超聲振動精密車削加工的試驗(yàn)研究

李文杰

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安710089)

隨著近年來航空宇航制造業(yè)的快速發(fā)展，為了滿足零部件日益提高的加工要求，許多新型的加工方法也在不斷研究和應(yīng)用。超聲振動車削具有切削力小、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，可以使零件的加工精度和表面質(zhì)量獲得很大程度的提高。通過對45號鋼進(jìn)行超聲振動精密車削試驗(yàn)，獲得了良好的加工效果和表面質(zhì)量，在很大程度上可以代替磨削對零件進(jìn)行精加工，從而為實(shí)現(xiàn)精密加工提供了一條新的途徑和方法。

1 超聲振動精密車削加工的機(jī)制分析

(1)超聲振動車削時(shí)，刀具在有規(guī)律的高頻振動狀態(tài)下進(jìn)行切削，切削速度的大小和方向在不斷變化，是一種高速沖擊和切削的聯(lián)合作用，具有振動沖擊和變速、斷續(xù)切削的特點(diǎn)，大大減小了切削力、摩擦因數(shù)和切削熱，為實(shí)現(xiàn)精密加工提供了條件;

(2)超聲振動切削加強(qiáng)了刀刃的切割作用和穿透能力，減弱了刀刃的推擠作用，當(dāng)金屬材料的晶格缺陷吸收了超聲能量后，位錯(cuò)能增加，激化了位錯(cuò)，從而降低了金屬的變形抗力，使塑性變形能增加，這就使切削變得容易，加工質(zhì)量易于得到保證;

(3)超聲振動車削的刀具可以視為脈沖熱源，能量都集中在切削部位的極小范圍內(nèi)，可以使刀刃前的工件材料產(chǎn)生滑移運(yùn)動和局部熱，從而使這部分材料產(chǎn)生局部軟化，破壞了積屑瘤產(chǎn)生的條件，有利于提高零件表面的加工質(zhì)量;

(4)由于超聲振動切削時(shí)的高頻振動作用和往復(fù)熨壓作用可以使已加工表層材料產(chǎn)生應(yīng)變速率硬化和變形硬化，使車削后的表面硬化程度高于普通車削，在表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，而且表面基本上不存在微裂紋等幾何缺陷，有利于提高屈服強(qiáng)度，從而形成良好的表面加工質(zhì)量。

2 試驗(yàn)設(shè)備和工件

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

C6140普通車床一臺;超聲波發(fā)生器一臺，額定電壓為220 V，工作頻率為50 Hz，輸出頻率為(20±1)kHz;超聲車削工具系統(tǒng)，工作頻率為20 kHz;刀尖振幅為15 μm，刀尖圓弧半徑為1 mm。

2.2 試驗(yàn)工件

試驗(yàn)采用的試件材料為45號鋼，經(jīng)車削加工成φ32×300實(shí)心軸，在進(jìn)行超聲車削精加工前，零件已進(jìn)行了半精加工。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 超聲振動車削加工裝置圖

3 試驗(yàn)方法

3.1 對比試驗(yàn)法

對半精加工后的試件，改變切削深度和原始的表面粗糙度，然后分別進(jìn)行超聲波車削加工和普通車削加工試驗(yàn)，分別測量加工后的表面粗糙度值，其工藝參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

3.2 正交試驗(yàn)法

在正交試驗(yàn)中，以車削加工后的表面粗糙度為主要指標(biāo)，將車刀幾何參數(shù)和振幅等因素固定不變，選擇工件轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、原始表面粗糙度和切削深度為試驗(yàn)因素，如表2所示，試驗(yàn)中選用的正交表為L9(34)。

表2 正交試驗(yàn)的因素及水平

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 對比試驗(yàn)結(jié)果分析

從表1可以看出:在同等條件下，超聲振動車削的加工效果明顯優(yōu)于普通車削，加工后的表面粗糙度可以得到顯著的降低;在相同的振幅和切削條件下，隨著切深和原始表面粗糙度的增加，加工后表面粗糙度也隨著增大。這是因?yàn)槌曊駝泳芮邢骷庸な且环N微量的切削過程，當(dāng)切深和原始表面粗糙增加時(shí)，刀尖的振動沖擊和熨平的效果就變差，而且容易引起工藝系統(tǒng)的振動，加工后的表面質(zhì)量也會隨著變差。圖2所示為不同切深和原始表面粗糙度下的工件表面。

圖2 不同切深和原始表面粗糙度下的工件表面

4.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

正交試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

采用極差分析的方法對正交試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析，各因素不同水平的平均值K和極差R如表4所示。因素的極差越大，說明該因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響越大，也是影響加工效果的主要因素，由表4可以看出各因素對試驗(yàn)結(jié)果影響的順序依次為:原始表面粗糙度，切深，進(jìn)給量和工件轉(zhuǎn)速。

表4 各因素的平均值和極差值

4.3 影響表面粗糙度的因素分析

以各因素的不同水平為橫坐標(biāo)，以試驗(yàn)各因素不同水平的平均值K為縱坐標(biāo)，畫出各因素對車削表面粗糙度的影響趨勢如圖3所示。

由圖3可以看出:零件的原始粗糙度越大，經(jīng)超聲車削加工后的表面粗糙度越大，如圖3(a)所示，經(jīng)試驗(yàn)證明，在超聲車削精加工中原始粗糙度值在1.1～3.2 μm之間比較經(jīng)濟(jì)合理;隨著轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的增加，經(jīng)超聲車削加工后的表面粗糙度都有一個(gè)先減小再增加的趨勢，變化程度比較緩慢，在加工中存在一個(gè)合理的取值范圍，應(yīng)該根據(jù)具體的加工對象進(jìn)行選擇;在刀尖從剛接觸工件到切削深度逐漸增加的過程中，粗糙度呈現(xiàn)一個(gè)先減小再急劇增加的趨勢，表面質(zhì)量也隨之變差，如圖3(d)所示，大量試驗(yàn)表明在用超聲振動車削進(jìn)行精加工的時(shí)候，理想的切削深度應(yīng)該在0.015～0.025 mm之間。

圖3 各因素對表面粗糙度的影響趨勢圖

5 結(jié)論

(1)超聲振動車削精加工可以有效降低表面粗糙度，適合于半精加工之后對零件進(jìn)行精密加工，但是只有當(dāng)原始粗糙度和切削深度控制在一定范圍的時(shí)候才可以取得良好的加工效果;

(2)此次超聲振動車削試驗(yàn)合理的工藝參數(shù)組合為A3B2C2D2，即在加工材料為45號鋼時(shí)，直徑為φ32，長度為300 mm時(shí)，最優(yōu)的加工參數(shù)為:原始粗糙度為1.032 μm，工件轉(zhuǎn)速為530 r/min，進(jìn)給量為0.05 mm/r，切削深度為0.02 mm。

(3)基于超聲振動車削的精加工是實(shí)現(xiàn)精密加工的一個(gè)簡單、經(jīng)濟(jì)有效的方法，加工設(shè)備簡單而且易于獲得良好的表面加工質(zhì)量。

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