具在在振動源源的驅(qū)動動下周期期性接觸觸工件、離開工工件,交交變力的的出現(xiàn),使刀具具和切屑屑間的冷冷焊效果果減弱,刀具和和切屑間間的摩擦擦由內(nèi)摩摩擦向外外摩擦轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變。通通過大量量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)研究表表明刀具具和切屑屑間的摩摩擦系數(shù)數(shù)只為傳傳統(tǒng)切削削的1/10,且十分分接近有有潤滑劑劑條件下下的滑動動摩擦系系數(shù)。從從表1可可看出振振動切削削時摩擦擦系數(shù)大大大減少少。圖4 從從瞬時攝攝影看到到的振動動 表表1 超超聲切削削振動與與傳統(tǒng)切切削的摸摸彩系數(shù)數(shù)在振動切切削中,由于刀刀具沖擊擊被切材材料,使使工件

10、加加工表面面材料產(chǎn)產(chǎn)生的裂裂紋深度度比實(shí)際際切削長長度大的的多,使使刀具前前方產(chǎn)生生裂紋形形成偏角角,使實(shí)實(shí)際剪切切角成,如圖55所示,所以振動動切削中中剪切角角明顯增增大,從從而提高高切削效效率。圖5 振動切切削時剪剪切角的的變化超聲振動動切削時時,空化化作用在在切削液液中的作作用很明明顯,所所謂空化化作用是是指由于于液體微微粒的劇劇烈振動動,會在在液體內(nèi)內(nèi)部產(chǎn)生生小空洞洞。這些些小空洞洞迅速脹脹大和閉閉合,使使液體微微粒之間間發(fā)生猛猛烈的撞撞擊作用用,從而而產(chǎn)生很很大的壓壓強(qiáng)。微微粒間這這種劇烈烈的相互互作用,會使液液體的溫溫度驟然然升高,起到很很好的攪攪拌作用用,從而而使2種種不相溶溶的

11、液體體(如水水和油)發(fā)生乳乳化,且且加速溶溶質(zhì)的溶溶解,加加速化學(xué)學(xué)反應(yīng)。切削液液獲得了了很大的的能量更更容易進(jìn)進(jìn)入切削削區(qū),從從而切削削液的作作用得到到充分發(fā)發(fā)揮。振動切削削是一個個在極短短時間內(nèi)內(nèi)完成的的微量切切削過程程。對于于高頻振振動切削削,在切切削循環(huán)環(huán)過程中中,刀具具在很小小的位移移上得到到很大的的瞬時速速度和加加速度,在局部部產(chǎn)生很很高的能能量,有有助于塑塑性金屬屬趨向脆脆性狀態(tài)態(tài),塑性性變形減減小,摩摩擦系數(shù)數(shù)降低;同時,振動切切削時剪剪切角有有明顯增增大的趨趨勢,且且切削液液的空化化作用使使得切削削過程更更容易進(jìn)進(jìn)行,從從而與普普通切削削相比振振動切削削降低了了切削力力。（2

12、） 振動切切削時切削溫溫度明顯顯降低的的機(jī)理。振動切切削時,由于刀刀具與切切屑之間間摩擦系系數(shù)明顯顯減小,切削力力大大降降低,且且振動切切削只是是在很短短的時間間內(nèi)才進(jìn)進(jìn)行有效效切削,而刀具具在這樣樣短的時時間內(nèi)很很難生成成大量的的切削熱熱,且相相對散熱熱時間又又長,另另外又充充分利用用了切削削液的作作用,所所以導(dǎo)致致振動切切削的溫溫度很低低。（3）振振動切削削時加工工精度和和表面質(zhì)質(zhì)量提高高，耐腐腐性和耐耐蝕性均均得到提提高的機(jī)機(jī)理。振動切切削減小小或消除除了切削削振動,使加工工精度和和表面質(zhì)質(zhì)量明顯顯提高。振動切切削的實(shí)實(shí)際切削削時間短短,遠(yuǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于刀刀具或工工件振動動的過渡渡時間,刀具在

13、在切削工工件時,還沒有有來得及及振動,就已經(jīng)經(jīng)與工件件發(fā)生分分離,這這就是振振動切削削能減小小甚至消消除振動動的原因因，振動切切削實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證明,無論高高頻還是是低頻振振動切削削,只要要參數(shù)選選擇合適適,就能能有效地地減輕工工藝系統(tǒng)統(tǒng)的振動動,從而而提高加加工精度度和表面面質(zhì)量。振動切削削的殘余余應(yīng)力非非常小，且加工工變質(zhì)層層也較淺淺，只在在刃口附附近集中中很小量量的加工工變形，工作表表面的金金屬組織織變化很很小，具具有與工工件內(nèi)部部幾乎相相當(dāng)?shù)慕M組織。因因此，其其耐腐性性、耐蝕蝕性均得得到提高高。（4）振振動切削削時減少少或消除除了切削加加工中的的自激振振動，減少刀刀具磨損損，延長長刀具壽壽命的

