（固体力学专业论文）振动切削应力波传播有限元分析.pdf

哈尔滨t 稗人学硕+ 学位论文 捅要 振动切削是近年来发展起来的一种新型切削加工技术，它能获得普通切削 无法比拟的工艺效果，尤其在难加工材料和普通材料的难加工工序中更显示出 其优越性，振动切削的优点已经被公认而且已经广泛应用于包括车削、攻丝、 磨削等工程实际应用中，是现代切削技术的一个重要发展方向。 本文从运动学和动力学两种角度对振动切削过程进行了解析，根据弹性力 学理论给出了振动切削过程中工件在冲击载荷作用下所激发出的应力波的传播 特点。并基于低频振动切削系统，采用有限元分析软件a n s y s 对振动切削实验 中的被加工工件进行建模，结合振动切削特点对工件的切削区进行加载并求 解。对所得的数据进行分析来阐明振动切削的微观机理。 通过实验和有限元分析验证了在振动切削时冲击载荷的作用极大的影响着 切屑的形成，刀具与切屑的冲击作用使得切削加工区域的应力波不断产生并传 播，正是应力波的反复作用使得切削区内的金属疲劳不断产生微裂纹和裂纹。 从而表明了振动切削加工方法有利于微裂纹的萌生与扩展，并降低了刀一屑间的 摩擦，使切削力降低，加工精度提高。 关键词：振动切削，应力波传播，有限元分析 哈尔滨丁稗大学硕十学位论文 a b s t r a c t v i b r a t o r yc u t t i n gi san e wm e t a lm a c h i n i n gp r o c e s s , w h i c hh a sb e e nd e v e l o p e d o n l yr e c e n t l y i th a sm a n ya d v a n t a g e st h a tc o n v e n t i o n a lm e t a lc u t t i n gc a n n o ta t t a i n , e s p e c i a l l yf o rs o m ed i f f i c u l t - t o - c u tm a t e r i a l sa n ds o m eh a r dp r o c e s sf o ro r d i n a r y m a t e r i a l s 功ev i b r a t o r yc u t t i n gh a sa l r e a d yg a i n e di t sr e p u t a t i o na n dh a sb e e nu s e di n s o m ef i e l d si n c l u d i n gt u r n i n g , d r i l l i n gt a p p i n ga n dg r i n d i n gi np r a c t i c a lw o r k s h o p s i t i sc o n s i d e r e do n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt r e n d so fm o d e mm e t a lm a c h i n i n g t e c h n o l o g y n e v i b r a t o r yc u t t i n gp r o c e s sh a sb e e na n a l y z e df r o mt h ek i n e m a t i c sa n dt h e d y n a m i c si nt h i sp a p e r a n da c c o r d i n gt ot h ee l a s t i c i t yt h e o r yt h es t r e s sw a v ei s a c t i v a t e du n d e rt h ei m p a c tf o r c ei nt h ev i b r a t o r yc u t t i n gp r o c e s s b a s e do i lt h el o w f r e q u e n c yv i b r a t o r yc u t t i n gs y s t e m , h e r eu s e sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s t ob u i l dt h em o d e lo ft h ew o r kp i e c e a n dg i v e st h ef o r c e st ot h i sm o d e lw h i c h a c c o r d i n gt ot h ev i b r a t o r yc u t t i n gp r i n c i p l ea n dg e tt h es o l u t i o nd a t a t h es o l u t i o nd a t a i sb e e na n a l y z e di no r d e rt oc l a r i f yt h em i c r o s c o p i cm e c h a n i s mo ft h ev i b r a t o r yc u t t i n g 1 n h ee x