基于SolidWorks的雙級三軸,基于,solidworks,雙級三軸 韓國精密工程國際期刊，第二卷，第3期， 2001年9月。 二維振動切削的微加工特征 安貞桓，機(jī)械工程學(xué)院，釜山國立大學(xué)，韓國釜山 韓石，機(jī)械工程學(xué)院，新加坡國立大學(xué)，新加坡， 金成民，機(jī)械工程及智能系統(tǒng)學(xué)院 ，釜山國立大學(xué)，韓國釜山 摘要 本文論述了二維振動切削微細(xì)加工精度的可行性改善。振動切削是由兩個壓電振動器控制工作：一是正弦曲線電壓驅(qū)動信號，另一個是相移正弦曲線電壓驅(qū)動信號。這種信號連接到振動器產(chǎn)生的二維橢圓運(yùn)動，取決于兩個輸入信號的頻率，振幅和相位變化以及工件進(jìn)給速度。在加工刀具形成的橢圓軌跡中，較低的部分是切削工作區(qū)域，上部是非切削工作區(qū)域。采用這種二維振動切削方法的獨(dú)特之處是的刀具和切屑之間的潤滑造成的。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證二維振動切削的另一個特點(diǎn)是在切屑的流動方向上負(fù)面推力隨著刀具的轉(zhuǎn)動發(fā)生扭轉(zhuǎn)。這些特點(diǎn)不僅有助于切削順地不間斷地流出，而且還大大降低切削力，從而可以獲得一個更高質(zhì)量的加工表面。在刀具軌跡仿真和實(shí)驗(yàn)微加工的條件下，二維振動切與常規(guī)切削相比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)切削力較小，表面比較平滑，毛刺更少。 關(guān)鍵詞：二維振動切削，壓電振動器，橢圓形軌跡，微加工 1 導(dǎo)言 高精度微加工制造技術(shù)隨著非球面反射鏡光學(xué)和平面鏡光學(xué)的深入發(fā)展一直在進(jìn)步。由于音頻/視頻產(chǎn)品需要緊湊，體積小，功能強(qiáng)大的光學(xué)零件，如菲涅爾透鏡和衍射光柵零件，繼續(xù)變得更加微型，多功能，而這些零件的制造加工會變得更加復(fù)雜。這就是為什么高精密微加工比以前更加重要的原因。 一般來說，尺寸效應(yīng)是微加工所不可避免的，這使得切削力變大，造成各種不良的問題如表面變形，顫振和毛刺，所有這一切問題對于化光學(xué)零件的制造而言，則是精度變低和表面粗糙度下降。許多研究機(jī)構(gòu)試圖開發(fā)新的方法來克服上述的問題。這些研究涉及低剛性結(jié)構(gòu)如數(shù)控機(jī)床，微型機(jī)床的熱誤差以及微加工過程本身。 振動切削試圖通過改善切屑與刀具的潤滑關(guān)系達(dá)到解決上述問題。這項(xiàng)研究的目的是調(diào)查的二維振動切削對切削力，表面粗糙度， 毛刺等的影響，開發(fā)出控制振動的兩個壓電振動器，并生成一個控制刀具軌跡的程序。 霍恩原理用于提高振動頻率及增大振動幅度，被證明在降低切削力方面是非常有用的。相比之下，二維振動切削的最大優(yōu)點(diǎn)就是能夠產(chǎn)生各種刀具與兩軸振動相結(jié)合的運(yùn)動。 圖1：二維振動切削原理 在二維振動切削的情況下，假設(shè)振幅為A，頻率為f ,相移為Φ和工件進(jìn)給速度為V，刀具軌跡可以用方程式表示出來。該刀具在階段一下降，在階段二上升。 在余下的刀具循環(huán)軌跡中，該刀具不接觸工件。整個振動切削過程就是這樣循環(huán)進(jìn)行。 最大理論表面粗糙度可以計(jì)算出，這取決于該工具振動參數(shù)。假設(shè)Φ是常數(shù)，刀具軌跡方程如下所示： X=A .sin(ft +Φ)+v.t Y=A. sin(ft) Rmax取決于信號的相移Φ，并影響到刀具的軌跡模式。軌跡一旦切削深度等因素確定，從理論上說，振幅越大，頻率越高，加工表面就會變得更光潔。但在現(xiàn)實(shí)的加工過程中，因?yàn)橐贿M(jìn)給速度過于緩慢，切削效率就會受到較大的影響，和振動機(jī)制也會出現(xiàn)不利的改變。