超声振动车削加工的研究现状及进展

首先简述了超声振动切削技术的发展、优点及应用领域,以超声振动车削工艺为例,通过对振动车削中的临界速度、超声波发生装置系统、振动切削刀具装置和超声振动切削机理等关键因素的分析,总结了目前制约超声振动切削技术实用化的一些主要原因,指出了超声振动切削技术需要进一步研究和解决的问题.文章还分析了振动切削技术的最新发展,认为超声振动切削是一项有发展前途的新型技术.     

激光超声复合加工硬质合金的切削特性研究

研究了激光加热与超声椭圆振动复合切削条件下,使用CBN(立方氮化硼)刀具对硬质合金材料进行精密加工的切削特性。利用有限元仿真,分析硬质合金材料在普通切削、一维超声振动切削、超声椭圆振动切削与激光超声复合切削4种切削方式下的切削力变化特征。采用超精密车床与YAG激光器、自主研发的超声振动装置等辅助设备,实验研究了激光超声复合精密加工硬质合金的切削特性。通过一系列的对比实验,分析切削参数,如切削速度、切削厚度,对切削力的影响规律。仿真与实验结果表明,由于加工材料的软化和断续切削,激光超声复合辅助加工显著地降低了切削力,硬质合金的切削加工性能得到显著改善,通过工艺参数的优化,可以实现硬质合金的精密加工。     

超声振动切削加工机理及切削性能分析

针对氧化铝陶瓷材料切削加工,分别采用传统切削和超声振动切削加工氧化铝陶瓷工件,使用ABAQUS有限元软件进行建模仿真,分析工程陶瓷在两种切削情况下的切削性能。对实验结果数据进行对比分析得出:超声振动切削工件过程中所产生的应力要小于传统切削;超声振动切削工件过程中所产生的最大温度要远远小于传统切削;传统切削加工产生的切屑和超声振动切削加工产生的切屑形态不同;超声振动车削力远小于传统加工。     

高速超声振动切削的最佳主偏角适用范围

为了研究高速超声振动切削过程中主偏角对切削力的影响,建立了高速超声振动切削的理论模型。首先分析了高速超声振动切削在不同主偏角下的切削力分布,然后计算了不同切削区域的切削厚度和单位切削宽度,以及四个金属切削变形区的切削力,最终建立了高速超声振动切削在0～90°主偏角下的切削力模型。理论和实验结果表明,对于主切削力而言,主偏角变化范围为20°～55°时,高速超声振动切削主切削力小于常规切削主切削力;对于进给抗力而言,主偏角适用范围为15°～40°;对于吃刀抗力而言,主偏角适用范围为15°～45°。为了使高速超声振动切削的切削效果达到最好,最佳主偏角适用范围为20°～40°。     

激光超声复合加工硬质合金的切削力理论与试验

为了实现硬质合金的延性域加工,研究激光加热与超声椭圆振动复合切削条件下,使用CBN(立方氮化硼)刀具对硬质合金进行精密加工的切削特性。分析硬质合金在普通切削、超声椭圆振动切削与激光超声复合切削三种切削方式下的切削力变化特征,建立激光超声复合切削的切削力理论模型,采用超精密车床与YAG激光器、自主研发的超声振动装置等辅助设备,试验研究激光超声复合精密加工硬质合金的切削特性。通过一系列的对比试验,分析切削参数,如切削速度、切削厚度对切削力的影响规律。理论模型与试验结果表明,由于硬质合金的软化和断续切削,使得激光超声复合辅助加工显著地降低了切削力,硬质合金的切削加工性能得到显著改善,通过工艺参数的优化,可以实现硬质合金的精密加工。     

