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2023-07-01
超声振动镗削技术：原理、应用与发展
【摘要】：5）在镗削过程中切屑没有明显温升，用手拿不感觉灼手，可见超声振动于镗孔切削温度不高。图4-75表明，超声波振动干镗削时的进给量对加工圆度影响不大，可以采用大进给量以提高生产率。
1.超声振动干镗削及其特点
将超声波的能量通过声学系统施加于镗刀上，使其以一定的频率和振幅作圆周扭转振动。由于刀具以v＝wAcoswt（角速度w＝2πf，f为振动频率，A为振幅）速度振动，形成了脉冲力作用的分离型振动切削机理，消除了普通切削过程中的弹性挤压振动，使切削过程变为脉冲状有规律的断续切削，切削力降为普通切削的1/10～1/3，系统稳定，刚性加强。
将超声波应用到镗削加工中，会使切削过程表现出一些特有的现象：
1）超声振动干镗削可得到薄而长的切屑，圈与圈之间的间距特别大，薄厚均匀一致，呈弹簧状。切屑与刀具前刀面的接触面十分光亮平滑，切屑有韧度，不易折断。
2）超声振动干镗孔得到类似于超精研的表面，其上布满均匀的网纹。
3）在镗削过程中，如果刀杆悬伸较长，则刚性差，但超声振动干镗削中，即使在主轴213r/min转速下也能稳定镗孔。整个切削过程中可以听到“咯、咯”声音，显得切削很轻松、稳定。一旦关掉超声波发生器，即使在转速很低的情况下，切削刃也会立刻崩掉。
4）切削速度v＝7～55m/min范围内，始终没有发现积屑瘤，切削刃十分光滑。加工表面没有发现鳞刺。
5）在镗削过程中切屑没有明显温升，用手拿不感觉灼手，可见超声振动于镗孔切削温度不高。
2.超声振动干镗削的应用
40CrMnSiMoVA钢是我国自行研制的无镍低合金超高强度钢，主要用于飞机起落架等零件。其加工特点是强度高、切削力大、韧度好，但断屑困难、热导率低，切削区温度高，故刀具磨损严重。该种材料有很高的缺口敏感性，加工表面质量要求高，加之这种材料使用硬度高，因此，精加工广泛采用磨削、珩磨、超精加工等方法。但是由于该材料淬火温度高，热处理变形大，因此，加工效率低，特别是对于高精度孔的精加工更为困难。通常采用的超声振动湿式镗孔，是用脉冲力作用的分离型振动切削机理对40CrMnSiMoVA钢进行镗孔。虽然取得了比较理想的切削效果，但是切削过程中切削液的使用增加了成本且污染环境。而采用超声振动干镗孔的加工方法，可以实现以车代磨、代珩的高效率的精加工。
采用如下切削用量：切削速度v≤35m/min，进给量f＝0.1mm/r，单边背吃刀量ap＝0.05mm。镗削后测得的加工结果为：①圆度0.003～0.005mm，圆柱度0.004～0.006mm；②试件的表面粗糙度值Ra＜0.3μm；③对上述试件加工表面进行显微硬度检测，其硬化程度仅为45.1％。这些数据说明，超声振动干镗削40CrMnSiMoVA钢可达到或超过磨削效果，而且切削区的变形很小。
图4-71 切削速度对表面粗糙度的影响
注：ap＝0.05mm，f＝0.07mm/r。
图4-71、图4-72和图4-73分别表示了切削速度、进给量、背吃刀量与加工表面粗糙度的关系。由图4-71可见，当v小于某一切削速度vc（vc＝wA）时，表面粗糙度几乎与切削速度无关。只有当切削速度v≥vc时，表面粗糙度与普通镗削才没有区别。超声波振动干镗削时，必须使切削速度v＜vc，而只有在v≤（1/3）vc时，才会得到显著的振动镗削效果。由图4-72可见，在系统刚性较好，不产生自激振动的条件下，如果刀具不带有修光刃，表面粗糙度值随进给量加大而略有增加。这是由于几何因素作用的结果。在系统刚性足够的条件下，刀具可带有修光刃，以便在保证表面粗糙度要求的条件下加大进给量，提高生产效率。图4-73表明，随着背吃刀量增加，表面粗糙度值亦有所增加，主要是因为该材料抗拉强度很高，随着背吃刀量的增大，超声波发生器功率满足不了要求所致。在背吃刀量ap＜0.05mm时，表面粗糙度几乎与背吃刀量无关。在超声波发生器功率足够的条件下，且系统刚性足够时，可以增大背吃刀量以提高生产效率。
图4-72 进给量对表面粗糙度的影响
注：ap＝0.1mm，υ＝23m/min。
图4-73 背吃刀量对表面粗糙度的影响
注：υ＝28m/min，f＝0.1mm/r。
图4-74 切削速度对圆度的影响
注：ap＝0.05mm，f＝0.07mm/r。
图4-74、图4-75和图4-76分别表示了切削速度、进给量和背吃刀量与圆度的关系。由图4-74可见，在切削速度v≤（1/3）vc时，其加工圆度精度很高，这是因为镗削时，脉冲切削力使平均切削力大为降低，极大地增加了工艺系统稳定性，从而使加工圆度达到很高的精度。随着切削速度的增加，超声波振动干镗削越来越接近普通镗削，加工圆度下降，最终接近普通镗削。图4-75表明，超声波振动干镗削时的进给量对加工圆度影响不大，可以采用大进给量以提高生产率。图4-76则表明，在超导波发生器有足够功率保证切削刃有规律振动的条件下，背吃刀量几乎对加工圆度无影响。但随着背吃刀量的增加，会影响刀具切削刃的振动特性，使加工圆度下降。一般选取的镗削深度应视超声系统功率而定。
图4-75 进给量对圆度的影响
注：ap＝0.05mm，υ＝23m/min。
图4-76 背吃刀量对圆度的影响
注：υ＝28m/min，f＝0.1mm/r。
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