超聲波橢圓振動抑制顫振的方法

2023-06-01 22:09:06

專利名稱：超聲波橢圓振動抑制顫振的方法
技術領域：
本發明涉及的是一種金屬切削技術領域的方法，具體地說，是一種超聲波橢圓振動抑制顫振的方法。
背景技術：
顫振是切削加工中重要問題之一，顫振不僅影響加工精度和表面光結度，而且還影響工具機壽命，特別是對剛度弱的零件精密切削加工和超精密切削加工，顫振問題更為突出。因此，顫振的抑制是生產實際中急需解決的問題。
經對現有技術文獻的檢索發現，包善斐等人在《振動工程學報》1995年第4期上撰文「時變進給抑制切削顫振的理論分析與實驗驗證」，該方法是時變進給抑制切削顫振的方法，該文理論和試驗分析了採用時變進給抑制切削顫振的效果，分析結果表明時變進給能有效抑制切削顫振，用時變進給方法抑制切削顫振的效果與時變進給量的變化幅度和變化頻率密切相關，變進給量的變化幅度和變化頻率密越大，抑制切削顫振的效果越好，在優選條件範圍內，變進給量的矩形變化波形抑制切削顫振的效果最好。但是，時變進給量的變化幅度選擇不當將會產生降低加工表面光潔度甚至降低加工精度等不利切削效果。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術中存在的不足，提出一種超聲波橢圓振動抑制顫振的方法，使其加工系統穩定性明顯提高，消除切削加工中的顫振，大幅提高加工精度和表面光潔度，滿足生產實際中的要求。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括以下步驟(1)在橢圓振動變幅杆本體直交兩面上貼上壓電陶瓷片；(2)在這兩片壓電陶瓷片上加上正弦波電壓200伏，這兩片壓電陶瓷發生伸縮，這樣橢圓振動變幅杆本體發生彎曲振動；(3)通過橢圓振動變幅杆，使發生的彎曲振動，進一步增大，達到長軸11μm，短軸5μm，夾角120°，諧振頻率18.6kHz的橢圓振動；(4)刀具固定在橢圓振動變幅杆端部，橢圓振動在該處達到最大；(5)在水平和垂直這兩個方向的彎曲振動合成之後，在切削刀刃上可得到橢圓振動軌跡；(6)橢圓振動變幅杆本體通過橢圓振動節點固定在刀架上，這樣固定在橢圓振動變幅杆端部的刀具不僅作橢圓振動，而且還隨滑板進行軸向和徑向進給運動，實現超聲波橢圓振動切削加工。
本發明切削刀刃在水平方向上的橢圓振動最大速度大於切削速度時，刀具與切屑和工件之間分離，通常要把加工條件設定滿足這一條件，因此，超聲波橢圓振動切削是一種周期性斷續的切削方法；在每一個切削周期剛開始後，橢圓振動刀具在垂直方向上的振動速度小於切屑流出速度，刀具前刀面與切屑之間的摩擦力方向與切屑流出方向相反，阻礙切屑流出；這之後，橢圓振動刀具在垂直方向上的振動速度逐漸增大；該方向的振動速度大於切屑流出速度時，刀具前刀面與切屑之間的摩擦力方向反轉，與普通切削和超聲波直線振動切削時不同，這時摩擦力的方向與切屑流出方向相同，促進切屑流出，導致了背向切削力在一個切削周期內出現負值，使平均背向切削力大幅度地減小，導致切削精度和切削加工系統穩定性明顯提高，能有效地消除切削加工中的顫振，表面光潔度得到明顯改善，能實現剛度弱的工件精密切削加工。
本發明通過一個正負脈衝函數表徵分離型超聲波橢圓振動切削過程h(t)=1(tb+nT)t(ti+nT)-1(ti+nT)t(te+nT)0(te+nT)t(tb+(n+1)T)(1)]]>式中tb-在一個振動切削周期內切削開始時刻；ti-在每一切削周期中刀具前刀面與切屑之間的摩擦力方向發生反轉開始時刻；to--在一個振動切削周期內切削終了時刻；T-橢圓振動周期；n＝0，1，2……。
