超声椭圆振动车削的切削特性

王桂林 李 文 段梦兰 张德远

1.中国石油大学(北京),北京,102200 2.北京航空航天大学,北京,100083

0 引言

超声椭圆振动切削技术作为一种新型的金属切削加工方法,其主要特征是:加工用的刀具刀尖做高频椭圆轨迹形式的超声振动,进行非连续性切削。与常规方式的切削加工相比,超声椭圆振动切削具有显著减小切削力、改善已加工表面质量和提高加工精度等优势。超声椭圆振动切削可分为分离型和不分离型两类[1]。目前所研究的超声椭圆振动切削一般是指分离型,振动频率在20kHz左右。超声椭圆振动切削只有在切削速度小于椭圆振动的最大振速(临界切削速度)时,如在1/5～1/10的临界切削速度范围内,才能体现其优越性,因此其采用的切削速度一般很低,由此限制了加工效率。在精密和超精密切削中,既要满足表面粗糙度的要求,又要满足加工精度的要求,同时还要兼顾效率。为促进椭圆振动切削在精密和超精密切削中的应用,需要搞清楚该切削对表面粗糙度、加工精度和加工效率的影响规律,本文对此进行了研究。

1 超声椭圆振动车削对表面粗糙度的影响

1.1 运动方程

在精密和超精密车削中,可建立理想切削条件下的超声椭圆振动车削过程模型,如图1所示,其运动方程和速度如下:

式中,v为切削速度;vz、vy分别为刀具上某点在z、y方向的速度分量;Az、Ay分别为刀具椭圆振动轨迹在z、y方向上的振幅;f为振动频率。

由式(3)可知,当 vz＞0时,刀具和工件接触,开始切削,当vz≤0时,刀具和工件分离,结束切削。

椭圆振动车削对表面粗糙度的影响包括两方面的内容:刀具在进给方向留下的残留面积高度Rz和切削方向上刀具留下的振纹高度Rth(图1)。

1.2 理论振纹高度的分析

由图1可知,t0为刀具运动起始时刻,在t1时刻刀具和工件接触开始进行切削,考察其运动过程的几何关系,有

而理论振纹高度Rth为

在t1∈[0,0.75/f]内,由式(5)采用求数值解的方法可求出t1,代入式(6)即可求出Rth。

由式(5)和式(6),假定一定条件,利用数值求解的方法,可得到理论振纹高度,绘制相关影响规律曲线,如图2所示,可以看出,对于分离型(v/vc＜1,vc为临界切削速度)椭圆振动切削,增大频率、增大振幅和减小切削速度有利于减小理论振纹高度,从而降低对表面粗糙度的负面影响。

1.3 切削速度和振动频率的关系

假定Ay=Az=1μ m,利用数值求解法,可在获得相同振纹高度Rth下,计算求解切削速度v和振动频率 f的关系,如图3所示。

由图3可以看出,在获得相同振纹高度Rth条件下,切削速度和振动频率呈线性关系,频率越高,切削速度越大,即加工效率越高。

综合以上分析可知,超声椭圆振动车削在一定振动幅值的前提下,采用尽可能高的振动频率,在满足精密和超精密车削的表面粗糙度要求时(即获得一定的Rth),可以提高加工效率,且加工效率(用切削速度表征)与频率成线性关系。

1.4 进给方向刀纹高度的分析

普通车削过程中,对于圆弧刃刀具,在进给方向刀纹的高度Rz主要取决于进给量f′和刀尖圆弧半径 rε,即Rz=f′2/(8rε)。

超声椭圆振动车削由于其特有的刀具几何运动轨迹的特点,一方面在切削方向会留下振纹,另一方面由于径向振动的存在,Rth对进给方向的刀纹高度Rz存在不同程度的影响。根据一个进给周期内振纹间的相位差发现,在进给方向的刀纹高度存在4种不同形式的曲线,如图4所示,t1和t2分别表示在一个进给量周期内的首尾时刻。

由图4可以看出,由于超声椭圆振动车削存在y方向的振动,故刀纹高度随着进给量的不同呈周期性变化,如图4b所示,最大理论刀纹高度为振纹高度Rz和Rth之和。这表明,理论上椭圆振动车削对表面粗糙度只有负面影响。

1.5 影响表面粗糙度因素的综合分析

实际车削过程中,表面粗糙度产生的原因包括:①几何因素所产生的粗糙度,它主要决定于残留面积的高度;②切削过程不稳定因素所产生的粗糙度,包括积屑瘤、鳞刺、切削过程中的变形,刀具的边界磨损,刀刃与工件相对位置变动。

