（机械制造及其自动化专业论文）振动切削应力波影响下的裂纹萌生及成屑机理研究.pdf

佳木斯人学硕士学位论文 摘要 振动切削是近年来发展起来的一种新型切削加工技术与理论，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， 是现代切削技术的一个重要发展方向。 本文对振动切削裂纹萌生与成屑机理进行理论分析和研究。建立了应力波影响下切 削裂纹动态应力强度因子的数学模型：揭示了振动切削中刀具对工件的作用为应力波影 响下的动态冲击；指出振动切削中切削裂纹的起始扩展判据为写胁。，较普通切削 更易于萌生起始断裂而成屑。 建立并调试低频振动切削实验系统。采用计算机控制的压电陶瓷为驱动元件的微驱 动刀架，作为振动源；用s d c 系列测力仪对切削力进行测量：由反馈信号测量系统得到 真实刀尖的运动参数，便于修正理论给定参数值。 进行低频振动切削与普通切黼的对比实验研究，并利用扫描电镜s 臃及会槽显微镜 对切削样本微观形貌进行分析，揭示在振动切削中冲击载荷作用下切削裂纹萌生的机 理。实验及微观分析表明：( a ) 相对于普通切削，振动切削的加工表面存在各种拉挤、 撕裂缺陷较少，使得加工表面的质量提高；( b ) 由于刀具对工件的应力波影响下动态冲 击作用，裂尖区域的断裂韧性大大低于相同切削条件下普通切削的情形，塑性变形过程 受到了约束和限制，只需克服较小的塑性变形就能够断裂，振动切削时更容易萌生切削 裂纹和成屑，有利于减小切削力并取得良好的切削效果；( c ) 在一定范围内，= v 厂 越短，冲击作用效果越明显。 关键词：振动切削，应力波，裂纹，成屑，s e m 分析 佳木斯大学硕士学位论文 s t u d y o nt h ec r a c kc r e a t i o na n dt h ec h i pf o r m a t i o nu n d e rt h ei n f l u e n c e o fs t r e s sw a v e si nv i b r a t o r yc u t t i n g 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 m c e s sa n dt h e o r y , 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 y f o rd i f f i c u l t - t o c u tm a t e r i a l sa n di nh a r dp m c e s sf o ro r d i n a r ym a t e r i a l s i ti sc o n s i d e r e do n eo f t h em o s ti m p o r t a n tt r e n d so f m o d e r nm e t a lm a c h i n i n gt e c h n o l o g y t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds t u d y0 1 2t h em i c r o c r a c kc r e a t i o na n dt h ec u t t i n gm e c h a n i s ma r e c a r r i e do u ti nv i b r a t o r ym e t a lc u r i n g am a t h e m a t i c a lm o d e lo f d y n a m i ci n t e n s i t yf a c t o ri s d e v e l o p e d a n ds e t u p o f c u t t i n g c r a c k u n d e r t h e l o a do f s t r e s s w a v e s i t i s p o i n t e d o u t t h a t t h e e f f e c to f t o o lo nt h e w o r k p i e c ei st h ed y n a m i cb l a s to rv i b r a t i o ns h o c k ac r i t e r i o no f t h ec u t t i n g c r a c kg e r m i n a t i n gi sd e r i v e di nt e r m so f 猁i n t h ep r o c e s so f v i b r a t i o nc u t t i n g i ti s a l s or e v e a l e dt h a tt h ec u t t i n gc r a c ki nt h ev i b r a t o r yc u t t i n gi sm o r el i a b l et og e n e r a t et h a nt h a ti n t h ec o n v e n t i o n a lc u t t i n g p r o c e s s ，l e a d i n ge a s i e rc h i pf o r m a t i o no f v i b r