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喜欢动物的朋友，一定忘不了被誉为“森林医生”的啄木鸟吧，万籁俱静的林中发出“笃，笃......”的声音，这是森林医生又开始新一天的工作了。啄木鸟有着极为高超的捕虫本领，能够啄开树皮和坚硬的木质部，来捕食树干上的有害昆虫。 图1 被誉为森林医生的啄木鸟 据观测，啄木鸟每天敲击树木约500-600次，啄木的速度几乎是音速的两倍，这可比民航飞机快多了！那么这样的高速冲击振动技术用在切削工艺上又会有什么意想不到的效果呢？今天就跟小编一起来了解一下振动切削技术。 1什么是振动切削振动切削是一种新型的非传统的特种切削加工方法，它是通过给刀具或工件一定的频率、振幅和方向的振动，使得切削时刀具与工件发生脉冲间断性的接触，以改变其切削功效的脉冲切削方法。 图2 振动切削原理图 图3 超声振动切削设备 2振动切削的分类振动切削按照施加频率的不同可分为高频振动切削和低频振动切削。其中，振动频率在200Hz以下被称为低频振动切削，低频振动仅仅从量上改变了切屑的形成条件，主要用来解决断屑问题。 图4 低频振动切削原理 一般来说，低频振动切削靠机械装置就能实现，机械振动切削的装置结构简单，造价低，使用维护都比较方便，振动参数受负载影响较小，所以应用比较广泛。 高频振动切削又称为超声波振动切削，主要是指振动频率在16kHz以上的切削。超声波振动切削需要换能器、变幅杆等专门的设备来实现，同时高频的振动使切屑形成机理产生重大变化，可提高被加工材料的可加工性，同时提高刀具寿命和工件加工质量。 图5 超声波振动切削原理 图6 超声波振动切削装置示意 3普通切削VS振动切削在普通切削中，切削是靠刀具与工件的相对运动来完成的。切屑与已加工表面的形成过程，本质上是工件材料受到刀具的挤压，产生弹性变形和塑性变形，使切屑与母体分离的过程。 图7 普通切削原理图 伴随着切屑的形成，由于切屑与刀具之间的挤压和摩擦作用，将不可避免地产生较大的切削力、较高的切削温度，加快刀具的磨损。 图8 刀具磨损 如前面所说，振动切削即通过在切削刀具上施加某种有规律且可控的振动，使切削速度、切削深度产生周期性改变，从而得到特殊的切削效果。 图9 用于振动切削的刀具 图10 振动切削雕琢的精美翡翠 振动切削改变了刀具和工件之间的空间与时间存在条件，从而改变了加工机理，达到减小切削力以及切削热、提高加工质量和效率的目的，在一定范围内能够有效地解决难切削材料的加工及其精密切削加工方面的问题。
图11 振动切削机床 4振动切削的工艺效果在普通切削中，切削力一直作用在工件上，使得周边的材料也参与抵抗变形，使得切口处切削力分散。
图12 普通切削中切口应力分布 在振动切削过程中，由每次冲击产生的细微破坏而完成切削，提高了实际的瞬间切削速度，并以动态冲击力作用于工件，使得局部变形减小，工件材料原始晶格结构变化很微小，因此加工表面质量好，加工硬化和加工变质层均很小，使得工件的塑性变形大大减小。
图13 振动切削提高加工表面质量 首先，振动可使相互接触材料间的静摩擦因数和动摩擦因数减小；其次，振动切削时会在切削液内产生“空化”作用，使切削液充分深入与渗透发挥作用；才外，在无切削液作用的瞬间，前刀面还可生成氧化膜，同样使得摩擦因数减小。摩擦力的减小大大改善了切削热对刀具和工件的破坏作用。
图14 切削液空化原理 当采用超声波振动切削时，在稳态切削条件下，整个系统的等效弹性系数比原系统弹性系数一般可增大3-10倍，这大大提高了工件的刚性，有利于保证表面的加工精度。
图15 振动频率与弹性系数关系示意图 刀具的高速振动对刀具散热十分有利，同时由于刀具周期性脱离工件，使得冷却液更容易进入刀具和工件之间，也增加了系统的散热能力。刀具与切屑分离时，切削液产生空化作用，充分发挥其润滑和冷却作用。
图16 切削液带走切削热和切屑
5振动切削的优点与传统切削相比，振动切削具有以下优点： 由于振动切削中，刀具与切屑之间摩擦因数只有传统切削方式的1/10，所以切削力可以减小的传统切削的1/2~1/10，这样大大有助于提高刀具的使用寿命。 刀具与切屑间接触出现间歇，切削热更难以传到切削区，易于冷却，所以平均切削温度可降到室温水平，这也十分有利于改善切屑变形和排屑情况。 在振动切削中，由于刀具是冲击的方式接触工件，因此加工表面产生的裂纹深度更大，使振动切削时剪切角增大，变相增加了刀具进给量，提高了切削效率。 振动切削通过多次动态冲击完成切削，应力和能量高度集中，有效减小局部变形，降低表面粗糙度，提高了加工精度。
图17 振动切削具有高加工质量
6振动切削与航空制造对于不锈钢、淬硬钢、高速钢、钛合金、高温合金、冷硬铸铁以及陶瓷、玻璃、石料等材料，由于它们高硬性和高脆性等特点导致普通切削加工难度大，若采用振动切削中的超声振动切削则可化难为易，得到整齐的加工表面。
图18 冷硬铸铁 例如航空发动机的叶片，一般采用高温镍基合金制成，该种材料具有导热系数小、比强度大、切削温度高等特点，采用普通切削方法时，刀具磨损快，寿命短；此时采用振动切削，既可以降低工件对刀具的损耗，大大提供加工效率，又能够较好地控制加工精度。
图19 航空发动机叶片特写
图20 航空发动机加工 对于一些易弯曲变形以及型面复杂的细长杆类零件、薄壁零件、薄盘类零件以及小径精密螺纹、小径深孔等，使用普通磨削与切削都很困难，此时采用振动切削，既可提高加工质量，又能提高生产效率，同时保证加工表面不产生积屑瘤、鳞刺和表面微裂纹。
图21 积屑瘤 例如飞机零件中大量的薄壁零件，包括翼肋、长桁、框等，它们大量采用整体薄壁结构，切削量大，零件制造精度要求高，普通切削方法加工该类零件难度大，效率低；振动切削以其切削力小、工件热变形和热膨胀小、加工表面质量高等原因而有着较大的优势。
图22 机翼翼肋和长桁示意图
图23 飞机隔框和蒙皮示意图 对于钻孔、铰孔、攻丝、剖断、拉削等切削加工，切屑往往处于半封闭或全封闭状态，常常由于排断屑困难而降低切削用量，并经常退刀排屑；超声波振动切削能够明显提高加工效果，一次走刀就能钻出整个孔，且切屑是较薄的小型带状切屑，容易随切削液排出。 例如飞机机翼的合金板上钻孔非常有讲究，其中一个步骤需要用铰刀把预钻的小直径孔修成光滑的孔，为后续膨胀挤压工艺做铺垫。此时采用超声波振动切削技术，就能哦股很好地解决排断屑问题，同时有利于快速钻孔，并保证孔内表面的加工精度。
图24 钻孔机器人正在机身表面工作
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