超声振动条件下振幅对车刀受力状况影响

超声振动条件下振幅对车刀受力状况影响摘要：随着科学技术的发展，在机械加工领域，对工件的加工精度和表面质量的要求越来越高，人们普遍关心如何提高产品的制造精度，不断改进机床和研究先进加工技术。超声振动复合加工技术就是一种先进的加工技术，能够有效的实现零件的精密加工。虽然该加工技术先进，切削效果也十分好，但是也面临着一些问题，刀具的受力问题就是其中的一种。本文通过对超声振动切削切削力计算模型的建立，分析了刀具振动振幅对切削力的影响规律，得出了振幅增大切削力减小的结论。同时，利用ANSYS有限元分析软件分析了车刀在动载荷作用下的瞬态动力学响应，得出涂层车刀在周期动载荷作用下一个周期内刀具内平均应力远小于在静载荷作用下的结论，车刀基体和涂层结合处的应力最大。最后进行了车削实验研究，研究了普通无涂层刀具和涂层刀具在相同条件下的磨损情况，通过对比得出了涂层车刀相比于普通刀具更耐磨，分析了影响涂层刀具涂层磨损和剥落的影响因素，为设计涂层刀具提供了理论指导。关键词：超声振动切削，振动振幅，有限元分析，涂层刀具TheeffectofamplitudesonthestressstateofturningtoolunderultrasonicvibrationconditionAbstract：Withthedevelopmentofscienceandtechnology,themachiningprecisionoftheworkpieceandthedemandofthesurfacequalityhavebecomeincreasinglyhigherandhigherinthefieldofmechanicalprocessing,peoplearegenerallyconcernedabouthowtoimprovetheproductmanufacturingaccuracy,thecontinuousimprovementofmachinetoolsandadvancedprocessingtechnology.Ultrasonicvibrationcompositeprocessingtechnologyisanadvancedprocessingtechnologywhichcaneffectivelyachievetheprecisionmachiningofparts.Althoughitisequipedwiththeadvancedprocessingtechnologyandwellcuttingeffect,italsofacedwithsomeproblems,thestressofthecuttingtoolisoneofthem.Throughtheestablishmentoftheultrasonicvibrationcuttingscuttingforcecalculationmodel,thispaperanalysestheinfluenceofvibrationamplitudeofthetoolcuttingforces,andconcludesthatcuttingforcesincreaseswiththeamplitudedecreases.Atthesametime,usingtheANSYSfiniteelementanalysissoftwaretoanalysethetoolstransientdynamicresponseunderdynamicloads,itisconcludedthatcoatingtoolinthecycleofdynamicloadundertheactionofcuttingtoolsarefarlessthantheaveragestressinacycleunderstaticloadcase,andthelargeststressappearsonthesubstrateandcoatingjunction.Finally,thispaperhascarriedonacuttingexperimentaboutordinaryuncoatedandcoatedcuttingtoolswearunderthesameconditions,bycomparison,weobtainedthatthecoatingtoolismorewear-resistingthanordinarytoolandanalyzedthefactorsthatinfluencethecoatingtoolwearandspallingofcoatedtool,whichprovideatheoreticalguidanceforcoatedtoolsdesign.Keywords:Ultrasonicvibrationcutting,Vibrationamplitude,Thefiniteelementanalysis,Coatedtools目录1绪论.11.1研究目的和意义.11.2超声振动加工技术的国内外研究进展.11.3本课题主要研究内容.42超声振动切削切削力的理论研究.42.1引言.52.2超声振动基本运动分析.52.3切削力的计算方法.72.3.1普通切削切削力计算方法.72.3.2超声振动切削切削力计算方法.92.4振动振幅对切削力影响的研究.112.5本章小结.123超声振动切削的有限元仿真研究.123.1引言.123.2ANSYS有限元分析软件简介.133.2.1CAE技术及其发展.133.2.2ANSYS的特点及应用.143.2.3ANSYS分析的一般流程.153.3ANSYS分析过程.163.3.1ANSYS瞬态动力学分析介绍.163.3.2车刀瞬态动力学分析过程.173.3.3结果分析.203.4本章小结.254实验研究.264.1引言.264.2实验过程.264.2.1实验数据.264.2.2进行实验.284.3实验结果.28I4.3.1普通车刀实验.284.3.2涂层刀具实验.294.4本章小结.305结论.31参考文献.33致谢.3401绪论1.1研究目的和意义随着科学技术的发展，在机械加工领域，对工件的加工精度和表面质量的要求越来越高，人们普遍关心如何提高产品的制造精度。为了提高产品制造精度、提高产品质量，发展精密和超精密加工技术，很多国家都曾致力于精密与超精密加工机床的研究，以此来实现零件的精密加工。例如美国劳伦斯利弗莫尔（LLNL）实验室和Y12工厂联合于二十世纪八十年代初期研制出的DTM3型84英寸大型超精密金刚石车床，该车床能达到很高的加工精度，形状误差能达到纳米级，实现超精密加工；又如日本住友重机械公司（住友重機械）于1985年成功研制出超精密平面磨床KSX-815型，历时6年，该磨床加工精度极高，磨削后平面度可达1。但是，一些超精密和超精m密机床的造价十分昂贵，严重限制了它们的使用，因此人们通过探索新型的加工技术来达到零件的精密加工。超声振动复合加工技术就是其中的一种，该技术在上世纪60年代出现，后来逐渐发展为一种先进制造技术，首先出现在日本、美国等国家，作为精密和超精密级加工技术和难加工材料加工的一种先进技术，它目前已渗透到航空、航天、军工等领域，应用十分广泛。在研究新型加工技术的同时，人们也在不断改进刀具，涂层刀具便是其中一种，它使刀具具有优良的综合机械性能，大大提升刀具寿命。近年来，涂层刀具的研究已经取得了很大的进展，人们把先进的刀具和先进的加工技术相结合，取得了良好的结果。由于超声振动复合加工技术对于各种加工过程，例如车削、磨削等加工过程，在同样的加工条件下具有加工过程稳定、加工效率更高、刀具耐用度更高、加工零件表面质量更好、加工精度更高和表面粗糙度更小等各种优点，因此我们有必要对其进行深入研究。当涂层刀具应用与超声振动切削时，可以很好的克服刀具磨损、寿命等问题，同时也能更好地加工各种难加工材料，综合效益明显。在超声振动切削加工过程中，涂层刀具的受力情况受振动参数的影响，从而影响涂层的磨损与剥落，我们通过研究振动参数对涂层刀具受力的影响，使涂层刀具能更好的应用到振动切削中，进而发展涂层技术和超声振动加工技术。11.2超声振动加工技术的国内外研究进展超声振动切削，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，具有切削力小、加工精度高、切削温度低、切削表面粗糙度低等优点。1927年，美国物理学家R.W.Wood和A.L.Loomis利用超声振动作了超声加工试验，这是世界上最早的一次试验，试验利用强烈的超声振动对玻璃板进行雕刻和快速钻孔，取得了良好的加工效果，但当时由于技术限制仅仅在实验室实现了，在工业上并没有取得应用。1945年L.Balamuth申请了关于超声加工技术的专利，在此之后的1951年，美国的科恩国际公司制成了世界上第一台具有实用功能的超声加工机。