1.前言
　　振動(dòng)切削加工是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)制造技術(shù),它通過(guò)在常規(guī)的切削刀具上施加高頻振動(dòng),使刀具和工件發(fā)生間斷性的接觸,從而使傳統(tǒng)切削模式發(fā)生了根本性的變化。
　　由于此變化解決了傳統(tǒng)切削加工中固有的難題,如切削中的振動(dòng)和切削熱變形等,從而得到了優(yōu)良的切削效果。迄今為止世界各國(guó)雖然在振動(dòng)切削某些現(xiàn)象的解釋上, 某些參數(shù)的選擇上還有一些差別,但對(duì)它的工藝效果是一致公認(rèn)的。作為精密機(jī)械加工和難加工材料加工中的一種新技術(shù),它已經(jīng)滲透到各個(gè)加工領(lǐng)域,出現(xiàn)了各種復(fù)合加工方法,使傳統(tǒng)的加工技術(shù)有了一個(gè)飛躍。研究表明,由于其在一定范圍內(nèi)能夠有效地解決難切削材料的加工及其精密切削加工方面的問(wèn)題并在加工中具有一系列的特點(diǎn),因而越來(lái)越引起人們的重視而受到世界各國(guó)的矚目。
　　2.普通切削與振動(dòng)切削
　　在普通切削中,切削是靠刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)完成的。切屑和已加工表面的形成過(guò)程,本質(zhì)上是工件材料受到刀具的擠壓,產(chǎn)生彈性變形和塑性變形,使切屑與母體分離的過(guò)程(見(jiàn)圖1)。在這種刀具始終不離開(kāi)切削的普通切削中,刀具的作用包括兩個(gè)方面:一個(gè)是刀刃的作用;一個(gè)是形成刀刃的刀面的作用。由于刀刃與被切物接觸處局部壓力很大,從而
　　使被切物分離。刀面則在切削的同時(shí)撐擠被切物,促進(jìn)這種分離。普通切削中,伴隨著切屑的形成,由于切屑與刀具之間的擠壓和摩擦作用,將不可避免地產(chǎn)生較大的切削力,較高的切削溫度,使刀具磨損和產(chǎn)生切削振動(dòng)等有害現(xiàn)象。

　　圖1 普通切削
　　
　　基于這種思想,在和有害的自激振動(dòng)現(xiàn)象作斗爭(zhēng)中產(chǎn)生了一種新的切削方法——振動(dòng)切削。振動(dòng)切削即是通過(guò)在切削刀具上施加某種有規(guī)律的、可控的振動(dòng),使切削速度、背吃刀量發(fā)生周期性的改變,從而得到特殊的切削效果的方法(見(jiàn)圖2)。振動(dòng)切削改變了工具和被加工材料之間的空間與時(shí)間存在條件,從而改變了加工(切削)機(jī)理,達(dá)到減小切削力、切削熱,提高加工質(zhì)量和效率的目的。振動(dòng)切削按所加頻率不同可分為高頻振動(dòng)和低頻振動(dòng),低頻振動(dòng)僅僅從量上改變切屑的形成條件,主要用來(lái)解決斷屑問(wèn)題以及與此相關(guān)的一系列問(wèn)題。而超聲振動(dòng)(高頻振動(dòng))切削已經(jīng)使切屑形成機(jī)理產(chǎn)生重大變化,可以提高被加工材料的可加工性,提高刀具壽命和工件加工質(zhì)量。超聲加工的工藝效果來(lái)自刀具和工件之間的分離運(yùn)動(dòng),即它是一種脈沖式的斷續(xù)切削過(guò)程。所以,作為精密加工和難加工材料加工中的一種新技術(shù),它的切削效果已經(jīng)得到世界各國(guó)的一致公認(rèn),認(rèn)為它是傳統(tǒng)加工技術(shù)的一個(gè)飛躍。

　　圖2 振動(dòng)切削
　　
