毕业设计（论文）-超声振动条件下外加载荷对车刀受力状况影响.doc

毕业设计超声振动条件下外加载荷对车刀受力状况影响 周佳佳三112011205机械工程系学生姓名： 学号： 机械设计制造及其自动化系 部： 梁红玉专 业： 指导教师： 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： 超声振动条件下外加载荷对车刀受力状况影响 系部： 机械工程系 专业：机械设计制造及其自动化 学号： 112011205 学生： 周佳佳 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；分析外加载荷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）应用有限元法分析外加载荷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外加载荷之间的关系。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姜静.振动切削应力波传播有限元分析D.哈尔滨工程大学,2008. 2陈雪春.基于ANSYS的梯形螺纹车刀强度有限元分析J.机械制造与研究,2007.3董桂英.超声振动切削刀具设计J.机械设计与制造,2012. 4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3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4日4实验验证有限元分析结果5月5日6月1日5完成毕业论文及答辩工作6月2日6月22日审核人： 年 月 日超声振动条件下外加载荷对车刀受力状况影响摘 要：随着科学技术的发展，高精度、高精密技术扮演着越来越重要的角色。对于一些特殊材料和复杂形状的工件，只能采用特种加工技术，其中进展尤为迅速的是超声加工技术。超声振动切削是把具有某个振幅的高频振动应用到刀具的运动过程中的一种切削方法，具有切削力小、加工精度高、加工表面质量好等特点。如今它已经深入到战略发展、经济发展、社会科学和科技研究等各个领域。本文首先详细了解了超声振动原理，通过有限元软件模拟了振动切削过程。其次我们用ANSYS 有限元软件对无涂层车刀和有涂层车刀进行了模态分析，研究振幅，外加载荷，振动频率对两种车刀磨损情况的影响。最后我们进行了试验验证，并对超声波振动切削45号钢的切削参数进行了优化分析，对比了两种车刀的磨损程度，并得到结论。关键词：超声波；振动切削；有限元分析The effect of the stress state of tool under the condition of ultrasonic vibration loadsAbstract：With the development of science and technology, high precision and high accuracy technology plays a more and more important role. For some special materials and work piece of complex shape,can only use special processing technology, in which progress is particularly rapid ultrasonic machining technology. Ultrasonic vibration cutting is a cutting method to have a certain amplitude of high frequency vibration applied to the cutting tool in the process of the movement with a small cutting force, high machining precision and good machining surface quality. Now it has deeped into the strategic development, economic development, social science, technology research and other fields.This article first detailed understanding of the principle of ultrasonic vibration, through the finite element software to simulate the vibration cutting process. Secondly we use the finite element software ANSYS to uncoated tool and a coating tool for modal analysis, the amplitude, loads, the