a t o r yc u t t i n g t h ee x p e r i m e n ts y s t e mf o rt h ev i b r a t i o nc u t t i n gw i t hl o wf r e q u e n c yi s 埘e da n d e s t a b l i s h e d t h i ss y s t e mc o n s i s t so f av i b r a t i n gs o u l 陀e m i e m d r i v et o o lh o l d e rp o w e r e db y p i e z o e l e c t r i cc e r a m i cu n d e rt h ec o n t r o lo f c o m p u t e r , s d c d y n a m o m e t e r f o rm e a s u r i n gc u t t i n g f o r c e s ，a n df e e d b a c ks i g n a lr e a d i n gd e v i c ef o rp a r a m e t e r so ft h er e a lm o v e m e n to f t h et o o l 廿p i no r d e rt oc o r r e c tt h ea s s u m e dt h e o r e t i c a lp a r a m e t e r s c o m p a r i s o ni n v e s t i g a t i o n sa r eu n d e r t a k e nb e t w e e n t h ev i b r a t o r yc u t t i n gw i t hl o w f r e q u e n c yc o n v e n t i o n a lc u t t i n g i na d d i t i o n , c u t t i n gs a m p l e sa r eo b s e r v e d a n da n a l y z e dw i t h s e ma n dm e t a l l u r g i c a lm i c r o s c o p e t h ee x p e r i m e n t sa n da n a l y s e si n d i c a t et h a t ( a ) t h e w o r k p i e c es r r f a c e h a sf e wd e f e c t ss u c ha st h o s ef r o md r a g g i n g , s q u e e z i n g ，a n dt e a r i n gu n d e r v i b r a t o r ym a c h i n i n g ，r e s u l t i n gi nb e t t e ri n t e g r i t yo f t h es u r f a c e ；c o ) b e c a u s eo f t h ed y n a m i c t h r u s tu n d e rt h ei n f l u e n c eo f t h es t r e s sw a v e s ，t h ef r a c t u r ei m p a c tr e s i s t a n c ei nt h ec r a c kt i pz o n e b e c o m em u c hl o w e rt h a nt h a ti nc o n v e n t i o n a lc u t t i n g ，o t h e rc o n d i t i o n sb e i n ge q u a l i nt h i sc a s e s m a l l e rf o r c ei sr e q u i r e st oh a v ed e f o r m e dt h em e t a lp l a s t i c a l l ya n dm a k et h ef r a c t u r eo c c u r ；( c ) t os o m ee x t e n t ，t h es m a l l e rt h ev a l u et h ef o r m u l al r = v fg i v e so u ti s ，t h em o l ee f f e c t i v e t h es h o c k1 0 a di s 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 ，c r a c k ，c h i pf o r m a t i o n ，s e ma n a l y s i s 一2 。 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 佳木斯大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示 了谢意。 签名：鹾掘晕日期：a f 弓。