毕业设计（论文）-超声振动条件下振幅对车刀的能量分布及磨损情况分析.doc

毕 业 设 计超声振动条件下振幅对车刀能量分布及磨损状况分析 学生姓名：李耀东学号: 112011418 系 部： 机械工程系 专 业：机械设计制造及其自动化 指导老师： 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： 超声振动条件下振幅对车刀能量分布及磨损状况分析 系部： 机械工程系 专业： 机械设计制造及其自动化 学号： 112011418 学生： 李耀东 指导教师（含职称）： 梁红玉（教授） 1设计的主要任务及目标1）查阅相关资料文献，了解超声振动特点。2）建立超声振动数学模型，学习有限元分析软件。3）分析振幅对车刀基体及涂层能量分布及磨损状况的影响规律，并实验验证。 通过毕业设计分析车刀涂层磨损及剥落的机理，为车刀涂层设计提供一定的 理论指导。 2设计的基本要求和内容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幅对车刀能量分布及磨损状况的影响规律。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主要参考文献1.段忠福；超声波振动辅助车削系统机理分析；2010年2月2.李旭，刘震；超声加工中振幅衰减的原因分析；中国民航学院学报；20001期3.原丰霞；基于ANSYS的超声变幅杆的优化设计；机械工程师，2004年4、进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1查阅文献，了解研究目的意义，完成开题报告2014.12.01至2014.12.312广泛阅读相关文献，制定研究方案2015.01.01至2015.03.103建立超声振动数学模型2015.03.11至2015.03.304完成有限元分析，中期检查2015.04.01至2015.04.305实验验证有限元分析结果2015.05.01至2015.05.156撰写毕业论文，准备答辩2015.05.16至2015.06.10审核人：_ 年 月 日超声振动条件下振幅对车刀的能量分布及磨损情况分析摘要：随着科学技术以及现代化机械技术的迅猛发展，特种的加工在技术层面上得到了很大的突破，其中发展最为迅猛的当属超声振动加工技术。超声振动加工技术可以提高工件的使用寿命，确保生产和设备正常运转，在很大的程度上降低了工件所需的生产成本，使生产效率在原有的基础上大大得到了提升，让做出的工件更美观，使用价值更高。在当代超声振动技术已经踏入了很多领域，例如国防、科学研究、日常生活等。本文首先叙述了关于超声振动机理的内容，然后详细的说明了超声振动加工系统的运行过程，定义了净切削比，研究了净切削比和振幅、切削力以及切削速度的关系。本文建立了车削加工系统，利用ANSYS软件模拟了切削过程以及模态分析，同时进行了实验验证，对涂层刀具以及原有的车刀进行了车削实验的比较，从而达到实验目的。关键词：超声波；振动车削；净切削比；有限元分析.Ultrasonic vibration amplitude under the condition of energy distribution of cutting tool and wear condition analysisAbstract:With the rapid development of science, technology, modern machinery and technology, special processing at the technical level has been a major breakthrough, which was undoubted the most rapid development of ultrasonic vibration processing technology. Ultrasonic vibration processing technology can improve the life of the workpiece, to ensure normal operation of equipment production and, to a great extent, reduce the production cost of the required parts, so that production efficiency on the basis of the original