弯曲振动车削刀尖位置对于熨压特性的影响

随着科学技术的迅猛发展，尤其是国防工业中新材料的不断涌现，迫切需要-些与传统方法不同的切削加工方法。振动车削方法就是给刀具施加-个有规律的振动，改变的传统的车削加工过程，以达到提高加工表面精度，改善加工表面质量。文商 r对工件运动速度与刀具振动速度共线是的隋况作了细致的分析，得到了临界切削速度 分析了振动车削的分离特l生，冲击特性，变速特性，熨压特性。文献研究了超声振动在提高表面粗糙度上得应用。-些科研人员研究了新型椭圆超声振动辅助切削机理，得出在椭圆超声辅助切削下脆性材料能够延展的去除，刀具磨损减少，能够得到小切深和大剪切角目，文献[61研究了超声振动切削动压油膜的建立，得到刀具锐化效果，表面质量提高效果。

振动车削与普通车削的-大不同在于振动车削后表面能够产生残余压应力而普通车削-般产生残余拉应力，而残余压应力的作用能够提高材料的耐磨，耐腐蚀能力，弯曲振动车削的刀尖位置会影响到刀尖的走刀轨迹，而刀尖的轨迹不同会产生不同的熨压特性，而熨压特性是产生残余压应力的主要原因。根据金属切削理论以及振动车削刀具运动轨迹模型，基于刀尖不同的装夹高度讨论弯曲振动的熨压特性以及与此同时产生的刀具后刀面的挤压问题。分析了刀具的运动轨迹以及所带来的表面质量以及对刀具产生的刀具磨损。试验也证明了刀尖的不同位置对于表面质量以及刀具磨损有着不同的影响。

2弯曲振动车削刀尖位置对于熨压特性的运动分析2.1刀尖运动特性及位置对工件熨压作用的影响由于弯曲振动换能器的弯曲振动特点，刀尖对应节点做圆来稿日期：2012-08～14基金项目：国家自然基金项 目(51175225)作者简介：周 辰，(1988-)，男，浙江人，硕士研究生，主要研究方向：精密加工技术皮 钧，(1962-)，男，河南人，教授，博士，主要研究方向：精密加工技术88 周 辰等：弯曲振动车削刀尖位置对于熨压特性的影响 第 6期弧运动，当刀尖对应节点做圆弧运动的速度方向与工件的线速度方向共线时，-个临界限位置，如图1(a)所示。工件以角速度埘旋转，刀具正装，刀尖绕自己的回转中心处做圆或谐振动，当刀尖与工件接触点的线速度和工件与刀尖接触点得线速度共线时就是临界位置。对于这个临界位置时的运动特性在文献[2，31中有详细的阐述了，就讨论当刀尖绕节点做圆弧运动方向与工件的线速度不-致时产生的不同的刀尖运动轨迹，刀尖上偏的运动轨迹与刀尖下偏的运动轨迹，如图l(b)、图l(c)所示。

(a)刀尖在临界位置 (b)刀具上偏于临界位置(c)刀具下偏于临界位置图1刀具不同位置的切削示意简图Fig.1 Cutting Diagram of Tool in Different Positions刀尖上偏，如图2所示。刀具的位移和振动速度为：asintot， ag，oco$.ot (1)(2)式中： -振幅；扩-刀具振动的角频率。

刀具与工件的合成速度以及合成位移为：，s (4)(5)图2刀尖上偏速度示意图Fig.2 Velocity Diagram of Tool above the Critical Position以振幅为lOtxm，频率为20kHz弯曲振动换能器为例，假设刀尖是-个平面，刀尖速度方向与工件速度方向的夹角为卢，JB10。，工件的线速度为400mm/s，那么带入式(1)，(3)，(5)得到刀具合成运动轨迹图，如图3所示。图3中的横坐标为刀具在横向的位移，纵坐标为刀具在纵向的位移。当刀尖走到轨迹线的熨压起始点之后开始刀尖后刀面对于工件的熨压作用，-直到熨压终止点，熨压了阴影部分面积。熨压起始点刀尖刀具振动速度与工件线速度满足：蚴co 1xco-v (6)式中： 广埂压起始点刀具振动的相位刀尖速度为最大时为0相位，将切削条件带人式(6)得 O.61r根据起始点与终止点的速度对称性：盯-4'。 r叮r (7)式中：c 厂埂压终止点刀具振动的相位将 值代入式(7)得 1.47r。

.8霄， (删c。s( )×c0s(卢))d ×式中： -熨压的水平距离。

(8)(9)O 0005 0O1 0015 002 0025 u.03 u035 004 0045 uu，方向位移图 3刀尖上偏刀具合成运动轨迹曲线Fig.3 The Movement Curve of Tool 8bore the Critical Position同样的，刀尖下偏速度示意图，如图4所示。同样以振幅为lOtxm，频率为20kHz弯曲振动换能器为例，假设刀尖是-个平面 ，刀尖速度方向与工件速度方向的夹角为 ，/310。，工件的线速度为400mm/s，通过之前的速度合成方法绘制出刀具合成运动轨迹图，如图5所示。刀尖往回的运动轨迹往回是阴影部分面积，而阴影部分是没有材料的，这种情况下，刀尖往回运动没有产生如刀尖上偏-样由于后刀面的挤压所产生的熨压。