impact of vibration frequency of two kinds of tool wear. Finally we test verification, analysis and optimize the ultrasonic vibration cutting 45 steel cutting parameters, compares the two kinds of cutting tool wear degree, and get the conclusion. Keywords: Ultrasound; Vibration cutting; The finite element analysis目 录1 绪论11.1 课题目的及意义11.2 国内外研究发展现状21.2.1 国外振动切削技术的发展与现状21.2.2 国内超声振动切削技术的发展与现状51.3 论文的主要研究内容62 超声振动切削的机理72.1 超声波的基本原理及特点72.2 超声波加工的基本原理72.2.1 超声振动切削原理72.2.2 切削力的影响102.2.3 振幅的影响122.2.4 切削速度的影响143 超声振动切削系统建立163.1.1 换能器163.1.2 变幅杆173.1.3 超声波信号发生器173.1.4 振动切削刀具184 超声振动切削有限元分析软件模拟194.1.1 ANSYS软件的简介194.1.2 模态分析过程194.2 本章小结225 切削实验的进行与研究235.1 切削实验235.1.1 实验设备的选择235.1.2 车床的工作条件245.1.3 实验过程245.1.4 实验结果255.2 本章小结266 总结27参考文献28致 谢30III太原工业学院毕业设计21 绪论1.1 课题目的及意义 超声技术开创于上世纪初期，经过将近一百年的研究，超声技术成为了声学发展中最为迅速的一项技术，如今它已经深入到战略发展、经济发展、社会科学和科技研究等各个领域。 超声技术是通过超声波发生、传递扩散及接收的物理过程完成的。利用声波的能量使工件的状态发生变化，称为功率超声；利用声波来获得信息，称为检测超声。功率超声在超声学研究中占有很大的比重，随着科学技术的发展，其应用涉及航天、海洋开发、防御战略、生物开发工程等领域。 功率超声技术在振动切削方面应用范围很大，超声振动除能对一般常见材料进行加工外，还能对高硬、软、薄、脆等性能材料进行加工。超声辅助振动切削是超声加工技术的重要组成部分，它的优势远大于普通切削，它是通过在普通的切削刀具上施加高频振动，让刀具间歇性切削工件表面，从而使一般切削方法发生了本质上的改变。它可望处理普通切削加工中的某些硬性困难，如切削中的振动和切削热变形等，以至于能够达到一个不错的切削技术标准。 振动切削是通过在切削刀具上添加某种有周期性变化的、能够控制的振动，使切削速度、切削深度发生有规律的改变，从而达到特别的切削效果的技术。振动切削使得刀具和工件之间的空间时间存在的条件发生了变化，从而改变了加工(切削)原理，达到减小切削力、切削产生的热，提高加工质量和效率的目的。振动切削按所加频率高低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产生条件，这样可以使得断屑现象减少以及优化其他有关的缺点。而超声振动即高频振动切削已经很大程度上改变了加工原理，可以增加工件的可加工性，使得刀具使用寿命延长和工件加工质量的提高。超声加工的工艺效果来自刀具和被加工材料之间的分离运动，即它是一种脉冲式的间断加工过程。 因为刀具的脉冲切削作用，减少了切削变形区的摩擦和塑性变形，使切削力和切削温度减少了很多，起到了改善零件加工表面质量与加工精度，延长刀具使用寿命，提高切削效率的作用，并扩大了切削加工的应用范围，可广泛用于车、铣、刨、磨、螺纹加工及齿轮加工等方面。超声波辅助振动切削与普通切削相比有以下优点： 1) 切削温度降低； 2) 工件表面没有撕裂与拉沟现象，表面粗糙度降低； 3) 切削稳定，提高了工件加工精度，使圆度及柱度误差降到了很低； 4) 硬化了工件表面，增加了使用寿命； 5) 刀具使用寿命增加； 6) 切削力和消耗功率减小； 7) 提高了生产效率。 普通的切削加工中硬性的困难因着超声辅助振动切削的出现得到了解决，如切削中的振动和切削热变形等，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。本论文将对超声振动切削进行研究，借助软件，通过对机理，仪器和试验的研究，应用到实际处理过程中，以提高工件的可加工性、延长刀具使用寿命并降低加工成本为目标进行工艺创新。1.2 国内外研究发展现状近半个世纪来，超声技术的研究进展飞速，其应用涉及到的范围越来越广，已涉及到工业、农业、国防、电子、能源、材料、生物技术、医药卫生和环境保护等行业部门，并迅速的扩大到新的应用领域，诸如超声马达、超声切削、超声清洗、超声化学、超声悬浮等领域。超声加工的范围非常广泛，目前主要应用在下列几个方面：超声钻孔、超声切削、超声研磨和抛光、超声金属塑性加工。超声波振动切削可广泛地用于车、刨、铣、磨、螺纹加工及齿轮加工等方面。