has been greatly improved, so that made piece is more beautiful, more value. In contemporary ultrasonic vibration technology it has entered a number of areas, such as national defense, scientific research and daily life.This paper describes the details about the mechanism of ultrasonic vibration, and a detailed description of the ultrasonic vibration during operation processing system, the definition of net cutting than to study the amplitude ratio and the net cutting, cutting force and cutting speed relationship. This paper established a turning system, using ANSYS software simulation of the cutting process as well as modal analysis, and experimental verification of coated tools and existing tools were compared with the experiment of turning to achieve the purpose of the experiment.窗体底端窗体底端Keywords：Ultrasonic；Vibration turning；Net cutting time ratio；Finite element analysis.目 录1 绪论11.1 课题背景11.2 国内外研究发展现状21.2.1 超声振动系统31.2.2 超声振动切削理论41.2.3 超声车削加工系统51.3 论文的主要研究内容92 超声振动车削理论102.1 超声波的基本原理和特点102.2 超声加工的基本原理102.2.1 超声振动切削基本原理122.2.2 切削力142.2.3 振幅的影响162.2.4 切削速度的影响182.3 本章小结203 超声振动车削系统建立以及有限元分析213.1 超声振动切削系统213.1.1 换能器213.1.2 变幅杆233.1.3 超声波信号发生器243.1.4 振动切削刀具263.2 振动切削系统的建立以及有限元分析263.2.1 ANSYS软件的简介263.2.2 模态分析过程263.3 本章小结304 切削实验的进行与研究314.1 切削实验314.1.1 实验设备的选择314.1.2 实验过程324.1.3 实验结果324.2 本章小结345 总结与展望355.1 总结355.2 展望35参考文献36致 谢37II太原工业学院毕业设计1 绪论1.1 课题背景超声波技术，简称超声技术，它出现在20世纪初期。在经历了100年的发展之后，超声技术变成了声学中很重要的一个章节，在当代超声振动技术已经踏入了很多领域，例如国防、科学研究、日常生活等。超声技术完成主要分为三个过程，分别为超声波的产生、超声波的传播以及超声波的接收。按超声波辐射大小不同，超声技术的使用可分为两大方面：一是通过超声波的能量来使材料的状态发生变化，这一类叫做功率超声；第二类是利用它收集很多重要的资料，称为检测超声。在超声学中功率超声是其研究的非常重要的一个课题，在这个科学技术发展迅猛的年代，功率超声的应用渗透到了海、陆、空的很多领域。 近年来，航天技术、军用技术、原子能技术以及电子技术等的快速发展，使得产品的材料性能必须朝着更好的方向迈进。其前提条件是材料在温度高、应力大的状态工作，且要求耐腐蚀、耐磨损性能，使用很多非金属材料，以上说的具有高硬度、高强度、低塑性和高脆性、有微观硬质点或夹杂物特点，被称为难加工材料，这些材料在制作工程中使得切削力变大，切削所需的温度变高，刀具的使用寿命变低，加工过的工件表面变得粗糙，切削过程无法正常进行，出现的上述问题会使得加工变慢和工件的表面粗糙度上升。近年来，很多科学人员就利用过超声振动技术来加工上文所说的材料，取得了一定的成绩。研究证明，超声振动切削技术可以克服难加工材料在加工过程中遇到的很多困难，比原有的切削技术有了很大的突破。