开启超声波镜面加工新时代

一、振动切削装置介绍

振动切削是给刀具或者工件一方向施加一定的频率和振动的振幅，以改善车学效能的切削方法，振动切削分为三种：

1、以断削为目的，这时采用低频率，高频率为几百赫兹、达到几毫米大振幅的进刀方向振刀。

2、对难加工材料硬、催、黏和细长轴、微小孔、薄壁件等精度要求高的零件，采用振动加工的方式。

3、以改善加工表面粗糙、精度、提高切削效率和扩大切削加工适应范围为目的的振动切削方式，需要用高频率、振动小大约在30um范围内的振幅，经过表面在切削速度方向振动效果更好。　与普通切削相比，振动车削并有下列加工效果：

车削后可达到镜面效果，减少工艺环节，降低工艺成本；

不容易产生积削瘤，切削力大幅度减小，刀具寿命大幅度延长，减少刀具3倍以上耗材成本；

毛刺的抑制，加工精度大幅度提高，提高产品档次和竞争优势；

加工系统稳定性能显著并提高，自激振动的抑制

形态难加工部位的加工，难加工材料超精密镜面切削、超精密细微切削，脆、硬、黏材料的精密切削

二、振动切削装置

超声振动加工技术是给刀具施加一定振幅的超声振动，超声振动加工的切削机理最根本的是基于工件刀具的断续接触-分离，具有降低切削力、提高加工质量等一系列的优点，基于以上优点，超声振动加工技术广泛地应用于难加工结构(弱刚度结构)、难加工材料(高切削力、高切削温度)等的加工中，取得了良好的效果。

普通切削方式是通过传统刀片的锋利对工件硬性切削下来（也可称之为撤撕下来），均属于破外力切削。随着超声波振动切削的发展，有了改观。但纵向振动切削、弯曲振动切削或其它振动切削的方法，对应力的消除有微小的改观，但说无法彻底消除拉应力，实现不了拉应力和压应力的转换。随着国家对抗疲劳制造技术的重视，急切需求从破坏拉应力切削转化为预置高值压应力的切削方式，达到抗疲劳制造技术要求。现有振动切削技术中，粗糙度应用中轻微的改善，无法满足机械制造加工要求，对疲劳制造采取的是切削完成后续的措施，如高束能超声强化滚压的方式等。

振动切削各种振动方式：一维、二维、三维均对刀具装夹角度有很高的要求；方式方法不对，不但起不到振动切削的效果，反而刀具使用寿命会大大缩短。现有切削技术属于单点连续切削，切削液很难进入刀尖切削作业部对刀片冷却。随着振动切削的应用，切削液随着切削的间断性，对刀尖切削作业部实现了冷却，但还是单点不换位切削，刀具使用寿命很短。

现有的振动切削装置，换能器通过端盖固定在壳体内，导致换能器与壳体间或多或少存在空隙，使得超声震动在空隙内的部分损耗且生热，再者，换能器被机械固定于壳体内上，在工作时，其超声振动不可避免传递给壳体， 使得换能器的振动在向刀片传递的过程中损耗比较大，连接点多间隙产生热会致使压电或电源损坏。另外，现有刀片一般需经粗切削--精切削--粗磨--精磨削--抛光达到Ra0.2微米，切削深度、进给量均很小，加工工序繁琐，加工效率底下。

　振动切削系统主要通过电器控制系统将交流电50HZ,220v转换成正弦电振荡信号，换能器将电振荡信号转换为超声频机械振动，变幅杆将换能器的纵向振动放大后传递给超声刀具进行振动切削；振动切削装置的作用是使刀具获得一定振幅的超声频机械振动，将超声振动系统和刀具固定在刀架上实现超声切削加工。振动切削可采用一维、二维、三维等振动方式：纵向振动、弯曲振动、扭转振动等；

三、振动切削对特种材料的加工

随着公司对高能束技术不断的研发，超声振动切削技术的研发和推广，振动切削技术广泛应用在航空航天、国防工业、宇航工业、机械制造等领域声学应用中，大量使用在耐热钢、钛合金、高温合金、不锈钢、恒弹性合金、冷硬铸铁和工程陶瓷等材料中，这些材料具有耐热性、耐腐蚀、高强度、优异的常温和高温力学性能，由于特出材料的强度高、导热性能差、加工硬化强度倾向严重，其加工性仅为普通材料的30%-40%，用传统的切削方法加工时切削用量小，刀具磨损严重，甚至无法进行切削，给切削加工带来了很大的困难；硬的、脆的材料如：花岗岩、陶瓷、淬硬钢的切削加工性差了，公司对加工材料进行了大量的切削实验，效果显著；