美国在超声振动加工技术上研究进展较快，在20世纪70年代中期，美国在超声波钻中心孔、光整加工、磨削、拉管和焊接等方面就已经处于考察应用阶段；同时其超声波车削、超声波钻孔、超声波镗孔已处于试验性生产设备原型阶段，处于领先水平；通用超声波振动切削系统已供工业应用，目前已形成部分标准1。上世纪90年代，日本学者T.Mariwaki在CIRP上先后发表了不锈钢和钠钙玻璃延性域切削的文章，指出在切削方向，将超声振动作用在金刚石刀具上能够降低刀具磨损速度，并有可能在切削玻璃实现延性域切削2,3,9。近十年来，日本在超声振动切削技术方面获得了60多项发明专利，在生产中发挥了重要作用。2001年，日本工业大学的MasahikoJin等提出了一种新的方法，就是倾斜刀具的振动方向（10-30）4。20022006年，宇都宫大学的M.Xiao等人，先后研究了在超声振动切削硬金属时，刀具圆角半径对刀具的寿命及切削系统颤振的影响，得出了相对于普通切削，超声振动切削可以选用更大的刀具前角，而不会产生颤振，并提高刀具寿命，指出振动切削有抑制颤振的作用5,6,7,9。我国超声加工技术的研究始于上世纪50年代末，1983年10月，机械电子工业部科技司委托机械工艺师杂志编辑部在西安召开了我国第一次“振动与切削专题讨论会”，会议充分肯定了振动切削在金属切削中的重要地位12。北京航空航天大学机械工程及自动化学院的张德远教授及其领导下的课题组，于1993年开始对超声振动切削系统进行研究，并致力于加工系统的实用化，先后与成都飞机工业集团有限公司合作三次，成功开发研制出三种超声波振动切削系统8。哈尔滨工业大学对超声振动加工技术进行了大量研究，研究过程中2应用超声车削加工技术加工了一批飞机上使用的铝制细长轴，切削后轴的质量很好，轴的质量明显好于普通车削。哈尔滨工业大学杨亮博士通过对超声振动车削过程进行仿真分析，得到了振动切削过程一个周期内刀具及工件的应力分布情况9如图：图1.1振动切削一个周期内的应力分布云图9重庆理工大学张兴红等运用ANSYS/LS-DYNA有限元软件，采用正交切削方式对超声振动车削和普通车削进行了切削力的仿真，得到了普通车削和超声振动车削的瞬时切削力变化曲线，指出超声振动车削的平均车削力与普通车削的平均车削力相比，要远小于普通车削10。图1.2超声车削瞬时切削力变化10图1.3普通车削瞬时切削力变化10近年来超声振动切削在美、日、苏、西德、英等国取得较大进展并逐渐应3用到工业生产中，在宇航、原子能、军工、电力等行业快速发展，振动切削技术的研究也不断深入，得到了很多新的发展，例如出现了超声波椭圆切削技术。我国的振动切削技术在近年来也有了很大的发展。大连交通大学机电工程学院的杨亮博士做了振动切削振幅对切削力影响的实验研究，他通过对精密振动切削中切削力的理论模型的建立，利用数值方法，首次从理论上给出了振幅(在精密振动切削所使用的振幅范围内，一般不超过)对切削力的影响变化规律，30m填补了这一研究领域的空白13；王立江等通过超声波振动切削试验研究，分析了硬质合金刀具在超声振动切削时的耐用度，通过多因素正交试验得出对硬质合金刀具影响较显著的是切削速度、刀具材料、振幅和切削液，得出了一些适合振动切削的K类刀片牌号，同时采用Depiereux模式建立了超声波振动硬质合金车刀耐用度的数学模型。超声振动切削技术具有丰富的理论内涵，相比于利用价格昂贵的精密、超精密机床实现精密加工，超声振动切削技术具有极为诱人的应用前景。因此在现有技术基础上，我们需要继续努力，不断完善已有技术和研发新技术，这样，我们就能不断发展先进技术，发展制造业。1.3本课题主要研究内容本课题的研究内容主要是针对涂层刀具在超声振动条件下的受力状况进行研究，对于振动条件下的切削力的研究采用建立数学模型、仿真分析和实验研究相结合的手段，对于振动参数对刀具受力的影响则通过计算机有限元分析软件加以分析，并通过实验研究涂层在超声振动条件下的磨损和剥落情况。主要研究内容如下：1建立超声振动切削切削力与振动参数间的数学模型，给出切削力随振动参数变化的情况，从而从切削力的角度分析刀具受力情况。2通过ANSYS大型有限元分析软件分析车刀在静载荷和动载荷作用下的瞬态响应情况，分析刀具的状况。3通过超声波振动切削的实验研究，在给定频率的条件下，测定随振动振幅变化的平均切削力，分析刀具涂层的磨损与剥落情况，并与数学模型与仿真结果比较，验证其正确性。42超声振动切削切削力的理论研究2.1引言超声振动复合加工技术是一种先进的现代精密加工技术，采用这种加工方法，加工机理与传统的切削已经有了根本性的变化。