p e r i m e n ta n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sh a v ep r o v e nt h es h o c kl o a dh a sg r e a t i n f l u e n c eo nt h ec h i pf o r m a t i o n a n dt h ei n f l u e n c eo ft h es h o c kb e t w e e nt h ec u t t e ra n d t h ec h i pl e a d i n gt ot h es t r e s sw a v e si nt h ed e f o r m a t i o nz o n er e p e a t e d l ya n dm a k e st h e m e t a li nt h ef a t i g u es t a t es oa st oc r e a t et h em i c r o - c r a c ka n dt h ec r a c k i tw a s d e m o n s t r a t e d , t h ep r o c e s sm e t h o dm a k e si te a s yt h a tt h et i n yc r a c kn u c l e a t e da n d p r o p a g a t e d a n dt h ep r o c e s sm e t h o da l s or e d u c e st h et o o l - c h i pi n t e r f a c ef r i c t i o n i t m a k et h ec u t t i n gf o r c e sl o w e r a n dt h ea c c u r a c yh i g h e r k e yw o r d s - v i b r a t o r yc u t t i n g ，s t r e s sw a v e s ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出。除文中已注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 作者( 签字) ： e l 期：夕即丫年1 1 月形目 哈尔滨下程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 振动切削概述 随着科学技术和工业生产的迅猛发展，特别是在机械制造、航天航空、兵 器、汽车、船舶、化工中对各种精密机械零件的加工精度和表面质量的要求越 来越高；同时，不锈钢、耐热钢及钛合金等各种难加工材料在机械制造中日益 广泛地被采用，这对切削加工技术提出了更高的要求，给切削加工带来了更大 的困难。普通切削中，切屑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，使切屑和母体分离的过程。由于切 屑、工件与刀具之间的摩擦作用，将不可避免地产生较大的切削力，较高的切 削温度，产生切削振动，使刀具磨损和加工表面质量变差。可以说利用传统的 切削加工方法，效率很低，难以保证高精度的技术要求，有的甚至无法加工 n 1 。为此推出许多新的切削加工方法，如振动切削法、低温切削法、激光切削 法、水力切削法等等。其中振动切削法的效果尤其明显，应用也更加方便。为 了更好地运用振动切削方法达到控制被加工机械零件的加工精度和表面质量， 就要对振动切削的机理进行深入研究。 本课题的目的是在国内外专家和学者对振动切削机理研究的基础上，对振 动切削过程中应力波的传播进行更深入的研究，揭示在振动切削中，刀具以冲 击载荷作用于被切削工件时其应力波是如何传播的，并从中找出振动切削过程 的微观机理，为实现合理控制和掌握振动切削给出理论依据。 课题主要围绕以下几个方面进行： 1 、以材料力学、断裂力学及冲击动力学等基础学科为理论基础，对振动 切削中的工件的受力状态进行分析； 2 、通过受力过程分析并结合弹性力学理论得出在振动切削中工件受冲击 载荷作用下所激发出的应力波； 哈尔滨1 ：稗入学硕十学位论文 皇萱；i i i 葺i 宣葺 lf i ii t i i 宣眚宣；暑i ； 3 、基于低频振动切削实验系统对被加工工件进行有限元分析，并对振动 切削过程中的应力波传播进行研究，揭示振动切削的微观机理。 振动切削作为新兴的特种加工技术，在国内外有许多专家和学者对其进行 研究。其原理是通过给刀具( 或工件) 以适当的方向，一定的频率和振幅的振 动，以改善其切削功效的脉冲切削方法。振动切削过程示意图如图i i 所示。 这是一种不同于常规的切削加工方法，其工艺效果与常规切削加工有显著不 同。振动切削具有切削力小、工件表面质量高、切削热低、切屑处理容易、刀 具耐用度提高、加工稳定好、生产率高等优点团，很好地解决了难加工材料和 普通材料的难加工工序的加工问题，被认为是机械加工的一个重要发展方向。 p 一 七， t 图i i 振动切削过程不意图 最早对振动切削进行系统研究的是日本宇都宫大学的隈部淳一郎教授。