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超声振动辅助铣削机理及实验研究

尹天津  
【摘要】: 铣削是最常用的金属材料加工方法之一。铣削以断续切削为基础,而且对振动非常敏感。在利用微径铣刀进行端铣时,与加工相关的振动问题非常严重。小尺寸刀具在加工过程中更容易产生变形而导致加工过程不稳定。微径端铣刀的过度偏转会导致公差过大和表面粗糙度升高。振动辅助切削是在传统切削中刀具与工件的相对运动基础上,将外激周期振动加到两者上,以获得更好的切削性能的加工方法。振动辅助切削的基本特点是能够使刀具切削刃与工件周期性的分离。 将超声振动和传统的铣削加工进行复合,通过合理的选择加工参数,使两者互为有利条件,可以提高材料去除率,提高加工精度,减小切屑变形量。该复合加工技术可应用于各种难加工材料的加工,具有重要的理论意义和广泛的实用价值。 本文对超声振动辅助铣削技术进行了机理研究和实验分析,确定了超声振动辅助铣削时,端铣能实现刀刃与工件周期性分离的必要条件。主要包括如下的内容: 对超声振动辅助切削加工技术进行了研究。理论分析了在直角自由振动刨削中加入沿进给方向的振动,得出在切削过程中刀具与工件能否产生周期分离的条件之一:临界切削速度(critical cutting speed).指出临界切削速度仅与振动的频率和振幅相关。能够产生振动切削的必要条件之一是切削速度小于临界切削速度。同时,对高速切削和振动切削的机理进行了对比分析,发现振动切削的本质类似于高速切削,都能够增大剪切角并减少积屑瘤的产生 对超声振动工作台进行分析,并针对本文的研究内容,采用超声振动振子,合理设计夹具结构,保证了后续实验工作的顺利进行。 对超声振动辅助铣削的刀刃运动轨迹进行了理论分析,运用MATLAB对刀刃的运动轨迹进行了仿真。通过在不同参数下进行的仿真运算与理论分析,得出了在超声振动端铣中,能够使刀具切削刃与工件周期性分离的必要条件:超声振动振幅要大于每齿进给量的1/2;在一个切削周期内,不能出现超声振动波长的整数倍。 使用设计开发的超声振动工作台,结合实验室已有设备进行了超声振动辅助铣削实验。经实验验证,超声振动辅助铣削能够提高工件的尺寸精度,有利于断屑,并且能够降低沿进给垂直方向的切削力。


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