基于正交試驗的一種硬脆性材料超聲振動車削試驗研究

鄧欣　付明　韓明洋　張超

摘要：硬脆性材料具有硬度高、易脆裂的材料特性，一般機械加工難以保證其加工質(zhì)量，加工過程中易發(fā)生材料斷裂、刀具磨損等情況?；诖?，將超聲振動車削技術(shù)應(yīng)用于一種硬脆性材料的車削加工過程中，將超聲振動車削后與普通車削后材料的表面加工質(zhì)量進行了對比;通過設(shè)計正交試驗，分析了在加工這種硬脆性材料過程中影響超聲振動車削效果的因素。結(jié)果表明，超聲振動車削加工出來的材料表面質(zhì)量明顯好于普通車削。刀具進給速度越慢，表面加工質(zhì)量越好;刀具振幅越小，表面加工質(zhì)量越好;工件旋轉(zhuǎn)線速度越慢，表面加工質(zhì)量越好，刀具磨損越小。

關(guān)鍵詞：硬脆性材料;超聲振動;車削;線速度;進給速度;振幅

0 引言

硬脆性材料的機械性能與一般的塑性材料差距較大[1]。大部分硬脆性材料具有較高的硬度，幾乎沒有韌性，在機械加工中容易產(chǎn)生崩邊、開裂等現(xiàn)象，給機械加工帶來一定難度。超聲振動車削是在傳統(tǒng)切削技術(shù)的基礎(chǔ)上，對刀頭沿軸向施加了超聲頻率的振動，一般在20 kHz以上，振幅在3～20 μm，從而獲得良好的加工性能，尤其是對硬脆性材料的加工具有其他加工方法無可替代的優(yōu)勢[2]。本文將超聲振動車削加工技術(shù)應(yīng)用于一種硬脆性材料的外圓加工中，對影響超聲振動車削效果和材料加工表面質(zhì)量的因素進行研究，為超聲振動技術(shù)在其他硬脆性材料上的應(yīng)用提供基礎(chǔ)試驗數(shù)據(jù)。

1 試驗方法

試驗使用山東華云機電科技有限公司生產(chǎn)的華云豪克能超聲振動車削裝置，其主要結(jié)構(gòu)包括超聲振動發(fā)生裝置、傳感轉(zhuǎn)換線、超聲刀頭，最大振動頻率超過30 kHz，試驗中使用的振動頻率為20 kHz。將超聲振動刀頭裝夾在普通車床上進行車削加工試驗，超聲振動加工設(shè)備如圖1所示。

試驗所用試塊為一種核反應(yīng)堆用慢化材料，其具有高硬度和脆性，是一種典型的硬脆性材料，其外形為直徑25 mm、長約150 mm的棒狀試塊。刀具材料為聚晶金剛石，型號為HY-0037，刀尖半徑0.4 mm，最小R角0.2 mm。所使用的表面粗糙度儀為TR200手持式表面粗糙度儀。

2 試驗結(jié)果分析

2.1? ? 表面加工質(zhì)量宏觀形貌對比

對材料進行普通車削和超聲振動車削試驗，采用相同的工藝參數(shù)：進給速度0.15 mm/r，切削深度1.5 mm，切削線速度150 m/min。在超聲振動車削時給刀頭施加頻率為20 kHz、振幅為10 μm的超聲振動。最終加工表面質(zhì)量宏觀形貌如圖2、圖3所示。

從圖2普通車削加工后材料的表面可以看出，表面有不少孔洞、小坑，在加工表面與未加工表面交界處，材料有崩裂現(xiàn)象;從圖3超聲振動車削加工后的材料表面可以看出，表面較為光整，孔洞、小坑等不良加工區(qū)域明顯減少，加工表面與未加工表面交界處的崩裂現(xiàn)象極少，整體表面加工質(zhì)量較高。

2.2? ? 影響超聲振動車削加工表面質(zhì)量的因素分析

有文獻表明，超聲振動車削效果主要與車削線速度、進給速度、振幅等有關(guān)，為了研究超聲振動加工表面質(zhì)量與上述3個因素間的關(guān)系，我們進行了相關(guān)試驗，試驗參數(shù)中切削深度統(tǒng)一為1.5 mm，刀具振動頻率為20 kHz，刀尖最小R角為0.2 mm，冷卻介質(zhì)為水。試驗采用L9（34）正交設(shè)計，進行車削線速度（A）、刀具進給速度（B）和振幅（C）三因素三水平試驗。

