超聲輔助切削加工技術(shù)的原理、系統(tǒng)與分類

　　超聲輔助切削加工是在傳統(tǒng)切削加工中工具與工件相對運動的基礎(chǔ)上，在切削工具或工件上施加超聲振動，以獲得更好加工性能的加工方法。超聲輔助切削加工過程中，通過工具對被加工材料的機械和超聲復(fù)合作用，使工具與被加工材料的接觸狀態(tài)和作用機制發(fā)生變化，主要通過機械切削作用、高頻微撞擊作用以及超聲空化作用等進行材料去除。由于超聲振動的引入，改變了材料去除機理，降低了工具與工件之間的摩擦力，減少了工具與工件的接觸時間，增強了工具對工件的切削去除作用，從而有效地提高了材料去除率，減小切削力，降低切削熱，減少刀具磨損，改善加工精度和質(zhì)量。
　　超聲輔助切削加工系統(tǒng)主要由超聲電源、超聲能量傳輸系統(tǒng)、超聲換能器、超聲變幅桿、工具或工件、冷卻液供給單元等組成。在超聲輔助切削加工過程中，超聲電源通過超聲發(fā)生器將產(chǎn)生大于15kHz的高頻電信號，并經(jīng)過功率放大后輸出功率超聲信號，通過傳輸系統(tǒng)將功率超聲信號傳輸?shù)匠�聲換能器，再經(jīng)過超聲換能器將電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率的機械振動，通過超聲變幅桿將機械振動的幅度增大，并傳遞給工具或工件，使其產(chǎn)生超聲振動，實現(xiàn)超聲輔助切削加工。根據(jù)超聲輔助切削加工的方式不同，超聲輔助切削加工技術(shù)的分類如圖2所示。

　　超聲輔助車削是在普通車削機床運動基礎(chǔ)上，在車刀上施加超聲振動。超聲振動方向主要有沿著工件旋轉(zhuǎn)方向切向的振動和沿著進給方向的振動。圖3為作者研制的一種安裝在普通臥式車床上的超聲輔助車削加工裝置。

　　采用聚晶金剛石（PCD）刀具普通車削和超聲輔助車削碳纖維復(fù)合材料的加工表面形貌和刀具磨損對比如圖4和圖5所示。

　　與普通車削加工表面相比，超聲輔助車削表面碳纖維和基體過渡部位相對較光滑，碳纖維復(fù)合材料表面加工質(zhì)量明顯改善，刀具磨損量可減小約30%左右[1-2]。采用硬質(zhì)合金刀具普通車削和超聲輔助車削Ni718和C263等高溫合金并和普通車削加工質(zhì)量進行對比試驗表明，
　　超聲輔助車削的加工表面粗糙度降低25%~50%，圓度提高40%~50%[3]。超聲輔助車削還可應(yīng)用于鋁基碳化硅等金屬基復(fù)合材料的加工，和普通車削加工相比表面粗糙度可降低25%左右，切削力降低1/3~1/2[4]。超聲輔助車削作為先進的復(fù)合加工技術(shù)，已在發(fā)動機軸、葉輪胚體、機匣和活塞等航空難加工材料零件加工領(lǐng)域獲得了重要應(yīng)用。
　　二維的超聲橢圓振動車削（UEVC）是新發(fā)展起來的一種加工方法。目前UEVC的驅(qū)動主要包括兩種方式：一種是非共振方式，目前主要是基于平行配置壓電疊堆和相互垂直配置壓電疊堆的直驅(qū)結(jié)構(gòu)，這種橢圓振動需要兩個激振源同時激振，其工作原理和基于該原理研制的加工裝置如圖6所示[5]。另一種是共振方式，主要是利用變幅桿的兩個模態(tài)振動組合實現(xiàn)橢圓振動，其工作原理如圖7所示。

　　研究表明，這種方法不僅能夠減小切削力，改善加工精度和表面質(zhì)量，減少刀具磨損，而且能實現(xiàn)脆性材料延性切削，既可以用于宏觀加工，也可以進行微細結(jié)構(gòu)加工。近幾年來這種加工方法受到國際學(xué)術(shù)界和工程界的高度關(guān)注。此外，名古屋大學(xué)的社本教授等人還提出了三維UEVC的概念，代表了UEVC的最新進展。

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