14 1.2.1 国外振动切削技术的发展与现状 近年来，日、美、俄、英、德等工业发达国家对超声振动切削这一新技术做了很多研究，在工业上的应用越来越广泛。从研究的深度、广度以及实际应用效果来看，日本对超声振动的研究一直领跑其他国家。上世纪七十年代，日本对振动切削与振动磨削方面的研究已经运用到实际应用中。研究超声振动切削理论与应用技术奠基人隈部淳一郎教授16，他在1956 年首先提出了系统的振动切削理论，把振动切削理论成功地应用于车、刨、铣、钻、镗、铰、拉、磨削、螺纹加工、齿轮加工、抛光、珩磨、拉伸与挤压等冷热加工领域，得到了令人惊讶的结果和明显的经济利润。欧洲的一些国家也对超声加工的机理深入了解，并在学术论文上做出了贡献，也广泛运用到实际生产中。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，超声参数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 Inconel 718 进行了深入的研究。D.E Brehl 和 T.A Dow对一维振动切削机理开展运动学分析归纳，建立理想化的一维振动切削模型，给定了刀具相对工件的位置方程和速度方程分别为,如图 1.1 所示。分析不同时刻下刀具与工件的相对位置关系，指出水平相对速率是切削过程中实现间断切削的关键参数，并且当水平相对速率小于 1 时，刀具与待切削材料才能够发生分离，实现间断切削；此外，还指出在间断切削状态下，刀具在一个振动周期内切削工件时间的比率 早乙女辰男，佐藤啓仁进行了超声波振动切削相关研究：背分力方向振动切削机理分析与实验研究，通过对背分力方向振动切削机理分析，得出实现断续切削相关参数的限制条件，在此基础上进行车削铝合金实验，得到断续切屑与良好的加工表面，从而认为一定条件下背分力方向振动车削能够实现精密加工；此外，针对圆筒形零件表面粗糙度与圆度，在此研究的基础上，偏转一定振动方向角度进行理论基础研究，分析背分力振动车削的进给速度与偏转角度对表面粗糙度理论值与圆度的影响规律，借助实验研究结果，得出实验值与理论值变化趋势相似，因此认为系统稳定性与表面粗糙度理论分析正确合理。 在 20 世纪 90 年代，日本学者社本英二，森肋俊道首先提出了椭圆振动理论，进行了理论与实验研究，发现椭圆振动切削中切屑厚度与切削力有显著的降低，并获得良好的加工效果适用于精密加工，椭圆振动切削原理如图 1.2 所示，椭圆振动方程轨迹：H. Jamshidi, M.J. Nategh考虑刀具切屑间的摩擦行为在切削力学中扮演着重要的角色，他们提出一个摩擦模型，认为刀屑间的摩擦力、法向力、刀具切屑接触长度、摩擦系数和应力分布都是具有影响力的因素。通过实验研究，结果表明超声振动车削力的降低不能归因于刀具切屑间摩擦系数的减小，只是比起摩擦力的减小法向力减小更快。C.X.Ma, E.Shamoto基于超声椭圆振动切削原理提出径向力模型，开展切削力实验研究，结果表明超声椭圆振动切削径向力降低显著。 Celaya,A., Campa,F.J.开展软钢超声振动车削随切削参数变化的影响规律实验研究，借助高速摄像观测切屑的形成、红外摄像机测量温度、表面粗糙度和刀具磨损进行分析，认为超声振动车削在对提高表面粗糙度、降低刀具温度和提高刀具寿命方面具有相当优势。 Jerald Lee基于扩散方程进行刀具磨损理论计算与数值模拟，认为刀具与工件材料相近时扩散磨损是刀具磨损的主要原因，观察采用超声振动切削方式下的刀具磨损有显著降低；此外，分析实验切削力与刀具磨损数据认为高频与大振幅更适合作为振动切削参数。Chandra Nath 和 M. Rahman深入研究超声振动切削过程中对切削力随刀具振动频率、刀具振动幅值和切削速度变化影响规律，首次提出刀具-工件接触率(tool-workpiece contact ratio，TWCR)，利用增加振动参数值与减小切削速度来降低TWCR，开展超声振动切削与传统车削 Inconel718 实验研究。结果显示，切削平均力和刀具磨损量随着接触率的降低而减小，并且改善加工表面质量，从而进一步验证 TWCR 理论正确性。 在 20 世纪 40 年代早期，R.Courant 首次提出有限元法。七十年代，取代其它分析精度较低的传统方法被用于模拟切削加工工艺分析。有限元仿真方法在切削加工理论研究中得到广泛应用，有助于科研人员深入了解超声振动切削加工特点，优化相关工艺参数。 A.V.Mitrofanov 和 V.I.Babitsky借助 MSC-Marc/Mentat 软件建立弹塑性有限元模型模拟刀具切屑间微观结构，比较切削区域的应力分布水平，刀具与切屑接触时间。此外，还利用高速摄像机对切削区域进行拍摄，纳米压痕技术对切削区域和变形过程进行讨论分析，结果显示采用超声振动加工的切削力明显减小。为掌握刀具几何参数变化对切削力的影响规律，S.Amini和H.Soleimanimehr利用 MSC-Marc 和 Ansys 研究超声振动切削 Inconel-738 过程，得出切削力和应力随振幅与切削速度增大而增大，后角变化对切削力影响不大，切削力随刀具前角减小而增大。