超声振动切削通过超声波发生器发出高频振荡电流，通过换能器施加到刀具上，刀具就产生了强迫振动。在切削时，刀具由于振动，所以刀具会与工件、切屑发生周期性接触和分离，切削时，刀具的振动参数会影响刀具运动情况，从而影响刀具的受力状况，因此有必要对刀具受力和振动参数之间的关系进行研究。本章将通过建立超声振动切削切削力与振动参数间的数学模型，分析切削力随振动参数变化的情况，从而从切削力的角度分析刀具受力情况。2.2超声振动基本运动分析在超声振动切削过程中，在切削速度方向上，刀具做高频振动，刀具和工件之间发生间歇性接触，切削过程是高速的、间断的。切削过程刀具位移变化如（图2.1a）。图2.1振动切削刀具位移速度变化情况刀具位移：（2.1）sin()yat（2.2）2f式中，刀具振动的角频率（）；/rd5刀具振动频率（）；fHz刀具的振幅（）；am时间（）。ts由（2.1)求导和（2.2)得刀具振动速度（如图2.1b）：（2.3）cos()2tdyvatff超声振动切削刀具与工件之间的运动关系如图（2.2）。图2.2超声振动切削刀具和工件的运动关系如图（2.2），t=0时刻，刀具进入工件，开始进行切削过程；在t=t1时刻，刀具速度vt与切削速度v大小相等、方向相同，且下一时刻刀具速度负向增大，此时刀具和工件开始分离；工件继续运动，到t2时刻又开始与刀具接触，进行切削；t3时刻刀具和工件又一次分离，如此反复、断续地进行切削。所以，由以上刀具和工件的运动分析可知，在一个周期内，只有一段时间发生切削，其余时间刀具和工件处于分离状态。（2.4）3212ctTt（2.5）3r刀具振动周期；T6切削过程一个周期内的净切削时间；cT净切削时间比。r2.3切削力的计算方法2.3.1普通切削切削力计算方法（1）受力分析切削力的来源主要有两方面：一是剪切滑移区、挤压摩擦区和挤压摩擦回弹区三个变形区内产生的弹性、塑性变形抗力；二是由于刀具、切屑及工件表面之间摩擦产生的摩擦力；刀具前、后刀面所受变形抗力与摩擦力的合力即为切削力，它作用在车刀前刀面和后刀面上。从切削力的来源可知，切削合力的大小和方向是不断变化的，所以很难直接进行测量，为了测量和应用的方便，通常将该切削合力按照空间直角坐标分解为三个相互垂直的切削分力，即主切削力Fc、背向力Fp和进给力Ff（图2.3a）。图2.3切削时刀具工件受力分析刀具受到的力为切削力的反作用力，其受力分析如图2.3b主切削力。通常简称为切削力，它与加工表面相切，并且与基面垂直。cF其消耗的功率最大，因此切削力是计算刀具强度、设计机床零件、确定机床功率以及设计夹具等的重要依据。背向力。它处于基面内与进给方向垂直，又称为径向力。在加工过程p中它会使系统产生振动，从而影响加工精度等。所以它是计算工件挠度和刀具、7机床零件强度的重要依据，以上参数与零件的加工精度密切相关，故这个分力也十分重要。进给力。它处于基面内垂直于进给方向，又称为轴向力。是计算进给fF功率和设计机床进给机构等的重要依据。由（图2.3）可以看出：（2.6）222cfpcDFF作用于基面Pr内的合力。DF（2）切削力与切削功率的计算为了能从理论上对切削力进行分析和计算，人们进行了大量的分析和研究，取得了许多重要成果。但是到目前为止，我们所得到的一些理论公式仍然无法对切削力进行精确的估算。用切削层单位面积上的切削力计算切削力切削层单位面积上的切削力计算方法：（2.7）ccDpDFkAafhb单位面积上的切削力（）。cK2/Nm实际情况下各种材料的的Kc不相同，使用时在手册中查取。由式（2.7）可得切削力的计算公式：（2.8）ccDFkA式中，为切削力；cF为不同切削条件下的修正系数；cK为切削层面积。DA指数形式的切削力计算经验公式与其它计算方法相比较，该经验公式的实用性更强，应用较为广泛，切削力三个分力的计算形式如下：（2.9）FFccXYZcpCafvK（2.10）ffffff（2.11)FFppPYZpc式中，、切削力、背向力和进给力；cFpf、计算系数，取值由工件材料和切削条件决定；cCfF、修正系数，当实际加工条件与求得公式的试验条件不相FKfp8同时采用其对公式进行修正；、指数。XYZ需要使用公式时，公式中的各种系数和指数都可以通过切削用量手册查取，使用方便。工作功率计算切削过程中消耗的功率称为工作功率，用Pe（W）表示。Pe可以分为两部分，一是切削功率（Pc），即主运动消耗的功率，一是进给功率（Pf），即进给运动消耗的功率。