残余应力对零件的使用性能有很大影响。一般说来,如果残余压应力在表面层内足够大且分布合理,会提高零件的疲劳强度;而残余拉应力则会引起裂纹,使零件产生疲劳断裂和应力腐蚀。
(四)应用振动切削改善零件加工表面完整性
综上所述,改善零件加工表面完整性对于改善零件使用性能、延长零件使用寿命十分重要。控制加工表面完整性的方法较多。在普通切削、磨削加工中,可针对不同的加工工艺方法,合理选择刀具材料、刀具几何参数、切削用量和切削液,对零件进行表面处理和表面强化,从而得到要求的加工表面粗糙度和表面质量,改善零件加工表面完整性;此外,利用一些新的切削加工技术,如振动切削、低温切削、激光切削、水力切削等,也可达到提高加工表面质量、改善加工表面完整性的目的。
在改善零件加工表面完整性的众多方法中,振动切削技术较易实现且应用效果很好。
二、振动切削原理
振动切削的实质是在切削过程中使刀具或工件产生某种有规律的、可控的振动,使切削速度(或进给量、切削深度)按某种规律变化,从而改善切削状态,提高工件表面质量。
振动切削通过改变刀具与工件之间的空间—时间存在条件,从而改变切削加工机理,达到降低切削力和切削热、提高加工质量和加工效率的目的。振动切削是一种脉冲切削,切削时间短,瞬时切入切出,切削时工件还来不及振动,刀具即已离开工件。根据动态切削理论和冲量平衡理论,采用振动切削时切削温度低,工件表面质量好。在振动切削过程中,由于刀具周期性地接触和脱离工件,其运动速度的大小和方向不断改变。振动切削引起刀具速度变化和加速度的产生,使加工精度和表面质量明显提高。振动切削的特点使其在改善零件加工表面完整性方面独具优势。
三、振动切削改善零件加工表面完整性的优势
(一)降低切削力和切削温度
振动切削时,刀具与工件间相对运动速度的大小和方向均产生周期性变化,被加工材料的弹塑性变形和刀具各接触表面的摩擦系数都较小,且切削力和切削热均以脉冲形式出现,使切削力和切削温度的平均值大幅度下降(切削力仅为普通切削时的1/2~1/10,切屑的平均温度仅40℃左右),从而改善了切削条件,提高了工件加工质量和刀具使用寿命,减小了切削力引起的变形和切削温度引起的表面热损伤、表面热应力及工件热变形,尤其为需要热处理的零件减小热处理变形及裂纹创造了十分有利的条件,容易实现高精密加工。
(二)表面粗糙度小、加工精度高
振动切削破坏了积屑瘤的产生条件,同时由于切削力小、切削温度低及工件的刚性化效果,使加工表面粗糙度减小、几何精度提高。在振动切削中,虽然刀刃振动,但在刀刃与工件接触并产生切屑的各个瞬间,刀刃所处位置是保持不变的。由于工件与刀具在切削过程中的位置不随时间变化,从而提高了加工精度。
(三)刀具使用寿命长
振动切削时,由于切削力小、切削温度低、冷却充分,切屑的折断和排出都比较容易,可明显提高刀具使用寿命。如振动参数选择适当,一般可使刀具寿命延长几倍至几十倍,对难加工材料和难加工工序应用效果更好。用硬质合金刀具对不锈钢进行超声振动切削试验证明,刀具使用寿命比普通切削方式提高20倍。刀具寿命的延长不仅可节约刀具材料,减少辅助时间,降低加工成本,提高生产效率,而且有利于保证加工质量。
(四)切削液使用效果好
采用普通切削时,切屑总是压在刀具前刀面上形成一个高温高压区,切削液难以进入切削区,只能在刀具外围起间接冷却作用;采用振动切削时,由于切削为断续形式,当刀具与工件分离时,切削液从周围进入切削区,对刀尖进行充分冷却和润滑。特别在超声振动切削时,由于超声振动形成的空化作用,一方面可使切削液均匀乳化,形成均匀一致的乳化液微粒;另一方面切削液更容易渗入材料的裂纹内,可进一步提高切削液使用效果,改善排屑条件。
(五)已加工表面的耐磨性、耐腐蚀性提高
振动切削时,刀具按正弦规律振动,在已加工表面形成细小刀痕,类似二次再加工时形成的花格式网状花纹。大量花纹均匀密布在零件工作表面上,使零件工作时易形成较厚油膜,可提高滑动摩擦的耐磨性。振动切削的残余应力很小,加工变质层较浅,只在刃口附近有很小加工变形,工作表面金相组织变化很小,与材料内部金相组织几乎相当,信捷职称论文写作发表网,因此提高了工件表面耐腐蚀性。切削试验证明,振动切削工件表面的耐磨性及耐腐蚀性接近于磨削加工表面。