超声振动对表面光洁度的影响及端铣加工中的刀具磨损.docxVIP

超声振动对表面光洁度的影响及端铣加工中的刀具磨损摘要一般来说，铣削加工高硬钢时刀具磨损度非常高甚至会断裂。所以,我们试图利用有限元的方法设计一个夹具装置用于超声振动复合加工工艺（HMP）。现在这个夹具装置已经制造出来了。我们能利用这个夹具做很多类型的混合加工实验。然后进行铣削加工是为了比较超声振动的影响。结果表明在有超声振动时的刀具磨损情况和表面粗糙度比没有固定振动时更为良好。这个结果可以解释为通过超声振动加快传热。关键词：复合加工；超声波；夹具；刀具磨损；表面粗糙度。一、绪论今天的制造业正面临来自于先进的难加工材料(硬质高温合金、陶瓷和复合材料)、严格的设计要求(高精度、复杂形状和高表面质量)以及加工成本的挑战。开发一种复合加工工艺(HMP)的原因是为了利用各种工艺结合或相互增强的优点，避免或减少一些当复合工艺各部分组成工艺单独应用时的副作用。近年来，IT、BT、ST行业对于精密元件的需求量已经有了快速的增长。精密铣削加工复杂3D几何结构的优点和高效的加工效率成为一项重要的精密加工技术。精密元件对超声振动相当敏感。超声振动辅助精密钻孔工艺可以减少切削热和增加刀具寿命以及提高加工表面质量。纳秒激光加工的结果表明用超声振动的表面粗糙度比没有振动的更好。刀具磨损在影响零件的易加工性、加工表面质量和加工成本中起着至关重要的作用。许多研究人员研究了铣削加工过程中刀具的磨损。?Liew等发现涂层防止刀刃剥落和增强了刀具磨粒磨损的阻力。工件的韧性和刀具磨损似乎都会影响工件的表面光洁度。Gu等人发现在铣削加工金属时，刀具磨损对切削速度和进给率比较敏感。加工时，高进给速率会导致很高的应力作用于刀具上并且导致刀刃剥落。在某些情况下，由于不能使用目前的加工方法，就必须创新技术或修改现有的方法。本研究的目的是开发一种超声波振动器混合加工的夹具装置。这种夹具必须保持工件水平，同时将超声振动传递到工件上。在机床上，各种不同的加工方法也能够结合使用。例如，铣削高硬金属材料。比较不同振动下加工表面和刀具磨损。二、夹具的设计一般来说,由超声加工设备由换能器、增幅器、变幅杆和刀具组成，如图1所示。但精密复合加工不需要大量的振动，并且为了提高铣削加工的精度，将超声振动装置安装在工件上，如下所示。图1. 超声加工系统A.设计要求本设备主要由换能器和夹具装置组成。如图2（1）所示换能器的共振频率是40kHz并且超声波发生器能产生频率在1.5 k赫兹到100 k赫兹之间的超声波。根据下面的公式： (1)其中f是固有频率和m是质量。设备的重量比以前增加了，因此共振频率也降低了,但不低于1.5 k赫兹。因此,有必要改善整个设备的刚度。在每个频率范围内，夹具必须使工件同样的振动位移，否则被加工表面微槽的表面粗糙度质量会降低。图2.超声振动夹具装置B.共振频率分析使用ANSYS软件得到模型的振动方式和固有频率，对固定在夹具装置下面的模型属性的分析如表1所示。通过改变尺寸a和b对模型进行优化设计。表1.ANSYS属性图3.自动网格分析图4显示了模型在不同频率的模态分析结果。图4（c）显示出了作为纵向振动的模态形状，并且谐振频率为41729Hz。y轴方向的最大振动量是第26种模态。表面振动量在其他模式下不相同。(a)第23种型态(b)第25种型态(c)第26种型态图4.模型的振型C.制造和测量在这项研究中，制造了一个相似的模型并且使用光纤传感器测量工件表面振动量。工件表面的振动位移的结果如图5所示。振动位移最大时的频率是41010 ?Hz并且最大的振动位移为2.86μm。实验结果与ANSYS模态分析的结果误差仅有1.7%。由于在不同的情况下物体的固有频率可以改变，所以导致误差的原因可能是测量环境和ANSYS的网格划分。图5.工件表面的振动位移量三、超声振动试验A.复合加工机床图6展示了已研制出来机床的结构。整个设备由数控铣床、换能器、夹具装置、电动冲洗泵、高频示波器（200MHz）、RC模式电源供应。我们可以在这台机器上做多种类型的混合加工实验，使得两种不同的加工方法可以结合起来。例如，电火花加工铣、超声铣削、电火花磨削、超声抛光。各种不同的加工方法也可以结合。例如，电火花超声复合铣削，电火花超声复合抛光等等。图6.复合加工设备难加工材料的高速加工会在刀具的切削刃上生成集中热、摩擦损伤并且使得刀具寿命快速减少。刀具磨损会影响加工的表面质量，所以现在我们试图用复合加工的方法来减低这个问题带来的影响。B.试验设计本研究的主要目的是探讨在立铣加工中超声振动的影响，所以并没有启用电火花加工，并且是为了研究超声振动对表面光洁度的影响以及立铣加工中的刀具磨损。表2列出了试验的各项参数。表2.试验条件试验的变量是加工长度和有无超