王棟梁，秦娟娟，孫永吉，張紅梅

（1.蘭州工業(yè)學(xué)院 工程訓(xùn)練中心，蘭州 730050；2.蘭州工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730050）

0 引言

超聲振動(dòng)車削是在普通車削過程中給刀具施加20～50kHz的超聲振動(dòng)而形成的一種新的加工技術(shù)，其具有切削力小、工件表面質(zhì)量高及刀具磨損量小的特點(diǎn)[1,2]。利用該技術(shù)加工精密液壓閥芯可以有效提高產(chǎn)品的表面光潔度，使閥芯與閥體的表面形貌配合縫隙均勻，解決閥芯磨損和滑閥卡緊問題，應(yīng)用前景較好。

由于超聲切削的優(yōu)良特性，使其在金屬加工領(lǐng)域成為研究熱點(diǎn)。劉偉杰等人[3]分析了液壓機(jī)構(gòu)精密級閥芯的工藝難點(diǎn)，提出并應(yīng)用了以車代磨的方案；胡林華等人[4]研究了超聲振動(dòng)切削參數(shù)對金剛石刀具的磨損量和已加工表面粗糙度的影響規(guī)律；史龍飛等人[5]建立了超聲振動(dòng)輔助切削條件下基于響應(yīng)面法的粗糙度預(yù)測模型；宗昌生等人[6]用MATLAB軟件分析了不同速比和不同相位差對超聲橢圓振動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡的影響；于海鵬等人[7]利用有限元軟件AdvantEdge對橢圓振動(dòng)切削進(jìn)行相關(guān)模擬仿真研究。

上述文獻(xiàn)表明：在超聲切削方面，偏向理論和仿真研究的文獻(xiàn)較多，而試驗(yàn)研究的較少；并且在試驗(yàn)研究中所使用的切削參數(shù)均太小，實(shí)際加工參考意義不大；針對液壓閥芯所常用的材料GCr15或Cr12MoV的試驗(yàn)研究極少。本文將通過精密液壓閥芯超聲振動(dòng)切削試驗(yàn)，在刀尖圓弧半徑r分別為0.2mm、0.4mm、0.8mm車削條件下，對比分析超聲振動(dòng)切削與普通切削的加工效果，揭示刀具圓弧半徑對切削溫度、閥芯表面粗糙度、切屑宏觀形態(tài)的影響規(guī)律。

1 超聲車削試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)方案如圖1所示，所使用數(shù)控車床的型號為CAK5085si。試驗(yàn)系統(tǒng)主要由K型熱電偶、日本三豐SJ-201C型數(shù)顯表面粗糙度儀[8～11]、20kHz-1800w的超聲波發(fā)生器及配套的振動(dòng)子組成。試驗(yàn)現(xiàn)場如圖2所示。

圖1 超聲車削試驗(yàn)方案圖

圖2 超聲車削試驗(yàn)現(xiàn)場圖

1.2 工件材料

試驗(yàn)工件采用的是直徑為45mm，長度為130mm的Cr12MoV模具鋼，其化學(xué)組成成分為：C:1.55；Si:0.35；Mo:0.45；Mn:0.35；Cr:11.25；P:0.025；V：0.20；S：0.025。經(jīng)過1130℃機(jī)油淬火，250℃低溫回火處理后，其硬度為39.5～41.5HRC。

1.3 試驗(yàn)刀具

試驗(yàn)使用的刀具是型號為TNMG160402/04/08HQCA5525的涂層刀具，該刀具的品牌為日本KYOCERA。刀片的實(shí)物圖如圖3所示，涂層刀片的組成和性能如表1所示，刀片裝夾在刀體后的有效幾何參數(shù)如表2所示。

圖3 涂層刀片實(shí)物圖

表1 涂層刀片的組成和性能

表2 車刀有效幾何參數(shù)

1.4 切削用量的選擇

根據(jù)超聲切削理論并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，背吃刀量ap的取值范圍為0.01～0.02mm，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量f的范圍為0.08～0.16mm，切削速度v的范圍為15～35m/min，刀尖圓弧半徑r的范圍為0.2～0.8mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 切削溫度

切削過程中熱電偶連續(xù)采集刀尖的切削溫度，并應(yīng)用上位機(jī)軟件JYDAM記錄所有歷史數(shù)據(jù)。不同刀尖圓弧半徑下切削溫度如圖4所示。

