毕业设计（论文）-超声振动条件下振动频率对车刀受力状况的影响.doc

毕业设计超声振动条件下振动频率对车刀受力状况影响学生姓名： 刘志冬 学号： 112018231系 部： 机械工程系 专 业： 材料成型及控制工程 指导教师： 梁红玉 二零一五 年 六 月诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 超声振动条件下振动频率对车刀受力状况影响 系部： 机械工程系 专业： 材料成型及控制工程 学号： 112018231 学生： 刘志冬 指导教师（含职称）： 梁红玉（教授） 1课题意义及目标 通过本次毕业计，了解超声振动特点；建立超声振动数学模型，学习有限元分析软件；分析振动频率对车刀基体及涂层受力状况的影响规律，并实验验证；分析车刀涂层磨损及剥落的机理，为车刀涂层设计提供理论指导。 2主要任务 1）建立超声振动数学模型（振动频率、振幅、外加载荷与受力状况之间的关系）。 2）应用有限元法分析振动频率对车刀受力状况的影响规律。 3）实验验证车刀涂层磨损及剥落与振动频率之间的关系。 4）撰写毕业论文。结构完整，层次分明，语言顺畅；格式符合机械工程系学位论 文格式的统一要求。 3主要参考资料 1 曹凤国.超声加工技术M.北京: 化学工业出版社, 2005:114- 115 2 张云电. 超声加工及其应用 M. 北京: 国防工业出版社1995: 139- 140 3 陈斌, 徐可伟, 朱训生.超声振动切削薄壁镜筒零件的研究J. 机械工程师， 2001, (1): 40- 42 4 王红飞.超声振动车削加工的研究现状及发展J.机械设计与制造，2007（10）： 216-218 5 段忠福.超声波振动辅助车削加工机理分析D.上海：上海交通大学，2010 6 Ming Zhou,X.J.Wang,B.K.A.Ngoi,J.G.K.Gan Brittle-ductile transition in the diamond cutting of glasses with the aid of ultrasonic vibration J. Materials Processing Technology 2000,121:243-25 7 X.Wang, M.Zhou, J.G.K.Gan, B.Ngoi Theoretical and Experimental Studies of Ultraprecision Machining of Brittle Materials with Ultrasonic Vibration J. Advanced Manufacturing Technology 2002,20:99- 102 8 Chol K.S, John S.T. Diamond Turning: Optimum Machining of Optical Crystals. Mechanical Engineering. 1991,(4):68-724进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1广泛阅读相关文献，制定研究方案3月03日3月23日2建立超声振动数学模型3月24日4月13日3完成有限元分析，中期检查4月14日5月04日4实验验证有限元分析结果5月05日6月01日5完成毕业论文及答辩工作6月02日6月22日审核人： 年 月 日超声振动条件下振动频率对车刀受力状况影响的研究摘 要：超声波振动切削是一种新型的特种切削加工方法，是一种复合工艺，超声波振动在一定条件下能够有效地解决精密切削加工的问题，但是目前对其机理的研究大都根据各自的试验表象以及所得到的工艺效果分析而得。本文章通过建立了振动切削中切削力的数学模型，研究振动频率对切削力的影响规律，同时，还研究了在不同的振动切削条件下，切削力随切削参数变化的变化规律。除此以外，运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,建立了涂层车刀的三维模型，在该模型的刀尖上施加前面从理论上得出振动频率对切削力的影响规律的变化曲线，从而模拟仿真出了涂层车刀的内部应力情况。根据涂层车刀的内部应力，提出车刀涂层磨损及剥落的机理，为车刀涂层设计提供理论指导，从而能更好的提高车刀寿命。