振动切削技术的切削机理及发展趋势的研究

1、振动切削削技术的的切削机理理及发展展趋势的的研究王飞机械械电子专专业学号号：200094422990299摘要：振振动切削削是近年年来发展展起来的的一种新新型切削削加工技技术，它它能获得得普通切切削无法法比拟的的工艺效效果。是是现代切切削技术术的一个个重要发发展方向向。文中中对振动动切削技技术的切切削机理理及特点点进行了了阐述，介介绍了近近年来振振动切削削的最新新研究应应用状况况及存在在的问题题，并对对今后研研究的发发展方向向进行了了展望。关键词：振动切切削；切削机理理；The cutttinng mmechhaniism of Vibbrattoryy cuuttiing tecchnool

2、oggyAnd itss deevellopmmentt trrenddsAbsttracct: Vibbrattoryy cuuttiing is a nnew mettal macchinningg prroceess andd thheorry,wwhicch hhas beeen ddeveelopped onlly rreceentlly,IIt hhas manny aadwaantaagess thhat connvenntioonall meetall cuuttiing cann noot aattaain. Itt iss coonsiiderred onee off th

3、he mmostt immporrtannt ttrennds of moddernn meetall maachiininng ttechhnollogyy. IIn tthiss paaperr, tthe cutttingg meechaanissm aand thee feeatuure of tthe vibbrattoryy cuuttiing aree suummaarizzed,andd thhe nneweest staate of apppliccatiion andd reeseaarchh woork aree inntrooducced, thhe eexisstin

4、ng pprobblemms aare alsso ppoinntedd ouut. Morreovver, thhe ttheooretticaal sstuddy aand itss deevellopmmentt trrendds aare forreseeen as welll.Keywwordds: vibbrattionn maachiininng;cutttingg meechaanissm;1 引 言随着科学学技术和和工业生生产的不不断发展展，对各各种精密密机械零零件的加加工精度度和表面面质量的的要求越越来越高高；特别别是随着着机械制制造业的的日益发发展，对对一些日日益广泛泛采

5、用的的有着高高效、高高精、高高难度加加工需求求的各种种难加工工材料的的加工，再利用用传统切切削加工工方法已已很难满满足，有有时甚至至无法加加工，比比如不锈锈钢耐热钢钢及钛合合金等。而振动动切削技技术就以以其切削削力小、切削热热降低、工件表表面质量量提高、精度提提高、切切屑处理理容易、刀具耐耐用度提提高等优优点，可可以获得得普通切切削无法法比拟的的工艺效效果，特特别是在在难加工工材料的的加工和和普通材材料的难难加工工工序的加加工等领领域，解解决了许许多关键键性的工工艺问题题，并取取得了良良好效果果1。图1振动动切削过过程示意意图222振动切切削技术术的切削削机理振动切削削是一种种特种切切削加工工

6、方法，振动切切削是指指在切削削过程中中给刀具具(工件)加上某某种有规规律的、可控的的振动，从而改改变加工工(切削)机理的的切削方方法，是是一种脉脉冲切削削方法。振动切切削的核核心技术术是振动动器、电电源和振振动切削削工艺1。振动切切削的分分类如图图23。图2 振动动切削的的分类在振动切切削中，并没有有利用刀刀具振动动的整个个周期，而只是是在极短短的一瞬瞬间进行行切削。现以切切削方向向的振动动切削为为例加以以分析。图3为切削削方向振振动切削削示意图图。图33中，刀刀具以振振幅a、振动动频率沿沿f图3 切削削方向振振动切削削示意图图切削方向向振动；工件以以切削速速度向着着刀具方方向移动动。如果果工