14、機(jī)機(jī)理。恰當(dāng)?shù)牡牟捎谜裾駝忧邢飨?，可以以減少或或消除機(jī)機(jī)器本身身的自激激振動，達(dá)到消消振作用用，起到到“以振抑抑振”的效果果振動切削削由于切切削阻力力小，切切削溫度度低，其其綜合作作用的結(jié)結(jié)果使刀刀具磨損損減少、壽命延延長。當(dāng)當(dāng)振動方方向、振振動參數(shù)數(shù)和切削削用量選選擇合適適時，一一般可使使工具壽壽命提高高幾倍到到幾十倍倍，對難難加工材材料、難難加工工工序其效效果更好好。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)表明，在一定定的切削削條件下下硬質(zhì)合合金刀具具振切淬淬硬鋼時時，刀具具壽命可可達(dá)實(shí)用用水平；鉆削時時可使鉆鉆頭壽命命延長117倍，中心鉆鉆延長33倍以上上4。（5）振振動切削削時切屑屑處理容容易的機(jī)機(jī)理。隨著切切削加工工

15、技術(shù)不不斷向高高效、高高精、自自動化等等方向發(fā)發(fā)展，以以及環(huán)保保意識的的加強(qiáng)，切屑處處理問題題也越來來越受到到關(guān)注。采用振振動切削削，切屑屑非常易易于處理理，切屑屑形狀和和大小可可控，具具有不纏纏繞工件件、溫度度低、排排屑順、易清理理等優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)。如微微小深孔孔的加工工，由于于切削空空間小，刀具的的剛性差差、強(qiáng)度度低，因因而切屑屑排出困困難，用用普通鉆鉆削方法法幾乎無無法加工工，而采采用軸向向振動鉆鉆削工藝藝后，就就可避免免切屑堵堵塞現(xiàn)象象，可實(shí)實(shí)現(xiàn)可靠靠斷屑排排屑11。4 振動切切削技術(shù)術(shù)的應(yīng)用用及發(fā)展展?fàn)顩r2振動切削削技術(shù)的的應(yīng)用情情況振動切削削技術(shù)是是在研究究切削加加工本質(zhì)質(zhì)基礎(chǔ)上上發(fā)展起起

16、來的一一種精密密加工方方法，彌彌補(bǔ)了普普通切削削的某些些不足，有相當(dāng)當(dāng)重要的的實(shí)用價價值，在在一些應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域域尤其顯顯示了其其獨(dú)特的的優(yōu)越性性，主要要有以下下幾方面面：(1)難難加工材材料的加加工。如高溫溫合金、鈦合金金、高強(qiáng)強(qiáng)鋼等高高強(qiáng)度材材料的加加工；石石英玻璃璃、陶瓷瓷、磁性性材料等等脆性材材料的加加工；金金屬基、樹脂基基、陶瓷瓷基等復(fù)復(fù)合材料料的加工工。(2)難難加工結(jié)結(jié)構(gòu)的加加工。如薄壁壁筒、細(xì)細(xì)長桿等等弱剛度度零件的的加工；微腔體體、微肋肋、微梁梁等微小小零件的的加工；微孔、斜孔、深孔、窄深槽槽等易斷斷刀結(jié)構(gòu)構(gòu)的加工工，以及及零件理理想棱邊邊等。(3)零零件表面面完整化化的加工工。

17、零件加加工表面面完整性性指的是是零件經(jīng)經(jīng)過機(jī)械械加工后后表面層層的機(jī)械械物理性性能、金金相組織織等均能能滿足使使用要求求，并確確保具有有一定的的使用壽壽命。振振動切削削在零件件表面完完整化的的加工中中可以取取得比傳傳統(tǒng)切削削更良好好的工藝藝效果，如振動動去毛刺刺、銳邊邊和倒角角等理想想棱邊的的加工等等。(4)排排屑斷屑屑比較困困難的切切削加工工。如鉆孔孔、鉸孔孔、攻絲絲、剖斷斷、鋸切切和拉削削等切削削加工時時，切屑屑往往處處于半封封閉或封封閉狀態(tài)態(tài)，常因因排屑斷斷屑困難難而降低低切削用用量，這這時如果果采用振振動切削削則可以以比較順順利地解解決排屑屑斷屑問問題，從從而保證證加工質(zhì)質(zhì)量和提提高生

