梁艳娟

[摘要]随着尖端科学技术的发展，越来越多的产品由于形状复杂、技术要求超高或所使用的材料超难加工，传统的切削加工方法已经很难胜任、甚至根本无法实现这类零件的加工，必须积极探索采用新的加工工艺来解决传统工艺无法解决的问题。本文重点对超声振动切削技术这一新型加工艺进行研究。

[关键词]超声振动切削 新型加工 工艺

前言

随着时代的飞速发展，越来越多的尖端科技产品为满足需求不得不往高精度、高速度、大功率、高温、高压、小型化发展，所设计的零件不仅形状越来越复杂，各种技术要求也愈来愈严格，所使用的材料也越来越难加工。诸如特别难切削的硬质合金、耐热钢、不锈钢等各种高硬度、高强度、高韧性的金属加工问题;高脆性非金属的加工问题;具有特殊截面型孔的各种特殊复杂表面的冲压模、冷拔模的加工问题;以及具有特殊要求的零件的超精、光整加工问题等等，传统的切削加工方法已经很难胜任，甚至根本无法实现这类零件的加工。如何解决这类尖端产品的加工问题？超声振动切削加工就是在这样一种情形之下应运而生的新的加工工艺。积极探索并采用新型加工工艺来解决传统工艺无法解决的问题是摆在我们面前的新课题，

1.超声振动切削加工的概况

超声振动切削是使刀具以20-50KHz的频率、沿切削方向高速振动的一种特种切削技术。这种20世纪60年代发展起来的先进制造技术通过在常规的切削刀具上施加高频振动，使刀具与工件发生间断性的接触，从而导致传统切削模式产生根本性的变化，很好地解决了普通切削加工中原有的难题。它既可作为一种精密加工方法，又可作为高效率切削方法，特别是对某些难加工工件以及难切削材料的加工其效益更为显著，因而越来越引起人们的重视。

超声振动切削从微观上看是一种脉冲切削。其在一个振动周期中，大于80%的时间里刀具与工件、切屑完全分离，刀具的有效切削时间很短，刀具与工件、切屑之间断续接触，使得刀具所受的摩擦变小，切削力显著下降，所产生的热量大大减少，避免了普通切削的“让刀”现象，且不会产生积屑瘤。

在普通机床上使用超声振动切削，可进行精密加工，圆度、圆柱度、平面度、平行度、直线度等形位公差最高可达到接近零误差，使得以车代磨、以铣代磨、以钻代铰成为可能。超声振动切削与高速硬切削相比，机床刚性不需要太高，且工件表面的金相组织不会被破坏。曲线轮廓零件精加工，可借助数控车床、加工中心等进行仿形加工，节约高昂的数控磨床购置费用。

在切削加工领域，提高加工精度方法很多，其中一个非常重要的研究方向在于：努力减小切削过程中的切削力和切削热。超声振动切削技术在降低切削力和切削热方面有重要的作用，可以较好地解决难加工材料、难加工零件以及精密加工等方面的一些工艺问题。为了推广应用这项新技术和解决特种武器系统中精密薄壁零件的加工难题，本文对“难加工材料薄壁零件的振动切削”进行了技术研究，主要研究成果和特点是对振动切削机理进行了较全面的分析和研究，如：

①对普通切削与振动切削进行了对比分析;

②对振动切削过程中的特点进行了分析;

③针对切削刃的运动机理、振动切削时工件的动态变化、不敏感性振动切削机理、超声振动切削特点及原因分析、超声振切时切削液的润滑与冷却作用机理进行了分析。

振动切削的实质就是在传统的切削过程中给刀具或工件附加某种有规律的振动，使切削速度、进给量、切削深度按一定规律变化。振动切削改变了工件与刀具之间的时间与空间的分配，从而改变了切削加工机理，达到了减小切削力和切削热并且提高加工质量和效率的目的。

