微织构车刀椭圆超声辅助切削加工性能研究_张硕.pdf
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1、第 卷 第期中 国 机 械 工 程 年月 微织构车刀椭圆超声辅助切削加工性能研究张硕邹平方锐周亮东北大学机械工程与自动化学院,沈阳,摘要:为了进一步改善切削性能,将微织构刀具应用于椭圆超声辅助切削过程中,分析其对切削力、刀具磨损及表面质量的影响,然后分析刀具表面微织构角度与尺寸对刀具磨损的影响规律。研究结果表明:微织构刀具可以在保留椭圆超声辅助切削优异性能的基础上进一步改善切削性能,而且根据实验结果,微织构角度与尺寸变化会影响刀具抗磨损效果,当微织构与主切削刃平行、宽度为、间距为 时,刀具黏结磨损最小。关键词:椭圆超声辅助切削;微织构车刀;切削性能;微织构角度与尺寸中图分类号:开放科学(资源服
2、务)标识码():,:,:;收稿日期:基金项目:国家自然科学基金()引言随着制造行业的发展,各种难切削材料相继出现,克服较差的切削环境,提高工件表面质量、加工效率及刀具耐磨性一直是制造加工领域的重要目标。传统的金属加工方法使刀具与工件密切接触,长时间的切削过程会产生较高温度,严重影响刀具寿命与表面质量。为了提高切削性能,延长刀具寿命,等提出了超声椭圆振动切削技术;等对椭圆超声振动切削过程进行了研究,发现该方法除了断续切削的特性外,还具有刀 屑瞬时摩擦力反转特性,可以大幅减小切削力、改善加工工件表面质量,同时还可以抑制加工颤振,进一步提高切削加工性能。除此之外,微织构刀具也被证明可以有效降低切削温
3、度并提高刀具寿命。等改变刀具表面织构类型,通过对比实验证明平行型和方点型的微织构可以有效提高刀具表面润滑效果,减少刀具磨损。潘晨等发现微织构刀具会改善工件的表面残余应力,提高工件耐磨损与耐疲劳特性。苏永生等研究了织构化表面对金刚石高速切削钛合金过程的影响,发现在干切削条件下减磨效果明显,并且可以减小切削力。等 利用硬质合金刀具加工陶瓷,并研究了微织构尺寸对切削性能的影响,发现当微织构宽度为、间距为 时可以获得最佳刀具耐磨性以及工件表面质量。无论是微织构刀具还是超声切削技术均已被证明可以有效提高刀具切削性能,已有少部分学者将 这 两 种 技 术 结 合 研 究 其 可 靠 性。何 宇等 在椭圆超
4、声辅助车削过程中应用了微织构刀具,分析了织构形状对切削性能的影响,证明了该技术的优势。唐军等 将微织构刀具应用于纵扭复合超声铣削过程,分析了切削参数对工件表面粗糙度、残余应力的影响规律,结果表明微织构超声铣削可以改善工件表面完整性。目前对椭圆超声辅助车削与微织构刀具结合的技术研究仍然较少,而且仅限于证明该技术的优势,并没有进一步研究织构参数与超声切削之间的关联性,因此研究织构参数对椭圆超声辅助切削性能的影响仍然具有重要意义。本文利用光纤激光在车刀前刀面靠近主切削刃位置加工微织构,将微织构应用于超声切削过程中,首先分析其相对于其他切削方式的优势,然后研究织构角度与参数对刀具磨损的影响。椭圆超声辅
5、助切削运动机理椭圆超声辅助切削又称超声椭圆振动切削(,),是一种精密加工方式,利用超声产生高频振动,将该振动作用于刀尖运动方向上,在刀尖处产生类似于椭圆形状的运动轨迹,根据刀具在振动过程中前刀面与工件是否产生分离现象,将加工方式分为分离型和不分离型切削。根据之前研究发现,不分离型振动切削可以在提高切削效率的同时一定程度上保留超声振动切削的优势,因此以不分离型椭圆超声辅助切削为基础,在进给方向与切深方向施加超声振动,刀尖运动方程为 ()()()其中,、分别为切深方向、进给方向与主运动方向,为超声振动频率,为进给量,、为刀尖振幅,为两个振动方向的相位差,为主运动速度。刀具切削原理与刀尖运动轨迹如图
6、、图所示。图超声椭圆切削原理 微织构刀具的制备基于光纤激光设备在刀具表面加工微织构,加工装置如图 所示,光纤激光器性能参数见表。图刀尖运动轨迹 图激光加工实验装置 表激光加工参数 型号 激光波长()最小光斑直径()加工范围()加工线速()最小线宽()输入电压()刀具材料选择 无涂层硬质合金车刀,通过计算机绘制织构形状与尺寸,调整车刀与聚焦透镜位置,将微织构加工在车刀主切削刃附近。利用超景深显微镜观察加工后的刀具表面形貌,如图所示。图激光加工刀具表面织构的形貌 实验方案与结果实验方案椭圆超声辅助微织构车削 不锈钢的实验在 车床上进行,选择 无涂层硬质合金刀具,采用实验室现有超声电源对超声振动辅中
7、国机械工程 第 卷 第期 年月上半月助机构进行激励,实现不分离型椭圆超声辅助切削。实验过程中所选择的切削参数与超声参数均固定,其中切削速度为、切削深度为、进给量为、超声频率为 、超声振幅为、相位差为 ,实验在干切削条件下进行。为了便于表述,定义无织构刀具条件下的传统切削为、微织构刀具条件下的传统切削为、无织构刀具条件下的超声切削为 、微织构刀具条件下的超声切削(微织构车刀椭圆超声辅助切削)为 ,不同切削方式下的微织构与主切削刃夹角为、宽度为、间距为,由于刀具表面微织构对切削性能产生影响主要是通过减小刀屑接触面积,故织构深度的改变不会影响刀屑接触面积,所以固定织构深度为,超声车削实验现场如图所示
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