超声波振动切削加工技术

一、超声波振动切削加工技术

超声波超声波振动切削加工是近年来发展起来的一种先进制造技术，它是在传统的切削过程中给刀具或工件附加某种有规律的振动，使切削速度、给进量、切削深度按一定规律变化，从而使传统切削模式发生了根本性的变化。超声波振动切削改变了工件与刀具之间的时间与空间的分配，从而改变了切削加工机理，达到了减小切削力和切削热，并且提高加工质量和效率的目的。

在普通切削中，切削时靠刀具与工件的相对运动来完成的。切屑与已加工表面的形成过程，本质上是工件材料受到刀具的挤压，产生弹性变形和塑性变形，使切屑与母体分离的过程。

在这种刀具始终不离开切削的普通切削中，刀具的作用包括两个方面：一个是刀刃的作用，一个是形成刀刃的刀面的作用。由于刀刃与被切削物接触处局部压力很大，从而使被切物分离。刀面则在切削的同时撑挤被切物，促进这种分离。普通切削中，伴随着切屑的形成，由于切屑与刀具之间的挤压和摩擦作用，将不可避免产生较大的切削力，较高的切削温度，使刀具磨损和产生切削振动等有害现象。基于这种思想，产生了一种新的切削方法——超声波振动切削。

二、超声波振动切削分类

1.超声波振动切削按振动质量分为自激超声波振动切削和强迫超声波振动切削。自激超声波振动切削是利用切削过程中产生的振动进行切削的。强迫超声波振动切削是利用专门设置的振动装置，使刀具或工件产生某种有规律的可控振动进行切削的方法。　

2.超声波振动切削按刀具振动方向分为吃刀抗力方向、进给抗力方向和主切削力方向三种超声波振动切削。

3.振动切削按所加频率不同可分为高频振动和低频振动。振动频率在200HZ以下的振动切削称为低频振动切削，低频振动仅仅从量上改变切屑的形成条件，主要用来解决断屑问题以及与此相关的一系列问题。一般来说，低频超声波振动切削的振动主要是靠机械装置实现，机械超声波振动切削装置的结构简单，造价低，使用维护都比较方便，振动参数受负载影响较小，所以应用比较广泛。

高频振动切削又称为超声波振动切削，高频超声波振动切削是指振动频率在16KHZ以上，利用超声波发生器，换能器，变幅杆来实现的。通常来自超声波发生器的正弦波形的电震荡通过换能器变成只有几个微米的机械振动，然后经过变幅杆将振幅放大到15μm以上，而连接在变幅杆前端的刀具就能以相同的频率进行振动。高频超声波振动切削已经使切屑形成机理产生重大变化，可以提高被加工材料的可加工性，提高刀具寿命和工件加工质量。高频超声波超声波振动切削加工的工艺效果来自刀具和工件之间的分离运动，即它是一种脉冲式的断续切削过程。所以作为精密加工和难加工材料加工中的一种新技术，它的切削效果已经得到世界各国的一致公认，认为它是传统加工技术的一个飞跃。

三、超声波振动切削加工的特点

超声波振动切削可以是切削力大幅度降低，使摩擦热减小、刀具耐用度提高、已加工表面粗糙度减小，与传统切削相比，具有以下特点：

①切削力大大减小刀具与切屑间摩擦因数只有传统切削的1/10，所以切削力可以减小到传统切削的1/2~1/10。

②切削温度明显降低刀与切屑间接触出现间歇，切削热更难以传到切削区，易于冷却，所以平均切削温度降到与室温差不多。

③提高了切削液的效果，从而减小了刀具与切屑间的摩擦。

④可提高刀具使用寿命。

⑤可控制切屑的形状和大小，改善排屑状况。

⑥提高加工精度和表面质量。

⑦可提高已加工表面的耐磨性和耐蚀性。

四、工艺效果分析

1.瞬间切削力增大   

根据连续弹性体动力分析理论，在普通切削中，切削力一直作用在工件上，使得周边的材料也参与抵抗变形，就使得切口处切削力降低。在超声波振动切削中，材料的破坏过程与普通切削不同，它由每次冲击产生细微破坏而完成切削。在超声波振动切削中，因振动提高了实际的瞬间切削速度，并以动态冲击力作用于工件，使得局部变形减小，作用力集中，瞬间切削力增大。从而获得较大的波前剪应力，有利于金属的塑性脆化。减小塑性变形，利于切削。在超硬材料的加工方面，这一优点更为突出。

2.摩擦因数减小超声波振动切削可以是摩擦因数大大减小，因为振动可使相互接触材料间的静、动摩擦因数减小；超声波振动切削可使切削液产生“空化”作用，使切削液充分发挥作用，可使摩擦因数减小。

3.剪切角增大超声波振动切削时，刀具冲击被切材料产生的裂纹深度比实际切削长度长度大得多，在刀具前方会产生裂纹形成偏角，从而使实际剪切角增大。

4.工件刚性化当采用超声波超声波振动切削时，整个系统的等效弹性系数比原系统弹性系数，在稳态切削条件下，一般增大3—10倍，所以我们可以看出采用超声波振动切削能提高工件刚性。

5.应力和能量集中超声波振动使切削力的能量集中在切削刃前方工件材料很小范围内，工件材料原始晶格结构变化很微小，因此加工表面质量好，加工硬化和加工变质层均很小。

6.相对静切削时间小超声波超声波振动切削时，在每个振动周期内只有短时间在切削，其余大部分时间里刀具与工件是分离的，所以超声波振动切削的相对静切削时间短。

7.有利于冷却刀具的高速振动对刀具的散热十分有利，同时由于刀具的前面周期性脱离工件，使得冷却液更容易进入刀具和工件之间，也增加了系统的散热能力。超声波振动切削中，刀具在振动源驱动下周期性接触、离开工件。刀具与切屑分离时，切削液产生空化作用，切削液充分进入切削区。超声波振动切削时刀具对工件的冲击作用，应力波的出现，有利于切削区裂纹的萌生和扩展。刀具与切屑接触时，由于压力差出现，使得切削液渗透作用加强，充分发挥切削液的润滑和冷却作用。这些都大大降低了前刀面与切屑间及后刀面与已加工工件表面间的摩擦。

五、超声波振动切削技术的应用

超声波振动切削技术是在研究了切削加工本质的基础上所提出的一种精密加工方法，它弥补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适用范围，主要有以下几个方面：

1.难切削材料加工：不锈钢、淬硬钢、高速钢、钛合金、高温合金、冷硬铸铁以及陶瓷、玻璃、石料等非金属材料由于机械、物理、化学等特性而难以加工，如采用超声超声波振动切削则可化难为易。

2.难加工零件的切削加工  

3.高精度，高表面质量工件的切削加工，普通切削相比，超声波振动切削时切屑变形与切削力小，切削温度低，加工表面上不产生积屑瘤、鳞刺与表面微裂纹，再加上表面硬化程度较大，表面产生残余压应力，切削过程稳定，容易加工出高精度与高表面质量的工件。

4.排屑断屑比较困难的切削加工，钻孔、铰孔、攻丝、剖断、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，这时如果用超声波振动切削则可比较顺利地解决排屑断屑问题而保证加工质量与提高生产效率。

随着科学技术的进步和发展，超声波振动切削加工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。也促进切削加工技术向复合方向发展，对提高我国机械制造业的加工水平和新产品开发具有十分重要的意义。如需更多技术了解，欢迎来电垂询。