2.超声振动切削和传统切削加工的区别

振动切削是最近一、二十年来迅速发展起来的一种新型的非传统加工的特种切削加工方法。它是在适当的方向上给刀具（或零件）一定的频率与振幅，使其进行振动切削来改善它切削加工效果的一种加工方法。

传统的切削加工是将车刀固定在刀架上，在整个切削的过程中，车刀的刀尖并不是一直处于静止的状態，而是以不规则的振动频率和振幅、非常复杂的振动形式，进行微小的振动切削，切削现象也是不断地作无规则的变化。

振动切削加工的实质就是在普通切削加工的基础上，给切削刀具（或零件）加上某种有规律的振动，使切削速度、进给量和切削深度按一定的规律进行变化。由于切削速度的改变以及加速度的出现，使得振动切削具有很多优点，特别是在难加工材料以及普通材料的难加工工序中，都产生了极其出色的效果。超声波振动切削加工作为一种新型的先进的特种加工技术，国内外很多学者对其产生了广泛的兴趣。

自上世纪70年代以后，各国在超声振动车削、钻削、磨削加工等方面的研究都有了较大的发展，机械加工的首要任务，就在于保证零件在几何方面的质量要求。随着对产品性能要求的不断提高，对零件加工精度的要求也就不断提高。零件的加工精度对其使用性能如密封性、轴的回转精度等有很大影响，对振切加工的推广应用有着重要的意义。

3.超声振动切削的发展及应用领域

超声振动切削加工技术在难加工材料和普通材料的难加工工序中表现出了优良的工艺效果，因此，自从其问世以来受到了各国的普遍重视，并积极地对其进行了开发研究工作。在超声振动切削理论方面，从研究的深度、广度以及实际应用效果来看，日本处于国际领先地位。针对超声振动切削硬金属的问题，就刀具的圆角半径对其使用寿命和振动切削系统稳性的影响进行了研究分析，指出与普通切削加工相比，超声振动切削即使使用较大的刀具前角，也不会产生颤振，同时还可以延长刀具的使用寿命，此外，还指出超声振动切削加工具有抑制振颤的作用。在超声振动切削研究的基础上，日本研究人员于上世纪90年代提出了超声波椭圆振动切削技术，它的基本原理是在普通超声振动切削的基础上，于切屑流出方向上增加一个正弦振动，两个正交的正弦振动就可以合成一个刀具的椭圆切削运动，从而实现对工件进行椭圆轨迹的振动切削。实验表明，超声波椭圆振动切削突破了普通超声振动切削临界速度的限制，加强了刀具和工件的接触与分离，增加了超声切削的效果，改善了刀具的受力状况，提高了切削过程中润滑和冷却效率。这一新技术解决了超声振动切削中刀具的崩刃破损问题，并成功地将超声椭圆振动切削技术应用于超精密加工领域。

4.超声振动切削加工的特点

优点：

与传统的普通切削相比，超声振动切削加工具优点显著，传统的普通切削根本无法超越和比拟，其优点具体概括如下：

①切削力小，约为普通刀具切削力的1/3-1/10;

一般情况下，超声振动切削其刀——屑间摩擦因数只有传统切削的1/10，所以切削力可以减小到传统切削的1/3～1/10，塑性材料减少得更多。

②加工精度高;

主要取决于所用机床精度，所加工工件形位公差几乎可接近机床相关精度。

③切削温度低，工件保持室温状态;

由于刀——屑间接触出现间歇，切削热更难以传到切削区，易于冷却，所以平均切削温度降到与室温差不多，切屑不变色，用手摸不会烫手。

④可控制切屑的形状和大小，改善排屑状况，不产生积屑瘤，工件变形小，没有毛刺;

⑤提高加工精度和表面质量，切削表面粗糙度低，可接近理论粗糙度值，最高可达Ra0.2以下;

⑥被加工零件的“刚性化”，被加工表面呈压应力状态，使工件刚性得到提高;

