超声波振动精密切削GFRP的实验研究

　　1 引言

　　GFRP是由强度高,硬度大的玻璃纤维和树脂基体混合而成的二相结构,是一种新型工程材料。作为增强材料的玻璃纤维是韧而硬的材料,难以切削、不易切断,容易产生拉伸或弯曲,切削时容易产生切削残余或剥离,切削表面产生毛刺。它的基体是较软的合成树脂,而且软的基体中夹有硬的纤维,切削时使刀具承受冲击。在普通车削时,若用硬质合金刀具容易过早地造成磨损,导致加工表面加工质量变差,加工精度不好。再有GFRP的热传导率和体积比热小,与金属材料相比在同样的切削速度下温升高,且随着切削速度增加使切削温度急剧上升,直接影响到加工表面质量。针对上述问题,使用硬质合金刀具对GFRP进行了超声波振动精密切削的实验研究。

　　2 超声波振动切削特性

　　2.1 分离特性

　　Z向(切削速度方向)分离型超声波振动车削时,车刀前刀面与切屑之间不像传统车削过程那样总是紧密接触,而是周期性的分离。长期以来,普通车削时切屑与前刀面不分离接触形成了高温高压区,对切削液和空气来说是很难进入的禁区,给切削过程带来了一系列恶劣影响。而振动车削的分离特性终于打开了这个禁区,从根本上改善了车削条件[1-3]。

　　在忽略进给运动的条件下,振动车刀刀刃与工件之间的相对速度Vr为:

　　式中:V0为工件回转的线速度,即普通车削速度;

　　ωu为车刀刀刃的振动角速度;

　　φ为振动的相位角,φ=ωut。

　　刀具切削刃振动的正弦曲线Vu与水平线V0合成得相对速度曲线Vr,见图1。当V0<ωuA时,在φ1到φ'1区间Vr为负值,其意义是刀具前刀面由φ1点开始脱离与切屑的接触,并逐渐加大与切屑之间的距离,到φ'1又开始接近切屑,直到φ2点刀具才重新与切屑接触,进入切削过程。

　　Vr的最大值为ωuA,故当V0≥ωuA时,将不出现上述的前刀面与切屑分离的过程,令k=V0≥ωuA,称之为速度系数。当k≥1时为不分离超声波振动车削,其切削速度曲线是连续函数,见图1中的虚线,其表达式如公式(1)。当k<1时为分离型的超声波振动车削,其切削速度曲线是具有第1类间断点的分段连续的周期函数,见图1中的实线,其表达式如下:

　　因为Vr是周期函数,所以区间[0,φ1]与区间[2π,2π+φ1]完全相同。

　　分离型的超声波振动切削完全脱离了传统的连续切削过程,刀具的前刀面与切屑之间存在着完全分离的现象。应该指出,虽然在微观上分离型的超声波振动切削是一种时切时不切的断续切削过程,但是在宏观上它仍是连续切削。分离特性彻底改变了车削时前刀面的接触条件,使前刀面与切屑间摩擦时间缩短,摩擦系数明显下降,剪切角增大,变形减小,特别是高频的分离使被切材料间的亲和作用和黏结作用显著减弱,切屑底层材料很难粘贴于前刀面上,从而使积屑瘤无法生成。因此,切削过程比普通车削稳定得多,出现了切削力下降,表面质量和加工精度提高等一系列的加工效果。