目前，超声振动切削加工技术的发展遍布很多领域，其包括车削、钻孔和镗孔、冲击加工、磨削、超声波塑性材料制作以及复合材料制作等方面发展，在这方面有了很大的成就。当前超声振动切削还有很多技术问题要去解决, 这些技术问题会阻碍超声切削技术向着更好的方向迈进, 它使得超声切削技术不得不继续进行试验探究，严重阻碍了其应用于实际生产的步伐，是一块让人难以逾越的绊脚石。超声振动切削技术解决了原本的切削加工中固有的问题，例如切削中的工件不稳定和切削时刀具变形等问题，为细长轴及薄壁零件等易变形零件加工、软质、脆硬及低熔点材料加工提供了解决方案。本课题以超声振动切削为中心来研究，借助有限元分析软件，通过对超声车削理论，超声设备和切削试验的研究，完成其在实际的工件加工中的使用，目标是提高工件的加工效率、降低工件加工的表面粗糙度以及降低工件的生产成本。1.2 国内外研究发展现状 在最近的几十年来，人们对超声波技术研究进程一直在大幅度的前进着，其在很多方面已经得到应用，例如工业建设、农业建设、国防建设、电子技术、能源工程、材料工程、生物工程、医学研究和环境保护等行业机构，并且它的发展范围已经遍及到很多新的生产和生活领域，比方说、等。超声振动加工遍及的地方非常广，现在其应用在工业生产中下面几个地方：、和、。超声振动切削在工业加工很多反面都得到应用，例如车、铣、刨、磨等。1.国外进展美、日、苏、法、联邦德国等工业发达国家十分重视超声波振功切削的研究和应用,近几年来取得较大进展.超声波振动切削工艺不仅在拉丝、焊接、钻中心孔和光整加工中得到应用,而且成功的应用于车、刨、钻、镗、磨等工艺中.很多在实验中的系统已经转变到了工业生产中，其在生产中的地位已经得到了很多人的认可。他们在精密加工和难切削材料、难加工工件的加工方面,体现了独到的优越性。在日本，超声波振动切削技术已经被应用于普通设备中,而且也在精密机床、数控机床上得到了应用。2.国内进展当前我国,超声波振动切削的试验研究已从开始的引进阶段到逐步向应用技术性研究过渡,并取得一定成效。例如:25。、2000W各种超声波振动电源设备和切削装置的相继诞生,并在使用中经历了很大的考验;利用超声波振动切削有效地对难加工材料的、和、进行加工;通过硬质合金车刀替代天然金刚石车刀对过共晶高硅铝合金活塞进行超声波振动车削实验从而获得成功；超声振动切削技术已经能加工很多难加工的材料,成熟的超声波振动的很多工艺技术已经可以用于很多工件的加工，等等。1.2.1 超声振动系统超声振动是通过超声发生器将 220V 或 380V 的交流电转换成功率为 300W和频率为15kHz以上的超声频电振荡信号，在将电信号加到换能器上，使其产生同频率的机械振动，此振动通过调幅器将振幅放大，最终在工具端部产生足够大的机械振动幅值。超声波发生器由四部分组成，分别为、和输出变压器组成。在这四部分中，我们把振荡器作为超声波发生器的CPU。在超声波加工中，超声波发生器产生的波形有两种，分为正弦波和非正弦波，一般常用的为正弦波。超声换能器是在超声波频率存在的范围内可以完成声信号与电信号相互转换的一种器件，常用的换能器有磁滞换能器和压电换能器。超声调幅器在超声波发生器中是很重要的一部分，它的作用是把超声换能器传递的电能转变成机械能再传递给要被加工工件，是功率超声振幅的机械放大级，用以提高超声加工功效。早在1959年，我国便开始进行超声振动加工，由于当时经济还处于落后状态，超声振动系统的很多设备不完善，导致无法进行超声加工的后续的研究工作，一度陷入技术停滞不前的状态。1960年初，哈尔滨工业大学的一些研究人员通过超声振动加工技术加工了一批航天飞行器所用的铝制细长轴，他们发现这种切削技术比原有的切削技术有明显的好处，切削出的工件更美观。但是，此项技术到了1979年的时候才重新受到国家技术部门的重视。换能器方面，20 世纪 60 年代以后集中研究夹心式压电换能器,用等效网络建立一维理论。给出有力、电负载和损耗时换能器的共振频率和效率表达式，提出决定换能器最大效率的参量,指出最佳设计方向。1982 年，上海钢材厂、及研发了超声波拉管装置，这一项发明为我国在金属塑性加工中弥补了缺陷。1985年，机械电子工业部第 11 研究所研发成功了，在、等硬脆材料的钻孔、套料、端铣、内外圆磨削及螺纹这些切削过程中，都得到了很好的结果。华中理工大学伍世虔等人将低频系统用大螺纹的攻丝，蜗杆机构增力。他们采用单片机控制步进电机驱动电源，电机带丝锥按要求反复进退，工件不动，通过靠模螺母将主轴沿圆周方向的振动转换为丝锥螺纹升角方向上的振动，靠模螺母上下各垫一块蝶形簧，使得切入后工件距完全取决于丝锥。