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縱扭復合振動超聲加工運動特性研究*

2018-12-05 12:02汪永超
組合機床與自動化加工技術 2018年11期
關鍵詞:表面質量磨粒刀具

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)

0 引言

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。

1 縱扭復合振動超聲加工運動分析

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。

2 運動軌跡變化對加工特性的影響

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。

2.1 分離特性

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)

刀具在切削方向上的最大振動速度為Aω,當vf>Aω時,刀具-工件間的相對速度vr無法出現(xiàn)負值,即刀具始終接觸工件無法分離;當vf

周期性分離-接觸型加工可使切削液充分進入切削區(qū)域,潤滑冷卻刀具,保證刀具的鋒利性;降低切削區(qū)域溫度,促進切屑的排出,使得刀具和切屑之間的粘接現(xiàn)象與積屑瘤的產(chǎn)生得到抑制,保證加工表面質量;同時在要接觸切削階段,刀具集中能量高速沖擊加工,對材料產(chǎn)生擠壓,易產(chǎn)生斜向前發(fā)展的裂紋,利于塑性去除,且周期性往復熨壓已加工表面可進一步提高加工表面質量。

2.2 沖擊特性(變速特性)

受外加超聲電源產(chǎn)生的周期性簡諧振動的作用,刀具磨粒進行振動切削的速度及加速度大小和方向在實際加工過程中處于時刻變化中,由沿x、z方向的運動速度表達式可知其運動加速度表達式為:

ax=-Aω2sinωtaz=Bω2sinωt

(5)

超聲電源激勵產(chǎn)生振動的角頻率較大,使得刀具瞬時加速度值很大,能量高度集中各磨粒切削刃處,切入切出材料都是瞬時高速沖擊式切削。在接觸區(qū)域附近產(chǎn)生應力集中[10],會破壞材料內部結構,降低材料自身強度,使得材料去除所需切削作用力降低,切屑脫離材料本體更容易,有利于抑制切削過程中的顛振現(xiàn)象,保證材料去除過程平穩(wěn),利于剛性差零件的高效精密加工。

3 磨削加工材料試驗驗證

為進一步驗證超聲振動加工不同于普通磨削的運動形式和加工特性所體現(xiàn)出的工藝優(yōu)勢,特進行超聲振動磨削與普通磨削材料的對比試驗,試驗是在由高速磨削數(shù)控機床和縱扭超聲振動系統(tǒng)復合而成的組合機床上進行,選取工程氧化鋯陶瓷板為試驗對象,關閉超聲電源發(fā)生器即為普通磨削。

3.1 磨削力測量

在進行對比磨削試驗的加工過程中,同時也搭建好測力系統(tǒng)平臺,采樣頻率100kHz,對加工過程中產(chǎn)生的動態(tài)磨削力進行實時測量,磨削力測量結果如圖3所示。

主軸轉速n=22000r/min,銑磨深度θp=6μm,進給速度Vf=650mm/min,超聲振動輸出電壓30V圖3 磨削力變化曲線

從圖中可看出,普通磨削力動態(tài)不平,顫振現(xiàn)象明顯,而超聲磨削力平穩(wěn)均勻,加工過程穩(wěn)定,并且超聲振動加工過程中法向力和軸向力均小于普通磨削,這是由于復合超聲振動的引入使得刀具磨粒具有較大能量集中,在材料內部產(chǎn)生振動應力,降低材料的硬度,使其很快發(fā)生疲勞破壞,磨粒更易切入材料,材料破碎去除所需磨削力大大減?。煌瑫r磨粒與材料間高頻分離-接觸切削使磨削區(qū)散熱條件充分改善,保證磨粒的鋒利性降低磨削力;而超聲振動磨削時的軸向力大于普通磨削,這是因為在復合振動作用下刀具磨粒的運動軌跡路徑橢圓變化,不再是近似恒定的高度,沿切深方向的軸向振動直接疊加于普通磨削的軸向力,周期性疊加干涉作用顯著增大復合振動超聲加工軸向磨削力,往復熨壓已加工表面,改善加工材料表面質量。

3.2 磨削表面分析

對加工后的材料表面進行超聲清洗,首先采用表面輪廓儀對各加工表面取5個點測量表面粗糙度,以其平均值作為該加工表面的表面粗糙度值,測得普通磨削和超聲振動加工的表面粗糙度值分別為0.1986μm和0.1499μm,可知超聲振動加工能明顯改善表面質量;再采用激光共聚焦對磨削材料表面進行觀測分析,如圖4所示。

×10 超聲振動加工 ×50

×50 普通磨削 ×50 主軸轉速n=22000r/min,銑磨深度θp=6μm,進給速度Vf=650mm/min,超聲振動輸出電壓30V圖4 氧化鋯陶瓷磨削加工表面

可知在相同加工參數(shù)下,縱扭復合振動超聲磨削得到的材料表面質量優(yōu)于普通磨削,周期重復性橢圓軌跡使眾多磨粒之間產(chǎn)生干涉,改變了接觸加工區(qū)域的應力分布、材料表現(xiàn)出較好的塑性加工痕跡,磨削溝槽密集均勻,磨粒能量集中沖擊式切削使磨痕被均勻截斷,分離-接觸過程減緩刀具磨損,促進切屑的排除,減少了表面的劃傷和切屑的堆積,往復沖擊熨壓已加工表面,磨痕被多次切削,從而使得加工表面質量更加突出。

普通磨削表面存在大量雜亂無章的劃痕軌跡,加工過程顫振無序,較大磨削力劃過表面,使溝槽深度與寬度不均勻,表面出現(xiàn)大塊破碎,材料去除仍以脆性破壞為主。

4 總結

本文通過對縱扭復合振動超聲加工所具有的不同于普通磨削的運動軌跡形式及加工特性進行分析,并結合磨削對比試驗和相應檢測分析手段來驗證縱扭復合振動超聲加工在實際加工過程中所體現(xiàn)出的工藝優(yōu)勢,得到如下結論:

(1)施加縱扭復合振動下的超聲加工具有不同于傳統(tǒng)加工手段的運動軌跡和加工特性,切削去除過程不再是近似恒定的切深下的進給去除,而是變切深下的近似橢圓的去除路徑,從而刀具與工件之間由傳統(tǒng)連續(xù)接觸切削改為周期性斷續(xù)分離-接觸切削,能量集中變速沖擊特性對材料進行加工去除。

(2)縱扭復合振動超聲加工獨特的運動形式的加工特性在實際加工過程中相比較于普通磨削體現(xiàn)出顯著的工藝優(yōu)勢,更有利于材料塑性微破碎去除、降低加工過程磨削力、平滑均勻磨削溝槽及優(yōu)化加工表面質量,在精密加工領域存在一定的應用前景。

(3)但對于精密及超精密磨削材料平面時,刀具和工件尺寸一般較小,如果外加超聲振動能量過大會導致高頻刀具振動,降低加工系統(tǒng)整體剛性,反而影響加工精度,對加工效果造成損傷。所以后期應將復合振動超聲加工方法理論與實際應用相結合,完善超聲加工理論,明確超聲加工機理,進一步推動超聲加工技術的發(fā)展,促進其在精密及超精密加工領域的高效應用。

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