7、件的的切削速速度和刀刀具的振振动运动动之间满满足，那那么就可可以使刀刀具从切切削区时时切离时，从从而形成成脉冲切切削。图图中:t1和t2分别为为刀具切切入、切切出金属属材料的的时间;t3为相邻邻下一周周期刀具具的切入入时间。那么，刀具在在一个振振动周期期内的净净切削时时间为ttc。若以以工件作作为参照照物，刀刀具从AA点开始始切削工工件，经经B和CC点，到到D点完完成了一一个振动动周期。根据不不同阶段段的加工工特点，我们可可以把整整个周期期分为33个阶段段:切削阶阶段。如如图中的的AB段段所示，此阶段段刀具进进入切削削区，对对工件进进行切削削，实际际切削长长度为LLt(周期期净切削削量)。刀-

8、屑屑分离阶阶段。如如图中BBC段所所示，在在此阶段段，刀具具停止对对金属材材料的切切削加工工，并自自B点开开始从切切削区分分离，到到C点完完成整个个分离过过程，刀刀-屑分分离的实实际距离离为周期期分离量量LG。再切削削阶段。如图中中CD段段所示，该阶段段是刀具具重新回回到切削削区的过过程，从从而为下下一周期期的实际际切削加加工做准准备。至至此，刀刀具完成成一个周周期的振振动切削削加工，开始下下一周期期的实际际切削过过程(DDE段)。刀具具与工件件之间就就这样反反复切削削、分离离，形成成振动切切削特有有的脉冲冲式间断断切削3。3 振振动切削削技术的特特点（1）振振动切削削时摩擦擦系数减减小，剪剪

9、切角明明显增大大，切削液液的作用用得到充充分发挥挥，切削力力减小的的机理。如图4所示,振动切切削中,刀具在在振动源源的驱动动下周期期性接触触工件、离开工工件,交交变力的的出现,使刀具具和切屑屑间的冷冷焊效果果减弱,刀具和和切屑间间的摩擦擦由内摩摩擦向外外摩擦转转变。通通过大量量的实验验研究表表明刀具具和切屑屑间的摩摩擦系数数只为传传统切削削的1/10,且十分分接近有有润滑剂剂条件下下的滑动动摩擦系系数。从从表1可可看出振振动切削削时摩擦擦系数大大大减少少。图4 从从瞬时摄摄影看到到的振动动 表表1 超超声切削削振动与与传统切切削的摸摸彩系数数在振动切切削中,由于刀刀具冲击击被切材材料,使使工件

10、加加工表面面材料产产生的裂裂纹深度度比实际际切削长长度大的的多,使使刀具前前方产生生裂纹形形成偏角角,使实实际剪切切角成,如图55所示,所以振动动切削中中剪切角角明显增增大,从从而提高高切削效效率。图5 振动切切削时剪剪切角的的变化超声振动动切削时时,空化化作用在在切削液液中的作作用很明明显,所所谓空化化作用是是指由于于液体微微粒的剧剧烈振动动,会在在液体内内部产生生小空洞洞。这些些小空洞洞迅速胀胀大和闭闭合,使使液体微微粒之间间发生猛猛烈的撞撞击作用用,从而而产生很很大的压压强。微微粒间这这种剧烈烈的相互互作用,会使液液体的温温度骤然然升高,起到很很好的搅搅拌作用用,从而而使2种种不相溶溶的

11、液体体(如水水和油)发生乳乳化,且且加速溶溶质的溶溶解,加加速化学学反应。切削液液获得了了很大的的能量更更容易进进入切削削区,从从而切削削液的作作用得到到充分发发挥。振动切削削是一个个在极短短时间内内完成的的微量切切削过程程。对于于高频振振动切削削,在切切削循环环过程中中,刀具具在很小小的位移移上得到到很大的的瞬时速速度和加加速度,在局部部产生很很高的能能量,有有助于塑塑性金属属趋向脆脆性状态态,塑性性变形减减小,摩摩擦系数数降低;同时,振动切切削时剪剪切角有有明显增增大的趋趋势,且且切削液液的空化化作用使使得切削削过程更更容易进进行,从从而与普普通切削削相比振振动切削削降低了了切削力力。（2