　　振動(dòng)切削系統(tǒng)的流程是:超聲波電源輸出大功率的超聲頻的交流信號(hào),由換能器將電能轉(zhuǎn)換成同頻率的機(jī)械振動(dòng),經(jīng)過(guò)變幅桿進(jìn)行振幅放大,從而帶動(dòng)刀具振動(dòng)。其組成如圖3所示。把振動(dòng)系統(tǒng)固定在刀架上,刀桿的左端是刀片,右端是振動(dòng)驅(qū)動(dòng)中心,由換能器和變幅桿將縱向振動(dòng)轉(zhuǎn)換為彎曲刀桿的橫向振動(dòng)。
　　3.振動(dòng)切削的特點(diǎn)及工藝效果分析
　　(1)振動(dòng)切削的特點(diǎn)
　　振動(dòng)切削可以使切削力大幅度降低,使摩擦熱減小、刀具壽命提高和已加工表面粗糙度值減少,即有以下特點(diǎn):

　　圖3 振動(dòng)系統(tǒng)組成圖
　　1.工件 2.刀片 3.刀架 4.刀桿5.變幅桿 6.換能器 7.循環(huán)冷卻水
　?、僭谇邢鬟^(guò)程中,刀具前面不是始終與工件保持接觸狀態(tài),而是處于有規(guī)律的接觸、分離狀態(tài)。
　?、谟幸?guī)律的脈沖沖擊切削力取代了連續(xù)切削力。
　?、鄣毒?或工件)的有規(guī)律強(qiáng)迫振動(dòng)取代了刀具和工件無(wú)規(guī)律的自激振動(dòng)。
　　④切削力大部分來(lái)自刀具(或工件)的振動(dòng),刀具(或工件)的運(yùn)動(dòng)僅是為了滿足工件加工幾何形狀而設(shè)置的。
　　(2)工藝效果分析
　?、偎查g切削力增大
　　根據(jù)連續(xù)彈性體動(dòng)力分析理論,在普通切削中,切削力一直作用在工件上,使得周邊的材料也參與抵抗變形,就使得切口處切削力降低。在振動(dòng)切削中,材料的破壞過(guò)程與普通切削不同,它由每次沖擊產(chǎn)生細(xì)微破壞而完成切削。在振動(dòng)切削中,因振動(dòng)提高了實(shí)際的瞬間切削速度,并以動(dòng)態(tài)沖擊力作用于工件,使得局部變形減少,作用力集中,瞬間切削力增大。從而獲得較大的波前切應(yīng)力,有利于金屬的塑性脆化。減小塑性變形,利于切削。在超硬材料的加工方面,這一優(yōu)點(diǎn)更為突出。
　?、诹慵砻尜|(zhì)量的提高 由表面粗糙度值計(jì)算公式:

　　在振動(dòng)切削中,由于不靈敏性振動(dòng)切削機(jī)理的特性,Δf和Δαp都趨于零,故ΔRth也趨近于零,從而使已加工表面的表面粗糙度值接近幾何表面粗糙度值。
　?、塾欣诶鋮s
　　刀具的高速振動(dòng)對(duì)刀具的散熱十分有利,同時(shí)由于刀具的前面周期性脫離工件,使得切削液更容易進(jìn)入刀具和工件之間,也增加了系統(tǒng)的散熱能力。振動(dòng)切削中,刀具在振動(dòng)源驅(qū)動(dòng)下周期性接觸、離開(kāi)工件。刀屑分離時(shí),切削液產(chǎn)生空化作用,切削液充分進(jìn)入切削區(qū)。振動(dòng)切削時(shí)刀具對(duì)工件的沖擊作用,應(yīng)力波的出現(xiàn),有利于切削區(qū)裂紋的萌生和擴(kuò)展。刀屑接觸時(shí),由于壓力差出現(xiàn),使得切削液滲透作用加強(qiáng),充分發(fā)揮切削液的潤(rùn)滑和冷卻作用。這些都大大降低了前刀面與切屑間及后刀面與已加工工件表面間的摩擦。
　　4.振動(dòng)切削技術(shù)的應(yīng)用
　　振動(dòng)切削技術(shù)是在研究了切削加工本質(zhì)的基礎(chǔ)上所提出的一種精密加工方法,它彌補(bǔ)了普通切削加工的不足,但并不能完全取代普通切削加工,而有一定的適用范圍,主要有以下幾方面:
　　(1)難切削材料的加工