从 1 9 5 4 年开始至今，对振动切削的基础理论和实际应用都作了大量系统深入的研 究，并有专著精密加工振动切削( 基础与应用) ，成为振动切削研究的 理论基础。7 0 年代以来，振动切削和磨削在日本研究较成熟，取得了很好效 果，在生产中发挥了应有的作用。前苏联在振动切削方面的研究较早，5 0 年代 末6 0 年代初就发表过不少有价值的论文。在振动切削机理研究上作了大量工 作，并在振动车削、磨削、攻螺纹、钻孔等应用方面取得了良好的经济效果。 美国在振动切削研究上曾走过弯路，6 0 年代初开始振动切削研究工作，7 0 年代 中期又重新开始，并在超声波振动切削方面取得了许多成果，目前已制定部分 标准供选用。英国和德国等对振动切削机理和应用进行了大量研究开发工作， 发表了不少有价值的论文，在生产中也得到了积极应用嘲。 2 哈尔滨下程人学硕十学位论文 在我国，振动切削研究起步较晚，继我国第一台“c z o 2 5 0 a 型超声波振动 切削系统问世之后，许多大专院校、科研院所和工厂都开展了对振动切削的研 究，在振动切削实验研究、工艺运用研究、系统设计、机理与本质等方面都取 得了许多重要的成果。 1 1 1分类 按振动源可分为强迫振动切削和自激振动切削： 强迫振动切削是利用专门的振动器如压电、液压、气动、电磁、机械等产 生振动驱动刀具，它的优点是可在宽广范围内调节振动状态，振动不取决于被 加工材料、切削用量和余量变化等。缺点是所有这些装置较为复杂。 自激振动完全是由切削过程造成的，可用两种方法获得：( 1 ) 选择相应的切 削用量和刀具的几何形状；( 2 ) 合理改变机床一夹具一工件一刀具的弹性系统。 获得自振的装备十分简单和紧凑。缺点是不能得到精确的振动幅度和频率，它 们将受被加工材料、刀具和切削用量的影响。 按振动频率可分为低频振动切削、高频振动切削和超声振动切削： 在振动加工中可将被采用的频率范围分为3 个区域： a 低频振动区( 5 0 0 h z 以下) ，最佳振幅为3 0 - - 1 5 0 # n l 。在这一频率范围 内切削性的改善是靠断屑和改善切削液的供给保证的。在这种振动切削时，未 出现刀具的破坏和耐用度的下降。 b 高频振动区( 1 5 0 0 h z 以上) ，最佳振幅为8 - - 2 0 t i n 。振幅保持在这水平 上，可提高刀具的耐用度和被加工表面的质量。切削性的改善是靠易于塑性变 形、降低切削力和摩擦力达到的。 c 超声振动区( 2 0 k h z 以上) ，最佳振幅为靴m 。这种振动可改善材料的 切削性，并可消除刀具上形成的积屑瘤嘲。 在图1 2 中给出了按振动方向分为主运动方向、进给抗力方向和吃刀抗 力方向的振动切削。 3 哈尔滨一i ：稃人学硕+ 学位论文 切削方向 a ) 刨削b ) 车削 图1 2 振动切削的振动方向 主切削力方向振动切削进给抗力方向振动切削 吃刀抗力方向振动切削 主运动方向振动切削可明显改善切削性，切削时所消耗的功率可降低 1 5 3 0 ；进给抗力方向振动切削可保证有效和可靠的断屑，满意的表面粗 糙度，刀具的耐用度也有所提高，但幅度不大；吃刀抗力方向振动切削将使表 面粗糙度变坏，促使切削刃较快磨损。采用这种振动切削只有在超声振动频率 时才有效。实际生产中，主运动方向振动切削效果较好，应用较多。 1 1 2 振动切削的特点及功效 可减小切削力与功率消耗。 振动切削是一种脉冲切削，它的切削时间短，瞬时切入切出。运动速度和 方向不断变化，有助于金属趋向脆性状态，塑性变形减小，摩擦系数降低，从 而减小切削力。大量试验研究表明，振动切削可使切削力减小到普通切削的 1 3 - 1 1 0 阻力，由于切削力和功率消耗的降低，振动加工可使用较小的机床。 切削温度明显降低。 振动切削时，刀一屑问的摩擦减小，切削热在极短时间内来不及传到切削 区，切削液的冷却润滑作用也得到了充分发挥，故切削温度大大降低，切屑不 变色，用金刚石刀具振车h r c 6 5 淬硬钢时，由于切削温度低，刀具未碳化破 4 哈尔滨r 程大学硕十学何论文 损。这是传统切削所不可想象的。 提高加工精度和表面质量。 例如在t v 2 8 0 精密仪表车床上车削薄壁镜筒，切削速度v = 1 3 5 6 m m i n ， f - - - 0 0 6 5 m m r ，a p - - 0 1 5 衄时，振动切削的圆度误差比普通加工( 2 3 p r o ) 减小了 5 0 ，表面粗糙度由原来的r a l 缸m 下降到r a 0 6 3 t m 睁驯。振动加工表面不产 生积屑瘤和磷刺，加工表面光滑，均匀，加工表面硬化程度高于普通切削，表 面残应力为普通切削的1 3 左右，且为残余压应力，因而切削后加工表面耐磨 性与耐腐蚀性均可达到普通磨削的水平，可实现“以车代磨”。 切屑处理容易。 随着切削加工技术不断向高效率、高精度、自动化等方向发展，使原来不 被重视的“切屑处理”问题逐步转变成为生产中必须解决的问题之一。采用振动 切削，切屑非常易于处理，具有不缠绕工件、温度低、排屑顺利、易清理等优 点跚。如振动车削淬火钢能得到不变色、光滑而薄的带状屑，便于排出；切削 铸铁时也能得到如铜、铝那样的带状屑，便于排出，也保护了机床；振动钻削 深孔或小孔时，避免了切屑堵塞现象，可实现自动进给n h 羽。 减少刀具磨损，延长刀具的寿命。 振动切削由于切削阻力小，切削温度低，其综合作用的结果使刀具磨损减 少、寿命延长。