12、） 振动切切削时切削温温度明显显降低的的机理。振动切切削时,由于刀刀具与切切屑之间间摩擦系系数明显显减小,切削力力大大降降低,且且振动切切削只是是在很短短的时间间内才进进行有效效切削,而刀具具在这样样短的时时间内很很难生成成大量的的切削热热,且相相对散热热时间又又长,另另外又充充分利用用了切削削液的作作用,所所以导致致振动切切削的温温度很低低。（3）振振动切削削时加工工精度和和表面质质量提高高，耐腐腐性和耐耐蚀性均均得到提提高的机机理。振动切切削减小小或消除除了切削削振动,使加工工精度和和表面质质量明显显提高。振动切切削的实实际切削削时间短短,远远远小于刀刀具或工工件振动动的过渡渡时间,刀具在

13、在切削工工件时,还没有有来得及及振动,就已经经与工件件发生分分离,这这就是振振动切削削能减小小甚至消消除振动动的原因因，振动切切削实验验证明,无论高高频还是是低频振振动切削削,只要要参数选选择合适适,就能能有效地地减轻工工艺系统统的振动动,从而而提高加加工精度度和表面面质量。振动切削削的残余余应力非非常小，且加工工变质层层也较浅浅，只在在刃口附附近集中中很小量量的加工工变形，工作表表面的金金属组织织变化很很小，具具有与工工件内部部几乎相相当的组组织。因因此，其其耐腐性性、耐蚀蚀性均得得到提高高。（4）振振动切削削时减少少或消除除了切削加加工中的的自激振振动，减少刀刀具磨损损，延长长刀具寿寿命的

14、机机理。恰当的的采用振振动切削削，可以以减少或或消除机机器本身身的自激激振动，达到消消振作用用，起到到“以振抑抑振”的效果果振动切削削由于切切削阻力力小，切切削温度度低，其其综合作作用的结结果使刀刀具磨损损减少、寿命延延长。当当振动方方向、振振动参数数和切削削用量选选择合适适时，一一般可使使工具寿寿命提高高几倍到到几十倍倍，对难难加工材材料、难难加工工工序其效效果更好好。实验验表明，在一定定的切削削条件下下硬质合合金刀具具振切淬淬硬钢时时，刀具具寿命可可达实用用水平；钻削时时可使钻钻头寿命命延长117倍，中心钻钻延长33倍以上上4。（5）振振动切削削时切屑屑处理容容易的机机理。随着切切削加工工

15、技术不不断向高高效、高高精、自自动化等等方向发发展，以以及环保保意识的的加强，切屑处处理问题题也越来来越受到到关注。采用振振动切削削，切屑屑非常易易于处理理，切屑屑形状和和大小可可控，具具有不缠缠绕工件件、温度度低、排排屑顺、易清理理等优点点。如微微小深孔孔的加工工，由于于切削空空间小，刀具的的刚性差差、强度度低，因因而切屑屑排出困困难，用用普通钻钻削方法法几乎无无法加工工，而采采用轴向向振动钻钻削工艺艺后，就就可避免免切屑堵堵塞现象象，可实实现可靠靠断屑排排屑11。4 振动切切削技术术的应用用及发展展状况2振动切削削技术的的应用情情况振动切削削技术是是在研究究切削加加工本质质基础上上发展起起

16、来的一一种精密密加工方方法，弥弥补了普普通切削削的某些些不足，有相当当重要的的实用价价值，在在一些应应用领域域尤其显显示了其其独特的的优越性性，主要要有以下下几方面面：(1)难难加工材材料的加加工。如高温温合金、钛合金金、高强强钢等高高强度材材料的加加工；石石英玻璃璃、陶瓷瓷、磁性性材料等等脆性材材料的加加工；金金属基、树脂基基、陶瓷瓷基等复复合材料料的加工工。(2)难难加工结结构的加加工。如薄壁壁筒、细细长杆等等弱刚度度零件的的加工；微腔体体、微肋肋、微梁梁等微小小零件的的加工；微孔、斜孔、深孔、窄深槽槽等易断断刀结构构的加工工，以及及零件理理想棱边边等。(3)零零件表面面完整化化的加工工。

