径向超声振动铣削加工特性研究

于长春

(沈阳理工大学工程实践中心，辽宁 沈阳 110159)

0 前言

超声振动加工是在传统加工的基础上给刀具(或工件)额外施加超声频率机械振动的一种复合加工技术。径向超声振动铣削固名思义就是使普通铣削实现径向进给和周期性振动，使加工参数按照某种规律发生变化，从而达到改善铣削性能的加工方法。

径向超声振动铣削改变了普通铣削过程中连续铣削的加工机理，与普通铣削加工相比，具有加工表面质量高、材料去除率高、加工精高度，切屑变形量小、切削力小、切削温度低、功率损耗低、刀具磨损少、刀具使用寿命长、生产效率高等优点，在国防工业、现代医学、机械制造、生物工程等领域具有广泛的应用前景，尤其在难加工材料加工领域其应用价值更高。

1 径向超声振动铣削运动形式

超声振动铣削是铣削加工理论与超声波理论的综合，通过给刀具(或工件)在某一方向上施加高频、小振幅的超声振动来改善加工效果。超声振动铣削与普通铣削重要的不同点就是在加工过程中刀具与工件之间接触不是连续的，而是断续的，属于断续加工[1-3]的一种。

超声振动铣削一般可根据振动方向划分：主运动(径向)方向、进给运动(径向)方向、切削深度(轴向)方向。主运动方向铣削振动效果较好，应用相对广泛；进给方向铣削对设备要求不高，可以在普通机床上实现，而且能够提高加工表面的精度和粗糙度，刀具寿命也可以延长；切削深度方向铣削振动的作用会使零件压应力增大，从而使零件强度增大，导致切削力增大，固而加快刀具磨损，造成加工表面粗糙，加工精度降低。

超声振动铣削加工过程中主要振动方向如图1所示。

图1 超声振动铣削加工过程中的主要振动方向

2 超声振动铣削运动学轨迹分析

引入超声振动之后，铣刀中心轨迹方程为：

x0=azNnt+Asin(2πft+ψ)y0=0

(1)

第n个刀尖的轨迹方程为：

xn=azNnt+Asin(2πft+ψ)+rsin(ωt-nφ)yn=rcos(ωt-nφ)

(2)

式中，A为振动幅值；f为振动频率；ψ为振动信号的初相角。

利用MATLAB软件对单个刀尖振动铣削轨迹进行仿真，仿真结果如图2所示，图中铣刀半径为8 mm。

图2 单个刀刃超声振动铣削轨迹图

为直观观察单个刀刃超声振动铣削轨迹，对其进行局部放大，如图3所示。

图3 单个刀刃超声振动铣削轨迹局部图

3 径向超声振动切削刃运动机理

超声振动辅助铣削的基本特征就是改普通铣削刀具与工件的连续接触为周期性接触和周期性分离，即实现刀具与工件的断续接触。图4所示为在工件进给方向添加超声振动后，得到的切削刃运动机理与主切削力波形。如果将铣削过程局部放大，其过程就类似多个小车刀在同时工作。

图4 切削刃运动机理与主切削力波形

图4中，刀具从原点O处开始振动，脉冲型切削力分别在ab段和a′b′段发挥作用并形成切屑。经过b点后，主切削力迅速降低为0，刀屑分离，一直至a′点，刀具与工件再次实现接触，在a′b′段又形成脉冲切削力和切屑。刀具运动到b′时，刀具则与工件再次分离。如此反复，刀具与工件实现有规律的接触、铣削、分离，这便完成了超声振动铣削加工过程[4-6]。

4 径向超声振动铣削速度特性

振动铣削加工过程中，工件振动的位移表达式为

y=Asin2πft

(3)

工件的振动速度Vt的表达式为

Vt=y′=Aωcosωt

(4)

式中，y为工件位移；t为铣削时间。

图4中的b和b′点即为刀具前刀面与切屑的脱离点，此时，切削速度Vc和工件振动速度Vt相等。则有：

-Vc=Aωcosωt

(5)

由式(5)可得出，当Vc>Aω时，方程无解，即刀具与工件无法实现断续性接触，该加工过程即为普通铣削过程。当Vc

综上分析可知，刀具与切屑能否实现断续性接触与分离和切削速度密切相关。欲实现径向超声振动铣削，首要条件是满足切削速度方向上工件与刀具的相对速度为零；如切削速度大于临界速度Vcr时，刀具与切屑不发生分离，此时的切削即为普通连续切削；如切削速度小于临界速度Vcr，则刀具与工件可以实现周期性接触与周期性分离；所以，临界切削速度Vcr可定义为

Vcr=Aω=2πAf=Vtmax

(6)

5 径向超声振动铣削的相对净切削时间比

通过图4可知，在t=tb时刻，工件与刀具的相对速度为0，则有

Vc+Aωcostb=0

(7)

另外，从b到a′期间，刀具的位移与工件的位移相等，可得

Asinω(T+ta)-Asinωtb=Vc(T+ta-tb)

(8)

定义相对净切削时间r为

(9)

将式(7)和(9)带入式(8)可得等式[7,8]为

(10)

超声振动铣削加工中，相对净切削时间r是非常重要的参数，其值越小，说明其在每个周期内所占比重就越小，这样就可以使平均切削力降的更低。由式(10)发现，相对净切削时间r主要受A、f和Vc三个因素的影响，通过控制这三个参数，比如增大振幅A、提高振动频率f或者降低铣削速度Vc都可以达到降低r值的目的。

6 结论

本文通过对超声振动铣削技术、速度特性、切削刃运动机理以及相对净切削时间等进行分析研究得出结论如下：

(1)借助于径向超声振动的施加，超声振动铣削实现了将传统的连续铣削转变成刀具与工件的断续铣削。对改善表面质量，提高加工精高，降低切削力和切削温度等都带来了极大益处。

(2)形成刀具与工件在一定振幅和振动频率下断续接触和脉冲切削力波形必须满足的前题条件是Vc

(3)铣削过程中的相对净切削时间r主要受A、f和Vc三个因素的影响，增大振幅A，提高振动频率f，降低铣削速度Vc都可以降低r值。