張 能,魏 昕,汪永超
(1.廣東工業(yè)大學 機電工程學院 ,廣州 510006;2.河源廣工大協(xié)同創(chuàng)新研究院,廣東 河源 517000)
隨著產(chǎn)品逐漸向高精度、高強度、耐高溫高壓等方向發(fā)展,對具有優(yōu)良化學與物理性能的硬脆材料需求日益增加[1],如藍寶石、陶瓷等。目前已有許多研究學者在采用金剛石磨削或電火花加工等傳統(tǒng)切削加工手段對這些材料進行加工時發(fā)現(xiàn)加工過程中刀具容易磨損,加工效率低下,加工成本高、表面質量不合格。難以滿足生產(chǎn)應用的要求,極大限制了這類材料在實際生產(chǎn)中的應用[2],如何高效精密加工這類材料已成為目前迫切需要解決的難題。
超聲振動加工是在傳統(tǒng)切削加工基礎上,通過外加超聲電源發(fā)生器產(chǎn)生周期性高頻簡諧振動作用于加工工具上[3]。使得相對運動狀態(tài)的改變導致切削去除過程發(fā)生變化[4],切削由傳統(tǒng)的連續(xù)接觸加工轉變成周期性動態(tài)沖擊磨削去除,有效地避免普通磨削中的不利因素,減小切削脆性材料的切削力,延長刀具壽命[5];加工表面質量較好[6],在硬脆材料的高效加工上體現(xiàn)出與普通磨削不同的工藝效果,所以有必要進一步基于運動形式的變化從加工特性角度分析超聲振動加工工藝手段,這對深入研究超聲加工機理和指導超聲加工實際應用是很有意義的。
縱扭復合振動超聲加工是同時沿切深方向(切屑流出方向)和切削方向(刀具進給方向)施加周期性高頻簡諧振動,使得刀具在繞主軸進行高速旋轉的同時存在著徑向進給振動運動(振幅為A)和軸向振動運動(振幅為B),超聲振動加工運動狀態(tài)示意圖如圖1所示。
n—刀具繞主軸轉速(r/min) θp—磨削深度(mm) Vf—刀具徑向進給速度(mm/min) 圖1 縱扭復合振動超聲加工運動模型
由外加超聲電源激勵產(chǎn)生的二維超聲振動作用于加工刀具上,在xz平面內刀具受到沿軸向和徑向的超聲振動作用下的簡諧運動軌跡為:
x=Asin(ωt+φ)
(1)
z=Bsin(ωt)
(2)
式中,ω為外加超聲電源振動角頻率(rad/s);φ為軸向與徑向超聲振動間的相位差(rad)。
刀具表面上任意質點在xz平面內實際運動位移軌跡就是由具有相同頻率卻存在一定相位差的相互垂直的兩個振動方向的位移矢量和合成[7]。根據(jù)運動軌跡方程初步對兩個簡諧振動運動表達式賦予參數(shù)值,振幅與角頻率的數(shù)值對整體軌跡特征并無影響,只是決定軌跡運動的大致范圍,振動方向之間的相位差決定軌跡的形狀特點。利用Matlab軟件仿真合成得到在x、z方向上振動相位差φ值不同時刀具質點的實際運動軌跡,如圖2所示。
圖2 不同振動相位差下刀具的合成運動軌跡
當沿兩個方向的振動相位差φ為0°或180°時,刀具質點運動軌跡為直線;隨著外加超聲電源提供振動參數(shù)的不同,刀具合成軌跡是以兩垂直方向振動振幅大小為長短軸的橢圓軌跡,振動相位差決定橢圓傾斜角度。運動軌跡局限在由兩個方向振幅大小所確定的矩形面積內[8]。在實際加工過程中可以通過調整外加超聲電源發(fā)生器來確定振動方向上的振幅大小及振動相位差φ,得到縱扭復合振動超聲加工過程中刀具質點瞬時實際運動軌跡狀態(tài),以找到最合理的振動加工切削軌跡。
外加超聲振動使得刀具相對于工件的運動狀態(tài)發(fā)生改變,從本質上將傳統(tǒng)連續(xù)接觸加工模式改為微觀周期性高頻斷續(xù)分離型加工,微觀上刀具和工件在加工過程中會出現(xiàn)接觸-分離兩種加工狀態(tài),導致實際加工過程中加工特性發(fā)生變化。
假設超聲電源激勵產(chǎn)生的振動能量在加工過程中不存在傳遞損失,且刀具振動初始角為零,刀具受到不衰減的簡諧振動驅動,那么刀具在切削進給方向上的相對位移和相對運動速度表達式為:
x=Asinωt+vft
(3)
vr=vf+Aωcosωt
(4)