17、零件加加工表面面完整性性指的是是零件经经过机械械加工后后表面层层的机械械物理性性能、金金相组织织等均能能满足使使用要求求，并确确保具有有一定的的使用寿寿命。振振动切削削在零件件表面完完整化的的加工中中可以取取得比传传统切削削更良好好的工艺艺效果，如振动动去毛刺刺、锐边边和倒角角等理想想棱边的的加工等等。(4)排排屑断屑屑比较困困难的切切削加工工。如钻孔孔、铰孔孔、攻丝丝、剖断断、锯切切和拉削削等切削削加工时时，切屑屑往往处处于半封封闭或封封闭状态态，常因因排屑断断屑困难难而降低低切削用用量，这这时如果果采用振振动切削削则可以以比较顺顺利地解解决排屑屑断屑问问题，从从而保证证加工质质量和提提高生

18、产产效率。4.2 振动动切削技技术存在在的问题题（1）人人们对振振动加工工的微观观机理的的解释尚尚缺乏科科学的定定量描述述，试验验研究已已经较为为广泛，但理论论却相对对滞后；（2）超超声振动动系统功功率相对对偏低，超声电电源设备备、切削削装置和和测试系系统的系系列化、商品化化程度不不够，一一定程度度影响了了其应用用和推广广；（3）如如何将振振动有效效地传递递到材料料的塑性性变形区区，其中中包括寻寻求更合合理的激激振方式式和设计计最佳振振动传输输系统；（4）机机器在振振动下疲疲劳损坏坏问题，以及振振动对环环境的污污染问题题等。4.3未未来发展展趋势(1)对对振动切切削理论论的深入入研究。当前和和

19、今后的的一个时时期对振振动切削削机理的的研究将将主要集集中在振振动切削削状态下下工件上上多余金金属是如如何与工工件相分分离并形形成屑的的；振动动切削中中刀具与与工件相相互作用用的力学学分析；振动切切削机理理的微观观研究及及数学描描述；效效率更高高的试验验及实用用振动切切削系统统。(2)从从试验性性研究开开始转向向实际生生产应用用研究。实用的的大功率率振动切切削系统统期待能能早日问问世，目目前为止止，输出出功率为为4 KWW的振动动切削系系统已经经研究出出来并投投产使用用。(3)实实用的低低频振动动加工将将得到发发展。现有的不不尽完整整的试验验结果表表明，低低频振动动加工有有时可以以达到与与超声

20、振振动加工工相似的的结果，但低频频振动加加工往往往需要较较好的隔隔振措施施，噪声声污染相相对较大大。(4)研研制和采采用新的的刀具材材料。在在振动切切削中，除了选选用合适适的刀具具参数外外，人们们将更多多的注意意力转移移为对刀刀具材料料的开发发和使用用上，其其中天然然金刚石石、人造造金刚石石和超细细晶粒的的硬质合合金材料料的研究究和应用用为主要要方向。(5)迅迅速向其其他领域域渗透和和扩展。由振动动车削、振动钻钻削、攻攻丝等扩扩展到振振动珩磨磨、抛光、刨削削、磨削削、拉削削和研磨磨等机械械加工中中，并迅迅速向其其他领域域渗透，比如在在医疗机机械方面面就应用用了超声声振动原原理成功功研制了了超声振振动手术术刀等。（6）实实现振动动切削的的自动化化和智能能化。由于振振动切削削是一种种先进的的加工工工艺，振振动参数数对工件件加工质质量的影影响非常常大，而而且要根根据不同同的加工工对象，不同的的材质做做相应的的变化，因此靠靠以往的的切削设设备不能能实现这这一目标标，必须须增加能能进行改改变振动动参数的的自动控控制系统统，充分分实现振振动切削削的自动动化和智智能化。振动切削削的最终终目的是是适应新新型材料料的出现现，优化化切削过过程，全全面提高高工件加加工质量量；而受受实验设设备等客客观因素素的限制制不可能能在实验验中大幅幅度