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超声波振动珩磨加工技术介绍

发布时间:2020-1-10
           超声波振动珩磨加工技术介绍
  对于超声波振动加工技术,日本是研究最早的国家,迄今有许多方面已比较成熟并付诸实践。但是,由于磨削加工的复杂性,对超声波磨削加工的许多机理还不十分明了,进一步的加工应用技术还在研究之中。鉴于这种加工方法在切削领域和已应用的磨削加工领域中所体现的一系列独特优点,诸如低切削力、低磨削温度、低的表面粗糙度值和高精度,以及被加工零件良好的耐磨性、耐腐蚀性,特别是同等加工条件下只需很小的枫床动力等,使世界各国目前均在重点开发和研究超声波振动在磨削加工领域的高技术和应用课题;也鉴于这些优良特性,国际生产工程学会在第42届CIRP大会上,将超声波振动加工综合应用于磨削加工视为下一代精密加工的发展方向之一。本节介绍的超声波振动珩磨也只是其在磨削加工方面应用的一个特例。为了便于读者了解超声波振动加工在蘑削加工领域深受关注的原因,先来介绍一下超声波振动加工的工艺效果以及在磨削加工中的表现。通过对振动珩砉原理的奔绍以了解超声波振动珩磨的加工方法,最后介绍工装设计要点。
  超声波振动切削和磨削加工均属于一种脉冲切削的方法。在切削过程中,刀具(或磨刃)周期性地离开和接触工件,其运动速度的大小和方向在不断变化:当切剿工具(或磨削工具)的振动频率在16000Hz以上时的加工被称为超声波振动加工;当振动频率在16~16000Hz之间的加工被称为低频振动加工。这种分类方法实际上是以入耳所能听到的声频范围划分的。关于超声波振动加工的工艺效果主要有以下几个方面。
  (1)切(磨)嗣力小的效果
  超声波振动加工时,切削速度的大小和方向产生周期性变化,这种变化改变了整个工艺系统的受力情况。用切削速度勘一0.1m/min,振动频率f=20kHz,振幅A一15pm进行振动磨削时,切刃在每一个振动周期内纯切削时间t。是非常短暂的,约只有10_6 s。在该纯切削时间内,切刃沿切削法向切削长度Z。一8×10~mm。可见,超声波振动切削是一个在极短时间内完成的微量切削过程。在一个切削循环过程中,切刃在很小的位移上可获得很大的瞬时切削速度和切削加速度,在局部产生很高的能量。例如,以振动频率f=20kHz,振幅A=20,um进行振动切削时切刃的最大速度可达2.5m/s,加速度可达3.2×1049(g是重力加速度),即切刃运动的加速度为重力加速度的3万多倍。因此可以想象,这时被加工材料在局部微小体积内必将发生重大变化。在振动影响下,摩擦因数大大下降,只有普通切削的1/10左右(表1),使超声波振动切削力下降到普通切削的1/2~1/10(磨削下降到1/3)。对一些塑性大的材料下降程度更大。这样的加工效果对精密加工或对刚度低、功率小的精密机床来说将有重要价值。近年来,国外把超声波振动应用在磨床上,收到了很好的效果。例如,用金雕石砂轮径向超声波振动磨削时,其水平分力可降低30%~40%(磨石英玻璃)或60%~70%(磨1Crl8Ni9Ti)。这种工艺效果为降低切削热、简化机床设计和保证加工质量刨造了有利条件。
  表1超声波振动摩擦因数的下降特性

工件材料

摩擦因数

超声振动

无振动

0.02

0.18

黄铜

O.03

O.25

碳素铜

O.02

0.22

  大幅度降低磨削力正是磨削工作者多年来追求的目标,超声波振动磨削加工为这一目标提供了有效的手段。
  (2)切(磨)削低沮效果
  振动切(磨)削时,被加工材料的弹塑性变形和切刃各接触表面的摩擦因数大幅度下降,且加工中的力和热都以脉冲形式出现,使切(磨)削热的平均值大幅度下降。
  (3)俄的表面耀糙废和赛加工精度的效果
  超声波振动切削由于脉冲力作用破坏了产生积屑瘤的条件,又由于切削力小,切削温度低,使被加工表面粗糙度值大大降低,表面几何精度大幅度提高。在振动磨削中,切刃虽在振动,但在切刃和工件接触并产生切屑的瞬间,切刃所处的位置在加工过程中总保持不变。由于工件也不随时间发生变动,从而为提高加工精度创造了条件,被认为是圜度误差、圆柱度误差、平面度误差和平行度误差近似为零的一种精密和超精密加工的方法。
  (4)提高了切剃液蛉使用效果
  振动磨削时,珩磨过程断续发生,当磨刃与工件分离时,珩磨液可以顺利进入磨削区,包围磨粒进行冷却润滑。在磨粒切人时,切削液被强力挤压,形成瞬时高压,使切削液直接渗入磨刃与切屑的接触表面,充分起到冷却作用。此外,超声波振动所形成的空化作用,一方面可使珩磨液均匀浮化;另一方面,切削液更容易渗透到材料的微裂纹内,迸一步提高了珩磨液的使用效果。