当振动方向、振动参数和切削用量选择合适时，一般可使工具 寿命提高几倍到几十倍，对难加工材料和难加工工序，其效果更好。实验表 明，在一定的切削条件下用硬质合金刀具振动切削淬硬钢时，刀具寿命得到了 延长；在振动车削不锈钢时，刀具寿命延长4 0 - - - 6 0 倍，钻削时可使钻头寿命延 长1 7 倍，中心钻延长3 倍以上n 田。 可减少或消除切削加工中的自激振动。 恰当的采用振动切削，可以减少或消除机器本身的自激振动，达到消振作 用，起到“以振抑振”的效果嗍。 提高了生产效率。在精密加工中，在保证加工精度和加工表面质量的前 5 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 提下，振动切削的效率可比一般切削方法提高2 - 3 倍，有时提高得更多，因此 可以说振动切削是一种高效率的加工方法n 7 。1 蜩。 1 2 振动切削的研究与应用 振动切削是在研究了切削加工本质的基础上所提出的一种精密加工方法， 它弥补了普通切削的不足，但并不能完全取代普通切削加工。它有一定的适用 范围，主要有以下几个方面： 难加工材料的加工。 不锈钢、淬火钢、高速钢、钛合金、高温合金、冷硬铸铁、纯镍以及陶 瓷、玻璃、石材等非金属材料由于其机械、物理、化学等特性而难以加工，如 采用振动切削则化难为易删。 广西大学的张伯荣等人嘲1 用普通硬质合金刀具对过共晶铝硅合金活塞进行 了超声振动切削，切削过程切削力小，无积屑瘤现象，表面粗超度比较接近理 论粗超度，大大改善了其加工性，获得良好的表面光洁度，从而可以代替金刚 石刀具。 焦作工学院的焦锋等人嘲对金属基复合材料s i c p a i 进行振动频率 f = 2 0 h z ，振幅 a = 1 5 弘m的振动切削，在切削用量 v = 1 1 8 7 m m i n , f = 0 0 2 1 m m r , a p = 0 1 m m 时，得出振动切削时比普通切削切屑变形 小，卷曲半径较大，变形系数小，剪切角大。 上海交大机械学院的徐可伟等人嘲，对颗粒增强铝基复合材料的振动切削 进行了研究，经过实验，得出了振动切削的切屑变形系数小，剪切角大，切削 稳定，表面粗糙度好中于普通切削的结论，并且指出，振动切削金属基复合材 料存在一个最佳进给量。 无锡冶金机械厂的李良福畸1 对z g m n l 3 高锰钢的振动车削进行了研究，得 出振动切削可以提高刀具的耐用度和加工生产率，改善已加工表面的质量的结 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 论，并指出对刀具起决定性影响的是振幅，在振幅为8 2 q u m 时出现刀具的最 大耐用度。 难加工零件的切削加工。 易弯曲变形的细长杆类零件、薄壁零件、薄盘类零件与小径精密螺纹以及 形状复杂、加工精度与表面质量要求又高的零件，用普通切削或磨削加工很困 难，用振动切削，即可提高加工质量，又可提高生产效率。 苏州大学的芮延年等人御在细长导辊超声振动车削方面进行了试验研究， 通过超声振动车削对这类的细长杆的加工，可省去磨削工序，缩短工期，降低生产 成本，实现以车代磨”。 武汉交通科技大学的刘有源等人嘲在深孔的超声振动钻削进行了探索。解 决了排屑、冷却、加工效率低和难以保证加工质量方面的难题。 焦作工学院的焦锋等人在超声振动车削超薄壁零件( 照相机导向镜筒的) 的粗糙度和圆度误差方面进行了试验研究，超声振动切削出的工件，圆度 误差仅是普通精密切削的1 3 ；而表面粗糙度比普通切削要下降3 0 ，达 r a 0 6 3 9 i n 以下，满足了设计要求。 排屑、断屑比较困难的切削加工。 钻孔、铰孔、攻丝、剖断、锯切、拉削等切削加工时，切屑往往处于半封 闭或封闭状态，因而常不得不由于排屑断屑困难而降低切削用量，这时如果用 振动切i t t 贝1 可较顺利的解决排屑断屑问题而保证加工质量与提高生产效率口。 西安交大的高本河等人嘲对钻削减小孔心斜偏误差的机理进行了研究，利 用振动钻削的脉冲切削特性，探讨了振动钻削减d , - 孑l , d 偏斜的内在机理，并通 过振动钻削试验对理论推导结果进行了验证。指出振动钻削可显著减小深孔切 削过程的i t , d 偏斜误差。 哈尔滨工业大学的张其馨等人嘲对碳纤维复合材料振动钻孔做了试验研究 和机理探讨。吉林工大的王立江等人m 1 以伽3 5 m m 的钻头为例研究了微小孔 钻削时附加超声波后的一系列效果，并分析了原因。 7 哈尔滨r ：稃人学硕十学位论文 江苏盐城工学院姜大志等人。剐研制了低频振动功丝机，并对它的切削效果 进行了分析，为高精度螺纹加工开拓了一个新的途径解决了小螺纹和难加工材 料的螺纹加工。 1 3 振动切削机理的研究 从加工的宏观角度看有如下几种观点： a 、摩擦系数减小的观点： 东南大学汤铭权等人嘲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，在刀屑分离时间内还存在一定的弦振动， 加之刀具本身也处在振动状态，加强了切削液的动态润滑作用，在无切削液作 用的瞬间，前面生成了氧化膜；另外，相对普通切削，局部粘焊现象减少。 b 、剪切角增大的观点： 柳世传等人嘲分析轴向振动钻削微 孔，认为刀具的动态角度是周期性变化 的，引起剪切角也发生周期的变化，使切 削条件显著改善。