A.V.Mitrofanov 和 V.I.Babitsky建立了一个包括传统车削与超声振动车削弹塑性材料的热力耦合模型，并用 Johnson-Cook 材料模型表征镍基合金 718 开展数值模拟分析，利用纳米压痕技术研究不同切削方式下的切削加工层的塑性变形和残余应力分布，解释超声振动切削下切削力与切削温度的降低原因。A.V.Mitrofanov 和 V.I.Babitsky利用 MSC/MARC 软件建立二维热力耦合有限元模型，考虑温度场、应变率、塑性流动所产生的热量以及刀具与工件间摩擦，讨论振动切削与传统车削摩擦对温度影响，对切削区域、刀具温度场仿真结果与红外温度仪测量数据进行对比研究。Jerald L.和 James F.Cuttino对振动切削降低刀具磨损研究分析认为，多数刀具早期磨损归因于化学机制，开发了基于扩散与温度之间的强耦合进行理论刀具磨损模拟计算，仿真结果显示温度随着切削速度增大而逐步升高，随着振幅和振动频率增加而降低。1.2.2 国内超声振动切削技术的发展与现状 为深入研究超声椭圆振动切削特性，中国石油大学王桂林利用有限元软件建立超声椭圆振动切削有限元模型，依据运动方程分析并推导出空切削占有率、振纹残余高度、振动频率以及振动幅值相互间的关系，阐明了超声椭圆振动车削表面质量、加工精度、加工效率三者间的相互关系。开展有关超声椭圆振动切削方式下的切削力与表面粗糙度工艺效果实验研究，进而验证了超声椭圆振动切削加工在减小切削力、提高表面质量方面的工艺优势。 北京航空航天大学李勋在充分认识超声椭圆振动切削过程中刀屑分离状态能有效地减小切削力、限制加工过程颤振、改善零件加工表面质量和延长刀具的使用寿命等优势的基础上，深入研究椭圆振动切削过程和表面微观形貌形成机理，分析切削实验结果得出，刀屑不分离的状态下超声椭圆振动切削依旧保持有减小切削力、限制加工颤振、提升加工表面质量等方面的工艺优势；此外，刀屑不分离状态下的超声椭圆振动切削的加工效率是分离状态的 23 倍，而上述优势特性随着速率比值的增加而逐步削弱，当速率比值超过 3 之后振动切削工艺优势基本消失。马春翔，Eiji Shamoto通过理论与实验证明在切削刀具上增加超声椭圆振动能够有效限制了传统切削过程中的再生颤振现象，对于精密加工刚度不足的零件是非常有意义的。 陈杰等开展超声振动车削实验研究零件加工尺寸精度随切削速度、进给速度与振幅变化影响规律，实验数据表明一定切深条件下对圆度的影响最大参数是进给速度、最小的是切削速度；对圆锥的影响最大参数的是振幅、最小的是进给量，并认为车削系统的不良振动随着切削速度、进给量的增加能够得到明显抑制。为优化振动参数，四川大学何俊等数值模拟不同切削参数下超声椭圆振动切削中相关物理参数，分析对切削力与切削温度受椭圆切削轨迹变化的影响规律，认为随振幅、振动频率、相位差增大上述两物理量逐渐减小，而相位差继续增大切削力与切削温度逐渐增大。1.3 论文的主要研究内容普通的切削加工中硬性的困难因着超声辅助振动切削的出现得到了解决，如切削中的振动和切削热变形等，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。本论文在此背景之下，拟开展如下研究工作： 对超声辅助加工技术进行国内外文献检索与调研，了解该技术的研究发展概况； 以超声波辅助车削为研究对象，建立超声波辅助振动车削试验系统；包括对超声波发生器、换能器及调幅器的选型、安装和调试；利用 F.E.A 方法设计超声波纵向振动车刀及其装夹装置； 以 45 号钢为试验材料，进行超声辅助车削试验，探索该材料的超声辅助切削加工性能； 基于有限元分析，探索超声切削加工中切削力的变化规律； 探索超声振动系统的振幅 a，切削速度 v 对超声辅助振动车削性能的影响，并进行试验验证。 2 超声振动切削的机理2.1 超声波的基本原理及特点 超声波具有波长短、能量大、传播过程中反射、折射、共振、损耗等现象显著的特点。在不同介质中，超声波传播的速度 c 也不同，它与波长 频率 f 之间的关系下式表示： （2.1）2.2 超声波加工的基本原理振动切削是通过在切削刀具上添加某种有周期性变化的、能够控制的振动，使切削速度、切削深度发生有规律的改变，从而达到特别的切削效果的技术。振动切削使得刀具和工件之间的空间时间存在的条件发生了变化，从而改变了加工(切削)原理，达到减小切削力、切削产生的热，提高加工质量和效率的目的。振动切削按所加频率高低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产生条件，这样可以使得断屑现象减少以及优化其他有关的缺点。而超声振动即高频振动切削已经很大程度上改变了加工原理，可以增加工件的可加工性，使得刀具使用寿命延长和工件加工质量的提高。超声加工的工艺效果来自刀具和被加工材料之间的分离运动，即它是一种脉冲式的间断加工过程。2.2.1 超声振动切削原理 超声振动切削的原理如图 2.1 所示。刀具做周期性的往返运动，工件以固定速度旋转，振动切削过程主要分四个阶段。