車削線速度因素三水平A1、A2、A3分別為線速度150 m/min、200 m/min、300 m/min這3個常用車削線速度。進給速度因素三水平B1、B2、B3分別為0.03 mm/r、0.04 mm/r、0.05 mm/r。振幅因素三水平C1、C2、C3分別為5 μm、10 μm、15 μm。

根據(jù)正交設(shè)計方案得出9種試驗方案，分別進行試驗，對材料加工表面進行粗糙度測量，得到超聲振動車削表面加工質(zhì)量影響因素的正交試驗結(jié)果，如表1所示。

由表1可以看出，以A1、B1、C1組合加工出來的表面粗糙度值最低，即在車削線速度為150 m/min、刀具進給速度為0.03 mm/r、刀具振幅為5 μm時加工表面粗糙度值最低，加工表面質(zhì)量最高。

2.3? ? 極差分析

極差分析法簡單直觀，用極差R來分析各因素對結(jié)果的影響程度，R值越大，相應(yīng)因素對目標參數(shù)的影響就越大，重要性越大[3]。

R=max（k1，k2，k3，…，ki）-min（k1，k2，k3，…，ki）

式中，ki為第i水平對應(yīng)指標和Ki的平均值，即ki=Ki/r，其中r為任一列同一水平的出現(xiàn)次數(shù)[4]。本試驗為三水平試驗，r值為3。

根據(jù)表1結(jié)果，以加工后表面粗糙度值為考核指標進行極差分析，結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，極差值R從大到小依次為0.45、0.14、0.04，所對應(yīng)的影響因素分別為刀具進給速度、車削線速度、刀具振幅。因此，刀具的進給速度對超聲振動車削加工材料的表面粗糙度值影響最大，其次為車削線速度，最后為刀具的振幅。

根據(jù)表2中每個因素第1、第2、第3水平對應(yīng)的總平均值k1，k2，k3，得到各影響因素與超聲振動車削加工表面粗糙度的關(guān)系，如圖4所示。

從圖4可以看出：刀具振幅與加工后表面粗糙度值之間先呈正相關(guān)關(guān)系，后呈負相關(guān)關(guān)系，存在最優(yōu)振幅;刀具進給速度和車削線速度均與加工后表面粗糙度值呈正相關(guān)關(guān)系;刀具進給速度越快，車削線速度越高，加工后表面粗糙度值越大，加工表面質(zhì)量越差。在3種影響因素中，刀具進給速度對加工后材料的表面粗糙度值即表面質(zhì)量影響最大，且為正相關(guān)，因此，在超聲振動車削此種硬脆性材料時，在不影響加工進度時，進給速度應(yīng)當盡可能降低。

3 結(jié)論

（1）超聲振動車削技術(shù)可以應(yīng)用于此種硬脆性材料上，且超聲振動車削在這種材料上的加工表面質(zhì)量要優(yōu)于普通車削。

（2）對于硬脆性材料的超聲振動車削加工，影響其最終表面質(zhì)量的因素主要是刀具進給速度和車削線速度，且隨進給速度和車削線速度的增大，其表面粗糙度值增大，表面加工質(zhì)量降低。超聲振動車削加工時，表面加工質(zhì)量并不會隨刀具振幅線性降低而降低，而是呈現(xiàn)先降低后升高的規(guī)律，刀具振幅對表面加工質(zhì)量的影響相對較小。

（3）本文試驗研究中沒有列入振動頻率這一因素，對于振動頻率對最終加工表面質(zhì)量的影響沒有探究，對于振幅的影響也沒有做進一步研究。

（4）本文為超聲振動車削技術(shù)在其他硬脆性材料上的應(yīng)用提供了參考，對研究影響超聲振動車削加工效果的因素進行了定性分析。

[參考文獻]

[1] 陳明君，王立松，梁迎春，等.脆性材料塑性域的超精密加工方法[J].航空精密制造技術(shù)，2001（2）：10-12.

[2] 徐國紀，李凱東.超聲振動切削在某細長軸加工中的應(yīng)用研究[J].河南科技，2013（18）：132.

[3] 張建國，牛愛軍.基于正交實驗的多孔金屬激光燒結(jié)成型工藝的研究[J].制造業(yè)自動化，2008（12）：47-49.

[4] 潘柏松，龔惠玲，劉紅.基于正交試驗法的注塑工藝多目標優(yōu)化設(shè)計[J].浙江工業(yè)大學學報，2007（3）：308-312.

收稿日期：2020-03-01

作者簡介：鄧欣（1991—），男，四川成都人，碩士，研究實習員，研究方向：特種加工與復合加工。