关键词：超声振动切削；涂层车刀；振动频率；切削力；仿真分析Study of the Effect of Vibration Frequency on the Stress State of Toolunder the condition of Ultrasonic Vibration Abstract：Ultrasonic vibration cutting is a new-type non-tradition machining , a multiple machining. It can resolve precision machining problem effectively under certain condition. But research on cutting mechanism is not mature, study some processing affects from the test representation, mostly. Mathematical model of cutting force in vibration cutting is established in this paper. By the mathematical model , the frequency of the influence law of cutting force is showed. And the relationship between cutting parameters and cutting force is probed into on the different cutting conditions. In addition, a 3D model of coated cutting is established by using the finite element software of ANSYS/LS-DYNA . The internal stress of tool coating is simulated by applying the vibration frequency of the influence law of cutting force curve concluded in front on the tip of the model. The mechanism of cutting tool wear and spalling is put forward in according to the internal stress of tool coating. The results of this study provide the cutting tool coating desigh with theoretical guidance, thus improve the life of tool.Keywords: ultrasonic vibration cutting; tool coating; vibration frequency; cutting force; the simulation analysis 目录1 前言1 1.1 课题背景及研究的目的和意义1 1.2 超声振动切削简介2 1.3 涂层车刀简介3 1.4 国内外超声振动条件下振动频率对车刀受力状况的研究现状3 1.4.1 超声振动切削理论的研究3 1.4.2 超声振动切削刀具磨损研究6 1.5 本课题的主要研究内容62 振动频率对切削力影响的理论研究8 2.1 引言8 2.2 超声振动切削的基本运动分析8 2.3 振动参数对切削力影响的理论分析9 2.4 频率对切削力的计算模型12 2.5 本章小结143 超声振动切削的有限元仿真模拟14 3.1 引言14 3.2 ANSYS简介14 3.3 ANSYS模拟仿真15 3.3.1 定义参数15 3.3.2 创建几何模型17 3.3.3 划分网格18 3.3.4 加载数据19 3.3.5 求解20 3.3.6 结果分析20 3.4 本章小结224 振动及实验研究切削系统的建立及试验研究23 4.1 引言23 4.2 试验机机构介绍23 4.2.1 振动切削机床的选择23 4.2.2 车刀的选择25 4.2.3 工件的选择26 4.3 车床的工作条件27 4.4 实验步骤27 4.4.1 焊接车刀切削27 4.4.2 涂层车刀切削27 4.4.3 实验结果27 4.4.4 主轴转速对车刀的磨损状况的影响29 4.5 本章小结295 结论31参考文献32致 谢34III 太原工业学院毕业设计121 前言1.1 课题背景及研究的目的和意义工业用陶瓷、光学玻璃、金刚石、硬质合金等高性能材料具备耐腐烛、抗氧化等优良的物理、化学特性,在航空、航天、军工、电子、汽车和生物工程等应用领域有着诸多潜在的实用价值。