振动切削技术的研究与发展应用.pdf

第 3 0卷第 2期 2 0 0 9年 2月 煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c h i n e V0 I _ 3 O No ． 2 F e b ．2 0 9 振动切肖 Ij 技术 的研究与发展应用 木 周丽丽 ，张平宽 。王慧霖 。张宗彩 太原科技大学 ， 太原 0 3 0 0 2 4 摘要 振动切削技 术是一种非传统的加工方法， 与普通切 削相比振 动切 削具有许 多优 点。 综述 了振动切 削的概念及特点， 介绍了振动切削的发展 状况及应用范围， 并对振动切 削的未来发展 趋 势进行了展望。 关键词 振动切削；加工；机械加工 中图分类号 T G 5 0 6 ． 5 文献标志码 A文章编号 1 0 0 3 0 7 9 4 2 0 0 9 0 2 0 0 1 00 3 S t u d y o f Vi b r a t i o n Cut t i n g Te c h n o l o g y a nd De v e l o p m e n t Ap p l i c a t i o n ZHOU Li l i ，Z HANG P i n gk u a n， W ANG Hu i l i n，Z HANG Z o n gc a i T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ，C h i n a Ab s t r a c t The v i b r a t i o n c u t t i ng t e c hn o l o g y i s a no n t r a d i t i o n a l p r o c e s s i ng me t ho d，c o mp a r e d wi t h t h e t r a di t i o n a l c u t t i n g，v i b r a t i o n c u t t i n g h a s ma n y a d v a n t a g e s，s u mma r i z e s t h e c o n c e p t a n d t h e f e a t u r e s o f t he v i b r a t i o n c u t t i n g，i n t r o d u c e d t he d e v e l o p me n t c o n d i t i o n a n d a pp l i c a fio n s c o p e o f the v i b r a t i o n c u t t i ng， a n d l o o k i n g f o r t h e d e v e l o p me n t t r e n d a n d f u t u r e pr o s p e c t o f v i b r a t i o n c u t t i n g a s we l 1 ． Ke y wo r d sv i b r a t i o n c u t t i n g；p r o c e s s ；ma c h i n i ng 0前言 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 ， 对一些有着 高效 、 高精 、 高难度加工需求 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。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、 加工稳定 、 生产效率高等优点 ， 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 山西省 自然科学基金资助项目 2 0 0 7 0 1 1 0 6 0 ； 太原科技大 学博士基金项 目 2 0 0 7 0 7 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 振动切削技术的理论研究 1 ． 1振 动切 削技 术的概 述 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 ． 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 [ 2 ] 吴晓兰， 陆泉． 乳化液配制方式的发展[ J ] ． 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5 0 8 z 和超声振动切削 1 5 3 5 k H z 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 1 5 ％ ～ 3 0 ％ ； 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。 1 ． 3 振 动切 削技 术 的特点 1 有效降低切削力和功率消耗 振动切削是在极短 时间内完成 的微量切 削过 程， 它的切削时间短 ， 瞬时切人切 出， 运动速度和方 向不断变化， 有助于金属趋向脆性状态， 塑性变形减 小 ， 摩擦系数降低 ， 从而减小切削力。 2 切削温度明显降低， 切削液作用得到充分 发 挥 振动切削中， 刀具在振动源驱动下周期性接触 、 离开工件。刀具与工件总接触时间缩短， 切削温度 大大低于普通切削。刀 一屑分离时 ， 切屑液产生空 化作用 外力打破液体结构形成洞的过程 ， 切屑液 充分进入切削区。