沈阳航空工业学院的研究人建立超声扭转振动系统，通过磁致伸缩换能器，来完成超声波发生器电振荡与超身波的机械振动的转变。1.2.2 超声振动切削理论在一般的切削系统中，通过刀具、工件以及它们之间的切削运动来完成整个切削的流程。工件的切屑以及切削过的工件表面，本质上是被加工的工件收到切削刀具的压迫，产生弹性变形和塑性变形，使得工件本体与切屑分开。在切削过程中，刀具一直在切削，刀具的作用表现在两个方面：一个是刀具刀刃切削作用，一个是形成刀刃的刀面压迫作用。在切削过称中由于刀刃与工件在接触处相互作用产生的力很大，迫使切屑与工件分离。同时刀面在切削的过程中挤压被切削的部分，加剧了分离的进行。在传统的切削过程中，都会有切屑产生，刀具与工件同时压迫被切削处以及它们之间的摩擦作用，促使切削过程中产生很大的切削热与切削力，这些都会使刀具的磨损加剧以及工件加工时不稳定。然而凡事有坏的一面，也就有它好的一面，它的优点:在切削过程中切削功率会相对于原有的切削过程降低,切屑形态会变小，切削的形成条件得到改变，并且切屑的形态也会发生变化等。因此我们可以做出这样一个假设：以转变材料的可加工性为起点，技术人员在普通切削中施加有规律的振动在切削系统中，使它的特点发挥到极致避免缺陷产生。切削加工的过程就是工件材料塑性变形的过程，工件被切削处的形态变化以及刀具的损坏情况，与刀具与工件之间的相互作用有直接的关系，也与它们在切削过程中的时长以及切削地点有关。一般施加超声振动在普通切削系统中，切削时工件被切削处、工件以及刀具三者之间的相互作用都会发生变化。在小的范围内的频率高的振动会使工件的在切削过程中变化的不明显，但是刀具的摩擦以及它的损坏情况都会发生很大的改变，在刀具和工件之间会产生连续重复的运动，使得刀具前后的摩擦力周期性的发生变化，便于切屑的产生。在切削较难加工的材料时，刀具变面会出现“滞流层”，产生一种特殊的静摩擦。在切削系统加上超声振动后，静摩擦就会消失，动摩擦会代替它的位置，摩擦力会在很大程度上得到下降，便于切削过程进行。 以上的描述都在为一种新的切削方法做铺垫，这种方法就是振动切削。振动切削即是通过在切削刀具上加上超声振动，从而得到特殊的切削效果的方法。振动切削改变的切削原有的方式，降低了切削温度以及工件与刀具之间产生的力，缩短了加工时间，使加工出的工件表面粗糙度降低。振动切削按频率分可以分为两类，低频振动和高频振动。低频振动仅仅可以使切削产生的切屑不发生断裂。高频振动作为超声振动常用的方法，更容易进行加工切削，可以使刀具的使用时间变长以及工件的表面的粗糙度下降。超声切削加工指的是刀具与工件之间相互运动，也可以说它是一种不连续的切削过程。 在美国，60年代初期就对振动切削进行研究，70年代中期，美国在超声振动钻中心孔、磨削、光整加工与振动焊接、振管等方面已处于生产应用阶段，振动车、钻、镗等切削加工应经被用于实际的生产应用，振动拉削、铣削也已经被研发投入使用中。在生产生活中，超声振动系统已经能够投入使用，并且技术已部分完善。 世界上的很多国家对超声振动加工的机理也进行了大量的科学研究，并且做了大量的实验验证，这些国家的科研人员发表了很多有学术研究意义的文章，他们还把这项技术推广应用到生产生活中。目前国外通过三维有限元建摸和试验对加工效果有了很深入的研究。包括由切削参数（，等），超声参数（，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。其中美国的 N. Ahmed 等人用三维有限元分析了超声辅助车削；并研究了超声辅助车削中切削力的影响因素，分析对比了与普通车削车削力的不同 ；此外还对超声加工金属 inconl 718 进行了深入的研究。Chandra Nath等人研究了超声车削在低合金钢中的应用，通过试验对比了与普通车削的不同，研究了车刀磨损，切削力，切屑形状以及表面粗糙度的情况。得出了在超声切削下可以得到比较好加工表面，刀具磨损较小的结论。1.2.3 超声车削加工系统超声波振动车削加工系统主要由精密机床和超声振动装置两大部分构成。其中超声波振动部分分为：、三部分。超声车削装置有纵向振动超声车削装置、弯曲振动超声车削装置和扭转振超声车削装置三种形式。弯曲振动系统使刀杆在垂直杆的轴向方向上作来回往复运动。弯曲振动装置刚性好，调幅器便于安装。但弯曲振动刀杆节点的测定和压块的调节都比较麻烦，以及车刀磨损，重新刃磨后节点还要发生变化，辅助时间长，调整麻烦，不易调到车刀所需要的高度，且刀尖的高度对加工出来的工件的品质有很大的影响。