但是这些硬脆材料强度较高,采用传统机械加工方法效率低、加工性能差,而且精度低,从而限制了硬脆材料的应用范围,在这种工业生产背景下,超声加工技术应运而生。超声技术是以经典声学理论为基础,综合机械振动学、电学和材料学等学科知识发展起来的一门技术,其应用方向主要有功率超声和检测超声两大领域。其中,功率超声根据加工工艺特性的不同,分为超声磨料加工和超声复合加工。旋转超声加工是将传统超声加工技术与磨粒磨削加工技术有机结合在一起的复合加工,是加工各类硬脆材料的一种高效方法。自1940年在工业文献上首次出现超声加工(USM)工艺技术描述以来,超声加工技术在超声振动系统、拉丝模及型腔模具研磨抛光、深小孔加工等领域发展迅速,并且在难加工材料工艺方面取得关键性的突破目前,采用纵向振动方式的超声振动系统应用较为普遍,随着超声加工技术的发展,“纵-弯”型、“扭转”型、“纵-扭”型等新型超声振动系统也应运而生,逐步应用于超声加工设备中。在工业发展中显得更加重要。45钢是经常被使用的一种材料，因为他有着较好的力学性能，被广泛用于机械、医疗和生活等各个领域，同时良好的切削加工性能使它通常在退火或正火状态下使用，它具有高的强度和塑性，经调制处理后，其韧性得到较强提升。超声振动系统是功率超声加工设备的核心,其设计优劣直接影响超声加工性能。当前超声振动系统的设计方法利用仿真软件对振动系统及超声加工过程进行仿真分析的研究还较少。利用计算机仿真技术对系统的动态工作特性进行研究,可在设计阶段分析其运行结果,通过不断修改仿真参数,实现超声振动系统的结构优化。国内的计算机仿真研宄起步较晚,本文通过对旋转超声振动系统进行基础理论分析,然后借助ANSYS软件进行建模与仿真分析,得到可视化的测试结果,这对超声振动系统的优化设计研究提供了理论与现实依据。伴随着科学技术的快速发展，刀具表面涂层技术受到大众的广泛应用，因为该项技术可以使切削刀具获得良好的综合机械性能，并具有更好的切削效果，从而大幅度提高刀具使用寿命，因此该项技术已成为满足现代机械加工高效率、高精度、高可靠性要求的关键技术之一，然而，征对于车刀涂层的方法还没有一定的理论指导。通过本次毕业设计，了解超声振动特点；建立超声振动数学模型，学习有限元分析软件；分析振动频率对车刀基体及涂层受力状况的影响规律，并实验验证；分析车刀涂层磨损及剥落的机理，为车刀涂层设计提供理论指导，从而能更好的提高车刀寿命。1.2 超声振动切削简介超声振动切削，是使刀具以20-50KHz的频率、沿切削方向高速振动的一种特种切削技术。超声振动切削从微观上看是一种脉冲切削。在一个振动周期中，刀具的有效切削时间很短，大于80%时间的里刀具与工件、切屑完全分离。刀具与工件、切屑断续接触，这就使得刀具所受到的摩擦变小，所产生的热量大大减少，切削力显著下降，避免了普通切削时的让刀现象，并且不产生积屑瘤。利用这种振动切削，在普通机床上就可以进行精密加工，圆度、圆柱度、平面度、平行度、直线度等形位公差取主要决于机床主轴及导轨精度，最高可达到接近零误差，使以车代磨、以钻代铰、以铣代磨成为可能。与高速硬切削相比，不需要高的机床刚性，并且不破坏工件表面金相组织。在曲线轮廓零件的精加工中，可以借助数控车床、加工中心等进行仿形加工，可以节约高昂的数控磨床购置费用。超声振动优点：1.切削力小，约为普通刀具切削力的 1/3-1/10。 2.加工精度高，主要取决于所用机床精度，所加工工件形位公差几乎可接近机床相关精度。3.切削温度低，工件保持室温状态。4.不产生积屑瘤，工件变形小，没有毛刺。5.切削表面粗糙度低，可接近理论粗糙度值，最高可达Ra0.2以下。6.被加工零件的刚性化，即与普通切削相比，相当于工件刚性提高。7.加工过程稳定，能有效消除颤振。8.切削液的冷却、润滑作用提高。9.刀具耐用度呈几倍到几十倍提高。10.被加工表面呈压应力状态，零件疲劳强度、耐磨性、耐腐蚀性提高。11.切削后的工件表面呈彩虹效果。1.3 涂层车刀简介随着科学技术的快速发展，为了提高车刀的寿命，提高切削速度，提高加工精度，降低刀具消耗费用，而在车刀表面涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物而得到的。该涂层作为一个热障碍和化学保护膜，很好的降低了刀具和工件间的摩擦和化学反应，从而减少了刀具的磨损。