振动切削时刀具对工件的冲击作 用 ， 应力波的出现， 有利于切削区裂纹 根据物理学 的毛细现象原理， 微裂纹可 以作为毛细管把切削液 引入切削区 的萌生和扩展。刀 一屑接触 时， 由于 压力差出现 ， 使切削液渗透作用加强 ， 充分发挥切削 液的润滑和冷却作用。 3 切屑处理容易 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。 4 提高加工精度和表面质量 振动切削减小或消除切削振动， 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 小于刀具和工件振动的过度时间 ， 可有效消除振动。 振动加工表面不产生积屑瘤和鳞刺 ， 加工表面光滑、 均匀 、 加工表面硬化程度高于普通切削， 表面残余应 力明显低于普通切削， 且为残余压应力， 因而切削后 加工表面耐磨性 与耐腐性均可达到普通磨削 的水 平。可以实现脆性材料的以车代磨 ， 显著提高脆性 材料精密加工的效率。 5 减少刀具磨损 ， 延长刀具寿命 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 1 7倍 ， 中心钻延长 3倍 以 上 。 振动切削还可减少或消除切削加工中的 自激振 动， 而在精密加工中， 在保证加工精度和加工表面的 前提下， 振动切削的效率可 比一般切削方法提高2～ 3倍 ， 甚至更多 ， 振动切削是一种高效的加工方法。 2振动切削技术的发展应用 2 ． 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 三 蔓 研究与发展应用周丽丽， 等 第3 0 卷第2 期 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 。 2 ． 2 振动切削技术的发展情况 振动切削技术创始 于 1 9 5 0年 ， 由 日本学者 隈 部纯一郎提出， 他对振动切削的基础理论和生产应 用做了大量系统深入 的研究 ， 并于 1 9 7 8年出版了振 动切削专著。由于振动切削在难加工材料和普通材 料难加工工序加工 中的优 良的工艺效果 ， 因此受 到 了国外工业发达 国家的重视并积极 地进行研究开 发 。日本、 美 国、 前苏联 、 英 国和德 国等都对振动切 削进行了大量研究开发工作 ， 并取得 了较大的进展。 前苏联对振动切削研究也 比较早 ， 许 多学者对振动 切削机理也做 了大量 的研究工作。在 2 0世纪 5 0年 代末 6 0年代初 ， 就 已经发表了很多有价值的论 文， 在振动车削、 磨削 、 攻丝 、 钻孔等方面均有生产应用 并取得了良好 的经济效果。2 0世纪 6 0年代初 ， 美 国开始 了振 动切削的研究工作 ， 对此项新工艺， 美 国 政府专 门成立了调查组 ， 对它的应用 和发展前途进 行调查 。2 0世纪 7 0年代 中期 ， 美 国就将振 动加工 广泛应用于多项工艺中， 并取得很好的效果 。到 2 0 世纪 9 0年代 以后 ， 振 动切削进入 了辉煌 的产品阶 段 ， 日本仍处于领先地位。 在我国， 振动切削技术起步较晚 ， 我 国开始系统 地研究振动切削是从 2 0世纪 7 0年代 中期开始的 ， 原吉林工业大学 是这一时期 的杰 出代表。1 9 8 0～ 1 9 9 6年是全 国对振动切削技术进行研究的高潮 ， 但 因应用领域不明确 ， 导致了振动切削理论研究走 向 低潮 ， 2 0世纪 9 O年代后 ， 国防等高附加值领域对振 动切削技术表现出了迫切需求 ， 北京航空航天大学 在这一历史时期取得 了一 系列的技术突破 ， 在实 际 应用过程中推动了振动切削技术 的发展。 目前 ， 我 国在对难加工材料的加工 、 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 要成果。 2 ． 3振动切削的发展趋势 械和物理性能的新 型材料不断涌现 ， 并逐渐在各个 领域开始得到应用， 这 为振动切削的发展提供了有 利的条件。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。目前 ， 太原科技 大学 已经在振动切削的动态仿真方面做了大量的研 究 ， 并得出了许多有用的成果。 3结语 振动切削为了适应现代化高科技发展 的需要 ， 要从各方面进行不断地 自我发展和完善 ， 并 发挥 出 其特有的优势。随着人们对振动切削技术研究的 日 趋深入 ， 切削技术的应用也 日益广泛 ， 并已达到了实 用化阶段 。展望未来 ， 振动切削将拥有更广阔的发 展前景。 参考文献 [ 1 ] 限部纯一 郎． 精密加 工振动切 削基础与应 用 [ M] ． 北京 机 械工 业 出版社 ， 1 9 8 5 ． [ 2 ] 李祥林 ． 振动切 削及 其在机械 加工 中的应用 [ M] ． 北京 科 技出 版社 。 1 9 8 5 ． [ 3 ] 陈光 军 ， 顾 立志． 振动 切 削技术 及 最新 发展 [ J ] ． 机械 工 程师 ， 2 0 0 5 1 O 2 52 7 ． [ 4] 张德 远． 实 用化 振 动切 削 技 术总 论 [ J ] ． 新 技 术新 工 艺 ， 2 0 0 6 1 0 2 8 2 9 ． [ 5 ] 程昕． 浮选过 程中颗粒 聚集 中的空化作用 [ J ] ． 国外金属矿选 矿 ， 1 9 9 5 1 0 2 42 7 ． [ 6 ] 殷宝麟 ， 韩荣第 ． 振 动切削机理研究 [ J ] ． 机械研究 与应用 ， 2 0 0 4， 1 7 5 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