因此必須綜合考慮振幅，頻率和進(jìn)給速度等因素的影響。 圖2：壓電驅(qū)動二維振動所需設(shè)備 圖2顯示的壓電驅(qū)動二維振動切削加工的振動示意圖及驅(qū)動信號產(chǎn)生系統(tǒng)。兩個壓電振動器位于彼此垂直的二個金屬板上，由于X和Y 方向的壓電陶瓷驅(qū)動力量，這種安裝方式會產(chǎn)生特有的彈性變形。為了消除交叉干擾，、十字型刀柄應(yīng)放置在軸向的空隙上。如果一個函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一個正弦波，那么有二個信號發(fā)生器的信號輸入就會產(chǎn)生兩個正弦波的信號輸出。采用雙通道信號放大器放大兩相信號足以驅(qū)動壓電振動器。采用一個助推器是為了使壓電振動器快速響應(yīng)和快速輸入。 圖3：二維振動切削的刀具軌跡 圖3顯示的是相位差距傳感器測量到的一個橢圓形加工軌跡，頻率為1kHz，相移為45 ，兩軸振幅的約5μm的。刀具裝夾的斜度約50 °。表1顯示的是實(shí)驗(yàn)測量的常規(guī)切削和振動切削靜態(tài)/動態(tài)剛度。靜剛度這方面振動切削比常規(guī)切削要高。相反，動態(tài)剛度，振動切削要比常規(guī)切削低的多。這就是為什么振動切削會有那么多的優(yōu)點(diǎn)，特別是在微加工方面，振動切削比常規(guī)切削取得的切削精度更高。 傳統(tǒng)加工 振動加工 壓力 推力 壓力 推力 動態(tài)剛度 11.93 116.74 9.06 5.77 靜態(tài)剛度 1.43 4.44 2.10 3.93 4 加工實(shí)驗(yàn) 4.1實(shí)驗(yàn)裝置 圖4：實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 圖4顯示實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，建立了二維振動切削坐標(biāo)，在機(jī)床的小型工作臺上組成了XYZ三軸系列 ，X軸Y軸分辨率為1μm ，而Z軸分辨率柱為0.17μm 。二維振動切削的加工工具固定安裝在工具欄上的滑塊上，而常規(guī)切削的切切削工具是直接固定安裝。還包括測量切削里流失的測功機(jī)和差距傳感器。 4.2切削條件 切削參數(shù)即切削深度和進(jìn)給速度，二者的選擇標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，而振動參數(shù)則根據(jù)振動發(fā)生器的物理特性選定。 表2 ：二維振動加工的條件 刀具 人造金剛石 工件 黃銅 切削條件 切削深度 1，1.25，2，3，4，5μm 進(jìn)給速率 0.5，1，2，3mm/sec 振動條件 相位 45° 頻率 1kHz 幅度 5μm 5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 5.1切削力 與金剛石工具的弧180 ° ，進(jìn)給速度為1 ㎜ /秒，與切削深度為1 ? 5 ? ，切削力調(diào)查期間切割。數(shù)字5 （ a ）項(xiàng)和第5 （ b ）分別顯示了主要和推力切削力和振動的常規(guī) 圖5：切削力：壓力，推力 ?雖然各級切削力的傳統(tǒng)的切割幾乎恒定的一些噪聲，振動切削那些定期改變正弦時裝。這一事實(shí)證明了模型描述在該工具逐漸降低的最深點(diǎn)期間，而切削深度下降到零期二。事實(shí)也證明，甚至還有一個地區(qū)的一個周期的橢圓形工具加工的推力成為負(fù)數(shù)。 圖6：傳統(tǒng)切削與二維振動切削切削力對比圖 顯示比較平均切割1至5 ?切削深度。主要力量在振動切削不等0.7N以2.2N ， 根據(jù)切削深度，這是大約一半多為傳統(tǒng)的切割。