18、產(chǎn)產(chǎn)效率。4.2 振動動切削技技術(shù)存在在的問題題（1）人人們對振振動加工工的微觀觀機(jī)理的的解釋尚尚缺乏科科學(xué)的定定量描述述，試驗(yàn)驗(yàn)研究已已經(jīng)較為為廣泛，但理論論卻相對對滯后；（2）超超聲振動動系統(tǒng)功功率相對對偏低，超聲電電源設(shè)備備、切削削裝置和和測試系系統(tǒng)的系系列化、商品化化程度不不夠，一一定程度度影響了了其應(yīng)用用和推廣廣；（3）如如何將振振動有效效地傳遞遞到材料料的塑性性變形區(qū)區(qū)，其中中包括尋尋求更合合理的激激振方式式和設(shè)計計最佳振振動傳輸輸系統(tǒng)；（4）機(jī)機(jī)器在振振動下疲疲勞損壞壞問題，以及振振動對環(huán)環(huán)境的污污染問題題等。4.3未未來發(fā)展展趨勢(1)對對振動切切削理論論的深入入研究。當(dāng)前和和

19、今后的的一個時時期對振振動切削削機(jī)理的的研究將將主要集集中在振振動切削削狀態(tài)下下工件上上多余金金屬是如如何與工工件相分分離并形形成屑的的；振動動切削中中刀具與與工件相相互作用用的力學(xué)學(xué)分析；振動切切削機(jī)理理的微觀觀研究及及數(shù)學(xué)描描述；效效率更高高的試驗(yàn)驗(yàn)及實(shí)用用振動切切削系統(tǒng)統(tǒng)。(2)從從試驗(yàn)性性研究開開始轉(zhuǎn)向向?qū)嶋H生生產(chǎn)應(yīng)用用研究。實(shí)用的的大功率率振動切切削系統(tǒng)統(tǒng)期待能能早日問問世，目目前為止止，輸出出功率為為4 KWW的振動動切削系系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)研究出出來并投投產(chǎn)使用用。(3)實(shí)實(shí)用的低低頻振動動加工將將得到發(fā)發(fā)展?，F(xiàn)有的不不盡完整整的試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果表表明，低低頻振動動加工有有時可以以達(dá)到與與超聲

20、振振動加工工相似的的結(jié)果，但低頻頻振動加加工往往往需要較較好的隔隔振措施施，噪聲聲污染相相對較大大。(4)研研制和采采用新的的刀具材材料。在在振動切切削中，除了選選用合適適的刀具具參數(shù)外外，人們們將更多多的注意意力轉(zhuǎn)移移為對刀刀具材料料的開發(fā)發(fā)和使用用上，其其中天然然金剛石石、人造造金剛石石和超細(xì)細(xì)晶粒的的硬質(zhì)合合金材料料的研究究和應(yīng)用用為主要要方向。(5)迅迅速向其其他領(lǐng)域域滲透和和擴(kuò)展。由振動動車削、振動鉆鉆削、攻攻絲等擴(kuò)擴(kuò)展到振振動珩磨磨、拋光、刨削削、磨削削、拉削削和研磨磨等機(jī)械械加工中中，并迅迅速向其其他領(lǐng)域域滲透，比如在在醫(yī)療機(jī)機(jī)械方面面就應(yīng)用用了超聲聲振動原原理成功功研制了了超聲振振動手術(shù)術(shù)刀等。（6）實(shí)實(shí)現(xiàn)振動動切削的的自動化化和智能能化。由于振振動切削削是一種種先進(jìn)的的加工工工藝，振振動參數(shù)數(shù)對工件件加工質(zhì)質(zhì)量的影影響非常常大，而而且要根根據(jù)不同同的加工工對象，不同的的材質(zhì)做做相應(yīng)的的變化，因此靠靠以往的的切削設(shè)設(shè)備不能能實(shí)現(xiàn)這這一目標(biāo)標(biāo)，必須須增加能能進(jìn)行改改變振動動參數(shù)的的自動控控制系統(tǒng)統(tǒng)，充分分實(shí)現(xiàn)振振動切削削的自動動化和智智能化。振動切削削的最終終目的是是適應(yīng)新新型材料料的出現(xiàn)現(xiàn)，優(yōu)化化切削過過程，全全面提高高工件加加工質(zhì)量量；而受受實(shí)驗(yàn)設(shè)設(shè)備等客客觀因素素的限制制不可能能在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)中大幅幅度