刀具的安装与拆卸不方便，以上叙述的这些都会对超声振动切削技术应用受到影响。在平常的生产中，扭转振动超声车削装置还没有普及使用。一般都使用的是纵向振动超声切削装置，它的特点是传动功率大、能量基本不会损失等。纵向振动超声车削装置一般使用的是成本低质量小的车刀，使用方便，并且车刀的刀尖高度容易调整，车刀便于安装、拆卸以及打磨。目前科技人员正在深入的研究超声切削技术，这就预示着超声振动切削技术以后将成为主流，加之其设备功能强大容易上手，以后肯定会大量的出现在人们的生产生活中。 目前国内外超声车削设备在超硬车削方面有很大的发展。其原因是超硬车削的具大优势。传统的超硬材料加工，都是先车后磨，不仅效率低，增加了成本，而且还污染环境，造成能源巨大的浪费。而超声加工由于其加工特点，可以直接加工超硬材料，可以实现以车代磨，不仅大大降低了生产成本，提高了效率，而环保节能，创造了巨大的经济效益。以下几张图片就是超声加工机床的代表,如图1.1: 图1.1 在当代，科学技术正大踏步的向前迈进着，超声振动切削技术也普遍应用到了人们的生产生活中，随着科技人员对超声振动切削机理研究深入，其发展方向也越发明显： (1)从试验性研究开始转向实际生产应用研究。超声振动切削设备正朝着短小、实用、标准以及作为产品交易的商业化迈进； (2)超声振动切削系统已经逐步的融入当代。如现在很多航天器以及汽车的精密零件所需要加工的设备都应用了超声振动切削系统； (3)振动系统的振动方式也发生了很大变化，现在正朝着全方位振动的目标迈进，当前部分方向的振动已经投入到实际生产中； (4)超声振动切削加工的工种种类也发生了很大的变化，由原来的车削、钻孔与攻丝发展到了镗孔、铣削、刨削、拉削、螺纹加工、齿轮加工、磨削、抛光与珩磨等； (5)在科学技术的发展日趋深入中，很多的应用设施对其组成的零件都会有很高的要求，这就迫使超声振动切削加工向精密加工的方向迈进； (6)密重叠加工，意思是在超声振动切削时，工件与超声发生装置同时产生超声振动，达成精密二维重叠振动切削。应用这一方法可以加工硬度高但是抗拉强度低的陶瓷材料。这种方法的好处是降低工件与刀具之间的相互作用力，缩短加工时间； (7)使超声加工得到普及。将超声波振动切削加工技术从机械行业向其他行业拓展。 1.3 论文的主要研究内容超声振动切削技术克服了原本切削技术存在的很多困难，如切削由于刀具与工件的挤压产生的变形以及切削热，为细长轴及薄壁零件等易变形零件加工、软质、脆硬及低熔点材料加工提供了解决方案。本文首先说明了超声振动加工机理，然后建立振动切削系统以及有限元分析，最后进行涂层刀具与非涂层刀具切削磨损试验，对比其磨损情况，完成验证。2 超声振动车削理论2.1 超声波的基本原理和特点当波的频率超过15KHZ的时候，我们把这种波叫做超声波。超声波频率高、波长短、能量大，传播时反射、折射、共振及损耗等现象更明显。在不同介质中，超声波传播的速度 c 也不一样，它与波长 频率 f 之间的关系下式表示： (式2.1) 超声波主要具有下列性质： 1 超声波能传递很强的能量。 2超声波将液体当做介质进行传递时，将会使液体发生振动，在液体中形成连续的压缩和稀疏区域。因为液体形态无法缩小，所以传播过程中会产生压力正负交变的液压冲击和空化现象。由于这一过程时间极短，液体空腔闭合压力可达几十个大气压，并产生巨大的液压冲击。液体对零件表面会产生连续变化脉冲压力，来破坏零件表面，造成零件破碎。这种现象是空化现象。 3超声波通过不同的介质时，在界面上发生波速突变，产生波的折射和反射现象。能量反射的大小，决定于两种介质的波阻抗(密度与波速的乘积 )，介质的波阻抗相差越大，超声波通过界面时能量的反射率越高。要使超声波在相邻介质传递时能量损失降到最低，一般的超声元件各连接面间加入、当作传递媒介，其目的是避免因空气造成的能量损失。 4.超声波在一定的条件下，会产生波的干涉和共振现象。 2.2 超声加工的基本原理振动切削即是在切削的过程中加入一种能控制且规则变化的振动，这种振动会使切削用量发生周期性的变化，以达到特殊的切削效果的方法。振动切削使得刀具和工件的存在条件发生变化，因此改变了切削加工的方式，达到了降低了工件与刀具的相互作用以及切削温度，缩短工件的加工时间的目的。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的形成条件，主要用来解决断屑问题以及与此相关的一系列问题。而超声振动切削使得切屑的形成也发生了很大的变化，可以提高被加工材料的可加工性，使刀具的使用时间变长，加工出的工件使用价值更高。超声加工描述的是刀具与工件的的相互运动，也就是说它是一种不连续的周期性切削的过程。 