　　不銹鋼、淬硬鋼、高速鋼、鈦合金、高溫合金、冷硬鑄鐵以及陶瓷、玻璃、石材等非金屬材料由于力學(xué)、物理、化學(xué)等特性而難以加工,如采用超聲振切削則可化難為易。例如用硬質(zhì)合金刀具振動(dòng)車削淬硬鋼(35～45HRC)外圓、端面、螺紋與鏜孔時(shí),不但提高了平行度、垂直度與同心度,而且可達(dá)到“鏡面”的表面粗糙度,也可用金剛石刀具進(jìn)行振動(dòng)精密加工。又如鈦歷來(lái)只能以磨削和研磨作為精加工,現(xiàn)用硬質(zhì)合金刀具振動(dòng)車削時(shí),其端面上的最大表面粗糙度值可達(dá)Ra=2～3μm,最佳時(shí)可達(dá)Ra=0.5μm。此外,用普通切削加工石墨與氧化鋁等材料時(shí)得不到平整的加工表面,只有采用超聲振動(dòng)才能產(chǎn)生微粒式的切削分離并得到整齊的加工表面。國(guó)外用超聲振動(dòng)能順利地切削富鋁紅柱石,如果將超聲波能源切斷,工件會(huì)馬上損壞,根本無(wú)法加工。
　　(2)難加工零件的切削加工
　　如易彎曲變形的細(xì)長(zhǎng)軸類零件,小徑深孔、薄壁零件,薄盤(pán)類零件與小徑精密螺紋以及形狀復(fù)雜、加工精度與表面質(zhì)量要求又較高的零件,用普通切削與磨削加工很困難,用振動(dòng)切削,既可提高加工質(zhì)量,又可提高生產(chǎn)效率,例如用硬質(zhì)合金車刀超聲振動(dòng)精車細(xì)長(zhǎng)的退火調(diào)質(zhì)鋁棒(Φ7.2mm,長(zhǎng)220mm)的外圓,振動(dòng)頻率為F=21.5kHz,振幅為A=15μm,f=0.05mm/r,ap=0.01mm,用全損耗系統(tǒng)用油作為切削液,加工后可獲得工件直徑精度為4μm,最大表面粗糙度值Ra=1μm。又如超聲振動(dòng)精鏜有特殊鋼制成的薄壁圓筒(工件長(zhǎng)70mm,孔徑15mm,壁厚1mm),在鏜過(guò)的50mm長(zhǎng)度上可測(cè)出內(nèi)孔精度為4μm,最大表面粗糙度值Ra=3μm。
　　(3)高精度、高表面質(zhì)量工件的切削加工
　　與普通切削相比,振動(dòng)切削時(shí)切屑變形與切削力小,切削溫度低,加工表面上不產(chǎn)生積屑瘤、鱗刺與表面微裂紋,再加上表面硬化程度較大,表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力小,切削過(guò)程穩(wěn)定,容易加工出高精度與高表面質(zhì)量的工件。
　　例如前述的超聲振動(dòng)車削軟鋁制成的細(xì)長(zhǎng)軸(長(zhǎng)200mm,7mm)時(shí)可得到圓度2μm、圓柱度3μm/170mm的加工精度。超聲車削Φ5mm的電動(dòng)機(jī)整流器銅線時(shí),可得到Ra=0.05μm的鏡面,用其他加工方法是不可能達(dá)到的。
　　(4)排屑、斷屑比較困難的切削加工
　　鉆孔、鉸孔、攻螺紋、剖斷、鋸切、拉削等切削加工時(shí),切屑往往處于半封閉或封閉狀態(tài),因而常不得不由于排屑斷屑困難而降低切削用量,這時(shí)如果用振動(dòng)切削則可比較順利地解決排屑斷屑,保證加工質(zhì)量與提高生產(chǎn)效率。
　　5.結(jié)語(yǔ)
　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步,超聲波振動(dòng)切削作為一種新技術(shù)正在逐步滲透到各個(gè)領(lǐng)域,對(duì)超聲波振動(dòng)切削的研究和開(kāi)發(fā)也越來(lái)越受到人們的普遍重視。我國(guó)在振動(dòng)切削技術(shù)研究利用方面和國(guó)外相比有較大差距,大力加強(qiáng)高速超高速磨削加工技術(shù)的研究、推廣和應(yīng)用,對(duì)提高我國(guó)機(jī)械制造業(yè)的加工水平和加快新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)具有十分重要的意義。