涂层刀具具有表面硬度高，耐磨性好等有良好的性能，比无涂层刀具的寿命高3-4倍，切削速度快1-2倍，加工精度高0.5-1级，刀具消耗费用减少了20%-50%。车刀的涂层是根据工件的材质选用的，涂层车刀一般吃刀量不会太大，但适合中转速，快走刀。1.4 国内外超声振动条件下振动频率对车刀受力状况的研究现状超声加工技术始于1927年，经过几十年发展，国内外对于超生加工技术进行了广泛的研究与开发，目前超生振动装置的设计与制造、刀具材料的选择、加工工艺改进均取得很大进步，解决了许多难加工材料关键性的技术问题，如对玻璃、陶瓷、石英、金刚石及磁性材料等的加工，都取得了良好加工效果。在美、日、英、西德等工业发达国家，超生振切的研究、应用受到重视并已经在实际生产中得到应用。 1.4.1 超声振动切削理论的研究 普通切削中，切削是靠刀具与工件的相对运动来完成的，切削和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。在这种普通切削中，由于刀刃与被切物接触处局部压力很大，从而使被切物分离，刀面则在切削的同时撑挤被切物，促进这种分离。在普通切削中，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，将不可避免产生较大的切削力，较高的切削温度，使刀具磨损和产生切削振动等有害现象。而振动切削是通过在切削刀具上施加某种有规律的、可控制的振动，使切削速度、切削速度发生周期性的改变，从而得到特殊的切削效果的方法。振动切削改变了刀具和被加工材料之间的空间与时间的存在条件，改变了切削加工机理，达到减小切削力、切削热，提高加工质量和效率的目的。振动切削按所加频率不同可分为高频振动和低频振动；低频振动仅仅从量上改变切屑和形成条件，主要用来解决断屑问题以及与此相关的一系列问题；而超声振动即高频振动切削已经使切屑形成机理产生重大变化，可以提高被加工材料的可加工性，提高刀具寿命和加工质量。超生加工的工艺效果来自刀具和工件之间的分离运动，即它是一种脉冲式的断续切削过程。超声振动切削使切削形成机理产生重大的变化，它对切削过程影响有以下几方面：1）周期性地改变了实际切削速度的大小和方向；2）周期性地改变了刀具运动角度，包括前角、后角、刃倾角等；3）周期性地改变被切金属层的厚度；4）改变了所加载荷的性质，使刀具由静载荷变为动载荷；5）改变了已加工表面的形成条件，从而改善了表面质量，提高了加工精度；6）改善了切削液到达切削区的条件；7）改变了刀具工作表面的接触条件，减小了切削形成区的变形，降低了切削力；8）改变了工艺系统的动态稳定性，从而得到振动切削特有的消振效果；9）改变了切削过程中消耗的功率N，使能量分布发生了变化：N总=N机床+N振动，由于机床功率N在振切中大大减小，所以总的功率N也会相应减小。从对超声振动加工技术研究的深度、广度、实际应用效果来看，日本处于国际领先地位。20世纪60年代，作为研究超声振动切削理论与应用技术的奠基人隈部淳一郎先生，首先提出了系统的振切理论并在超声振动切削技术方面完成了大量的开创性工作。他认为对刀具施加强制性的有规律的稳定的超声振动，减弱消除了刀具不稳显著减少了机床系统的随机振动对切削的影响定区域，降低了平均切削力，改善了切削质量，同时，由于周期性的振动过程降低了切削温度，改善了刀具工作环境，可提高刀具寿命，还能抑制积屑瘤，进一步改善切削质量。1977年，日本对振动切削与振动磨削方面的研究已相当深入且已应用于生产。在美国，对振动切削的研究开始于60年代，到70年代中期，美国在超声振动光整加工、磨削、钻中心孔等方面已处于生产应用阶段，振动车、钻、镗等切削加工已处于试验性生产设备阶段，振动铣削、拉削也已实验成功。超生振动系统已能供应生产上应用，而且部分也已标准化。德国和英国也对超声加工机理和工业应用进行了大量的研究工作，并有许多有价值的文章发表，生产中也得到了积极的应用。我国对超声振切的研究开始较迟，不过近些年来也取得了显著的成绩。比如：吉林工业大学首先揭示出z向分离型超声振切，具有分离、冲击、变速、往复熨压四个运动特性。温任林在研究超声振动切削刀具的振动规律是得出：刀具与切屑的分离作用是振动切削最根本的特点，正是这一特点才使得刀尖每次能以极大的加速度冲击工件进行切削。南京理工大学芮小健等人从切削过程分析入手，研究了振动切削过程中刀具与被切削工件之间的力学作用规律，得出如下结论：（1）刀具以冲击载荷作用于被切材料，其动态应力波作用是是改善切削效果的一个主要因素；（2）振动切削中摩擦力降低是前刀面和剪切面的内摩擦和外摩擦转换所致；（3）振动切削中前刀面正应力减小，对材料破坏的断裂抑制作用减弱，有利于切削；（4）振动切削中，材料破坏过程与普通切削的挤压滑移过程有区别，它由每次冲击都产生微细破坏而完成切削。