四、振动切削对普通材料的加工

超声振动切削是使刀具以1-100KHz的频率、沿切削方向高速振动的一种特种切削技术。超声振动切削从微观上看是一种脉冲切削，在一个振动周期中，刀具的有效切削时间很短，一个振动周期内绝大部分时间里刀具与工件、切屑完全分离，刀具与工件切屑断续接触，切削热量大大减少，并且没有普通切削时的“让刀”现象。利用这种振动切削，在普通机床上就可以进行精密加工，工件的圆度、圆柱度、平面度、平行度、直线度等形位公差主要取决于机床主轴及导轨精度，可达到接近机床精度，使以车代磨、以钻代铰、以铣代磨效果。与高速硬切削相比，不需要过高的机床刚性，并且不破坏工件表面金相组织。在曲线轮廓零件的精加工中，可以借助数控机床进行仿形加工，可以节约高昂的数控磨床购置费用，车削后效果可以达到镜面效果。

五、振动切削对加工精度的影响

切削尺寸精度。以使用一台功率为150W左右的能力发生器和40KHZ的纵向振动切削装置为例,可以超声车削加工Φ0.2-1mm的小直径零件，由于直径小，切削速度转速可以达到5000-20000转/分钟的生产效率，可以获得很高的生产效率；超声切削由于属于振动切削，可以加工Φ1mm的不锈钢零件，比普通切削所得尺寸精度高，实验结果显示，普通切削时随着时间的延长，尺寸的分散，直径逐步增大，尺寸误差范围为8um。振动切削，尺寸误差范围为3um，直径的扩大量也比较小，振动切削不但提高工件的加工精度，还获得了较高的表面粗糙度，提高了刀具的使用寿命。

圆度误差。在切削速度等于28.6米/分钟、进给量0.08mm/r、切削深度0.15mm、振动频率为21.3KHZ、振幅12um的条件下，超声切削40cr的圆度误差为1.5um，同等技术参数下普通车削的误差为8um；在切削速度等于29.4米/分钟、进给量0.08mm/r、切削深度0.15mm、振动频率为21.3KHZ、振幅12um的条件下，超声切削1Cr18Ni9Ti的圆度误差为2.2um，同等技术参数下普通车学的误差为5um；

在一定切削范围内，超声振动切削的圆度误差小于普通切削，振动切削的圆度误差随着切削速度的增大而增大，这是因为切削速度的增大时，分离时间短，切削时间增长，切削液及其空气氧化层的润滑作用减弱，刀具与切削之间的摩擦增大，切削变形随之增大，切削力随着增大，在加工中切削的误差增大；实验件对圆辊子，上下辊子直径为50mm，内径为30mm，上辊子宽度为8㎜，下辊子宽度为15mm，实验材料为45#，表面粗糙度要求达到Ra0.2um。　

六、振动切削可选参数

七、振动切削综合效应

1.切削力小，约为普通刀具切削力的
1/3-1/10

2.实现以车代磨，超精密镜面加工，粗糙度可达Ra0.2微米。

3.加工精度高

4.切削温度低，工件保持室温状态

5.不易产生积屑瘤，工件变形小，没有毛刺

6.被加工零件的“刚性化”，即与普通切削相比，由于切削力的减小，相当于工件刚性提高

7.加工过程稳定，有效消除颤振

8.切削液的冷却、润滑作用提高

9.刀具耐用度呈几倍到几十倍提高

10.工件表面呈压应力状态，耐磨性、耐腐蚀性提高

11.切削后的工件表面呈彩虹效果

12.难加工材料切削：如耐热钢、钛合金、恒弹性合金、高温合金、

13.不锈钢、冷硬铸铁、工程陶瓷、复合材料和花岗岩等

14.加工淬硬钢零件及超硬零件，能得到很高的加工精度和表面质量：用硬质合金刀具可以很轻松地加工硬度达
HRC60 以上的淬

15.硬钢零件，如高速钢、轴承钢等；用PCD 刀具加工硬质合金，大大提高刀具耐用度

16.成型切削：利用成型切削刀具加工各种类型的轮廓曲面及内外球面、过度圆弧、锥面等

17.细长杆件及薄壁件切削加工

18.超细直径零件切削加工

19.超精密镜面加工