激光超声复合切削硬质合金的刀具磨损及其对工件表面质量的影响

基于激光加热辅助切削和超声椭圆振动切削提出了激光超声复合切削加工工艺。采用聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具对YG10硬质合金进行了常规切削,超声椭圆振动切削,激光加热辅助切削和激光超声复合切削对比试验。检测了刀具磨损量、刀具磨损形貌、工件表面粗糙度以及工件表面形貌,并通过扫描电镜(SEM)对刀具磨损区域进行了能谱分析,同时研究了激光超声复合切削硬质合金时PCBN刀具的磨损及其对工件表面质量的影响。最后,与常规切削、超声振动切削及激光加热辅助切削进行了对比试验。结果表明:激光超声复合切削时刀具使用寿命显著增加,加工后的工件表面粗糙度平均值分别降低了79%、60%和64%,且工件表面更加平整光滑。激光超声复合切削硬质合金时,PCBN刀具的前刀面磨损表现为平滑且均匀的月牙洼磨损,后刀面磨损表现为较窄的三角形磨损带和较浅的凹坑和划痕;刀具的失效机理主要为黏接磨损、氧化磨损和磨粒磨损的综合作用。     

不分离型超声椭圆振动切削试验研究

超声椭圆振动切削在分离切削区能够有效地降低切削力、抑制加工过程颤振、提高零件表面加工质量和延长刀具的使用寿命,为此已成功地应用于精密和超精密加工领域.为更充分发挥超声椭圆振动切削技术的优势,拓宽其应用领域,在深入分析椭圆振动切削过程和表面微观形貌形成机理的基础上,通过具体的切削试验验证超声椭圆振动切削在不分离区仍然具有降低切削力、抑制加工颤振、降低已加工表面粗糙度等优势特性.同时,不分离型超声椭圆振动切削的加工效率是分离型椭圆振动切削的2～3倍,进一步提高超声椭圆振动切削的加工效率.但是,这些特性在不分离切削区随着速度系数的增加而逐渐减弱,当速度系数大于3以后,这些切削优势特性基本消失.     

振动参数对超声椭圆振动切削的影响

基于超声振动切削原理和金属切削原理,利用有限元软件MSC/MARC建立了二维热力耦合正交切削有限元模型,对超声椭圆振动切削45钢的切削机理进行了研究,得到了切削温度及切削力的瞬时变化规律.     

光学玻璃微切削时材料去除机理和表面质量的研究

通过显微压痕和纳米压痕试验,研究了Soda-lime光学玻璃在微/纳米尺度下的材料去除机理,发现外加载荷的幅值对脆性材料变形方式有直接影响。对光学玻璃的金刚石普通切削和超声振动切削试验结果表明,超声振动切削的实际有效切削深度与名义切削深度有着较好的一致性,合理选择金刚石超声振动切削参数可实现光学玻璃的塑性域切削。     

高比重钨合金超声椭圆振动切削去除机理研究

高比重钨合金作为一种难加工金属材料,其应用范围一直受限于其超精密加工水平。超声椭圆振动切削技术在高比重钨合金超精密切削加工中极具应用前景,通过切削去除机理研究,可推动其在高比重钨合金超精密切削领域中的应用。因此,首先对超声椭圆振动切削轨迹进行分析,结合瞬时剪切角变化,建立了超声椭圆振动切削弯矩及切削力模型,并基于上述模型,通过与常规车削相对比,对超声椭圆振动切削特性进行分析。然后,采用单晶金刚石刀具,进行高比重钨合金超声椭圆振动划擦实验和切削实验,并通过SEM、白光共聚焦显微镜、X射线残余应力分析仪等设备对材料塑脆特性、切屑厚度、切削表面残余应力及切削表面加工损伤等进行检测与分析。理论分析与切削实验表明,与常规车削相比,超声椭圆振动切削下材料去除尺度由微米量级减小为纳米量级,高比重钨合金表现出更强的塑性;随着剪切角变化,超声椭圆振动切削在材料去除过程中,会产生更大的向下的分力,在切削表面留下更大的残余应力;超声椭圆振动切削下,切削方向与材料断裂方向更为一致,结合锋利的单晶金刚石刀具,有利于实现高比重钨合金超精密切削。     