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 Vc 向右运动，刀具运动轨迹如图 2.2 中正弦曲线所示，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，开始与刀运动方向相同；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 Vc 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，刀具又脱离接触（图 2.3c），如此反复循环进行。这就是超声振动切削过程。 刀具的位移： （2.2）刀具的运动速度： （2.3）刀具开始离开工件的时间应满足 （2.4）代表刀具速度，表示刀具在 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为: （2.5）从上式可知，若 了，则上式不成立，这意味着刀具不能脱离工件。当切削速度 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 时，刀-屑之间存在分离状态，称为分离型超声车削。超声振动切削中把称为临界切削速度。 （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，则定义净切削时间比 r 为： （2.7）式 2.7 即为净切削时间比的定义。2.2.2 切削力的影响 普通车削过程中，车刀以一定的力挤压旋转的工件，刀和工件始终接触，其切削力基本上是一个较为平稳恒定的值，在图示上是一条直线，如图 2.4 所示：而超声振动切削过程是一个间歇切削过程，刀具沿着切削方向一面高频振动，一面把整个切屑长度分割成的细小部分进行切割。只有在时间 Tc 过程中，才会产生切削力，其切削力波形如图 2.5 所示：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 1/10-1/3。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，本文从净切削比r的角度解释了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，振幅可调。在其他参数不变的情况下，振幅由10 m 提高到16 m ，如图2.6所示， 和 的波形图。当振幅为时，刀具切削时间为,当振幅为 时，刀具实际切削时间为 ,由图可得 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 分别为振幅10 m 和16 m 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，本文从净切削比r的角度解释了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15 m ，在其他参数不变的情况下，改变切削速度，并设两个速度和，且，图2.7为在两种速度下的波形图。 图示可知，在不同波速下，当速度大时首先会切削，当切削速度为时，刀具切削时间为,当切削速度为时，刀具实际切削时间为，由图可得而超声频率f=20KHZ是不变的，故周期T相同，由方程式（2.7）可得，分别为切削速度为和时的净切削比。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。 3 超声振动切削系统建立超声振动切削系统主要由换能器、变幅杆、切削刀具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。磁致伸缩换能器是通过某些铁磁材料及陶瓷材料所具有的磁致伸缩效应而制成的一种机声转换发声器件。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容易调整，便于掌握；换能器耐用性好；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 3.1.13.1.2 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。目前变幅杆的产品种类繁多，下图为几种变幅杆的产品。超声波变幅杆图 3.1.23.1.3 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。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图片。 超声波信号发生器 图 3.1.33.1.4 振动切削刀具本文切削模拟以及实验验证均采用硬质合金刀具。硬质合金具有硬度高、耐磨、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。硬质合金刀具在超声振动切削中可以得到很好的加工效果，得到了广泛的应用。4 超声振动切削有限元分析软件模拟在振动切削系统中，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。4.1.1 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。