圖4 不同刀尖圓弧半徑下切削溫度

從圖4中可以看出，超聲振動(dòng)切削的溫度整體要低于普通切削，這是由于超聲振動(dòng)的斷續(xù)切削，使得切屑未堆積到刀尖上而很快與工件、刀具分離，提高了散熱效率。當(dāng)?shù)毒邎A弧半徑r=0.4mm時(shí)，切削溫度最低；刀具圓弧半徑r=0.8mm時(shí)，切削溫度最高，這是由于刀尖圓弧半徑增大時(shí)，刀具與工件的摩擦接觸面加大，產(chǎn)生的熱量較多造成的；在切削參數(shù)f=0.12mm，v=15m/min，ap=0.015mm時(shí)，超聲切削溫度和普通切削溫度變化都比較平緩。

2.2 閥芯表面粗糙度

每一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)完成后，測量已車削表面不同位置的粗糙度，測量4次取它們的平均值作為最終值。

不同刀尖圓弧半徑下閥芯表面粗糙度如圖5所示。

圖5 不同刀尖圓弧半徑下閥芯表面粗糙度

由圖5可以看出，超聲振動(dòng)切削的表面質(zhì)量要優(yōu)于普通切削，這是由于超聲振動(dòng)的斷續(xù)切削，有效減少了積屑瘤和鱗刺的產(chǎn)生，降低了表面粗糙度，提高了閥芯的表面質(zhì)量；當(dāng)切削參數(shù)f=0.12mm，v=15m/min，ap=0.015mm時(shí)，超聲振動(dòng)切削的閥芯表面粗糙度值變化不明顯，其值均在1.5um左右；在不同切削參數(shù)條件下，刀尖半徑r=0.2mm時(shí)的粗糙度值較大。

2.3 切屑宏觀形態(tài)

在試驗(yàn)中為判斷刀尖圓弧半徑對加工質(zhì)量的影響，收集了每次加工的切屑進(jìn)行對比。圖6～圖8所示的是在不同刀尖圓弧半徑的情況下，切削參數(shù)f=0.12mm，v=15m/min，ap=0.015mm時(shí)，兩種加工方式所形成的切屑宏觀形態(tài)。

圖6 r=0.2mm時(shí)的切屑宏觀形態(tài)

圖7 r=0.4mm時(shí)的切屑宏觀形態(tài)

圖8 r=0.8mm時(shí)的切屑宏觀形態(tài)

從圖6～圖8中可以看出，隨著刀尖圓弧半徑的增大，切屑宏觀形態(tài)依次為：粒狀，小螺旋狀，大螺旋狀；另外，在同一組數(shù)據(jù)中可以看出，超聲切削產(chǎn)生的切屑較為松散，且顏色白亮，這說明了超聲切削切屑流出比較順暢，沒有由于摩擦發(fā)熱而引起切削氧化變色。

3 結(jié)論

本文通過精密液壓閥芯的超聲車削試驗(yàn)，在刀尖圓弧半徑r分別為0.2mm、0.4mm、0.8mm車削條件下，對比分析了超聲振動(dòng)切削與普通切削的加工效果，揭示刀具圓弧半徑對切削溫度、閥芯表面粗糙度、切屑宏觀形態(tài)的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：1）超聲振動(dòng)切削的溫度整體要低于普通切削，在切削參數(shù)f=0.12mm，v=15m/min，ap=0.015mm時(shí)，超聲切削溫度和普通切削溫度變化比較平緩。2）超聲振動(dòng)切削的表面質(zhì)量要優(yōu)于普通切削，當(dāng)切削參數(shù)f=0.12mm，v=15m/min，ap=0.015mm時(shí)，超聲振動(dòng)切削的閥芯表面粗糙度值變化不明顯，其值均在1.5um左右；在不同切削參數(shù)條件下，刀尖半徑r=0.2mm時(shí)的粗糙度值較大。3）在切削參數(shù)f=0.12mm，v=15m/min，ap=0.015mm時(shí)，隨著刀尖圓弧半徑的增大，切屑宏觀形態(tài)依次為：粒狀，小螺旋狀，大螺旋狀；在同等條件下，超聲切削產(chǎn)生的切屑較為松散，且顏色白亮。