超声波振动金刚石刀具对脆性材料临界切削深度的影响

通过脆性材料沟槽切削试验,研究了超声波直线振动金刚石刀具和超声波椭圆振动金刚石刀具对脆性材料临界切削深度的影响,与没加超声波振动的金刚石刀具相比,超声波振动金刚石刀具能增大对脆性材料塑性切削的临界切削深度。提出了超声波振动金刚石刀具切削脆性材料临界切削深度计算公式,分析了导致超声波振动金刚石刀具增大脆性材料塑性切削的临界切削深度的原因。     

钛合金高速旋转超声椭圆振动侧铣削切屑特征和刀具磨损研究

难加工材料钛合金在采用传统铣削方式时,随着切削速度的增加,切削力和切削温度都迅速增加,使得切削条件恶化并加速刀具磨损,从而导致刀具过早失效。将超声椭圆振动加工技术引入到高速铣削中,进行了钛合金高速旋转超声椭圆振动侧铣削试验。从切屑特征以及刀具后刀面磨损两个方面研究了高速超声椭圆振动铣削参数匹配对钛合金加工的影响。首先基于高速超声椭圆振动铣削过程中刀具-工件的运动学特点推导出高速超声椭圆振动铣削加工参数与振动参数间的匹配关系,然后利用本实验室自行研制的超声椭圆振动铣削装置进行了不同参数匹配关系下的验证性切削试验。试验结果表明：合理的参数匹配使得超声椭圆振动铣削在高速条件下依然能够实现分离型断续切削加工。相比普通铣削加工,分离型的高速超声椭圆振动铣削能够获得更加微细的切屑,切削热能够被及时地带走;良好的切削条件使得刀具的后刀面磨损均匀而缓慢,从而延长刀具的使用寿命;高速超声椭圆振动铣削能够有效地提高生产效率。     

小直径深孔超声振动钻削装置的设计

超声振动加工是一种先进的加工工艺方法,是在加工过程中给工具或工件沿一定方向施加一定频率的超声振动。将超声振动用于精密或超精密加工,特别是在超硬材料、复合材料等难加工材料方面有着突出的优越性,具有低切削力、低切削温度、好的表面粗糙度。基于高频振动切削原理,针对小直径深孔的精密及超精密加工问题,设计了超声振动钻削装置。对难加工材料钛合金进行钻削实验,并对实验结果和数据进行分析。     

微超声振动机器人系统的设计与分析

设计一套微超声振动机器人系统用于细胞切割.超声振动单元安装在并联机器人的动平台上,压电陶瓷驱动器控制操作针做高频振动,直到刺破细胞的壁膜,减少穿刺过程中细胞的变形,从而减小对细胞的损伤.该系统用于牛卵细胞微切割试验,取得很好的效果.     

超声振动铣削加工参数对切削力的影响

为了改善传统铣削钛合金的加工条件,研究了进给方向超声振动辅助铣削对切削力的影响。定值计算了不同振动频率、振幅、铣削速度时的净切削时间比,建立了对工件施加超声振动的铣削加工三维有限元模型,根据仿真结果讨论了加工参数对进给方向切削力瞬时值的影响,并结合净切削时间比分析了加工参数对三个方向切削力平均值的影响。研究表明:施加超声振动后切削力明显减小;振动频率小于40kHz和振幅小于30μm时切削力平均值同净切削时间比变化趋势一致,当频率或振幅超过上述值时,刀具、工件间的摩擦力对切削力平均值的影响显著。     

实用化振动切削技术——椭圆振动车镗工艺及装备

椭圆振动车镗技术是一种主要应用在精密切削领域内的特种加工技术，特别是在提高工件的表面质量、刀具的使用寿命和薄壁零件的加工精度等方面效果显著。我们最新研制了椭圆超声波振动车镗系统，并对不同材料进行了切削试验，取得了很好的工艺结果，充分体现了超声波振动车镗技术在实际切削加工中的优势。     