即与普通切削相比，超声振动切削可使零件已加工表面的疲劳强度、耐磨性、耐腐蚀性提高。

⑦加工过程稳定，能有效消除颤振;

⑧切削液的作用得到充分发挥、润滑作用提高;

超声波振动切削时会在切削液内产生“空化”作用，一方面使切削液均匀乳化，形成均匀一致的乳化液微粒;另一方面切削液微粒获得了很大能量更容易进入切削区，从而提高了切削液的效果。没有切削液时空气冷却，在10-8s内刀具前刀面上就可形成单分子层氧化膜，从而减小了刀屑间的摩擦。

⑨可提高刀具使用寿命，刀具耐用度呈几倍到几十倍提高。

⑩切削后的工件表面呈彩虹效果。

缺点：

虽然超声振动切削加工优势明显，但超声振动切削技术仍然存在一定的局限性。比如刀具与工件在处于分离状态时，后刀面与已加工表面会产生一定的摩擦和撞击，严重影响了已加工表面的加工精度和表面质量，并且使切削刀具在切削过程中受到一个随超声振动不断变化的交变应力的影响。这些缺点较大程度地限制了超声振动切削技术在精密加工领域的应用。

4.超声振动切削加工的实际应用

由于切削速度的变化和加速度的出现，使得振动切削具有许多优点，特别是在难加工材料和普通材料的难加工工序加工中，都收到了极其出色的效果。超声振动切削加工技术已经渗透到了许多工业领域，并且发挥着其突出的作用，对我国机械制造业加工水平的提高以及新产品的开发具有重要意义。

超声振动切削加工尤其是超声波椭圆振动切削是一种打破了传统切削加工的新型的切削加工方法，它改变了以往通过提高切削速度和刀具的锋利化程度来降低切削力的极限，同时还可以提高弱刚度零件的形状精度、增强工件系统的稳定性以及降低刀具磨损等，这些优点逐渐拓宽了超声椭圆振动切削在精密及其超精密切削领域内的应用，特别是实现了天然金刚石刀具对于黑色金属的超声波椭圆振动切削。

由于超声振动切削具有很多普通切削加工难以实现的优点，所以这类新型加工可广泛应用于航空、航天、军工等领域各种难加工材料的切削加工。如：

①.难加工材料切削：如耐热钢、钛合金、恒弹性合金、高温合金、不锈钢、冷硬铸铁、工程陶瓷、复合材料和花岗岩等

②.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很轻松地加工硬度达HRC60以上的淬硬钢零件，如高速钢、轴承钢等;用PCD刀具加工硬质合金，可以大大提高刀具的耐用度

③.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

④.细长杆件及薄壁件车削加工

⑤.超细直径零件车削加工

⑥.超精密加工

5.结束语

随着各种新型材料的不断涌现，振动切削研究日趨深入，超声波振动切削的研究和应用必将得到重视并取得重大进展。美国已把超声波振动切削应用到金属加工中，并在飞行器和飞机制造工业中，开始研究应用的可能性。超声波振动切削原型系统已供工业应用，并且已部分标准化。日本设立了专门的振动切削研究所，许多大学和科研机构都有超声振动切削的研究课题。目前，日本不但把超声振动切削应用于普通设备，在大型设备和大型船用柴油机缸套镬削机床，也取得了良好应用效果。在精密机床、数控机床也引入了超声振动系统，其中振动切削机床已部分系列化。苏联对超声波振动切削在磨削、晰磨、攻丝等方面均已有应用。我国对超声波振动的研究，近几年来也已开始进行，但目前尚处于起步阶段，在生产中基本上还没有实质性的应用。有些高等院校已开始对超声波振动切削、精密加工、振动布磨，以及超声振动辗压表面等分别开始了研究。还有一些单位对超声振动抛光、钻孔、振动钻削不锈钢等进行了试验。开展超声振动切削的研究及应用任重而道远。