另外，他们指出高频振 动钻削使钻头刚性化和静止化，也有利于 切削。振动切削时，刀具冲击被切材料的 裂纹深度，在刀具前方会产生裂纹形成偏 图1 2 振动切削时剪切角的变化 角，7 ( 依材料的冲击韧性而异) ，使实际剪切角成驴= + r 如图1 2 。 c 、应力和能量集中的观点： 这种观点认为，振动切削使切削力和能量集中在切削刃前方工件材料很小 范围内，工件材料原始晶格机构变化很微小，因此加工表面质量好，加工硬化 和加工变质层均很小啊1 。 南京理工大学芮小健等人从切削过程分析着手，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：( a ) 、刀具以冲击载 8 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 荷作用于被切材料，其动态应力波作用是改善切削效果的一个主要凶素； ( b ) 、振动切削中摩擦力降低，是前刀面和剪切面内摩擦向外摩擦转换所致； ( c ) 、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，利 于切削；( d ) 、振动切削中材料破坏过程与普通切削中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。辛志杰等人在进行超声波振动 珩磨时也得出相近的结论。他们指出，因高频振动提高了实际切削速度，并以 动态冲击力作用于切削，从而可获得较大的波前剪应力，有助于塑性金属趋于 脆化，减小塑性变形，有助于切削。他们还指出，工件受高频振动能量冲击， 在被切削前有较大的预塑性变形，使切削时的最大残余量小于无振动切削，易 于消除由犁沟、啃削等不良切削造成的误差。 d 、相对净切削时间短的观点： 这种观点认为，超声振动切削时，在每个振动周期t 内只有( ) t 的短时间t ，在切削，其余大部分时间里刀具与工件是分离的。切削力又比普 通切削力小，故测出来的平均切削力就更小，切削温度也相应较低。 对振动切削微观机理研究的则不多： 佛山大学的阮世勋等人侧从切肖加工表面和刀具磨损面s e m 照片形貌出 发，对超声振动切削中切屑分离方式和刀具磨损方式做了探讨，认为超声波振 动切削中刀刃冲击刃前材料，冲击动能起着一个热振动高峰的作用，激活位 错，软化刃前材料，降低断裂临界值。 由于目前测试、观察手段的限制，对振动切削机理尚无统一看法它 仍将是今后研究的重要课题。 1 4 有关振动切削过程中的应力波的研究 佳木斯大学的顾立志等人m 1 提出了一种振动切削成屑机理的假说应力 波假说，认为t 振动切削与常规切削既有密切联系又有本质区别，两者均表现 在拉压应力作用下第一变形区的金属发生剪切滑移，并伴随裂纹的产生；不同 q 哈尔滨t 程大学硕十学仲论文 的是常规切削是切削变形区金属的受力状态基本彳 随时问变化，振动切削时被 加工工件的受力是变化的，微裂纹的产生主要是在交变应力场中，应力波的叠 加及反复作用导致疲劳破坏。由此振动切削时其刀具与工件之间的分离、冲 击、变速等特点导致切削应力的周期性变化。同时这种脉冲切削的周期性变化 直接导致切削时运动速度大小和方向的不断改变，刀具在小位移上得到很大的 瞬时速度和加速度，局部产生很高的能量。在这种应力波的迭加状态下会使振 动切削时当切屑被切离时其裂纹会与常规切削时的微观不同。这种微观不同会 使得振动切削表现出宏观上的许多突出的优点。如切削加工表面完整性大大改 变、切削加工精度高、切削表面层的耐磨能力大大提高等。 1 5 振动切削过程中应力波传播及其对裂纹影响的研究意义 1 5 1目前仍然存在一些有待解决的问题 人们对振动切削的试验研究和应用技术方面已经较为广泛，但对机理的 研究尚有较大距离，特别是对其机理的解释尚缺乏科学的定量描述； 由于对振动切削机理认识的不足导致了振动切削系统功率相对偏低，切 削装置和测试系统的系列化、商品化程度不够，在一定程度上影响了其应用和 推广。 超声振动切削研究多一些，取得了一定成果，而低频振动切削研究较 少。 如何将振动有效地传递到材料的塑性变形区，其中包括寻求更合理的激 振方式和设计最佳振动传输系统还需大大加强。 1 5 2 振动切削应力波研究的意义 通过对振动切削过程中应力波传播及其对裂纹的影响的研究促进了对振动 切削机理的研究。由于振动切削时的受力是变化的，通过研究可知应力波是如 何叠加及反复作用在被加工工件而导致其疲劳破坏。在交变应力场中，微裂纹 1 0 哈尔滨下程大学硕十学何论文 是如何产生的。将主要集中在振动切削状态下工件上多余金属是如何与工件相 分离并形成切屑的，通过对刀具与工件相互作用的力学分析；如利用断裂力学 的理论对振动切削机理进行微观研究并给出数学描述。对振动切削该方面的研 究可以使振动切削加工方法得到实质性的进展，使工业生产得到迅猛发展为人 类做出更大的贡献。 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 。第2 章振动切削过程解析 在普通切削过程中，切削是靠刀具与工件的相对运动来完成的，切屑和已 加工表面的形成过程，本质上是工件材料受到刀具的挤压而产生弹性变形和塑 性变形，使切屑与母体分离的过程；而振动切削则有所不同，在振动切削过程 中，刀具周期性地离开和接触工件，周期性地改变其运动速度和加速度的大小 和方向，周期地改变刀具工作角度，正是振动切削刀具所固有的这个特性才使 振动切削具有异乎寻常的工艺效果。 