形 关于论文使用授权的说明 本人完全了解佳木斯大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：酲缝 导师签名：超迳圈日期：塑：兰：! 佳木斯人学硕士学位论文 引言 本课题来源于黑龙江省自然科学基金资助项目“振动切削微观机理研究”。 关于金属振动切削基本原理和基本规律的研究，主要方面多为各振切参数对切削过 程的影响，而对关键和核心问题振动切削的本质与机理研究，特别是振动切削中切 削裂纹萌生和成屑的机理未见报道。无疑这种技术基础性研究影响振动切削技术在我国 的有效而“泛的应用，亟待深入。 在金属切削过程中，切削是靠刀具与工件的相对运动来完成的，切屑与已加工 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， 萌生裂纹后使切屑与母体分离的过程。在振动切削中，刀具周期性地离开和冲击式 接触工件，其冲击加载速率很高，动态应力波对切削裂纹形成的影响及作用不能忽 略，有必要做深入的研究【1 】。 本课题的目的在于在国内外专家学者对振动切削机理研究的基础上，从切屑与已加 工表面的分离切削裂纹的萌生及成屑入手，提出在振动切削中应力波影响下切削裂 纹萌生的数学描述；并充分利用现有的仪器设备及技术手段，建立适应实验要求的低频 振动切削实验系统，进行低频振动切削与普通切削的对比实验研究；利用扫描电镜及金 相显微镜观察切削样本微观组织，揭示在振动切削中，刀具以冲击载荷作用于被切材料 的条件下，切屑与己加工表面的分离切削裂纹萌生和成屑的机理，丰富金属切削理 论体系，为振动切削的广泛而高效应用奠定部分理论基础和技术基础。 课题主要围绕以下几个方面进行： 1 、以金属力学、断裂力学及冲击动力学为理论基础，对低频振动切削中切屑与已 加工表面的分离切削裂纹萌生和成屑机理进行理论研究； 2 、提出在振动切削中应力波影响下切削裂纹萌生的数学描述： 3 、建立、完善并调试低频振动切削实验系统； 4 、进行切削实验对比研究： ( 1 ) 相同切削参数下，不同振动频率的振动切削及普通切削对切削过程和结果( 切削 力、已加工工件表面) 的影响的对比研究； f 2 ) 不同切削速度的振动切削与普通切削对切削过程和结果( 切削力、已加工工件表 面) 影响的对比实验研究； ( 3 ) 切屑根部金相显微观察实验，用爆炸式快速落刀装置获得切屑根。 佳小斯大学硕十学位论文 5 、用显微镜与j s m - - 6 3 6 0 l v 扫描电镜( s e m ) 观察和研究切屑根标本、已加工工件 表面和切屑断面形貌。分析切削样本，揭示在振动切削中冲击载荷作用下切削裂纹萌生 及成屑的微观机理。 一2 佳水斯大学硕士学位论文 1 振动切削概述 1 1 概述 随着科学技术和工业生产的发展，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，在机械制造中日益广泛地采用不锈钢、耐热钢及钛合金等各种难加 工材料，这对切削加工技术都提出了更高的要求，给切削加工带来了更大的困难。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f 2 1 。 为此推出许多崭新的切( 磨) 削加工方法，振动切削法就是其中之一。 1 1 1 振动切削及其分类 振动切削是一种新型的非传统加工的特种切削加工方法，它是给刀具( 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。与普通切 削相比，振动切削具有切削力小、切削热降低、工件表面质量提高、精度提高、切屑处 理容易、刀具耐用度提高、加工稳定、生产率高等等优点1 3 。，令人信服地解决了难加工 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。 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 ( 压电、液压、气动、电磁、机械等) ，由单独电源产生，如油泵站、电动机、超声波 发生器，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、切肖0 用 8 ) 铷削 向 切削方向 b ) 车削 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 图i 1 振动切削的振动方向 3 住小斯大学硕十学位论文 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 ) 相应选择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振动的 振幅，以及它们将与被加工材料、刀具和切削用量有关 4 1 。为了进行试验研究，最好采 用强迫振动。 按振动频率可分为低频振动切削( 2 0 1 5 0 h z ) 和超声振动切削( 1 5 3 5 k l i z ) 5 1 。 按振动方向可分为主运动方向、进给抗力方向和吃刀抗力方向的振动切削，如图 1 1 所示。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以及满意的表面粗糙度，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切削时在有效西1 。