4.1.2 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：(1)创建几何模型图 4.1真实刀具的参数如图4.1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4.2图 4.2(2)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4.3； 图 4.3(3)加载数据 在刀尖上施加如图4.4所示的载荷图 4.4(4)结果分析 由下图4.5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。 图 4.54.2 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。5 切削实验的进行与研究5.1 切削实验 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，本次试验主要研究了主轴转速对车刀磨损的影响。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，在一定进给量和车刀向前运动速度条件下进行，然后观察车刀的磨损情况，简介的对实验理论进行验证。5.1.1 实验设备的选择由于条件的限制，本实验机床选择CA6140机床，虽然超声加工车床属于精密工型机床，但是CA6140机床经过调整也能做出类似的效果。该实验中的车刀一共有两种，一种是型号为YT15没有涂层的焊接车刀,如图5.1，另一种是型号为TNMG160408的涂层车刀，如图5.2。 图 5.1 图 5.2 实验中的刀具选用碳化钨硬质合金刀具，切45号钢在短时间内磨损情况不明显，因此选用不锈钢材料的圆柱体工件。如图5.3 图 5.35.1.2 车床的工作条件车床主轴的轴向串动和径向跳动应调整到最小，车床大小拖板不能有前后左右的摇动，在进给时要平稳，调整车床驱动电机主轴和传动皮带轮之间的安装位置，使电动机在旋转时产生的振动最小，调整主轴变速箱齿轮和进给箱齿轮，使他们的传递误差最小。5.1.3 实验过程在CA6140机床上进行切削实验，分别改变车床的主轴转速，进给量，切削速度，让车床连续切削7-8个小时，观察工件表面以及车刀的磨损情况。实验数据如下： 焊接车刀转速r/min290570800进给量mm/s0.240.240.24 涂层车刀转速r/min80012001600进给量mm/s0.240.240.245.1.4 实验结果焊接刀具未加工前如图5.4a，其在转速为290r/min的条件下的磨损情况如图5.4b，在转速为570r/min的条件下的磨损情况如图5.4c，在转速为800r/min的条件下磨损情况如图5.4d。 a b c d图 5.4涂层刀具未加工前如图5.5a，其在转速为800r/min的条件下的磨损情况如图5.5b，在转速为1200r/min的条件下的磨损情况如图5.5c，在转速为1800r/min的条件下磨损情况如图5.5d。 a b c d图 5.5分析实验结果，可以得出当增加车床的主轴转动速度时，在相同的切削时间转速越快车刀磨损情况越明显。由此得出主轴转速是影响涂层刀具磨损的重要因素，也即切削速度是重要因素，可以推断主轴转速也将影响涂层的剥落。5.2 本章小结本章主要是通过实验来验证车刀的磨损情况，在不同的主轴转速下，让车刀切削相同的工件，然后观察车刀的磨损情况，在这儿改变主轴的转动速度相当于改变振动频率，从而验证振动频率与车刀涂层剥落的关系，从而达到实验目的。6 总结通过长时间的调研以及查阅有关超声振动的文献，基本上了解了超声振动切削系统的基本原理，以及国内外超声振动切削技术的发展及应用情况，本文建立了超声切削系统，利用ANSYS软件进行了超声振动切削的仿真模拟，并进行了车削实验。现对本文的所做的工作进行总结:(1) 基本了解了超声技术以及国内外超声技术的发展及应用情况，掌握了超声振动系统与超声振动切削系统的原理及运行。(2) 学习了超声振动切削的基本理论，超声振动切削理论包括三部分，分别为超声波的基本原理、超声波加工的基本原理以及超声切削加工的基本原理。(3) 建立数学模型，刀具材料采用硬质合金，进行ANSYS模态分析。(4) 进行车削实验，由于试验条件有限，我们在普通车床上进行车削来观察并验证涂层与非涂层刀具在相同的条件（主轴转速、切削深度、进给量）下磨损情况分析，实验表明涂层刀具比没有涂层的刀具更耐磨，使用寿命长。(5) 根据理论研究以及软件模拟得知，外加载荷越大，车刀磨损越严重。参考文献1段忠福.超声波振动辅助车削系统机理分析D.上海交通大学.2010.2袁艺，吕彦明.超声波振动切削应用范围理论探讨.华北工学院19903期.3黄景荣；超声振动切削中的振幅衰减及其危害J.合肥工业大学学报.19901.4李旭，刘震.超声加工中振幅衰减的原因分析J.中国民航学院学报.20001.5李勋,张德远.不分离型超声椭圆振动切削试验研究J.机械工程学报. 2010.46(19):177-182. 6王红飞.超声振动车削加工的研究现状及进展J.机械设计与制造,20