的推力常規(guī)切割不等0.3N至0.7N ，雖然幾乎為零的振動切削。它是認(rèn)為小得多的切削力振動切削的主要原因是潤滑- 間歇性的工具所提供的振動之間的工具和芯片。 5.2表面粗糙度的影響，振動切削表面粗糙度研究了不同深度的切割或切割 速度與金剛石工具的弧180 °。 圖7：不同切削深度的表面粗糙度對比 顯示了比較影響切削深度的振動切削與常規(guī)切削。表面粗糙度傳統(tǒng)的切割以下波動有點(diǎn)深度截止2 ? 。這或許是因?yàn)椴环€(wěn)定的切削如耕作由于過于淺切削深度，相比，該工具刃口半徑。振動切削， 然而，表面粗糙度是穩(wěn)定的，即使在該區(qū)域的不到2 ? ，并優(yōu)于常規(guī)切削 圖8：傳統(tǒng)切削與二維振動切削表面粗糙度對比 表面粗糙度對常規(guī)切削惡化作為切削速度增加，而振動切削它幾乎是改善和獨(dú)立的切削速度。 此外，在切削速度2 ㎜ /秒，表面粗糙度成為更接近理論值。 5.3毛刺的影響 振動切削毛刺是關(guān)于調(diào)查時，切削1 ㎜厚的黃銅板一個邊緣金剛石工具的弧90 ° 。由于 新一代的毛刺已知是密切相關(guān)的深度切，而不是切削速度[ 5 ] ，切削深度為不同而切削速度保持在1 ㎜ /秒。 ? 毛刺 傳統(tǒng)加工5分鐘后的表面毛刺 圖中顯示比較一側(cè)有毛刺產(chǎn)生的邊緣加工表面。在傳統(tǒng)的切割，形成厚厚的毛刺在深度削減5 ? ，而在振動切削，毛刺很難發(fā)現(xiàn)在切削深度的5μm的甚至在20μm的情況下。 5.4芯片 傳統(tǒng)加工芯片 二維振動加工芯片 二維振動切削的切屑邊緣 圖9：芯片對比 顯示芯片的比較所產(chǎn)生兩個切割模式。隨著切削深度不斷在1米，這種芯片制作的常規(guī)切割。變化的連續(xù)式剪切類型切削速度的增加。振動切削，這種芯片是連續(xù)型的整個范圍速度。此外，該芯片的連續(xù)振動切割是由許多小層，這是不同于常規(guī)的切割。層被認(rèn)為是形成由于定期工具振動。一般情況下，連續(xù)芯片導(dǎo)致高表面質(zhì)量。另一個芯片功能的振動切削是芯片厚度的變化根據(jù)工具振動動議，以及最薄部分的芯片很可能是撕下。圖。第10 （ c ）顯示的眼淚在定期間隔芯片邊緣的振動切削。 5.5外形輪廓 圖11：二維振動切削的加工件表面輪廓 由于振動運(yùn)動，和低頻率波是由于60Hz的電力噪聲誘導(dǎo)通過信號放大器。雖然噪音一級約8V （圖11 （ a ）項(xiàng)）減少到低于1V的（圖11 （ b ）段） ，噪音的影響依然存在。 圖（三）顯示，模擬機(jī)加工表面輪廓以同樣的電力噪聲在圖11 （ b ）項(xiàng)。字母a 比較圖11 （ b ）和11 （ c ）的證明， 無電源的噪音，振動運(yùn)動的工具將是唯一的主導(dǎo)因素確定加工表面形貌。 6 。結(jié)論 二維振動使用兩種機(jī)制壓電致動器的設(shè)計(jì)及其性能微加工進(jìn)行了研究比較傳統(tǒng)的切割。得出的結(jié)論是二維振動切割有許多優(yōu)點(diǎn)超過常規(guī)切削。 其優(yōu)點(diǎn)如下： （1）工件的動剛度的增加 （2）平均切削力的水平降低。 （3）減少一半至三分之一的主應(yīng)力 （4）切削推力幾乎為零 （5）表面粗糙度提高了多達(dá)3 （6）毛刺的數(shù)量大大減少 參考資料 1阿布拉姆斯盧卡《超精密加工的參考數(shù)據(jù)》CIRP，第二卷，第1期，69-72頁 ，1992 2中村平二《精密加工振動切削基礎(chǔ)與應(yīng)用》，34-49頁 1991 3 安東煥《 研究橢圓振動切削》CIRP年鑒 ，第二卷，35-45頁 1994 4 松上田俊《橢圓振動切削》 JSPE ，第二卷第8期，115-168頁 5韓石林《刺和形狀扭曲微溝的光學(xué)元件》1996年年度阿斯佩會議， 496-499頁，1996 。 ????