2 1 振动切削过程的运动学特性 振动切削是在切削过程中给刀具一定的振幅和频率的强迫振动，它不同于 传统的切削过程，是一种新型的脉冲切削加工方法m 1 。设振动切削时对刀具的 强迫振动为不衰减的简谐振动，即 式中：z 一刀具位移： 彳一刀具振动幅值； 缈一刀具振动角频率，= 幼厂；( 2 1 ) 厂一刀具振动频率； t 一时间； 九一刀具振动初相位。 价 一 一 刀具振动的速度为： 心闪昭一 w n 把t ，一 图2 1 振动切削刀具运动规律 1 2 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 k = 妄= 彳酬埘 刀具振动的加速度为： 口c | 鲁一卅c 0 2 s i n ( 耐圳 设工件的线速度( 切削速度) 为，不考虑走刀的影响h 羽， 对速度为： 矿= 皖+ 西 式( 2 4 ) 可写成标量形式为： ( 2 2 ) ( 2 3 ) 刀具与工件的相 ( 2 4 ) ，一+ a c o c o s ( o x + 唬) ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 可用图2 1 表示( 设九- - 0 ) 可见振动切削时刀具速度的大小和方向都在改变，所以刀具对加工材料的 作用具有动态性质，从图2 1 可以看出，刀具在t ，时刻其前刀面开始脱离切屑 并逐渐增大与切屑之间的距离，到达t ，时刻时刀具与切屑的距离为最大，之后 刀具开始接近切屑，在t ，时刻刀具前刀面又重与切屑接触进入切削阶段。刀具 与加工材料的接触为冲击式接触，冲击加速度极大，如当振动频率为 ，一2 0 0 h z ，振幅a 一2 0 0 u n ，进行振动切削时，刀具振动加速度可达3 2 0 9 ( g 为重力加速度) ，即刀具运动的加速度为重力加速度的3 2 0 倍，这是振动 切削的一个特点。刀具振动速度的最大值为吩一a r o ，若切削速度大于 等于刀具振动最大速度即之a r o 时，将不出现上述的前刀面与切屑分离的过 程。 令：七；旦 w a ( 2 6 ) 称k 为速度系数。当k 1 时，刀具前刀面与切屑不分离，为不分离型振 动切削；当k 1 时，刀具前刀面与切屑将出现分离现象，为分离型振动切削。 哈尔溟t 程大学硕十学何论文 2 2 振动切削系统的动力学分析 振动切削时的力学模型可简化成如图2 2 所示。 由该图可写出其动力学运动方程： 聊窘+ c 五, y 州i o ，, = 删 l + c += ，：i f )f 2 7 l 出2出 “7 。7 式中：坍一振动切削系统质量； 七一弹簧刚度； c 一阻尼系数： 一主切肖0 力。 图2 2 振动切削的力学模型 c ( f ) ；争磊+ 2 石f o 篇多1 刀s i n 等石c c o s 甩耐为振动切削的脉冲波形主切削力 的傅立叶级数展开。 式中：t 。一每周期内的切削时间； 丁一振动周期。 由( 2 7 ) 得： 1 4 哈尔滨t = 稃人学硕十学何论文 y ( t ) - - t 矿f 。薹 墨三s i n 堕 kn a g t s i n ( w t +( 2 8 ) 式中：一固有角频率。 亭一阻尼比系数。 当w w o 时，( 2 8 ) 式为： 州毒扣譬 由于振动切削容易实现w w o 而进行切削，保证在切削中只有静态分 量，即实 现加工时只有y ( f ) 一驴譬，工件呈刚性化，使切削处于最佳的平稳状态，达到 提高生率，提高了工件的加工精度和表面光洁度的效果。 2 3 本章小结 本章对振动切削的过程进行了解析，从运动学和动力学两种角度进行分 析。为以后各章节打下基础。 通过设振动切削时对刀具的强迫振动为不衰减的简谐振动，进行分析，并 设速度系数k = 每。当k21 时，刀具前刀面与切屑不分离，为不分离型振动 t o l l 切削；当k 0 处，应力值随着离开0 点处的 距离按指数规律衰减。 在距0 点x 处的应力值为：t r y , = c r o e 一( 3 2 3 ) 其中a 为应力衰减系数： 细 a 毫= 一 2 c 0 2 4 ) 式中：矿一应力波由于阻尼引起的相位滞后角； 珊应力波的角频率。 在振动加工中，阻尼较大，频率较高，而弹性模量较低，材料的密度较大 时，应力衰减就会很大。 3 3 5 振动切削时工件中应力波的反射 d 一胪 一e p e，y 竺e 扣 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 当工件中的应力波传到工件外轮廓时，就会发生应力波的反射现象。其反 射现象符合反射定律。这里要强调一点，在工件的自由面( 不受约束的外轮廓 面) 和约束面波的反射有所不同。以入射线与工件的自由面和约束面相垂直的 这种形式来说：在工件的自由面处拉伸波的反射波是类似的压缩波；而压缩波 经自由面反射后为类似的拉伸波。而在工件上被约束的面处，压缩波的反射波 不变，仍是压缩波；拉伸波的反射波也不变，仍是拉伸波。以下用图示加以说 明。 