超声振动切削的优点如下: (1)平均切削力小。超声振动切削是一种断续切削,而且主要利用瞬时冲击力来实现加工,所以切削力小。 (2)表面粗糙度低。 由于超声加工过程中刀具与切屑是脱离的,所以普通切削中产生的破鳞刺和积屑瘤,通过超声切削可以有效地避免,从而提高了超声振动系统稳定性及刚度,这使超声振动切削工件表面粗糙度明显降低。 (3)降低了切削温度。在超声振动切削过程中,由于普通切削与超声振动切削机理有本质性的区别,切削力是依靠振动系统本身产生的而不是由于刀具与工件之间相互作用产生的。超声振动冲击力的作用时间极短,在切削过程中热量来不及传到金属内部,热量十分微小,所以切削热的产生比普通切削过程中产生的要少很多。因为超声振动切削是不连续的,刀具与工件之间不能连接在一起,而且切削过程使用的切削液润滑和降低温度的作用,使得产生的切削热大大降低。 图2.1 超声振动切削模型2.2.1 超声振动切削基本原理超声振动切削的基本原理如上图a所示，刀具在做周期性的往返运动，工件以固定不变的速度旋转，振动切削的过程主要分为四个阶段。刀具在切削方向以O为中心，以频率f作简谐振动，工件以速度 V向右运动，图b 中正弦曲线为刀具运行的轨迹图，在刀具从0点振动方向与工件相反，到a点时开始与工件接触切削，越过顶点后刀的振动方向发生改变，开始与刀具运动方向相同； 刀具的位移时间 图2.2 刀具运动轨迹运动到b点时，刀具的速度大于工件的速度，这时刀具和工件脱离（图2.3a）工件继续以切削速度 V推进，刀具到达下顶点返回，到 c 时刻时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 2.3b），到 d 时刻时刀具振动速度又与工件速度相同，刀具与工件不接触（图 2.3c），连续重复进行上述操作。这就是超声振动切削过程。 (a) (b) （c） 图2.3 振动切削过程刀具与工件相对位置刀具的位移：X=asin(2ft) （式2.2）刀具的运动速度：Vd=2facon(2ft) (式2.3)刀具开始离开工件的时间Tb应满足Vdb=2facon(2fTb) (式2.4)Vd代表刀具速度，Vdb刀具在b点的速度。则当刀具运动速度的大小和方向与切削速度的大小和方向相同时，刀具离开工件的那一点的时间Tb为： Tb= (式2.5)从上式可知，若 V af了，则上式不成立，这意味着刀具不能脱离工件。当切削速度 VVc时，刀屑之间不存在分离状态，称为不分离型超声车削。当切削速度 VVc时，刀屑之间存在分离状态，称为分离型超声车削。超声振动切削中把Vc称为临界切削速度。Vc=2af (式2.6)由图 2.2，超声振动切削的一个周期为 T，其中一个振动周期中，完全切削的时间点为 a 点到 b 点，这段时间计为Tc ，则定义净切削时间比 r 为： (式2.7) 公式2.7为净切削时间比的定义。 2.2.2 切削力在一般的车削过程中，车刀通过一定的力挤压旋转的工件，刀和工件始终接触它的切削力基本上是一个较为平稳恒定的数值，在图中显示基本是一条直线，如下图2.4所示： 切削力F时间 图2.4 普通车床切削力而超声振动切削过程并不是一个连续的切削过程，它是一个间歇的切削过程，刀具一方面将高频率的振动施加在切削过程中，一方面将工件微元化进行逐段切割。只有在时间 Tc 过程中，才会产生切削力，它的切削力波形图如下图2.5所示： 振幅时间 切削力时间 Fr F 图2.5 在振动切削中，振动系统会产生切削力从而产生切屑，工件只做圆周运动。在有规律的脉冲力下，刀具正常切削工件，在较短的切削过程中，刀具与工件之间没有其它的附加的相对运动，因此工件切屑的宽度、厚度都没有发生改变。加工的很多工件，形成的切屑都基本都与工件本体相同。超声振动切削是一个在极短时间内完成的很小切削过程，刀具可以在极短的位移上得到很大的瞬时速度和加速度，这种局部产生的很高的冲击力可以将工件与刀具接触处的材料变形，摩擦减小，塑性变形减小，最终导致切削力减小。 图2.5中，一个切削周期T中，只有在a点到b点时间Tc内，才会产生切削力，其峰值为F；在b点到c点时间内，刀具和工件分离，切削力为0;在一个周期T中，超声振动平均切削力为 Fr,其值远小于普通车削力；一般为普通切削力的 1/10至1/3。 在一个切削周期中，超声振动频率f不变，则时间周期T不变，当r变小，则Tc变小，说明切削时间越小，则一个周期内平均切削力变小；反之，r越大，平均切削力Fr越大。2.2.3 振幅的影响净切削比r对振幅的影响。超声振动中，频率，振幅对切削效果起着非常重要的作用，通过净切削比r为中心来阐述振幅对超声振动切削的影响。