超聲輔助切削加工技術(shù)的原理、系統(tǒng)與分類

發(fā)布日期:2015-10-16    蘭生客服中心    瀏覽:9689

  超聲輔助切削加工是在傳統(tǒng)切削加工中工具與工件相對運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上,在切削工具或工件上施加超聲振動(dòng),以獲得更好加工性能的加工方法。超聲輔助切削加工過程中,通過工具對被加工材料的機(jī)械和超聲復(fù)合作用,使工具與被加工材料的接觸狀態(tài)和作用機(jī)制發(fā)生變化,主要通過機(jī)械切削作用、高頻微撞擊作用以及超聲空化作用等進(jìn)行材料去除。由于超聲振動(dòng)的引入,改變了材料去除機(jī)理,降低了工具與工件之間的摩擦力,減少了工具與工件的接觸時(shí)間,增強(qiáng)了工具對工件的切削去除作用,從而有效地提高了材料去除率,減小切削力,降低切削熱,減少刀具磨損,改善加工精度和質(zhì)量。
  超聲輔助切削加工系統(tǒng)主要由超聲電源、超聲能量傳輸系統(tǒng)、超聲換能器、超聲變幅桿、工具或工件、冷卻液供給單元等組成。在超聲輔助切削加工過程中,超聲電源通過超聲發(fā)生器將產(chǎn)生大于15kHz的高頻電信號,并經(jīng)過功率放大后輸出功率超聲信號,通過傳輸系統(tǒng)將功率超聲信號傳輸?shù)匠晸Q能器,再經(jīng)過超聲換能器將電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率的機(jī)械振動(dòng),通過超聲變幅桿將機(jī)械振動(dòng)的幅度增大,并傳遞給工具或工件,使其產(chǎn)生超聲振動(dòng),實(shí)現(xiàn)超聲輔助切削加工。根據(jù)超聲輔助切削加工的方式不同,超聲輔助切削加工技術(shù)的分類如圖2所示。

    

  超聲輔助車削是在普通車削機(jī)床運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上,在車刀上施加超聲振動(dòng)。超聲振動(dòng)方向主要有沿著工件旋轉(zhuǎn)方向切向的振動(dòng)和沿著進(jìn)給方向的振動(dòng)。圖3為作者研制的一種安裝在普通臥式車床上的超聲輔助車削加工裝置。

  采用聚晶金剛石(PCD)刀具普通車削和超聲輔助車削碳纖維復(fù)合材料的加工表面形貌和刀具磨損對比如圖4和圖5所示。

  與普通車削加工表面相比,超聲輔助車削表面碳纖維和基體過渡部位相對較光滑,碳纖維復(fù)合材料表面加工質(zhì)量明顯改善,刀具磨損量可減小約30%左右[1-2]。采用硬質(zhì)合金刀具普通車削和超聲輔助車削Ni718和C263等高溫合金并和普通車削加工質(zhì)量進(jìn)行對比試驗(yàn)表明,
  超聲輔助車削的加工表面粗糙度降低25%~50%,圓度提高40%~50%[3]。超聲輔助車削還可應(yīng)用于鋁基碳化硅等金屬基復(fù)合材料的加工,和普通車削加工相比表面粗糙度可降低25%左右,切削力降低1/3~1/2[4]。超聲輔助車削作為先進(jìn)的復(fù)合加工技術(shù),已在發(fā)動(dòng)機(jī)軸、葉輪胚體、機(jī)匣和活塞等航空難加工材料零件加工領(lǐng)域獲得了重要應(yīng)用。
  二維的超聲橢圓振動(dòng)車削(UEVC)是新發(fā)展起來的一種加工方法。目前UEVC的驅(qū)動(dòng)主要包括兩種方式:一種是非共振方式,目前主要是基于平行配置壓電疊堆和相互垂直配置壓電疊堆的直驅(qū)結(jié)構(gòu),這種橢圓振動(dòng)需要兩個(gè)激振源同時(shí)激振,其工作原理和基于該原理研制的加工裝置如圖6所示[5]。另一種是共振方式,主要是利用變幅桿的兩個(gè)模態(tài)振動(dòng)組合實(shí)現(xiàn)橢圓振動(dòng),其工作原理如圖7所示。

  研究表明,這種方法不僅能夠減小切削力,改善加工精度和表面質(zhì)量,減少刀具磨損,而且能實(shí)現(xiàn)脆性材料延性切削,既可以用于宏觀加工,也可以進(jìn)行微細(xì)結(jié)構(gòu)加工。近幾年來這種加工方法受到國際學(xué)術(shù)界和工程界的高度關(guān)注。此外,名古屋大學(xué)的社本教授等人還提出了三維UEVC的概念,代表了UEVC的最新進(jìn)展。

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主要技術(shù)參數(shù):

X / Y / Z軸

mm

120 / 120 / 200

轉(zhuǎn)速范圍

rpm

40.000

刀柄

 

HSK-25

A 軸 的旋轉(zhuǎn)范圍

-10° / +120°

進(jìn)給速度范圍

mm/min

10

X / Y / Z 快移速度

m/min

10

配有 15“ TFT 顯示屏和 3D 軟件的 DMG SLIMline® 控制面板

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