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.     

超声椭圆振动切削硬质合金脆性-延性转变临界条件研究

为了实现硬质合金的高效延性加工,联系硬脆材料表面生成裂纹的临界载荷与超声椭圆振动切削硬质合金的主切削力,建立超声椭圆振动切削硬质合金脆性-延性转变的临界切削深度模型,研究切削速度、刀具圆弧半径、椭圆振动频率、振幅、硬质合金的硬度、断裂韧性与临界切削深度的关系;通过仿切削刻划试验,验证了切削速度与硬质合金的硬度、断裂韧性对临界切削深度的影响规律;对比普通切削,超声椭圆振动切削有利于提高硬质合金的临界切削深度,在改善加工表面质量及精度的前提下,提高了加工效率。     

超声椭圆振动车削的切削特性

为了深入研究超声椭圆振动切削特性及其应用前景,通过建立超声椭圆振动切削模型,根据运动学方程,分析和推导出了切削占空比、振纹高度、振动频率、振幅之间的关系,揭示了超声椭圆振动车削表面粗糙度、加工精度、加工效率之间的相互关系。通过切削力和表面粗糙度试验对推导出来的结果进行了验证,试验结果表明有效减小切削力是超声椭圆振动切削加工应用的主要优势。     

超声椭圆振动切削轨迹倾斜角度及速比对工件表面微观形貌的影响

超声椭圆振动改变了切削加工的微观过程,对改善工件表面加工质量具有明显优势.在分析超声椭圆振动切削微观过程的基础上,对不同倾斜角度和切削速比下的超声椭圆振动切削轨迹进行数值仿真.结果 表明,倾斜角度从0°增至90°的过程中,工件表面振纹角度先增至45°,再逐渐减小;振纹高度从0.38μm增至1.33μm.随着切削速比的提...     

功率型椭圆超声振动切削机构的研究

通过对椭圆超声振动切削机构切削性能的研究,设计一种能在标准四工位刀架上安装、切削性能优良的功率型椭圆超声振动切削机构。该机构通过两轴振动机构的调幅联动,很好地克服了谐振型超声振动切削机构的椭圆振动轨迹生成的限制,很容易生成特定微小区域内的任意椭圆轨迹。正交设计使该机构安装便捷、适用加工对象范围广,切削参数要求低,便于推广使用。实验证明,该椭圆超声振动切削机构明显改善试件表面纹理,切屑排出顺畅,工件表面的粗糙度明显降低。     

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。     

椭圆振动切削的表面残余应力有限元模拟研究

基于ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)网格划分方法建立了椭圆振动切削有限元仿真模型,模拟了椭圆振动切削过程中切削力的变化规律,并将模拟获得的切削力平均值与相同工艺参数下Kim等人[1]所做的超声椭圆振动切削V型槽实验获得的切削力平均值比较,验证了有限元模型的正确性。利用建立的二维有限元模型模拟了椭圆振动切削和普通切削表面残余应力的分布情况,对比结果表明,采用椭圆振动切削的工件已加工表面在一定深度内形成了分布均匀的表面残余压应力,而普通切削情况下工件已加工表面并没有形成有效的残余压应力,从而预测了椭圆振动切削不仅能够降低切削力、延长刀具使用寿命,还对提高工件表面完整性、增强疲劳寿命和抗腐蚀能力等具有显著的作用。     

基于MQL的超声椭圆振动微切削Inconel718的机理研究

研究不同切削条件下的超声椭圆振动(Ultrasonic elliptical vibration,UEV)对Inconel718微切削性能的影响规律,讨论微量润滑(Minimum quantity lubrication,MQL)和UEV切削对加工性能的影响机理.针对微量润滑切削时的不同喷嘴角度,提出一种新的换热模型,利用软件对Inconel718微切削的切削力、切削温度进行了仿真研究,并通过试验对不同喷嘴角度下的切削温度的进行了对比,探讨不同喷嘴角度对UEV切削条件下加工性能的影响.研究结果表明,与常规切削相比,UEV切削可降低切削力、切削温度,超声椭圆振动微量润滑切(UEV+MQL)效果明显,喷嘴角度为0°条件下超声振动微切削Inconel718的切削温度降低效果最为明显.     

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.     

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。     

基于电流变效应的车削颤振预报控制技术的研究

将电流变减振技术引入机床切削系统,研制了车床横刀架电流变液减振器。通过流变学动态模量测试方法,求得了该系统的附加阻尼和附加刚度,并对该系统振动响应特性进行了理论分析。研制开发了基于电流变效应的车削颤振预报控制系统。预报控制试验结果表明,利用该系统可以对机床切削颤振实施有效的预报控制。     

微细深孔超声轴向振动钻削装置的设计

超声振动钻削属于脉冲式的断续切削。在深孔加工方面具有普通孔加工技术无法比拟的工艺效果。文章介绍了作者基于高频振动切削原理设计的一台超声轴向振动钻削装置的结构。并将该装置用于立式加工中心上对铝、铜等材料进行了切削加工实验。实验结果表明，超声振动加工可提高微细深孔的加工精度和表面质量。这种方法特别适合于软质材料的微细深孔的精密和超精密加工。     