我们可以做出假设，超声波发生器固定频率为20kHZ，振幅可调。在其他参数不变的情况下，振幅由10m 提高到15m ： 振幅时间 切削力 F时间 图2.6 不同的振幅波形图如图2.6所示，a1=15m和a2=.10m的波形图。当振幅为a1=15m时，刀具切削时间为Tc1,当振幅为a2=.10m时，刀具实际切削时间为Tc2，,由图可得 Tc2Tc1而超声频率f=20KHZ是不变的，因此周期T相同，由方程式（2.7）可得 r2r1 r1, r2分别为振幅10m和15m 时的净切削比。当r减小时，切削力减小，故切削效果好。故当超声波振幅增大时，r减小，切削力减小，切削效果好；反之，振幅减小时，切削效果差。 2.2.4 切削速度的影响工件速度的影响。切削参数中，切削速度是影响超声切削的重要参数，通过净切削比r为中心来阐述振幅对超声振动切削的影响。在试验中，超声波发生器固定频率为20Khz，振幅为15m ，在其他参数不变的情况下，改变切削速度，并设两个速度V1和V2，且 V1V2，图2.7为在两种速度下的波形图。图示可知，在不同的波速下，当速度大时首先会切削，当切削速度为V1时，刀具切削时间为Tc1，当切削速度为V2时，刀具的切削时间为Tc2，由图可得 Tc2Tc1而超声频率f=20KHZ是不变的，故周期T相同，由方程式（2.7）可得 r2r1 r1 ，r2 分别为切削速度为V1和V2时的净切削比。当r减小时，切削力减小，故当超声波切削速度在一定范围内，切削速度减小时，净切削比r减小，切削力减小，切削效果好；反之，切削速度增大时，r增大，切削效果差。 振幅时间切削力 F时间 图2.7 两种速度下的波形图2.3 本章小结本章主要介绍了超声波振动切削的基本原理，定义了净切削比r(超声振动周期中，工件实际切削所用的时间与一个振动周期时间比)，从净切削比r的角度，分析了超声振动车削速度和振幅对切削力的影响；通过理论分析得出，切削速度提高，净切削比r提高，切削力变大，切削效果差；振幅增大，净切削比r降低，切削力降低，切削效果好。3 超声振动车削系统建立以及有限元分析3.1 超声振动切削系统超声振动切削系统主要由、以及超声信号发生器组成。超声信号发生器产生超声频率的电信号传递给换能器,换能器将电信号转换为同频率的机械振动,机械振动经变幅杆将频率变大后传递给切削刀具,完成超声振动切削。3.1.1 换能器换能器能将超声信号发生器产生的电信号转换为频率一样的机械振动信号,是一种能量转换装置。换能器主要有磁致伸缩换能器和压电换能器。磁致伸缩换能器是利用陶瓷或者铁质材料制作的、具有磁致伸缩效应并且可以进行电信号与机械信号相互转换的一种器件。常用的磁滞伸缩材料一般包括两大类：金属磁滞伸缩材料和铁氧体磁滞伸缩材料。磁致伸缩材料常使用于超声波中，它的优点是在在不同的条件下，切削力变化以及超声振动系统变化一般不会影响振动形态。机械强度高，此外，由磁致伸缩换能器组成的工具振动系统使用安全可靠，容易调整，便于掌握；换能器耐用性好；频率覆盖的范围大，工具在大的磨损状况下，谐振频率点不会消失；性能稳定，功率容量大。缺点是磁致伸缩换能器转换效率不高，大约只有原本的30%，并且会产生大量的热，激发电路复杂以及材料的机械加工较困难，只适合小批量的生产。压电换能器是利用逆压电效应研制的换能器,也称为电致伸缩换能器。压电晶体在外力作用下晶格发生变形,正负电荷的中心产生偏移,晶体内部产生极化现象,晶体表面产生一定数量的电荷。这种现象称为压电效应。对压电晶体施加电压,在电场力作用下晶体内正负离子发生相对位移,导致晶体产生内应力,引起晶体发生机械形变。这种现象称为逆压电效应目前超声振动切削系统中所用的换能器主要是压电换能器。压电换能器的机械转换效率高、性能稳定、材料加工较容易、发热量小。下图为几种压电换能器的产品图片。 压电材料换能器压电陶瓷换能器图 3.1压电材料是压电换能器的核心,压电陶瓷是最常用的压电材料。下面我们对于压电陶瓷换能器的参数进行下简单介绍。（1） 机电耦合系数k。对压电晶体充电时,由于逆压电效应，电能中的一部分会转换为机械能。这种转换的强弱程度用机电耦合系数来表示。通过机电耦合系数，可以确定压电陶瓷的、和。（2） 介质损耗因子tanE和电学品质因数QE。压电陶瓷作为电介质存在损耗,损耗会使压电陶瓷发热，严重时会损坏换能器部件、使压电陶瓷去极化。压电陶瓷的损耗程度用介质损耗因子或电学品质因数来表示，QE=1/tanE。（3） 机械损耗因子tanM和机械品质因数QM。机械损耗产生于材料的内摩擦,会使材料发热从而消耗能量,降低材料的性能。