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 1 7 1 ，由于切削力和 功率消耗的降1 氐，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，刀屑间的摩擦减小，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，用金冈4 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溥壁镜筒，切削速度v = 1 3 5 6 m r a i n ，f = - 0 0 6 5 咖 r ，卸1 5i n n l 时，振动切削的圆度误差比普通加工( 2 3 9 i n ) 减小了5 0 ，表面粗糙度 由原来的r a l 6 岬下降到r a 0 6 3 9 m 9 、1 0 。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 4 一 佳术斯大学硕士学位论文 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 4 】。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 1 2 , 1 3 , 1 4 l 。 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。试验表明，在一定的切削条件下用硬 质合金刀具振切淬硬钢时，刀具寿命可达到实用水平；振车不锈钢时，刀具寿命延长 4 0 6 0 倍，钻削时可使钻头寿命延长1 7 倍盼陬1 w 。 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【l 。 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，因此可说振动切削是一种高效率的加工方 法f 1 8 ，1 9 、2 0 。 1 2 振动切削国内外研究状况 日本对振动切削的研究广泛深入，设有专门的研究机构。宇都宫大学的隈部淳一郎 教授是主要代表人物。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，并有专著精密女u 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。美国在振动切削发展上曾走过弯路。6 0 年代初开始的振 动切削研究工作，7 0 年代中期又重新丌始，并在超声波振动切削方面取得了一系列成 5 一 佳术斯大学硕士学位论文 果，目前己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1 4 l 。 在我国，振动切削研究起步较晚，继我国第一台“c z q 一2 5 0 a ”型超声波振动切削系 统“问世之后，丌展了许多对振动切削的研究，在难加工材料的加工、难加工零件的切 削加工、排屑和断屑比较困难的切削加工中都取得了许多重要的成果。 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2 1 - 2 2 ，“2 。 广西大学的张伯荣等人脚佣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 2 6 1 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 i 的振动切削，在切削用量v = 1 1 8 7 m m i n ，f = o 0 2 1 m l r ，a c o 1 m m 时，得出振动切 削比普通切削时切屑变形小、卷曲半径大、变形系数小、剪切角大的结论。 上海交大机械学院的徐可伟等人 2 7 1 ，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 0 3 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论，并指出对刀具起决 定性影响的是振幅，在振幅为8 2 0 煳时出现刀具的最大丽j 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 2 8 1 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口j 在深孔的超声振动钻削方面进行了探索。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。 6 佳木斯火学硕士学位论文 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) 的粗糙度 3 0 】 和圆度误差【3 l 】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 p r o 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，这时如果用振动切削则可比较 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m 】。 