在普通车削或半精密车削中,由于切削过程不稳定因素对表面粗糙度的影响较大,因而实际加工获得的表面粗糙度均大于理论表面粗糙度。同普通车削相比较,尽管理论上超声椭圆振动切削因Rth的存在,只能对表面粗糙度起负面影响,但是,在普通和半精密切削领域,因Rz比较大,加上切削过程不稳定因素对表面粗糙度的影响,相对来讲超声椭圆振动切削的振纹高度Rth可以忽略不计;而且,超声椭圆振动切削可以极大改善切削过程中的不稳定因素,从而使表面粗糙度更加接近于理论表面粗糙度,同普通车削相比,可以有效减小表面粗糙度,改善已加工表面质量[1]。

在精密和超精密车削中,因普遍采用金刚石刀具和高精度的机床,应用普通切削方式就能获得极小的表面粗糙度,即Rz较小,刀具几何因素在表面粗糙度的影响中起主要作用,而切削过程中的不稳定因素退居次要地位。这时,因为Rz很小,故不能忽略振纹高度Rth的影响,甚至Rth还可能占主导地位。因此,必须设法降低Rth以尽可能降低对表面粗糙度的负面影响。

2 超声椭圆振动车削对加工精度的影响

加工精度除受机床的特性、刀具等影响外,还受切削力的影响。目前对椭圆振动切削力的研究基本上是在传统的切削理论基础上,建立一个椭圆振动切削力模型来进行研究[1-7]。对上述研究进行分析发现,间断、不连续切削是椭圆振动切削的主要特征,因此本研究从切削占空比Dc(一个振动周期内参与切削的时间与周期的比值)角度来分析超声椭圆振动切削切削力的特性。

2.1 理论切削占空比的分析

由图1可以看出,在t4时刻,刀具开始切入工件,产生切削力,当vz=0时,即t7时刻,刀具和工件开始分离,切削力为0。为分析方便,仅考虑超声椭圆振动切削中的平均力及其影响因素,则超声椭圆振动切削力存在以下简单关系:

式中,Dc为切削占空比,Dc=(t9—t1)f;F0为刀具与工件不分离时的切削力。

由图1所示周期性关系,刀具参与切削的时间tc=t9—t1,且有以下关系式成立:

其中,式(9)与式(5)的分析相同。在t9∈[0.75/f,1/f]内,由式(8)求得t9的数值解;在t1∈[0,0.75/f]内,由式(9)求得t1的数值解;最后求出Dc。由此,在一定条件下,利用数值求解的方法,可得到切削占空比各单因素影响规律曲线,如图5所示。

由图5可知,增大振幅、提高频率和减小切削速度有助于减小平均切削力。由于在实际切削过程中,切削力的大小随切削层参数的变化而变化,因而椭圆振动切削时的切削力大小变化过程应该是一个渐变的过程[1],但是由以上对切削占空比的分析可知,同普通切削相比较,超声椭圆振动切削能减小切削力,因而可以大大提高加工精度,而且,同低频椭圆振动车削相比较,高频椭圆振动车削在减小切削力的同时,能采用较大的切削速度,从而提高加工效率,因此更适用于精密和超精密切削。

2.2 切削占空比和振纹高度的关系

假定同一振纹高度,即获得同样表面粗糙度条件下,分别考察低频和高频条件下的切削占空比。为分析方便,假定 Ay=Az,分别为 0.5、1.0、1.5μ m,改变Rth和频率 f(取一系列零散值),首先由式(6)计算t1,其次由式(5)计算切削速度v(为中间变化量),并代入式(8)中计算t9,最后计算Dc,得到Dc—f及Dc—Rth曲线,如图6所示。

由图6a可以看出,在相同振幅条件下,要获得同样振纹高度,切削占空比不随频率变化而变化,即高频和低频超声椭圆振动切削具有相同的减小切削力的效果,但是由图3所示曲线可知,切削速度和频率成线性关系,即在高频条件下,切削速度大,因此具有更高的加工效率。

由图6b可以看出,在相同振幅条件下,振纹高度越小,切削占空比越小,即平均切削力越小,最小占空比趋于0.25;这表明切削占空比(表征平均切削力)和振纹高度(表征表面粗糙度)成正比关系,而且振纹高度很小时,切削力减小效果更明显,切削占空比减小程度比振纹高度减小快(图6c),这说明在超精密加工中振纹高度的存在尽管对表面粗糙度具有负面影响,但在减小切削力效果方面具有正面影响。

