超声波椭圆振动切削技术

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1、万方数据第39卷第12期机械工程学报v01．39N0122003年12月CHINESEJOURNAL0FMECHANICALENGINEERn町GDec．2o3超声波椭圆振动切削技术木马春翔胡德金(上海交通大学机械与动力工程学院上海2000301摘要：主要阐述了超声波椭圆振动切削原理和刀具椭圆振动系统；分析了超声波椭圆振动切削运动特性；介绍了超声波椭圆振动切削的实际切削效果。最后，对超声波椭圆振动切削技术进行了展望。关键词：超声波椭圆振动切削超精密切削中图分类号：THl6离型超声波椭圆振动切削)。0前言超声波椭圆振动切削技术是日本学者社

2、本英二和森脐俊道在20世纪90年代提出的⋯。与普通超声波振动切削(切削方向直线振动)”叫不同的是将椭圆振动附加于刀具上，使传统的切削过程发生了一些实质性的变化，产生了一系列优良的切削效果“1““l。将对超声波椭圆振动切削原理、刀具椭圆振动系统、切削运动特性和实际的切削效果等进行阐述、介绍和分析。1超声波椭圆振动切削原理图1是超声波椭圆振动切削基本原理图，是在包含切削方向和切屑流出方向的平面内将超声波椭圆振动附加于刀具上进行周期性的断续切削加工方法(这里指分离型超声波椭圆振动切削)。与普通超声波振动切削(切削方向上直线振动)一样【3】，超

3、声波椭圆振动切削可分为分离型和不分离型。设刀具超声波椭圆振动轨迹为』(f)=』cos2艰(1)y(f)=占sin2妒(2)则刀具相对工件运动轨迹为x，(f)=一cos2妒+w(3)y，(f)=占sin2够(4)式中一，B——刀具椭圆振动振幅厂_椭圆振动频率v——切削速度当刀具在切削方向最大椭圆振动速度大于切削速度时，为分离型：当刀具在切削方向最大椭圆振动速度小于切削速度时，为不分离型(以下只讨论分·纪念‘机械工程学报》创刊50周年——“机械工程技术的历史、进展与展望”主题征文。20030704收到初稿，20031106收到修改稿图1a是

4、刀具与切屑和工件处于分离状态，即非切削状态。图lb是切削开始瞬间，此时刀具与切屑并没接触。图lc是实际进行切削期间。图1d切削终了瞬间。超声波椭圆振动切削是以图l州为一个切削周期进行往复切削的一种断续的切削方法。(a)非讶削状志(b)切舸开始■闻(c)留耐期问(d)蜘翻蚌了■间图1超声波椭圆振动切削基本原理2刀具椭圆振动系统图2是作者研究开发的二段椭圆振动变幅杆，在变幅杆的本体直交两面上贴上压电陶瓷片．在这两片压电陶瓷片上加上正弦波电压，这两片压电陶瓷发生伸缩，这样变幅杆本体发生弯曲振动，通过二段椭圆振动变幅杆，发生的弯曲振动，进一步增

5、大。该超声波椭圆振动系统的振幅可达到6～18um。这两个方向的弯曲振动合成之后，可得到椭圆振动轨迹。通过调节相位差和振幅可得到任意形状的椭圆振动轨迹pJ。图3是超声波椭圆振动的驱动和监测系统。切削力是通过在振动装置下面的测力仪获万方数据万方数据2003年12月马春翔等：超声波椭圆振动切削技术在选刀具后角时，应考虑上式。4超声波椭圆振动切削实际切削效果与普通切削相比，超声波椭圆振动切削如下切削效果已被确认【l’”J。(1)切削力大幅度地减小(1／50左右)。(2)加工精度明显提高。r3)刀具寿命大幅度地延长。(4)毛刺的抑制(图4)。(5

6、1加工系统稳定性显著提高。(6)自激振动的抑制(图5和图6)。(7)刀具表面附着物的抑制(图7)。(8)形状难加工部件的加工(图8和图9)。(9)难加工材料超精密镜面切削(图10)。(1o)难加工材料超精密微细切削(图11)。(11)脆性材料超精密切削(图12)。普通切削普通振动切削椭圆振动切削图4毛自0sEM照片l。。7iM啼鞲一5D}’．’l可．一塑土型吐璺芏!：霄认。霄k图6切削中振动信号的功率措图1l淬硬钢的超精密微细切削硬度44HRc，廿022x40唧万方数据机械工程学报第39卷第12期图12脆性材料的超精密切削左：sodbl

7、ime玻璃，右：QlⅦ．tz玻璃粗糙度Ry-O．025～O．030pm5结论超声波椭圆振动切削已受到国际学术界和企业界的重视。美国、英国、德国和新加波等国的大学咀及国内的北京航空航天大学和上海交通大学己开始这方面的研究工作。日本企业界如日立、多贺和Towa公司等已开始这方面的实用化研究工作。但是，超声波椭圆振动切削在理论和应用方面还有许多工作要做。尤其是对硬脆性材料的超精密切削加工、微细部品和微细模具的超精密切削加工等方面还需要进一步研究。参考文献1sh锄otoE，ModwakiLElli面∞lvibm石oncutcing．An-n吐l

8、sofCIPR'1994，43(1)：35—382限部淳一郎．超声波振动切削加工法．机械邑工具，1957(1)：l一3王立江，赵继，谭庆昌．超声波振动车削的运动学及其加工表面质量兵工学报，1987(3)：2