图4刀尖下偏速度示意图Fig.4 Velocity Diagram of Tool below the Critical Position方向位移图5刀尖下偏刀具合成运动轨迹曲线Fig.5 The Movement Curve of To1 below the Critical Position2.2熨压过程工件的熨压量的大型对刀具的影响从以上的分析可以看出，刀尖的不同位置的熨压量是不同的。当刀尖上偏时，如图6所示。熨压量就是图示阴影部分的面积，在相同切削参数下，如图所示刀具的后刀面越向下倾斜也就是刀具的后角越小，那么阴影部分就越大，较图3相比后角的存在使熨压区域增大，如图 7所示。熨压量越大表面屈服区域也就No.6June.2013 机械设计与制造 89越大，塑性变形作用也就越大，产生的残余压应力越大。分析刀尖上偏于临界位置时后刀面的受力情况，如图6所示刀具运动轨键似为-个斜直线， 为挤压应力， 为作用在刀尖的法向挤压应力， 为作用于后刀面的切向应力， ， cos ，当 0时刀尖受到纯法向挤压应力作用，最容易崩刃。在这种切削条件下，通过图4的位移轨迹曲线可以求得 21。。paT90。 (10)式中： -刀尖往回熨压轨迹线与水平方向的夹角； 压应力与法向挤压应力的夹角；y-刀具后角。

当a-0时，可以求得在这种切削条件下，刀具后角 9，69。时。

刀尖受纯正应力作用，最容易崩刃。根据O'nO'COS，畜角可以使刀具受法向挤压应力减小，提高刀尖强度。刀尖上偏与临界位置时的熨压作用于临界位置的熨压作用机理类似，为切削-段，往回熨压-段。

图 6刀尖上偏受力示意简图Fig.6 Stres Diagram of Tool aove the Critical Position图 7刀尖上偏不同后角的熨压效果Fig.7 Ironing Effect of Different Back Angles in Tolabove the Critical Position刀尖下偏不同后角的后刀面干涉 ，如图 8所示。当刀具下偏时，若刀具后角大于临界后角值，刀尖向前切削时没有对已切削表面进行挤压，刀尖向后回复时走的是空行程 ，当后角小于临界后角值就产生图示部分后刀面干涉，干涉是伴随切削同时产生的，刀尖向后回复时走的仍然是空行程，而且后角越小，干涉越严重，同时刀具的磨损也就越大。综上可以看出刀具下偏于临界位置时没有熨压效应。同样以振幅为lOIxm，频率为20kHz弯曲振动换能器为例 ，flO。，工件的线速度为 400mm/s，后刀面分离点速度满足 ；cos63sin/3-O (1 1)式中： 厂刀具分离点相位刀尖速度为最大时为0相位，将切削条件带入式(15)630.5耵： ～1 f 删cos si恻妒 (12)式中：-刀具速度最大点到后刀面分离点竖直方向的距离。

， 1 r电 J (awcoscos/3vd) (13)式中：z -刀具振动速度最大点到后刀面分离点水平方向的距离将也以及切削条件带入式(11)(12)：o.O15m， -o-O017m，tan 手 ( 4)式中： -刀具后刀面不发生干涉的临界后角。

由此可知在这种切削条件下，后角大于 6.5。那么就没有后刀面的干涉，而小于6.5呗0有后刀面干涉。通过以上分析，在振动切削特定材料以及使用特定刀具时就要视情况选择不同的刀尖高度以及匹配的刀具后角，才能达到比较好的切削效果并且能够延长刀具寿命。

U 0 005 0.O1 OO15 U.02 0025 0.03 U035 U.04 O.045 0.05X方向位移图8刀尖下偏不同后角的后刀面干涉Fig.8 Back Surface Interference of Different Back Anglesin Tool below the Critical Position3实验研究3.1实验装置与条件试验条件如下：机床：FTC-20友嘉数控机床；工件：tpl5mm的淬硬钢棒料，硬度 55-60HRC；刀具：材料为金属陶瓷，采用可调节后角的刀头以及可转位结构。弯曲振动装置：振幅为10um，频率为20kHz；试验方法：干式车削。采用相同的切削参数对不同刀尖装卡高度分析切削后的表面形貌以及刀具的磨损情况。刀尖低于回转中心的距离分别为0mm，lmm，3mm，刀具后角为2。和10。切削参数：主轴转速135r/min，切深单边0.04mm，进给0.04mrgr。

3.2实验结果及分析3-2.1袁面粗糙度试验结果o.5O0.45目o.400.3530o.250.2Oo.o o.5 l o 1.5 20 2.5 )u刀尖低于回转中心距离(mm)图9不同后角以及刀尖位置与粗糙度Ra的关系Fig.9 The Relationship of Roughness Ra and DiferentBack Angle and Tool Positions试验采用不同后角以及不同刀尖位置分析振动车削后，材料的表面粗糙度，利用手持式粗糙度测试仪，试验结果，如图9所示。由图10可以看到后角为 10。，刀尖在工件回转中心时粗糙度明显增大，这是因为在这种情况下刀具磨损导致的，这也之前的理论分析是-致的。刀尖在回转中心也就是上偏与临界位置时，畜角能够有效的保护刀尖，切削出比较高质量的表面。在刀尖下偏与临界位置也就是刀尖低于回转中心3mm时，大后角能够相对提高表面粗糙度 Ra是因为没有了后刀面与已切削表面的磨损，这也是与之前的理论分析是相符的，但是从图9上可以看出，还是在临界位置切削，粗糙度的值最佳。试样棒淬火后经过外