2 切削试验条件

1. 机床：CA6140 普通车床；刀具：PCD焊接车刀；工件材料：金属基复合材料SiC_p/Al棒料，熔铸，重量百分含量12%，粒度W14，棒料直径Ø42mm，长度150mm。
2. 振动装置：自制纵向振动装置(振幅15µm，频率20kHz)。
   

   图1 切削力测量装置

3. 切削力测量装置(见图1)：测力系统采用北航SDC-CJ4A 电阻应变式测力仪。该测力仪有多档可选量程，试验中选用的测量范围为0～500N，测量精度为0.2N(可满足精密测量的要求)。由于测力仪频响范围为 0～3000Hz，虽可满足一般切削力测量的要求，但不能测出超声振动切削中频率高达20kHz 的切削力脉冲波形，因此试验中实际测出的是切削力的平均值。

3 切削力与切削参数的单因素关系试验与分析

1. 切削速度对切削力的影响
   1. 试验与测量
      

      表1 切削力F_c与机床转速n的关系

      机床转速n(r/min)	60	90	180	305
      振动切削力Fc(N)	12.27	13.16	16.91	25.25
      普通切削力Fc(N)	33.9	33.25	30.27	33.26

      为研究切削速度的变化对超声振动切削力的影响，在切削试验中，保持进给量f=0.08mm、切深a_p=0.3mm 不变，仅改变切削速度，分别测量机床转速n=60r/min、90r/min、180r/min、305r/min 时超声振动切削和普通切削时的切削力F_c，试验结果见表1。
   2. 结果与分析
      

      图2 切削速度与切削力的关系

      试验获得的切削速度与切削力的关系如图2 所示。由图可见，普通切削时，随着机床转速增大，切削力变化不大。振动切削时，由于其脉冲切削效应，在一个振动周期T内只有t_c时间进行切削，故平均切削力F_c为脉冲切削力峰值的t_c/T，且随着切削速度增加，有效切削时间t_c变长，平均切削力F_c也逐渐增大。当切削速度接近临界切削速度(即t_c/T≈1)时，F_c=F_c (此时即为普通切削状态)。由图可见切削力随转速增大而逐渐增大的变化趋势：当转速为60r/min 时，振动切削的切削力只有普通切削时的1/3；随着转速增大，有效切削时间随之增加，当转速增大到180r/min时，振动切削的平均切削力增大到普通切削时的1/2左右；当转速接近临界转速时，振动切削即转化为普通切削。由此可知，试验结果与理论分析基本吻合。

   表2 切削力Fc与进给量f的关系 进给量f(mm/r) 0.08 0.12 0.20 振动切削力Fc(N) 13.00 22.40 52.40 普通切削力Fc(N) 35.37 45.98 65.87

   图3 进给量与切削力的关系

2. 进给量对切削力的影响
   1. 试验与测量
      为研究进给量的变化对超声振动切削力的影响，在切削试验中，保持机床转速n=90r/min、切深a_p=0.3mm不变，仅改变进给量f，分别测量进给量f=0.08mm、0.12mm、0.20mm 时超声振动切削和普通切削的切削力F_c，试验结果见表2。
   2. 结果与分析
      试验获得的进给量与切削力的关系如图3所示。由图可见，随着进给量的增大，切削抗力增大，普通切削力和振动切削力均随之增大，但振动切削力增大速度更快，其原因是随着进给量及进给抗力的增大，振动切削的振幅减小，导致切削力增大较快。由于振动切削时较大的进给量可能引起刀架的低频振动，因此本试验中选用的进给量较小，以保证加工精度和加工表面质量。

   表3 切削力Fc与切深ap的关系 切深ap(mm) 0.1 0.3 0.5 振动切削力Fc(N) 3.60 14.80 39.72 普通切削力Fc(N) 15.30 45.50 64.50