由此可以发现,在精密和超精密切削中,设法降低Rth,不仅可以降低表面粗糙度的负面影响,还有利于减小切削力,而且在一定振幅条件下,削占空比和频率无关,而提高频率可以提高切削速度,从而可以提高加工效率。

3 试验

3.1 试验条件和装置

试验条件:美国HARDINGE精密仪表车床;瑞士KIST LER公司9254型超精密压电式测力仪;超声椭圆振动切削系统(自行研制,振动频率为 198.5kHz、147.8kHz、131.5kHz)。振动条件为:1μ m(长轴 ,主切削力方向)、0.6μ m(短轴,吃刀抗力方向);PCD 刀具,前角 γ=3°,后角 α=7°,刀尖圆弧半径 r=0.5mm;试件材料为硬铝(LY12),直径 d=22mm,长度为 100mm。试验装置如图7所示。

3.2 切削力试验结果

振动频率为131.5kHz,切深ap=0.01mm,进给量f′=0.015mm/r时,不同切削速度对切削力的影响规律如图8所示。

振动频率为131.5kHz,切深ap=0.01mm,切削速度v=13.82 m/min(200r/min)时,不同进给量对切削力的影响规律如图9所示。

振动 频 率 分 别 为 131.5kHz、147.8kHz、198.5kHz,切深 ap=0.01mm,进给量 f′=0 015mm/r, 切 削 速 度v=13.82m/min(200r/min),振动频率对切削力的影响规律如图10所示。

3.3 表面粗糙度试验结果

振动频率为131.5kHz,切深ap=0.01mm,主轴转速n=400r/min时,进给量 f′对表面粗糙度的影响规律如图11所示。

振动频率为131.5kHz,切深ap=0.01mm,进给量f′=0.025 mm/r时,切削速度对表面粗糙度的影响规律如图12所示。

4 结论

(1)椭圆振动切削中理论振纹高度与振动频率、振动幅值、切削速度相关;理论振纹高度对进给方向的刀纹高度存在负面影响。

(2)在相同振幅条件下获得同样振纹高度,所采用的切削速度与频率呈线性关系,即提高振动频率时,可采用较高的切削速度,以提高加工效率。

(3)在相同振幅条件下,要获得同样振纹高度,高频和低频超声椭圆振动具有相同的减小切削力的效果,但在高频条件下,切削速度比低频条件切削速度大,因此具有更高的加工效率;切削占空比和振纹高度成正比关系,反映了加工精度和表面粗糙度成正比关系,而且在较小振纹高度下,获取减小切削力的效果更明显。

(4)试验结果表明,在对表面粗糙度影响不大的前提下,有效减小切削力是高频超声椭圆振动切削在精密和超精密切削应用中的主要优势。

[1]李勋.超声椭圆振动车削技术研究[D].北京:北京航空航天大学,2007.

[2]Ma Chunxiang,Shamotob E,Moriwakic T,et al.Suppression of Burrs in Turning with Ultrasonic Elliptical Vibration Cutting[J].International Journal of M achine Tools&Manufacture,2005,45:1295-1300.

[3]M a Chunxiang,Shamoto E,M oriwakic T.Study on the Thrust Cutting Force in Ultrasonic Elliptical Vibration Cutting[J].Materials Science Forum,2004,471/472:396-400.

[4]Ma Chunxiang,Shamoto E,Moriwakic T,et al.Study of Machining Accuracy in Ultrasonic Elliptical Vibration Cutting[J].International Journal of Machine Tools&Manufacture,2004,44:1305-1310.

[5]Karube S,Hoshino W,Soutome T,et al.The Non—linear Phenomena in Vibration Cutting System—the Establishment of Dynamic Model[J].International Journal of Non—linear Mechanics,2002,37(2):541-564.

[6]Kumar V C,Hutchings I M.Reduction of the Sliding Friction of Metals by the Application of Longitudinal or Transverse Ultrasonic Vibration[J].T ribology International,2004,37(1):833-840.

[7]Littmann W,Storck H,Wallaschek J.Sliding Friction in the Presence of Ultrasonic Oscillations:Superposition of Longitudinal Oscillations[J].Archive of Applied Mechanics,2001,71:549-555.