西安交大的高本河等人1 3 列对钻削减d , - k , 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，探讨了振动钻削减小孔心偏斜的内在机理，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孔心偏斜误差。 哈尔滨工业大学的张其馨等人1 3 4 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 3 5 1 以0 0 3 5 m m 的钻头为例研究了微小孑l 钻削时附加超声波 后的一系列效果，并分析了原因。 江苏盐城工学院姜大志等人1 36 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问 题。 1 3 振动切削机理的几种观点 摩擦系数减小的观点 东南大学汤铭权等人p7 j 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，在刀一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湿作用，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。 剪切角增大的观点 柳世传等人口8 j 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。 一7 一 佳木斯大学硕士学位论文 振动切削时，刀具冲击被切材料的裂纹深度比实际切削长度大很多，在刀具前方会 图1 2 振动切酎时剪切角的变化 产生裂纹形成偏角叩( 依材料的冲击韧性而异) ，使实际剪切角成= 驴+ 印( 图 1 2 ) 。 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【3 9 】。 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：辛志杰等人在进行超声波振动珩磨时也得做了相类似的 研究。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，工件受高频振动能量冲击，在被切削d h 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 4 1 , 4 2 。 工件刚性化观点 当采用超声波振动( 脉冲力) 切削时，整个系统的等效弹性系数七是原来系统弹性 系数七，的三倍，即 f 。 7 t 七= - - k 2 ( i i ) l c 式中r 振动周期； f ，在一个振动周期内的纯切削时间。 8 一 佳术斯大学硕士学位论文 根据稳态切削条件，一般二- = 3 1 0 ，式( 1 1 ) 变为k = ( 3 l o ) k ，不难看出，振 f c 动切削的效果如同加工大直径刚性好的工件一样，称这种效果为“刚性化效果” 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f ，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；9 1 i 【出来的平均切削力就更小，切削温度乜相应较低。 1 4 振动切削未来的发展趋势 对振动切削理论的深入研究 当前和今后的一个时期对振动切削机理的研究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成屑的，以及它与传统切削方法的不同机理；振动切削 中刀具与工件相互作用的力学分析；振动切削机理的微观研究及数学描述；效率更高的 试验及实用振动切削系统( 4 。 从试验性研究开始转向实际生产应用研究 实用的大功率振动切削系统期待能早日问世，目前为止，输出功率为4 k w 的振动切 削系统已经研究出来并投产使用。 实用的低频振动加工将得到发展 现有的不尽完整的试验结果表明，低频振动加工有时可以达到与超声振动加工相似 的结果，但低频振动加工往往需要较好的隔振措施，噪声污染相对较大。 研制和采用新的刀具材料 在振动切削中，除了选用合适的刀具参数外，人们将更多的注意力转移为对刀具材 料的开发和使用上，其中天然金刚石、人造金刚石和超细晶粒的硬质合金材料的研究和 应用为主要方向。 迅速向其他领域渗透和扩展 由振动车削、振动钻削、攻丝等扩展到振动珩磨、抛光、刨削、磨削、拉削和研磨 等机械加工中，并迅速向其他领域渗透。比如在医疗机械方面田就应用了超声振动原理 成功研制了超声振动手术刀等。 9 佳木斯大学硕士学位论文 2 应力波影响下的切削裂纹萌生的理论研究 在金属切削过程中，切削是靠刀具与i 件的相对运动来完成的，切屑与已加工表面 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，萌生裂纹 后使切削与母体分离的过程1 4 5 j 。 在振动切削中，刀具周期性地离开和冲击式接触工件，其冲击加载速率很高，工件 材料的惯性效应对切削裂纹形成的影响就不能忽略而必须考虑，应力波对切削裂纹形成 的影响及作用是改善切削效果的一个主要因素。在这种情况下，切削形成裂纹的动态响 应需要通过应力波来研究，问题的控制方程为波动方程( 组) 。 