m ( b ) 图3 5 波射线垂直于工件边界时的反射 在图3 5 ( a ) 中，当波传到自由面mn 时，此时由于在自由面的右侧的质 点没有约束，所以在m n 面上微元的应力总是为零，这是自由面的边界条件， 所以对于边界上的微元来说所受的合应边为零，如果入射波是拉伸波，则满足 边界条件，其反射波定是压缩波；如果入射波是拉伸波，则其反射波是压缩 波。 在图3 5 ( b ) 中，当波传到约束面m n 时，此时由于在约束的限制下，则 在边界上的各微元的速度总为零，这是约束面的边界条件，所以对于边界上的 微元来说，如果入射波是拉伸波，由于边界的约束，所以产生反作用波也为拉 伸波。如果入射波是压缩波，则反射波也是压缩波。 但在实际加工中，由于各点的应力状态是随变的，所以应力波的反射现象 是相当复杂的。当应力波向工件的边界传播时，其波形、速度、和方向都会有 所改变。 哈尔滨r 程大学硕十学位论文 工件外边界 y ba 釜 ， 痧i 寒 7 弋 a ，a i v v 工件 、 么 o a f ，c x 图3 6 应力波的反射与折射 可以通过图3 6 来描述。图中a o 为入射线，b o 为反射线，o c 为折射 线；a i 为入射角，a ，为反射角，a f 为折射角，波振面与各自的射线垂直。 设入射线所对应的波阵面的方程为： 厂0 ，y ) 一a x + b y + r o t ( 3 2 5 ) 为了使以下分析有针对性，在这里，将入射波设为膨胀波。 设其应变势为： = a e ( “+ 砂+ 耐) ( 3 2 6 ) 入射角为： 作： 望 t 锄q 号詈 ( 3 2 7 ) 砂 入射角到达工件边界时，将分解成反射波和折射波，两者的位移分别记 u ，v r ，q ；u f ，v f ，g o f 在工件的边界面上必须满足位移面力的连续条件： ( 3 2 8 ) 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 比j + “，= “，屹+ 匕一y ，q = 叶( y 一0 ) ( q ) ；+ 慨) ，；魄) ，1 ) ；+ 咏) ，；哌) ， ( y ；o ) ) r + 心) ，一心) ，i ( 3 2 9 ) ( 3 3 0 ) 为了满足连续条件，可以认为入射波、反射波、和折射波具有相同的频 率，同时沿x 轴的方向的传播速度也一样，因此有： 三三篓 v 一阮q 盯w 州 雌一耽q 甜w 州i 三鞫 1 ，2y e 、 。 7 吩2 e 、 l 解( 2 ) 式中：g 一切变模量； a 一拉梅常数。 能够看出解( 1 ) 对应一个膨胀波，解( 2 ) 对应一个畸变波。 而且解( 1 ) 反射角等于入射角； 解( 2 ) 的反射角： ( 3 3 1 ) ( 3 3 2 ) 求出反射波 ( 3 3 3 ) ( 3 3 4 ) 哈尔滨t = 稗人学硕+ 学位论文 咖咿一引邺2 詈 ( 3 3 5 ) 可知畸变波的反射角是小于入射角的。 以上讨论的是入射线是膨胀波的情况，如果入射线是畸变波，也会产生类 似的反射。因为任一应力波都可以分为膨胀波和畸变波，当这一波遇到平面反 射时，就会产生四个反射波，而且反射角也发生变化。所产生的波互相干涉而 形成复合波。 通过以上分析可知在振动切削时，工件的外轮廓面对由振源引起的应力波 的反射现象是非常复杂的。在加工时对切削区的影响也十分复杂。 3 3 6 振动切削中工件中应力波的叠加 在振动切削中应力波的起源是由于波源的振动，即为了改善切削功效而给 刀具所加的一定频率和振幅的振动而引起的。而在加工过程中的应力波的传播 是由于被加工工件中质点的相互作用。在刀具的作用下，工件中的微元会产生 应力的周期的变化。而在加工过程中，任何一点的应力波都将引起与之邻近的 各点的应力的变化，而且这种变化也是周期性的。于是，在应力波的传播的影 响区内的任何一点都可看作新的波源，这一点是符合惠更斯原理的。 应力波的叠加完全符合波的叠加原理： 1 ) 应力波若在工件中相遇后再分开，其传播情况与未相遇时相同，互不 干扰； 2 ) 在相遇的区域内，质点的应力是各不同应力波的叠加值。 但对于振动切削，工件中的应力波的叠加有其特殊性，在波的叠加区域 内，其应力超过材料的屈服极限时，在这个区域内就会有塑性变形，而在塑性 变形区内，应力波的幅值会衰减，传播速度会降低；当其应力超过了材料的极 限应力值时，就会在该区域内产生破坏，产生裂纹。一旦有裂纹产生，则各应 哈尔滨t 稃人学硕十学位论文 力波在裂纹处就会产生非常大的变化，其传播的方向、波的振幅和频率都会改 变。总的来讲，应力波的能量会在裂纹产生时被大量消耗。 3 3 7 应力超过材料屈服极限时应力波的传播 在振动切削时，外加载荷的作用下，当应力达到了材料的屈服极限时，这 时在切削区内就会产生塑性变形，此时，应力波在工件中传播就有两种情况， 一种为弹性波，一种为塑性波，塑性波的传播因为受材料的塑性变形的影响， 波阵的速度是低于弹性波速度的。但其它的性质与弹性波相似。 3 4 本章小结 本章给出了应力波的概念，并根据振动切削相当于冲击载荷作用于工件 上，对弹性体在冲击载荷作用下激发的应力波加以分析，并且重点讨论了应力 波在工件中的传播特性。通过分析可知，在振动切削过程中，工件中应力状态 是十分复杂的，就应力波的反射现象作了重点分析，通过分析看出当一个应力 波遇到工件表面时，应力波可以分为一个膨胀波和一个畸变波，而遇到工件界 面反射时会产生四个反射波，所产生的波互相干涉而形成复合波。