大连交通大学的杨亮对振动切削中振幅对切削力影响做了理论与实验研究。哈尔滨工业大学的卢泽生等人对振动切削中频率对切削力的影响规律做了研究与仿真。东南大学汤铭权等人从湿式超声振动切削中对润滑液作用的研究得出，刀具的冲击作用使切屑形成以后在刀具和切屑分离时间内还存在一定弦振动，加上刀具本身的振动作用，加强了切削液的动态润湿作用。清华大学的王先逵教授在1986年开始研究了硬脆材料的超声砂带磨削技术，获得了高效超镜面加工效果。杭州电子工学院的张云电教授成功利用超声车削技术加工变截面细长杆，被各专家认为是国际首创，居国际领先水平。吉林大学的张雷在1996年研究了超声波振动车削产生超越性加工现象。目前国外通过三维有限元建模和试验对加工效果有了很深入的研究。包括由切削参数（切削速度，切削深度等），超声参数（振动频率，振幅等）对加工效果产生的影响的研究，对切削力，切削功率粗糙度及同轴度的影响因素，以及对不同材料的切削进行了广泛的研究。近些年，超声波振动切削得到了一些新的发展，出现了超声波椭圆切削技术。但由于其增加了超声振动源，超声波装置更加复杂，而且人们对振动切削微观机理尚认识不足，至今还没有成熟的理论，其切削机理仍需进一步研究发展，认识其实质，促进超声振动切削技术的发展。 1.4.2 超声振动切削刀具磨损研究 超声振动切削技术是近代发展起来的一种特殊加工方法，是在普通切削基础上给刀具或工件沿切削方向附件一个固定频率的超声振动，该方法在加工硬脆材料方面有独特的优越性。主要体现在：超生振动切削可减少切屑变形区的塑性变形和摩擦，减小切削力，降低切削温度，显著提高刀具寿命；可以减小甚至消除机床的自身振动，加工质量好，精度高，工件表面粗糙度值小圆度好；减少工件上积屑瘤的生成，提供共件加工表面质量。在硬态车削磨损方面，大量文献资料研究表明，尽管在硬态车削时，关于刀具磨损机制有很多不同的理论，但是存在一个基本一致的看法，即刀具磨损是由不同的磨损机制结合引起的，它通常包括磨粒磨损、粘着磨损、扩散磨损以及化学磨损。在超声振动车削刀具磨损方面，国内外也都有很多研究，并取得不错的进展。河南理工大学的焦峰、赵亮等人对超生振动切削的刀具磨损机理及其对工件表面粗糙度影响做了研究；东南大学的毛善锋、汤铭权等人对超生振动切削时硬质合金刀具磨损机理做了研究；佛山大学的阮世勋、余歆尤对超声振动切削加工面和刀具磨损面做了SEM分析，得出耐冲击是刀具必须考虑的首选特征；王立江、孙凤池等进行了硬质合金车刀超声波振动车削与普通车削耐用度的对比试验研究，多因素试验研究结果表明，对超生波振动硬质合金车刀耐用度影响显著的因素为切削速度V、刀具材料、刀尖振幅A和切削液。程雪丽等人在超声振动切削SiCp/Al复合材料的试验中发现，刀具磨损主要包括前、后刀面的磨料磨损和粘结磨损，但都比普通切削小很多，超声振动切削中的刀具磨损均匀性也要优于普通切削，这些研究对延长刀具寿命非常重要。1.5 本课题的主要研究内容 超声振动切削可以解决普通切削加工中某些固有的难题。基于超声振动切削的机理，本文拟开展如下研究工作：1.对超生振动切削技术进行了国内外文献检索与调研，了解该技术的研究发展概况；2.应用有限元分析软件分析超声切削加工中切削力的变化规律，并分析外加载荷对车刀能量分布及磨损状况的影响规律 ；3.基于超声振动切削车刀磨损的机理，实验验证车刀涂层磨损及剥落与振动频率之间的关系。2 振动频率对切削力影响的理论研究2.1 引言 超声振动切削是近代出现的一种精密切削加工方法，相比于普通切削其具有十分明显的优越性。它是在切削刀具上施加频率较高的高频振动，在一个振动周期中，刀具的有效切削时间很小，大于 80%时间的里刀具与工件、切屑完全分离，所以与普通切削相比有着很大的不同，存在着很大的差异。由于刀具与工件、切屑断续接触，这就使得刀切削过程中所受到的摩擦变小，由于摩擦产生的热量也就大大减少；由于切削时间短，所以平均切削力也显著下降，避免了普通切削时的让刀现象，并且振动切削不产生积屑瘤，具有切削力小、加工精度高、表面质量好、刀具寿命好等优点。切削过程中切削力的变化受振动参数如振动频率、振动振幅，外加载荷的影响而发生变化较大的变化，从而影响了刀具的受力状况，改变了刀具的寿命，因此非常有必要进行深入的研究。2.2 超声振动切削的基本运动分析在超声波振动切削过程中，刀具在切削速度方向以超声频振动，改变刀具前刀面与切屑之间的相对运动。