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超声波振动切削设备 
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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,最高频率为几百赫兹、最大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最佳。 

  

  与普通切削相比,振动车削并有下列加工效果:

  1. 车削后可达到镜面效果,减少工艺环节,降低工艺成本;

  2. 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;

  3. 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;

  4. 加工系统稳定性能显著并提高,自激振动的抑制

  5. 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振动方式:纵向振动弯曲振动扭转振动等;


、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,就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就差了,公司对加工材料进行了大量的切削实验,效果显著;


、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,最高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。


、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。 


、振动切削可选参数


型号

EPU30TCY

EPU30TCO

EPU30TF

零件轮廓

外圆

轮廓

端面、内孔

加工功能

碎屑、以车代磨、精度提高

输入电压

220±10% 50Hz

工作频率

300HZ-55KHZ

工作振幅

1μm-100μm

振动复合

一维、二维、三维等

振动模式

弯曲振动

扭曲振动

纵向振动

刀具选型

实现以车代磨配选高束能系列刀具

切削速度

≤30m/min

切削深度

≤0.2 mm

进给量

≤0.2 mm/r

加工精度

IT6~IT4(高束能超精密纳米机床)

形位公差

大大提高加工精度

粗糙度

最高可达到Ra0.8~Ra0.2

应力状态

拉应力转化为压应力

疲劳性能

提高几十倍以上

工艺环节

以车代磨


、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