當h(t)＝1時，刀具前刀面與切屑之間的摩擦力方向與普通切削和普通超聲波振動切削時相同，即與切屑流出方向相反，阻礙切屑流出；當h(t)＝-1時，刀具前刀面與切屑之間的摩擦力方向發生反轉，與普通切削和普通超聲波振動切削時不同，即與切屑流出方向相同，促進切屑流出；h(t)＝0時，刀具與切屑和工件分離，刀具處於非切削狀態。
將h(t)按Fourier級數展開，得h(t)=tc1T+2n=11nsin(tc1nT)cos(nut)-tc2T-2n=11nsin(tc2nT)cos(nut)---(2)]]>式中tc1＝ti-tb；tc2＝te-ti；ωu-2πf；f-橢圓振動頻率。
超聲波橢圓振動切削過程中的分離特性和摩擦方向反轉特性對抑制顫振將有重要的影響。
本發明的有益效果是使其將超聲波橢圓振動附加在切削刀具上，超聲波橢圓振動切削加工方法與超聲波直線振動切削加工方法一樣都具有分離特性，不同的是超聲波直線振動切削加工方法僅是刀具前刀面與切屑分離，而刀具後刀面與工件是不分離，但是，超聲波橢圓振動切削不僅是刀具前刀面與切屑分離，而且刀具後刀面與工件也分離，這樣徹底地打開了「切削禁區」，可使切削液進入切削區，充分潤滑和冷卻刀具，導致刀具壽命提高。另外，超聲波橢圓振動切削加工方法還具有另一個重要特性，即切削刀具前刀面與切屑之間的摩擦力方向具有反轉特性，這導致徑向切削力在一個切削周期內出現負值，使平均徑向切削力大幅度地減小，特別是徑向切削力的平均值接近於0。這使切削加工系統穩定性明顯提高，能有效地消除切削加工中的顫振，能實現剛度弱的工件精密切削加工。
具體實施例方式
實施例提供切削加工的工件材料鋼(45#)，刀具材料硬質合金。
切削加工的刀具前角-5°，刀具后角12°，主偏角25°，刀尖圓弧半徑0.1mm。
本發明振動條件軌跡橢圓(長軸11μm，短軸5μm，夾角120°)，諧振頻率18.6kHz。
(1)給變幅杆本體上兩片壓電陶瓷片加上正弦波電壓，這兩片壓電陶瓷發生伸縮，刀具固定橢圓振動變幅杆端部，通過橢圓振動變幅杆，刀具刀刃處達到最大的橢圓振動軌跡。設定切削速度為14.95m/min，切削深度為0.0375mm，進給量為0.025mm/rev時，切削實驗測試和分析結果為沒加超聲波橢圓振動的普通切削時工件徑向振動位移為80μm左右，而把超聲波橢圓振動附加到切削刀具上後，工件的徑向振動位移立刻變為8μm左右，即橢圓振動切削時工件徑向振動位移是普通切削的1/10左右，通過實際觀察和FFT分析，得知普通切削時顫振已發生，工件表面有明顯的振紋，但當刀具上附加上橢圓振動後，顫振立即消失，工件表面沒有振紋，表面光結顯著提高。
(2)同樣在變幅杆本體上兩片壓電陶瓷片加上正弦波電壓，這兩片壓電陶瓷發生伸縮，刀具固定橢圓振動變幅杆端部，通過橢圓振動變幅杆，刀具刀刃處達到最大的橢圓振動軌跡。設定切削速度為20.25m/min，切削深度為0.0125mm，進給量為0.025mm/rev時，切削加工實驗測試和分析結果為沒加超聲波橢圓振動的普通切削時工件徑向振動位移為110μm左右，而把超聲波橢圓振動附加到切削刀具上後，工件的徑向振動位移立刻變為10μm左右，即橢圓振動切削時工件徑向振動位移是普通切削的1/11左右，通過實際觀察和FFT分析，得知普通切削時顫振已發生，但當刀具上附加上橢圓振動後，顫振立即消失。