Visualization of fluctuations in internal stress distribution of workpiece during ultrasonic vibration-assisted cutting

The aim of this study is to construct visualization system of stress distribution under ultrasonic vibration-assisted cutting condition in order to investigate the cutting phenomenon. The vibrating cutting edge is considered to be cause of dynamic change of cutting force at ultrasonic frequency. However, many researchers have explained the effect of ultrasonic vibration-assisted cutting by evaluating the time-averaged cutting force, because it is difficult to measure the dynamic cutting force by using dynamometers. In this study, the instantaneous stress distribution on workpiece was visualized by photoelastic method in combination of pulse laser emission synchronized with vibration of cutting edge. Orthogonal cutting test was carried out at low cutting speed relative to vibration speed of insert. A constructed photographic system divided the ultrasonic vibration period of 36.2 μs into 360 points and took one photograph frame at each point. By counting the number of criteria pixels which images the cutting stress, the intermittent cutting condition was evaluated. It was experimentally confirmed that the stress distribution under vibration-assisted condition showed the periodical change synchronized with insert vibration. Because these results are compatible with well-known vibration cutting theories, the imaging system is able to show the periodic change of stress distribution in ultrasonic frequency band. The intermittent cutting condition was affected not only feed speed but also depth of cut. The theory of relative motion between tool and workpiece is insufficient to explain these results. Therefore, remnants formed due to elastic deformation of the workpiece were examined. The vibration cutting dramatically reduced the elastic deformation and the vibration amplitude had effect on the amount of remnant thickness.     

Characteristics of chip generation by ultrasonic vibration cutting with extremely low cutting velocity

Recently, mirror-surface machining of brittle materials such as ferrite, glass, and optical plastics has become more important, as these materials are used in optical communications and precision devices. Non-ferrous metals such as aluminium and copper were readily turned with diamond tools, but as the need for both infra-red and reflective optics escalated, the need to machine brittle materials arose. In this paper, ultrasonic vibration cutting at 20 kHz at extremely low cutting velocity for the precision machining of brittle plastics used for optical lenses is suggested and tested. The mechanism of chip generation, and characteristics of surfaces in the ductile mode, machined by ultrasonic vibration cutting are investigated. As a result, when micro cutting by ultrasonic vibration, it was confirmed that the chips generated by ductile mode cutting are obtained at 1/40 of the critical cutting velocity of the ultrasonic vibration cutting system, which is an extremely low cutting velocity.     

高速超声振动切削钛合金可行性研究

钛合金由于其出色的机械性能广泛的应用于航空航天结构组件中。但较低的机械加工性使得钛合金切削速度低,即使在使用先进的切削刀具时,也因切削高温而难以进行高速切削加工。断续切削是一种有效地降低切削温度和改善切削质量的方法,作为典型的断续切削方法,传统超声振动切削（Traditional ultrasonic vibration cutting,UVC）和椭圆超声振动切削（elliptical ultrasonic vibration cutting,EUVC）已取得了显著的加工优势。但振动切削临界速度限制了它们的应用仅在低速切削场合。因此一种新的超声振动切削方法被提出,即高速超声振动切削（High-speed ultrasonic vibration cutting,HUVC）,此时刀具的振动方向与进给方向平行。当切削速度远远超过UVC和EUVC方法的临界速度时,刀具和工件依旧可以在一定的条件下实现分离。从而HUVC方法实现了宏观上的高速切削和微观上的断续切削,提升了钛合金的切削加工性。首先,HUVC方法的原理在文中给出,随后通过一系列使用普通切削（Conventional cutting CC）方法和HUVC方法的高速切削Ti-6Al-4V合金的对比试验来验证HUVC方法的可行性。试验结果表明,因刀具磨损的显著下降,HUVC方法的刀具寿命可最大提升300%。此外,相比CC方法,HUVC方法的切削效率可以显著提升90%,切削力最大下降50%并在连续的切削加工过程中获得更佳的表面质量。