设振动过程中，刀具在切削速度方向的位移为： (如图 2.1a) （2.1）式中 刀具振动的角频率，rad/s， a 刀具的振幅， m f 刀具振动的频率，Hz t 时间，s 由式(2.1)可知，刀具的振动速度为：(如图 2.1b)(2.2)刀具的振动加速度为： (2.3) 图2.1 振动切削基本运动分析图 在 时刻，刀具振动速度 与切削速度 数值相等方向相同，这时刀具工件开始脱离(图中 A 点)，工件继续以切削速度 推进，到 时刻工件位置坐标与刀刃位置相等，刀具和工件开始接触进入切削过程(图中 B 点)，到 时刻刀具振动速度又与工件速度相同，刀具又脱离，如此此反复循环进行，这就是超声波振动切削过程。2.3 振动参数对切削力影响的理论分析由上一节的基本运动分析可知，振动切削是一个断续切削的过程，下面单独分析刀具在一个振动周期内切削时间段内切削区的受力情况，如图 2.2所示。图中工件向下运动，刀具在切削速度方向(y 方向)振动。下面考察切削中的切削力，首先吃刀方向及主切削力方向的切削力(图中 x 向)，根据切削理论可知：(2.4) (2.5)式中 剪切面内的剪切应力； 摩擦角； w 切削宽度； 剪切角； 背吃刀量。 通常，有如下关系：2 + = K (2.6)K 是一个与切削条件有关的常数，对于塑性材料来讲，一般 K =/2平均摩擦系数的关系为： = tan (2.7)其中，摩擦系数 是与切屑相对于刀具的速度有关的，通常情况下可用下面的关系式表示: (2.8)这里d 和q ( q 0)常数，虽然一般认为，在切削过程中的d 和q 的值会随着背吃刀量和前角 的变化而发生很微小的变化，但是通常，可以认为d 和q 是固定的常数。工件相对于刀具的速度可以用下面的表达式表示： (2.9)式中的为 y 方向的单位向量，、 v分别为切削速度和刀具的速度。切屑相对于刀具的速度表示为。根据切削过程中发生的塑性变形的不可压缩性，在垂直于直线 AB 的方向 n 上的速度是连续的，n为 AB 的单位法向量。因此有：图2.2 切削区相对运动分析图 (2.10)将上式在 n 上投影可得，(2.11)这里(2.12)由式(2.6)、式(2.7)、式(2.8)可得 (2.13)同时可得到一个周期内切削时间段的切削力：(2.14)(2.15)2.4 频率对切削力的计算模型 频率作为振动切削中的一个重要参数，它的变化对切削力产生什么样的影响，很少有人研究。况且，纵观国内外生产的超声波发生设备，其频率几乎都是固定不变的，而可调式超声波发生器在设计上是复杂的，如果想利用试验来研究频率对振动切削特性的影响，在实验设备的设计制造上存在着极大的困难。利用数值方法进行仿真研究，无疑是更好的选择。同样，取频率影响最大的情况下的速度值作为刀具速度的取值，即刀具过平衡位置的速度，同时，由式(2.6)、(2.7)、(2.8)和(2.11)，则有 (2.16)式(2.16)反映的是剪切角与频率的关系，就是说剪切角 是关于频率 f 的函数，不妨记作： (2.17) 同时，根据第一节的分析可知， 时刻刀具与工件发生分离， 时刻刀具与工件再次发生接触，则刀具在一个周期中的切削时间为 , 它们之间的关系如下式： （2.18） 其中T为刀具的振动周期，又知时刻刀具的速度与切削速度相等： (2.19)同时，时刻工件位置坐标与到刀刃位置相等，有 (2.20)可以看出（2.20）式是关于的函数，可以记为： （2.21）所以，根据功率恒定原理，振动切削过程的平均切削力为 (2.22) (2.23) 将（2.13），（2.14），（2.17），（2.18），（2.19），（2.21）代入式（2.22），（2.23），可得最终的振动切削力公式: 可以看出以上两个式子为平均切削力关于频率的函数。给定相关的参数，利用数值模拟的方法，可以实现对频率影响精密振动切削的平均切削力的研究。2.5 本章小结 本章主要是对超声振动切削机理进行理论分析，通过建立数学模型，完全应用数学知识和公式进行推导，由公式得出随着频率的增大，平均切削力逐渐减少，但是变小的速度降低，到达一定值以后，尽管增大频率，切削力几乎不发生变化。3 超声振动切削的有限元仿真模拟3.1 引言有限元法即有限单元法，基本思想是将物体（即连续的求解域）离散成有限个单元，用这些单元的集合来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度的问题简化为离散的有限自由度问题。