基于超声振动的复合加工技术.ppt

基于超声振动辅助 复合加工技术 山东大学机械工程学院 张建华 将超声振动技术应用于传统加工方法，并对此进行 深入系统研究的创始人是日本学者隈部淳一郎，在20世 纪50-60年代发表了许多振动切削研究论文，系统地提 出了振动切削理论，并且成功地实现了振动车削、振动 铣削、振动镗削、振动磨削、振动刨削和振动攻丝等 此后，美国的有关学者也对振动切削进行了研究， 到70年代中期，振动钻孔、磨削、光整加工以及振动拉 管等均已达到实用阶段前苏联、德国和英国在此期间 也先后开展了振动切削研究，发表了一系列研究成果， 并在生产实际中推广应用 超声振动－磨削复合加工 一、超声振动－磨削复合加工的分类： 轴向振动辅助磨削； 径向振动辅助磨削； 切向振动辅助磨削 研究方法：工件超声振动的磨削复合加工 重点研究： 1. 径向超声振动磨削； 2. 切向超声振动磨削 优点： 不需要对磨床主轴系统进行任何改动 缺点： 受超声振动系统功率的限制，只适合于小型工件 的精密加工 二、超声振动－磨削复合加工实验 v MCU-70型五轴联动数控铣削加工中心：最高转速n=18000r/min； v 电镀金刚石砂轮，Ф=10mm； v CSF-7型超声波发生器，最大功率150W，最大单边振幅A=10； v KISTLER 9257A型三向压电晶体测力仪。

工件装夹系统：可以实现径向超声振动和切向超声振动两种 复合磨削方式 三、超声振动-磨削复合加工试验结果 v 超声振动对法向磨削力的影响: 1. 径向振动磨削 2. 切向振动磨削 3. 无超声磨削 超声振动对切向磨削力的影响 径向振动磨削中切向磨削力略有 降低； 切向振动磨削中切向磨削力大幅 上升，为无超声磨削的3～4倍 超声振动对磨削力比的影响 无超声磨削中：最高达7.3； 径向振动磨削：在2～3之间； 切向振动磨削：在1～2之间 超声振动对表面粗糙度的影响 三种加工方式中： 径向振动磨削表面粗糙度最大； 切向振动磨削表面粗糙度最小 超声振动对表面粗糙度的影响 加工表面的微观形貌： 超声磨削加工表面附着的磨屑更加细小； 径向振动磨削表面的弹性挤压区变得断续，且布满微裂纹； 切向振动磨削表面磨痕两侧的脆崩区出现大量穿晶断裂，表面质量较好 超声振动-磨削复合加工磨削力降低的原因1 1. 脉冲切削机制 由试验条件计算可得： 磨粒在一个切削周期内的切削时间： 工件振动周期：T ＝ 所以，在一个磨削循环中，工件将完成2～6 次振动。

磨粒对加工表面的冲击频率增加， 此脉冲切削机制大幅降低了磨削力 2. 工件软化效应 工件软化效应的本质：振动产生的内应力降低了材料的强度 距节点距离为x的点的位移可由下式表示： 工件的振动应力为 根据边界条件： 可求得最大振动应力： 超声振动-磨削复合加工磨削力降低的原因2 超声振动-磨削复合加工磨削力降低的原因3 3. 超声润滑效应 A < 0.5 ：摩擦系数降低不明显； 0.5

选择青铜结合剂立方氮化硼（CBN）砂轮，砂轮基体为铝 合金 二、恒压力磨削装置 恒压力磨削--砂轮和工件之间保持预定的压力，与恒进给磨 削相比，有以下特点： （1）进给速度随着砂轮的磨钝而降低，即材料去除率降低； （2）法向磨削力恒定，加工表面损伤可能性小； 三、超声振动－磨削－脉冲放电复合加工设备 v主轴最高转速：3150rpm v砂轮直径：135mm v最高磨削速度：24.73m/s 1、材料去除率 施加电火花脉冲放电后，磨削加工和超声振动辅助磨削加 工的材料去除率都有大幅度提高 四、超声振动－磨削－脉冲放电复合加工结果 2、脉冲放电-磨削复合加工表面 复合加工表面上几乎看不到微破碎区，取而代之的是脉冲 放电留下的凹坑； 脆性微破碎加工屑很少，加工屑大多呈圆球型 3、脉冲放电-磨削复合加工过程中磨削损伤的修复 带有裂纹的导体通入脉冲电流时： 裂纹尖端处的电流会高度集中，使裂纹前缘小范围被强化加 热 脉冲放电钝化和圆整了裂纹尖端，消除了应力集中，遏制了 裂纹了进一步扩展 4、砂轮表面微观形貌分析 v 放电修整前，仅有少部分磨粒露出砂轮表面。