振动切削的研究与应用

赵琪 姜广胜

【摘  要】振动切削是一种脉冲切削，是在传统切削过程中给刀具（或工件）施以某种可控的有规律的振动，使刀具以一定的振幅或频率振动的加工方法。作为精密机械加工和难加工材料加工中的一种新技术，它已经渗透到各个加工领域，出现了各种复合加工方法，使传统的加工技术有了一个飞跃，因而越来越引起人们的重视而受到世界各国的瞩目。

【关键词】振动切削;表面加工质量;切削力

1.前言

切削过程中给刀具（或工件）加上某种有规律、可控的振动[1]，使切削刀具对着以一定的切削速度ν运动的工件，以一定的振幅a，振动频率f，在切削方向上进行正弦波振动，满足ν<2πaf，形成连续有规律的脉冲切削力波形，即形成振动切削。振动切削可以使本来容易产生弹性振动的工艺系统中的工件与切削刃的相对位置处于不振的状态，从而提高工件加工精度，改善已加工表面质量。对于难加工材料。如淬硬钢、陶瓷等加工;难加工工艺，如细长轴、薄壁筒加工，振动切削具有普通切削无法比拟的工艺效果。

2.振动切削的分类

（1）按振动源分为强迫振动切削和自激振动切削

强迫振动切削是利用专门的振动装置，使刀具（工件）产生某种有规律的可控制的振动来进行切削的方法。自激振动切削是利用切削过程中产生的振动进行切 削的。

（2）按振动频率分为：低频振动切削（20-150Hz）和超声振动切削（15-35 kHz）。

但在振动钻削中，尤其在轴向振动钻削中，分为超低频振动钻削，即频转比（振动频率与转动频率之比）小于1;低频振动钻削，即频转比在1～6;高频或称超声波振动钻削。

（3）按振动方向分为主运动方向，进给抗力方向和吃刀抗力方向的振动切削。

主运动方向振动切削可明显改善切削性，切削时所消耗的功率可降低 15%～30%;进给抗力方向振动切削可保证有效和可靠地断屑以及满意的表面粗糙度，刀具的耐用度也有所提高，但幅度不大;吃刀抗力方向振动切削将表面粗糙度变坏，促使切削刃较快磨损，采用这种振动切削只有在超声振动切削时才有效。

3.振动切削的应用

日本、俄罗斯、美国、英国和德国等都对振动切削进行了大量研究开发工作。我国振动切削研究起步较晚，目前也开展了许多对振动切削的研究，在难加工材料的加工、难加工零件的切削加工、排屑和断屑比较困难的切削加工中都取得了许多重要的成果。

（1）难加工材料的加工

不锈钢、淬火钢、高速钢、钛合金、高温合金、冷硬铸铁、纯镍以及陶瓷、玻璃、石材等非金属材料由于机械、物理、化学等特性而难以加工，如采用振动切削则化难为易[2]。

上海交大机械学院的徐可伟等人[3]，对颗粒增强铝基复合材料的振动切削进行了研究，经过实验，得出了振动切削的切屑变形系数小，剪切角大，切削稳定，表面粗糙度好于普通切削的结论，并且指出，振动切削金属基复合材料存在一个最佳进给量。

广西大学的张伯荣等人[4]，用普通硬质合金刀具对过共晶铝硅合金活塞进行了超声波振动切削，切削过程切削力小，无积屑瘤现象，表面粗糙度比较接近理论粗糙度，大大改善了其加工性，从而可以代替金刚石刀具。

（2）难加工零件的切削加工

如易弯曲变形的细长轴类零件，小徑深孔、薄壁零件，薄盘类零件与小径精密螺纹以及形状复杂、加工精度与表面质量要求又较高的零件，用普通切削与磨削加工很困难，用振动切削，既可提高加工质量，又可提高生产效率[5]。

焦作工学院的焦锋等人在超声振动车削超薄壁零件（照相机导向镜筒的）的粗糙度和圆度误差方面进行了试验研究，超声振动切削出的工件，圆度误差仅是普通精密切削的1/3;而表面粗糙度比普通切削要下降30%，达到Ra0.63Ium以下，满足了设计要求。

例如用硬质合金车刀超声振动精车细长的退火调质铝棒（φ7.2mm，长 220mm）的外圆，振动频率为F=21.5kHz，振幅为A=15um，f=0.05mm/r，ap=0.01mm用全损耗系统用油作为切削液，加工后可获得工件直径精度为4um，最大表面粗糙度值 Ra=1um。

（3）排屑、断屑比较困难的切削加工

孔钻、铰孔、攻螺纹、剖断、锯切、拉削等切削加工时，切屑往往处于半封闭或封闭状态，因而常不得不由于排屑断屑困难而降低切削用量，这时如果用振动切削则可比较顺利地解决排屑断屑，保证加工质量与提高生产效率。

西安交大的高本河等人对钻削减小孔心斜偏误差的机理进行了研究，利用振动钻削的脉冲切削特性，探讨了振动钻削减小孔心偏斜的内在机理，并通过振动钻削试验对理论推导结果进行了验证。指出振动钻削可显著减小深孔切削过程的孔心偏斜误差。

哈尔滨工业大学的张其馨等人对碳纤维复合材料振动钻孔做了试验研究和机理探讨。吉林工大的王立江等人以φ0.35mm的钻头为例研究了微小孔钻削时附加超声波后的一系列效果，并分析了原因。实验表明在附加超声振动后，能获得更好的表面加工质量。

4.结语

随着科学技术的发展和进步，振动切削作为一种新技术正在逐步渗透到各个领域，对振动切削的研究和开发也越来越受到人们的普遍重视。我国在振动切削技术研究利用方面和国外相比有较大差距，大力加强高速超高速磨削加工技术的研究、推广和应用，对提高我国机械制造业的加工水平和加快新产品开发具有十分重要的意义。

参考文献：

[1]隈部淳一郎.精密加工振动切削（基础与应用）[M].北京：机械工业出版社，1986.

[2]M.Komaraiah and R.P.Naraaimha，A study on the influence of workpiece in ultrasonic machining[J].Int.J.Mach.Tools Manrfact，1993，33（3）：485-505].

[3]徐可伟，等.颗粒增强铝基复合材料的振 动切削研究[J].航天工艺，2001，（6）：1- 6.

[4]张伯荣，等.过共晶铝硅活塞的超声振动切削[J].机械工程师，2000，（2）：2 8-30.

[5]王应彪，刘传绍，高国富.振动切削技术的特点及其应用[J].金属加工（冷加工），2008（02）：42-44.

作者简介：

赵琪（1990.4），男，汉族，河北省石家庄市人，陆军步兵学院石家庄校区。研究方向：机械工程。

（作者单位：陆军步兵学院石家庄校区）