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，機械工程學院，釜山國立大學，韓國釜山 韓石，機械工程學院，新加坡國立大學，新加坡， 金成民，機械工程及智能系統(tǒng)學院 ，釜山國立大學，韓國釜山 摘要 本文論述了二維振動切削微細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動信號，另一個是相移正弦曲線電壓驅動信號。這種信號連接到振動器產生的二維橢圓運動，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特之處是的刀具和切屑之間的潤滑造成的。實驗驗證二維振動切削的另一個特點是在切屑的流動方向上負面推力隨著刀具的轉動發(fā)生扭轉。這些特點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量的加工表面。在刀具軌跡仿真和實驗微加工的條件下，二維振動切與常規(guī)切削相比較，結果發(fā)現(xiàn)切削力較小，表面比較平滑，毛刺更少。 關鍵詞：二維振動切削，壓電振動器，橢圓形軌跡，微加工 1 導言 高精度微加工制造技術隨著非球面反射鏡光學和平面鏡光學的深入發(fā)展一直在進步。由于音頻/視頻產品需要緊湊，體積小，功能強大的光學零件，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。許多研究機構試圖開發(fā)新的方法來克服上述的問題。這些研究涉及低剛性結構如數(shù)控機床，微型機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系達到解決上述問題。這項研究的目的是調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)點就是能夠產生各種刀具與兩軸振動相結合的運動。 圖1：二維振動切削原理 在二維振動切削的情況下，假設振幅為A，頻率為f ,相移為Φ和工件進給速度為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)進行。 最大理論表面粗糙度可以計算出，這取決于該工具振動參數(shù)。假設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)實的加工過程中，因為一進給速度過于緩慢，切削效率就會受到較大的影響，和振動機制也會出現(xiàn)不利的改變。因此必須綜合考慮振幅，頻率和進給速度等因素的影響。 圖2：壓電驅動二維振動所需設備 圖2顯示的壓電驅動二維振動切削加工的振動示意圖及驅動信號產生系統(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 方向的壓電陶瓷驅動力量，這種安裝方式會產生特有的彈性變形。為了消除交叉干擾，、十字型刀柄應放置在軸向的空隙上。如果一個函數(shù)發(fā)生器產生一個正弦波，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顯示的是實驗測量的常規(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，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 加工實驗 4.1實驗裝置 圖4：實驗裝置示意圖 圖4顯示實驗裝置示意圖，建立了二維振動切削坐標，在機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和差距傳感器。 4.2切削條件 切削參數(shù)即切削深度和進給速度，二者的選擇標準不盡相同，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 進給速率 0.5，1，2，3mm/sec 振動條件 相位 45° 頻率 1kHz 幅度 5μm 5 實驗結果 5.1切削力 與金剛石工具的弧180 ° ，進給速度為1 ㎜ /秒，與切削深度為1 ? 5 ? ，切削力調查期間切割。數(shù)字5 （ a ）項和第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。這一事實證明了模型描述在該工具逐漸降低的最深點期間，而切削深度下降到零期二。事實也證明，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深度截止2 ? 。這或許是因為不穩(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 振動切削毛刺是關于調查時，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 圖中顯示比較一側有毛刺產生的邊緣加工表面。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。層被認為是形成由于定期工具振動。一般情況下，連續(xù)芯片導致高表面質量。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 由于振動運動，和低頻率波是由于60Hz的電力噪聲誘導通過信號放大器。雖然噪音一級約8V （圖11 （ a ）項）減少到低于1V的（圖11 （ b ）段） ，噪音的影響依然存在。 圖（三）顯示，模擬機加工表面輪廓以同樣的電力噪聲在圖11 （ b ）項。字母a 比較圖11 （ b ）和11 （ c ）的證明， 無電源的噪音，振動運動的工具將是唯一的主導因素確定加工表面形貌。 6 。結論 二維振動使用兩種機制壓電致動器的設計及其性能微加工進行了研究比較傳統(tǒng)的切割。得出的結論是二維振動切割有許多優(yōu)點超過常規(guī)切削。 其優(yōu)點如下： （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力 （4）切削推力幾乎為零 （5）表面粗糙度提高了多達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與應用》，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元件》1996年年度阿斯佩會議， 496-499頁，1996 。 ????