有限元法的特点如下：（1）能够适应各种几何构型，不论是复杂还是简单的；（2）能够适应各种物理问题，如线弹性问题、弹塑性问题、动力问题等；（3）计算是在严格的理论基础上进行的，可靠性好；（4）利用计算机计算，高效。随着高速计算机的发展，有限元的应用正在以十分惊人的速度发展，40 多年来，有限元的应用已由弹性力学二维平面问题扩展到三维空间问题、板壳问题；由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题；分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等；从固体力学扩展到流体力学、传热学等；分析问题的类型也越来越广，课分析线性问题也可分析非线性问题。3.2 ANSYS简介 ANSYS公司成立于1970年，是目前世界上CAE行业中最大的公司之一。ANSYS是当前使用最广泛，功能最强大的有限元分析软件。ANSYS/LS-DYNA作为世界上最著名的通用显示非线性动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂几何非线性，材料非线性和接触非线性问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及流固耦合问题。 一个典型的ANSYS分析过程可分为以下六个步骤： ANSYS分析过程 定义参数 创建几何模型 划分网格 加载数据 求解 结果分析3.3 ANSYS模拟仿真3.3.1 定义参数在建设模型和网格划分之前，需要做一些准备工作，包括指定工程名，更改工作目录、设定分析标题、定义单位、定义单位、定义单元类型、定义单元实常数和定义材料参数等。本步主要是对这些前期工作进行相关操作。1.设计工作文件名（1）启动ANSYS,选择“File”“Change Jobname”命令，弹出“Change Jobname”对话框。（2）在“Enter new jobname”文本框中输入“Body”，同时把“New log and error files”中的复选框为“Yes”，并单击“OK”按钮。2.更改工作目录选择“File”“Change Directory”命令，弹出对话框，选择工程问题分析需储存的工作目录路径，单击“OK”按钮即可以进入新的工作目录路径。3.设定分析标题（1）选择“File”“Change Title”菜单命令，弹出“Change Title”对话框。 （2）在“Enter new title”文本框中输入“3D Body Stress Bracket”，并单击“OK”按钮。4.定义单位 ANSYS软件没有为系统指定唯一的单位。除了磁场分析外，可以在工程分析中使用任意一种单位制，只要用户在使用中要注意保证所有数据使用同一单位制就可以了。操作方法:在ANSYS主界面的输入窗口输入“/UNIT,SI”,回车即可。5.定义单元类型 （1）选择“Main Menu”“Preprocessor”“Element Type”“Add/Edit/Delete”命令,弹出“Element Types”对话框。（2）单击“Element Types”对话框中的“Add”按钮，弹出“Library of Element Type”对话框。（3）选择左侧文本框中的“Structural Solid”选项，然后选择右侧文本框中的“Quad 8 node 183”选项，单击“OK”按钮。（4）回到“Element Types”对话框。（5）单击“Element Types”对话框上面的“Options”按钮，弹出“PLANE183 element types”对话框。 （6）在“Element behavior”的下拉列表中选择“Plane strs w/thk”选项，并单击“OK”按钮。（7）再次回到“Element Types”对话框，单击“Close”按钮结束即可。6.定义单元实常数（1）在ANSYS程序主要界面中选择“Main Menu”“Preprocessor”“ Real Constants”“Add/Edit/Delete”命令，弹出“Real Constant”对话框。（2）单击“Real Constants”对话框“Add”按钮，进入下一个“Choose Elemet Type”对话框，选择“PLANE 183”单元，然后单击“OK”按钮。（3）回到“Real Constants”对话框，单击“Close”按钮。7.定义材料参数（1）在ANSYS程序主界面，选择“Main Menu”“ Preprocesso”“Material Props”“Material Models”命令，弹出“Define Material Model Behavior”对话框。