2 1 影响裂纹萌生的应力波 如果在介质的某个地方突然发生了一种状态的扰动，使得该处的应力突然升高，和 周围介质之间产生了压力差，这种压力差将导致周围介质质点投入运动，处于运动的质 点微团的前进，又进一步把动量传递给后续的质点微团并使后者变形，象这样一点的扰 动就由近及远地传播出去不断扩大其影响，这种扰动的传播现象就是应力波m 1 。 应力波按照波的物理性质分成纵波与横波。纵波引起介质中小单元体体积的改 变，又称为膨胀波( 或压缩波) ，其传播方向与波阵面的法线方向一致，习惯上记为p 波。横波引起介质中小单元体形状的改变，又称为畸变波( 或剪切波) ，其传播方向在 波阵面内，所以同波阵面法线方向垂直，习惯上记为s 波。它的波阵面内又可以分解成 两个相互垂直的分量，一个与铅直方向一致，记为s v 波，另一一个波沿水平方向，记为 s h 波，见图2 1 。 p 波和s 波与位移段和。有关，由波动方程组( 2 1 ) 描写 v 2 妒= 砉窘w = 吉挚 汜， 而s h 波仅与段有关，s i t 波由方程( 2 2 ) 描写 妒段= 吉等 ( 22 ) 其中v 2 = a 2 苏2 + a 2 砂2 ( 2 3 ) 妒与沙为l a r n 6 势 1 0 一 一堡查堑查堂堡主堂焦堡塞 ( a ) ( b ) 图2 1 p 波，s v 波与s h 波 段：挈+ 娑， 咖 砂 “浮鲤一业 砂 融 ( c ) ( 2 4 ) 佳木斯大学硕士学位论文 g 为纵波波速 c ：为横波波速 2 2 裂纹动态起始扩展判据 对于平面问题( 图2 2 ) ，在裂纹顶端附近，应力分量 c r y y ( x ，o ) c o ，( r 一0 ) 这种现象被称为在裂纹顶端区域应力场具有，。1 也阶的奇异性。 由公式( 2 7 ) ，可以得到 三 r 2 g y y ( x ，o ) = 常数，( r 斗0 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 公式中右端的常数，代表了应力场，1 彪阶奇异性强弱的程度，因而被称为应力场奇 yjl 丘缸心 k 。，裂纹就扩展，导致物体的破坏。 对于普通切削( 静态加载) ，切削裂纹的启始扩展的判据为： k = k c ( 2 1 0 ) 一1 2 一 号居居 = i j q 吒 佳水斯大学硕士学位论文 而在振动切削中，使裂纹起裂的载荷为动态的冲击，加载速率1 7 较高， 响裂纹驱动力正此时哟动态应力强度因子k ( t ) ，k ( t ) 是时问的函数： k ( r ) = l i m 厄品。( ，0 ，r ) r - - + 0 它将显著影 ( 2 1 1 ) 较高的加载速率也将影响材料的性能，包括材料的抗断裂阻力丘。，为了与静态裂 纹韧性相区别，把动态加载下的断裂韧性称为动态断裂韧性，记为k 。( 盯) 或简写为 砀。 即对于振动切削( 动态加载) ，切削裂纹的起始扩展的判据为： k ( t ) = 髟( o - ) ( 2 1 2 ) 在断裂力学中，更常用世代表裂纹试样的加载速率，如图2 3 所示，当世值增大 侣5 5 k g f m m 3 4 s ) n i c m n 制 ( a ) f 35 5 k g f m m 3 。s 1 c r - m n v 钢 ( b ) 图2 3c i t e 合金钢断裂韧性随k 的变化曲线 时，髟p ) 开始下降，既髟p ) k 5 。本文将在下一章通过振 1 3 酝如 加 如 翰 帅 加 如 佳木斯入学硕士学位论文 动切削时刀具运动情况和切削裂纹的边界条件，求解出振动切削时的裂纹驱动力 k o ) 。 显然，使用动态断裂判据k ( r ) = 亿( 盯) 作为振动切削时的裂纹起裂依据，左端 k ( ，) k 5 ，右端局p ) k 5 ，右端杨( 盯) 0 o 0 = o ，可寸o 。，f 0 b 0 ( 3 7 ) 邯，= j 嚣 c ss ， 以儿o ) = 0 刮。o ( 39 ) 用l a p l a c a 变换与f o u r i e r 变换求解方程波动方程( 3 3 ) ，由初始条件( 3 7 ) ，得到解 庐五y ，p 2 圣f 彳“只p ) c 。s ( 麟) e x 一( 一- y ) d 。l ( 。，0 ) y + ( 墨弘p ) = 昙f 彳2 ( s ，p ) s i n ( 蹦) e x p ( 一吃y ) 凼i 斗2 埘 i 2 慨 斗2 树r 蚴 讹加一击阢2 ) l( 3 a 2 ( j ，p ) = s a ( s ，p ) 1 1 7 佳木斯大学硕士学位论文 ja ( s ，p ) c o s ( s x ) d s = 0 ，x 口 f 矿( j ，p ) 一( s ，p ) c 。s ( 麟) 前= 等，o x 日 2 o2 n 一茁2 ) 其中f ( s ，p ) 己知，既 m 删= 志眵埘 2 r = 0 ：c 。) 啦 把f 3 1 4 ) d 0 的待定函数a ( s ，p ) 表示成 ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) 删2 季署j 伽；( 却“( 蚓蟛 1 6 ) 其中o ：( 参p ) 为一新的未知函数，j o ( s a 4 ) 为第一类零阶b e s s e l 函数，把( 3 1 6 ) 代入 ( 3 1 4 ) ，由b e s s e l 函数的积分公式可知，第一式自动满足，由第二式导出下列f r e d h o l m 积 分方程： 。