(3)在變幅杆本體上兩片壓電陶瓷片加上正弦波電壓，這兩片壓電陶瓷發生伸縮，刀具固定橢圓振動變幅杆端部，通過橢圓振動變幅杆，刀具刀刃處達到最大的橢圓振動軌跡.設定切削速度為20.25m/min，切削深度為0.0375mm，進給量為0.025mm/rev時，切削加工實驗測試和分析結果為沒加超聲波橢圓振動的普通切削時工件徑向振動位移為105μm左右，而把超聲波橢圓振動附加到切削刀具上後，工件的徑向振動位移立刻變為9μm左右，即橢圓振動切削時工件徑向振動位移是普通切削的1/12左右，通過實際觀察和FFT分析，得知普通切削時顫振已發生，工件表面有明顯的振紋，但當刀具上附加上橢圓振動後，顫振立即消失，工件表面振紋也消失，表面光結顯著提高。
以上結果表明本發明的超聲波橢圓振動抑制顫振的方法使工件徑向振動位移大幅減小，其值大小是普通切削的1/11左右。通過實際觀察和FFT分析，得知普通切削時顫振已發生，工件表面有明顯的振紋，但當刀具上附加上橢圓振動後，顫振立即消失，工件表面振紋也消失，表面光結顯著提高，表明橢圓振動切削能有效地抑制切削加工中產生的顫振。
權利要求
1.一種超聲波橢圓振動抑制顫振的方法，其特徵在於，具體步驟如下(1)在橢圓振動變幅杆本體直交兩面上貼上壓電陶瓷片；(2)在這兩片壓電陶瓷片上加上正弦波電壓，這兩片壓電陶瓷發生伸縮，這樣橢圓振動變幅杆本體發生彎曲振動；(3)通過橢圓振動變幅杆，使發生的彎曲振動進一步增大；(4)刀具固定在橢圓振動變幅杆端部，橢圓振動在該處達到最大；(5)在水平和垂直這兩個方向的彎曲振動合成之後，在切削刀刃上得到橢圓振動軌跡；(6)橢圓振動變幅杆本體通過橢圓振動節點固定在刀架上。
2.根據權利要求1所述的超聲波橢圓振動抑制顫振的方法，其特徵是，刀刃在水平方向上的橢圓振動最大速度大於切削速度時，刀具與切屑和工件之間分離，在每一個切削周期剛開始後，橢圓振動刀具在垂直方向上的振動速度小於切屑流出速度，刀具前刀面與切屑之間的摩擦力方向與切屑流出方向相反；該方向的振動速度大於切屑流出速度時，刀具前刀面與切屑之間的摩擦力方向反轉，促進切屑流出。
3.根據權利要求1所述的超聲波橢圓振動抑制顫振的方法，其特徵是，所述的正弦波電壓是200伏。
4.根據權利要求1所述的超聲波橢圓振動抑制顫振的方法，其特徵是，所述的步驟(3)中的彎曲振動是指長軸為11μm，短軸為5μm，夾角為120°，諧振頻率為18.6kHz的橢圓振動軌跡。
全文摘要
一種屬於機械加工技術領域的超聲波橢圓振動抑制顫振的方法，本發明包括以下步驟(1)在橢圓振動變幅杆本體直交兩面上貼上壓電陶瓷片；(2)在這兩片壓電陶瓷片上加上正弦波電壓，這兩片壓電陶瓷發生伸縮，這樣橢圓振動變幅杆本體發生彎曲振動；(3)通過橢圓振動變幅杆，使發生的彎曲振動進一步增大；(4)刀具固定橢圓振動變幅杆端部，橢圓振動在該處達到最大；(5)在水平和垂直這兩個方向的彎曲振動合成之後，在切削刀刃上得到橢圓振動軌跡；(6)橢圓振動變幅杆本體通過橢圓振動節點固定在夾具上。本發明使切削加工系統穩定性明顯提高，能有效地消除切削加工中的顫振，切削精度和表面光潔度大幅提高，能實現剛度弱的工件精密切削加工。
文檔編號B23Q15/14GK1745965SQ20051002965
公開日2006年3月15日 申請日期2005年9月15日 優先權日2005年9月15日
發明者馬春翔, 王豔, 潘銘躍 申請人:上海交通大學