   图4 切削深度与切削力的关系

3. 切削深度对切削力的影响
   1. 试验与测量
      为研究切削深度的变化对超声振动切削力的影响，在切削试验中，保持机床转速n=90r/min、进给量f=0.08mm/r 不变，仅改变切深a_p。分别测量切深a_p=0.1mm、0.3mm、0.5mm 时超声振动切削和普通切削的切削力F_c，试验结果见表3。
   2. 结果与分析
      试验获得的切削深度与切削力的关系如图4所示。由图可见，切削力对切削深度的变化相当敏感。当切深a_p<0.3mm 时，振动切削力仅为普通切削力的1/3；当切深达到0.5mm 时，振动切削力和普通切削力逐渐接近，表明随着切深的增加，刀具单位面积上的切削负荷增大，刀具振幅减小，振动切削的脉冲切削效应减弱，使振动切削时的平均切削力增大。

1. 与普通车削相比，超声振动车削的平均主切削力F_c明显减小。在较小切削用量下，F_c的减小尤为显著。
2. 在超声振动车削条件下，随着切削用量的加大，切削力稳定增加。超声振动车削的切削力—切削速度特性与普通切削时因积屑瘤影响而表现出的切削力—切削速度特性有明显区别。显微观察表明，在相应的的切削速度范围内，超声振动车削不会产生积屑瘤。
3. 当切削速度v大于临界切削速度时，超声振动车削仍具有上述特点；当v增大到一定值后，切削力的增加趋于平缓。

4 振动切削时切削力与切削参数的多因素正交试验与分析

表4 试验因素水平表

试验因素	转速(m/min)	进给量(mm/r)	切深(mm)
水平1	4.24	0.08	0.10
水平2	8.48	0.10	0.30
水平3	12.72	0.15	0.50

1. 多因素正交试验方案
   对SiC_p/Al金属基复合材料进行超声振动车削的切削力正交试验，通过回归正交分析，讨论切削力与各切削参数之间的关系，并选择最合适的振动切削参数。转速、进给量和切深是车削过程中最重要且基本独立的三个参数，因此选择上述三个参数作为正交试验因素。采用L₉(2³)正交表作三因素、三水平的正交试验(不考虑交互作用)，建立表4所示试验因素水平表。
2. 试验结果与分析
   根据表4所列切削条件，采用L₉(2³)正交表，可得表5所示切削力试验数据。
   

   表5 切削力试验数据

   试验序号	转速 (m/min)	进给量 (mm/r)	切深 (mm)	径向切削力 (N)	主切削力 (N)
   1	4.24	0.08	0.10	4.18	2.58
   2	4.24	0.10	0.30	10.30	7.03
   3	4.24	0.15	0.50	24.30	36.14
   4	8.48	0.08	0.30	13.76	8.14
   5	8.48	0.10	0.50	23.00	30.00
   6	8.48	0.15	0.10	10.18	3.12
   7	12.72	0.08	0.50	27.47	33.30
   8	12.72	0.10	0.10	6.29	4.00
   9	12.72	0.15	0.30	10.56	8.00

   对表5 数据进行正交回归分析，可得回归系数B、检验参数t和检验值F为
   
   回归方程为
   F=10^1.79v^0.14f^0.12a_p^1.35=61.69v^0.14f^0.12a_p^1.35
   采用F检验法检验回归方程效果，因为F=11.77>F_0.05(3，5)=5.41，所以该回归方程相当显著。回归方程中的各个自变量则采用t 检验，因为t3>1，所以切深对于切削力是不可忽略因素。由回归方程的指数可知，f、v、a_p对切削力的影响是递增的。由切削力与各因素的关系可知：切削力与切深基本成正比，这与普通切削规律相似；进给量对切削力也产生正影响，但对切削力的影响程度不如切深；切削速度对切削力的影响程度大于进给量，这是因为振动切削时，随着切削速度的增大，振动周期内刀具的有效切削时间增加，从而导致切削力增大。

5 结论

1. 与普通车削相比，在较小切削用量下，超声振动车削具有平均主切削力较小的显著优势。
2. 采用超声振动车削时，在兼顾加工效率的前提下，应适当选取较小的切削速度，以有效减小切削力，从而减少工艺系统的变形，在加工薄壁件、细长轴等刚性较差零件时可获得满意的加工精度。
3. 由切深a_p的指数特点可知，要减小切削力，必须使a_p<1mm，由此也可说明超声振动车削特别适合精密和超精密加工。