如p ) + f k 2 ( 确p ) 中：( 叩，p ) d r l = 店 ( 3 1 7 ) 其中k ：( 孝，r ，p ) 为积分方程的核： 吲勃脚= c f s z ( 引一卜c 蜕c 咖出 式中的石f s ，p 1 即( 3 1 5 ) 中的石( s ，p ) 。 ka 由于核( 3 1 8 ) 太复杂，方程( 3 1 8 ) 用s i h 方法h 9 1 解出，经变换得到物理时i n - 空i n 中的应力强度因子： 驯2 c r 0 石b 聪吼小x p ( 印j 慨1 9 ) 一1 8 2 、 吒一p ，。l ，l。rj 屹 2 j4 佳小斯大学硕士学位论文 此式右端方括号是函数中：( 1 ，p ) p 的l a p l a c e 反演，可用数值方法求出巾；( 1 ，p ) 代入 以上反演公式，进而用j a e o b i 多项式方法可计算出k 。( f ) 的近似值 5 0 1 。得到 k 。( t ) 4 - _ ，( k ：= 石磊。) 随c ：，肛的变化曲线，如图3 3 所示。 同时，可以得到渐进应力场( 裂纹尖端的应力场控制着裂纹尖端附近所发生的 断裂过程) 图3 3 受冲击g r i f f i t h 裂纹动态应力强度因子k h ( t ) 随时间变化 嘣棚，归筹s i n c o s 扣 嘶”器s i n 扣扣争 c 。z 。， 嘶，= 筹c o s 争s i n 导s 血争 z 册j zz2 3 _ 2 关于数学模型的讨论 1 、切削过程的断裂以型( 滑开型) 裂纹为主，对i i o r i f f i t h 裂纹世。( f ) 在 c 2 t a = 2 0 处上升到最大值，若取a = l ，对于钢件而言，c f = 1 对应的r 大约为t = 0 8 1 0 s ，则k ，( t ) 最大值发生时刻为1 6 1 0 s ，这表明在刀具的h e a v i s i d e 冲击载荷下 ( 刀具振动波形为方波) ，裂纹的动态强度因子变化极快，其最大值超过静态应力强度 因子值的2 5 左右。然而，随时间的增长，应力强度因子趋于静态应力强度因子之值。 一1 9 协 蟠 。 佳木斯大学硕士学位论文 2 、如果振动刀具的波形不是方波，而是其他振动波形，既加载函数不是h e a v i s i d e 函数，而是其他函数，则应力强度因子的曲线与图3 3 不同，其最大值也许比静态强度 因子k ：大更多5 0 1 。 3 、建立数学模型时，为了简化过程，取得近似的模型，假设物体为无限大平面， 而实际工件是有限尺寸物体，k 。( f ) 的最大值比k ；= 0 一。大得更多9 m 。 3 3 本章小结： 本章建立了振动切削中应力波影响下切削裂纹动态应力强度因子的数学模型： 驯= 吼q 去磷。* z ( 1 , p ) e x p ( p t ) d p i 捣在短时间黼捌最大值且比 ；= 石f 。大得多。同时，得到渐进应力场( 裂纹尖端的应力场控制着裂纹尖端附近 所发生的断裂过程) ： 嘶) = 等s i n o ：i ( 2 + c o s o ：ie o s 争 、z ，矾 2上上 吲棚力= 象2 丝1 0 s i n 扣扣争 、 1 2 嘣棚，归筹c o s 争咖扣争 指出了切削裂纹的断裂以型( 滑开型) 裂纹为主。振动切削裂纹在满足动态断裂 判据k 。( f ) k ( 盯) 时萌生，应力波影响下的切削裂纹( 动态加载) 较普通切削中 ( 静态加载) 更易于发生起始断裂而成屑。振动切削中，动态应力波对切削裂纹形成的 影响及作用是改善切削效果的主要因素。 2 0 佳小斯大学硕十学位论文 4 切削实验对比研究 4 1 实验目的及意义 在相同刀具几何参数条件下进行低频振动切削实验，得出不同振动频率、不同切削 速度对切削过程和结果( 切削力、已加工工件表面) 的影响，与相同切削用量条件一f 普 通切削实验相比较，揭示在振动切削中冲击载荷作用下切削裂纹萌生的机理。 利用爆炸式快速落刀装置制作切屑根部标本，以便下一章用显微镜观察和研究切削 裂纹萌生并形成已加工表面和切屑的机理。 4 - 2 实验装置 4 21 压电式振动切削驱动系统 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工。 2 34 5 l 切削刀具2 刀架3 压电陶瓷4 压电陶瓷驱动电源6 计算机 图4 1 压电式振动切削驱动系统 本实验使用的压电式振动切削系统其结构图如图4 1 所示。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 5 1 , 5 2 , 5 3 。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。 振幅a ：0 1 5 # 聊，软件调节，使用方便。 一2 1 佳木斯大学硕士学位论文 缺点：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 2 2 振动切削反馈信号测量系统 1 示波器2o w s 型超精密振动位移测量仪3 电涡流传感器4 刀具5 磁力表座 图4 2