各点的应力 值是由各应力波叠加的结果。 哈尔滨_ 1 ：稃人学硕十学位论文 第4 章振动切削中应力波传播的有限元分析 振动切削时被加工工件的受力是变化的，微裂纹的产生主要是在交变应力 场中形成，正是应力波的叠加及反复作用导致材料的疲劳破坏使振动切削有许 多优点。为了揭示振动切削时应力波作用在被加工工件上的效果和反应在冲击 载荷作用下工件中的应力和应变的随变过程，本章基于低频振动切削系统，采 用有限元分析软件a n s y s 对振动切削时工件的受力过程进行有限元分析从而 揭示振动切削的微观机理，表明振动切削加方法有利于微裂纹的萌生与扩展， 并降低了刀屑间的摩擦，使切削力降低，加工精度提高。 4 1 低频振动切削系统 4 1 1 压电式振动切削驱动系统 1 5 4 。 图4 1 压电式振动切削驱动系统 1 切削刀具2 刀架3 压电陶瓷 4 压电陶瓷驱动电源5 计算机 在低频振动切削系统中，由于振动频率很低，相对超声波振动切削系统， 对系统的要求不高，可以采用比较简单的手段实现刀具的振动并进行切削加 哈尔滨t 稃人学硕十学位论文 工。如采用如图4 1 所示的压电式振动切削系统时，其中刀架是以压电陶瓷作 为振动源，其原理是由计算机的时钟频率产生延迟，对压电陶瓷电源进行控 制，产生相应振动频率；同时由计算机输入振动幅值对压电陶瓷电源的输出电 压进行控制，产生相应振幅。压电陶瓷电源输出信号经压电陶瓷产生机械伸缩 振动，驱动刀架作周期性运动，实现振动切削加工。可产生振幅 a ：0 1 5 a n ，并由软件调节，使用方便。但压电陶瓷输出功率有限，无法完 全满足振动切削加工的要求；由于振幅有限，若要满足刀一屑分离的临界速 度，则主切削速度v 。很低。 4 1 2 振动切削反馈信号测量系统 磁力 图4 2 振动切削系统反馈信号测量系统 振动切削系统反馈信号是指给定压电陶瓷信号的情况下，测刀尖振动的振 幅及频率，得到真实刀尖的运动参数，便于修正理论给定参数值。它是由示波 器、d w s 型超精密振动一位移测量仪、电涡流传感器、刀具及磁力表座组 成，如图4 2 。 4 1 3 振动切削测力系统 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 4 5 图4 _ 3 辗动切削测力系统 1 、测力仪2 、连接刀杆3 、压电陶瓷振动刀架4 、车刀 5 、机床 测力系统由测力传感器( s d c 系列测力仪) 、应变信号放大器、d 板组 成。测力系统通过传感器测量车刀刀尖处的x 、y 、z 三个方向上的力的大小， 将力的大小转变成电信号，并经放大器将电信号放大，经过a d 板将电信号传 给计算机，通过数据采集及处理软件f a s _ 加s ，获得力的大小嘲。 测力系统结构示意图如图4 3 所示。 4 2 问题描述 根据振动切削的根本特点，对被加工工件进行3 d 建模，并根据实验时所 采用参数和通过测力系统测得的数据对模型进行加载并求解。 4 2 1 具体加工条件 工件材料黄铜，试件尺寸# 6 r a m ； 切削用量：切削深度口，= 0 5 r a m ，进给量厂= o 1 5 3 r a m r ； 机床转速：n = 1 4 r m i n ( 切削速度l ，= 2 6 4 m m m i n ) ； 刀 具：前角) ，= 1 5 0 ，后角口o ；6 0 ，主偏角r ，一9 0 0 ，副偏角 3 1 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 i c r 一5 0 ，刃倾角t = 0 0 ，刀尖圆弧半径r j = 0 5 r a m ； 振动参数：振幅a 一1 0 o n ，频率：6 0 ，1 0 0 ，1 5 0 h z 。 通过给刀具不同的频率，对应测得的主切削力方向上的值如下表所示： 表4 1 振动频率对切削力的影响实验数据表 4 2 2 切削过程分析 加工过程中工件的线速度为： = n 0 ，一2 x n r 一2 x 3 1 4 x 1 4 x 3 2 6 3 7 6 m m r a i n 临界切削速度： 匕一2 x 乒4 2 x 3 1 4 x 1 5 0 x 1 0 x 1 0 句x 6 0 5 6 5 2 r a m r a i n 速度系数： k 竖；2 6 3 7 t 5 ；0 4 6 7 匕 5 6 5 2 此时k 1 ，这时振动切削为分离型振动切削。切削时切削力以冲击载荷形 式作用于工件。 4 3 有限元分析过程 采用a n s y s 软件的强大的分析功能，更直观的对振动切削过程中工件受 冲击载荷作用时在切削区的应力进行求解。 4 3 1 几何建模、单元类型及材料特性 里尘丝! ；! ：尘茎堡! ：! 堡：! 兰 圈4 0 被加工工件实休模型 为了能够揭示振动切削的微观机理，本论文对低频振动切削过程中工件受 力进行了简化处理。当切削时刀具的切削速度小于临界切削速度时能使刀屑实 现分离，净切削时间降低，刀具动态冲击效果明显。同时振动切削使切削力和 能量集中在切削刃前方工件材料很小的范围内。根据振动切削的特点和加工时 所采用的刀具情况建立振动切削时的工件的几何模型。如图4 4 所示。 在切削过程中，刀具作用于工件，应力波的产生和影响主要是在切削区 内，所以为了简化分析