压电陶瓷机械损耗程度用机械品质因数或机械损耗因子来表示，机械品质因数是在一个振动周期内压电振子存储机械能与损耗机械能之比，QM=1/tanM。（4） 频率常数。压电陶瓷的频率常数与振动模式在振动方向的波速相关。（5） 老化率C。压电陶瓷在经历极化、电极燥接后,其性能会随时间发生变化，这就是老化现象。老化率是材料时间稳定性的量度。（6） 居里温度Te。压电陶瓷的性能随温度变化，要使压电陶瓷换能器能够连续正常工作且不发生退极化，就要使工作温度低于居里温度。（7） 抗张强度r。抗张强度指出了压电陶瓷在交变应力作用下不发生破裂和机械疲劳的上限值。压电陶瓷换能器的机械功率极限受抗张强度的限制，因此抗张强度在大功率压电陶瓷换能器的设计和使用中尤为重要。（8） 泊松比是压电陶瓷横向收缩与纵向伸长之比。3.1.2 变幅杆变幅杆的主要作用是增大换能器产生的机械振动的振幅，提高振速比、机械品质因数和适应环境温度的范围，使变幅杆顶端的切削刀具满足切削的需求。变幅杆在换能器和切削刀具之间起连接作用,调整两者间的负载匹配,使其更好地匹配耦合。变幅杆能减小换能器与切削刀具之间的谐振阻抗,提高电能转化为机械能的转换效率,降低换能器的发热量,延长了切削系统的使用寿命。变幅杆的形态一般由、和复合形等。对变幅杆的设计方法主要有、机械阻抗相等法和有限元分析法等。在变幅杆的设计中，常使变幅杆的长度为超声波波长的一半，目的是使变幅杆的固有频率同外部激励的振动频率相等，从而达到共振效果,获得较大的振幅。目前变幅杆的产品种类繁多，下图为几种变幅杆的产品。 超声波变幅杆 超声波变幅杆 图 3.23.1.3 超声波信号发生器超声信号发生器可以把50Hz的交流电转变为与换能器相匹配的超声频率的交流电信号,为超声振动切削的正常完成提供充足的能量。超声信号发生器主要由、和等部分组成,振荡器是其核心。超声信号发生器输出信号的频率取决于换能器的固有频率。输出的信号经功率放大后还应进行阻抗配合,使输出的阻抗与换能器阻抗相映衬。输出的电信号通过换能器后,转化为频率相同的机械振动。理想的超声信号发生器应具备信号反馈功能,能够提供频率跟踪信号和输出功率反馈信号。在电压不稳定的情况下,超声信号发生器的输出功率会发生变化,导致换能器产生的机械振动不稳定。通过功率反馈信号调节功率放大器,使得输出的信号变得稳定。通过频率跟踪信号调整振荡器,使谐振频率点可以被追踪到。较先进的超声信号发生器已具备频率自动跟踪和双通道信号输出功能。下图为超声波发生器的一些图片。 超声波发生器 超声波信号发生器 图 3.33.1.4 振动切削刀具超声振动切削技术主要用于切削加工普通切削技术无法加工的材料，因此在切削过程中对刀具的选择将会很苛刻。目前用于超声振动切削的刀具主要有天然金刚石刀具(ND)、聚晶立方氮化硼(PCBN)、聚晶金刚石刀具(PCD)以及硬质合金刀具。本文切削模拟以及实验验证均采用硬质合金刀具。硬质合金具有高硬度、不易磨损、强度和韧性好、耐热、耐腐蚀等一系列好的性能，尤其是它高硬度和使用时间长，一般在500的温度下也不会发生变化，在1000时硬度也会很高。硬质合金广泛用于制作刀具，还可以切削、有色金属、塑料、化纤、石墨、玻璃、石材和普通，也可以用来切削耐热钢、不锈钢、高锰钢、工具钢等难加工的材料。硬质合金刀具在加工工件时都有很好的效果，因此其得到了广泛的应用。3.2 振动切削系统的建立以及有限元分析在振动切削系统中，我们要建立刀具的模型，选用硬质合金材料，在ANSYS软件中进行模态分析，来进行超声振动切削的仿真。3.2.1 ANSYS软件的简介 在模态分析中我们要用到一种有限元分析软件，就是ANSYS软件。ANSYS软件是一个功能强大而灵活的大型通用商业化的工程分析软件。能够进行包括结构、热、流体（包括计算流体动力学）、电场、电磁场等多学科的研究，广泛应用于核工业、铁道、航空航天、石油化工、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、家用电器等工业和科学研究领域，是世界上拥有用户最多、最成功的有限元软件之一。ANSYS软件有4个主要的功能，分别是结构分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析。3.2.2 模态分析过程在ANSYS软件的模态分析中，大致分为9个过程，分别为选择单元类型、定义材料模型、创建块、改变视点、划分单元、施加约束、指定分析类型、指定分析选项、指定要扩展的模态数、求解等。下面我们简单介绍下分析步骤：创建几何模型图 3.4真实刀具的参数如图3.4所示，其中L=16