（2）选择对话框右侧的“Structural”“Linear”“Elastic”“Isotropic”命令，双击“Isotropic”选项，弹出“Linear Isotropi Properties For Materia Number 1”对话框。 （3）在“EX”文本框中输入弹性模量“550000”，在“PRXY”文本框中输入泊松比“0.3”，然后单击“OK”按钮。 （4）回到“Define Material Model Behavior”对话框后，直接关闭对话框。至此，材料参数设置完毕。3.3.2 创建几何模型 图3.1 涂层刀具真实刀具的参数如图3.1所示，其中L=16.5mm，1.C=9.525mm, S=4.76mm, d=3.81mm,r=0.4mm. 建好的模型如图3.2 如图3.2 刀具模型3.3.3 划分网格 网格划分即是将几何模型离散化的过程，划分完后就生成了有限元模型，后续计算也就可以进行了，网格的质量直接影响计算过程和结果，因此网格划分必须考虑计算时间、成本以及要求的精度，选择合理的划分方法。使用复合材料需要注意在材料分层方向上只能划分为一格，同时划分网格前设定各层材料类型。网格划分结果如图3.3：图3.33.3.4 加载数据 用ANSYS软件模拟超声振动切削时，给车刀外加一载荷，分析车刀的能量分布。切削过程中刀具刀尖受力情况最恶劣，所以将载荷作为集中载荷施加到刀尖上分析。施加载荷以后在Solution模块里面进行瞬态分析的求解控制，然后点击Solve进行求解。简化超声振动切削的模拟方法，在车刀刀尖上加载一如下图（3.3）所示的随时间变化的动态载荷，从而模拟振动切削时车刀的受力情况，再在车刀上外加一组静载荷，假设加的静载荷为30N，然后后处理分析车刀的能量分布。由重庆理工大学的张兴红等人对超声车削瞬时切削力的仿真研究结论，超声振动切削时，车刀的瞬时切削力变化如下图（3.3）所示： 图3.4因为超声振动切削频率f为20KHz，由f=1/T得周期时间T为即50us，刀具与车刀的切削接触时间设为10us，然后加载求解。3.3.5 求解设置时间为600s。3.3.6 结果分析 图3.5（a） t=0.25us时刀具的应力分布情况图3.5（b） t=0.5us时刀具的应力分布情况 图3.5（c） t=0.75us时刀具的应力分布情况 由图3.5中的图可以知道，在刀尖处车刀的应力最大，在此处的涂层最容易剥落。经分析可知，刀具在周期载荷作用下的平均应力远小于静载荷作用下的情况。刀具涂层和基体结合处的应力最大，载荷频率减少，刀具所受应力变化情况不变，应力值减小。3.4 本章小结 本章主要是利用有限元仿真方法，对车刀施加一个周期的切削力，然后对超声振动切削一个刀具振动周期的切削应力变化进行仿真，得出了刀尖前相应点的应力变化情况，在一定情况下证明了前面理论分析的正确性。 4 振动及实验研究切削系统的建立及试验研究4.1 引言 经过第二，三章的理论研究，有了一定的理论结果，但是理论结果还需要实验的验证。本章主要是借助普通车床，经过稍微的改动来进行超声振动实验研究。超声波振动切削系统主要包括两个部分：切削机床和超声振动发生装置。本实验通过改变车床主轴转速，进给量和车刀向前运动速度三个变量，然后观察车刀的磨损情况，简介的对实验理论进行验证。4.2 试验机机构介绍4.2.1 振动切削机床的选择 超声车削属于精密加工，选用精密机床切削效果会更理想。但是精密比较低的车床经过适当的调整也是可以使用的。该实验选用CA6140普通车床。CA6140卧式车床外形图1-床腿；2-进给箱；3-主轴箱；4-床鞍；5-中滑板；6-刀架；7-回转盘；8-小滑板；9-尾座；10-床身；11-床腿；12-光杠；13-丝杠；14-溜板箱 CA6140普通车床属于通用机床，是升降台型卧式铣床，ca6140主要用于单件小批生产和工具修理，也可用于成批生产中，是四川长征机床厂的传统产品。该机床基础铸件刚性好，精度保持性好，主轴传动和进给传动均采用18级齿轮变速，具有较宽的变速范围，因而机床具有很宽的加工范围。该铣床可以利用圆柱铣刀、端铣刀、片铣刀、角度铣沟槽刀及成形铣刀加工各种平面等，ca6140若使用万能铣头圆工作台、分度头等附件时，可以扩大机床加工范围；利用插头，还可以完成插削工作。由于ca6140是比较传统的普通车床，自动化程度不高，对于一些复杂型面无法加工，工作效率不高，机床使用时间很长，机床出现老龄化，出现故障的