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術(shù)界和工程界的高度關(guān)注。此外，名古屋大學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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