微细深孔超声轴向振动钻削装置的设计

基于高频振动切削原理 ,设计了一种振频 2 0± 1KHz、振幅 2 5 μm的新型超声轴向振动钻削装置 ,该装置由数字锁相环频率自动跟踪式晶体管型超声波发生器、轴向半波长圆柱型压电陶瓷换能器、半波谐振圆锥型变幅杆以及工具系统组成 ,可在软质材料上实现微细深孔的精密、超精密加工     

超声换能器过固有谐振区匹配理论

超声压电换能器是一个能量转换系统,在超声波振动加工中将超声波电源输出的电能转换为机械振动,由于超声压电换能器是一个容性负载,为保证超声电源输出的电能有效地转换为超声压电换能器的机械振动,需要在超声电源和超声压电换能器之间加一个适当大小的电感进行匹配,但超声压电换能器又是一个强非线性时变系统,在不同的工作频率下其阻抗特性以及机械振动特性差别显著,因此如何将超声压电换能器匹配在一个恰当的工作频率,是提高振动加工质量的关键.通过正确选取超声压电换能器的等效电路模型,并对由此推导出的阻抗圆进行深入分析、研究,可以得出:如将换能器工作频率匹配在大于其内部固有谐振频率的某一频段,可以使换能器振幅最大,振动波形质量也最好,是换能器的最佳工作频段,从而提出超声压电换能器"过固有谐振区"匹配理论.试验结果证明该理论正确.     

深孔超声轴向振动钻削装置的设计与研究

根据振动切削机理对超声振动钻削和普通钻削进行了分析比较,设计出一种在摇臂钻床上加工小直径深孔的超声轴向振动钻削装置。并分析了超声振动钻削装置设计中的一些关键技术问题,为在摇臂钻床上加工小直径深孔提供了一种新的工艺途径。     

Analysis of regenerative chatter suppression with adding the ultrasonic elliptical vibration on the cutting tool

A method is proposed to suppress regenerative chatter in turning operation, in which the ultrasonic elliptical vibration is added on the cutting tool. It results in the fact that the cutting tool is separated periodically from the chip and the workpiece, and the direction of the frictional force between the rake face of the cutting tool and the chip is reversed in each cycle of the ultrasonic elliptical vibration. The experimental investigations show that the regenerative chatter occurring in ordinary turning operation can be suppressed effectively by applying the ultrasonic elliptical vibration on the cutting tool. In order to clearify the reason of the regenerative chatter suppression, theoretical analysis and computer simulation are performed on turning with ultrasonic vibration. There is a good agreement among the experimental investigations, theoretical analysis and the computer simulation.     

“Multimode vibration cutting” – A new vibration cutting for highly-efficient and highly-flexible surface texturing

This paper proposes a new vibration cutting method named “multimode vibration cutting” for precision surface texturing. The proposed cutting method utilizes multiple unidirectional vibration modes mainly in the depth-of-cut direction. The vibrations at multiple frequencies induced to the tool tip can generate not only sinusoidal but also highly-flexible trajectories such as trapezoidal, triangular, and distorted triangular waves. Notably, only a sinusoidal vibration can be induced when a single resonant vibration is applied to the tool tip. Compared to conventional highly-flexible cutting methods for surface texturing, such as the utilization of fast tool servo and amplitude control of ultrasonic elliptical vibration cutting, the proposed method is highly-efficient because of its direct usage of high resonant frequencies. Compared to conventional highly-efficient cutting methods for surface texturing, such as linear and elliptical vibration cutting which mainly utilizes the vibration component in the depth-of-cut direction, the proposed method can generate highly-flexible trajectories for various micro texture profiles. In this study, an ultrasonic multimode vibration device is developed, and the mechanics of generating multimode vibrations are demonstrated. Turning experiments with several texture profiles are performed to confirm the validity of the proposed method for highly-efficient and highly-flexible micro/nano surface texturing.     

超声振动切削刀具设计

介绍频率40kHz,振幅在(10～35)μm范围可调的振动刀具的设计过程,该刀具选用通用信号发生器作为超声波信号源,对其(0～5)V正弦电压信号进行放大,输出幅值(0～350)V用于激励压电换能器,将超声电振荡转换成机械振动,对振动信号再经变幅杆机械放大,使刀具振动幅值达到(10～25)μm以上进行切削。利用该刀具切削工件的精度和表面粗糙度达到精密切削的效果,并且已进行了天然金刚石精细切削不锈钢零件的实验,切削后的刀具磨损量明显降低。     

超声振动在细胞切剖中的应用

传统对细胞的微细切割方法,极易对细胞造成损害.针对这一问题,设计了一套超声振动微切剖系统.对此系统的超声振动单元结构及原理进行了分析,阐明了应用中的关键技术点--频率选择,并通过实验验证了超声振动对于减小细胞在切剖中的变形和损伤是非常有效的.     

积极控制车削加工质量方法的研究

分析了超声振动切削刀具的振动特征，讨论了实现刀具谐振的电路匹配的问题，同时分析误差补偿方法的特点及误差补偿执行机构的动静态特性。提出了以超声振动切削和误差补偿技术为基础的提高车削质量的积极控制方法，实验证实了方法能全面地提高加工件的加工质量。