进给功率（Pf）很小（相比于Pc一般为12），故一般情况（要求精度不是特别高）下可以将进给功率忽略，以切削功率近似地代替工作功率。功率计算方法如下：（2.12）ecfP（2.13）Fv（2.14）310ffwn式中，切削速度（m/s）；cv工件转速（r/s）；wn进给量（mm）。f上面计算的是切削功率，如果需要计算机床电动机功率，则必须考虑功率损失（即传动效率），计算式如下：（2.15）cmP式中，机床电动机功率；mP机床传动效率。2.3.2超声振动切削切削力计算方法（1）受力分析超声振动切削是一个断续的切断过程，在一个振动周期内只有在净切削时间Tc内才发生切削，其余时间刀具与工件不接触，处于分离状态，所以其与普通切削过程有很大的差别，受力情况也差别巨大。振动切削的几何模型和切削受力分析如图2.4。9图2.4超声振动切削模型与受力分析由受力分析可知，振动切削与普通切削在切削阶段受力基本相同，同样可分解为三个相互垂直的力。（2）切削力计算由于振动切削分析较复杂，为了研究方便，同时考虑到主切削力占据切削合力的绝大部分，所以取主切削力计算切削力。由切削理论11知道：（2.16）sin()copywa式中，切削力；yp切削宽度；w剪切角；剪切应力；背吃刀量；pa摩擦角；刀具前角。由于切削力在不断变化，而且只有在净切削时间Tc内才进行切削，故我们计算一个周期内的平均切削力：（2.17）cyyFp一个周期内的平均切削力；yF10振动周期。T2.4振动振幅对切削力影响的研究由于振动切削是一个循环反复的过程，在每一个振动周期内情况基本相同，故我们取一个周期对其进行研究。由上一节分析得出了切削力的计算方法，在此我们将分析振动过程中振幅变化对切削力的影响情况。由切削过程刀具和工件的基本运动分析可以知道，在一个周期内切削时间和刀具、工件分离时间有如下关系：（2.18）12cTt当时，故有如下关系：1t1tcv（2.19）12cos()cafftv解得：（2.20）11s()2ctfaf当时，刀具开始进入工件，故有如下关系：2t（2.21）2121()sin()sin()cvtaftft即（2.22）o2afa由得：1fT（2.23）12121()cos()in()si()ttttTTT由（2.23）可以看出，是的函数，设（2.24）21()ttH已知（2.24）11cos(2tan)2inqavfd11式中，、受背吃刀量和前角影响，但影响很小，故一般认为、为常dqpadq数，且。(0)令（2.25）()Ga一般情况下，、有如下关系：（2.26）2k一般取2k将以上各式带入（2.17）得：（2.27）11cos()cos()cos()2in()pccywakGavTvTFHa此式即为振动切削时平均切削力的计算公式，公式给出了切削力与振动参数的关系，从式中可得出切削力随振幅变化的变化规律，即随着振幅增大，切削力下降。2.5本章小结本章通过对超声振动切削时刀具和工件的运动过程进行分析、对刀具和工件进行受力分析，从理论上分析了超声振动切削加工方法与传统切削方法的不同之处，如刀具和工件的运动关系。通过计算给出了超声振动切削时平均切削力的计算方法，并分析了切削力随振动振幅变化的变化规律，从理论上分析了振幅对切削力的影响。123超声振动切削的有限元仿真研究3.1引言人类的能力是有限的，不能一下就弄清楚复杂的环境及人类制品的形态。因此我们把整个系统分成形态容易了解的单个元件或“单元”，然后由这些元件重建原来的系统以研究其形态，这就是有限元法。有限元法假设要解决的问题是以变分提法给出的，可能是要找出一个使给定势能表达式极小的变化函数u，这个极小化特性导出一个u的微分方程（Euler方程），但一般来说不可能找到此方程的精确解，而必须用某种近似来求解。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。有限元的基本思想非常简单，首先把结构、或具有物理意义的域细分成小块，这些小块必须易于为计算机所记录和鉴别，他们可以是三角形或四边形等，然后在每一个小块内给试探函数以一种极简单的形式，通常是多项式，最高是三次或五次，然后对单元施加边界条件。有限元法的基本步骤如下：（1）问题的变分提法；（2）分段多项式试探函数的构造；（3）刚度矩阵的计算和离散方程组的求解；（4）估计最终的Ritz近似的精度。计算机在有限元法中扮演着重要的作用，一个大型的有限元系统可以利用计算机的威力，既能列出近似方程也能求出它们的解，在求解复杂的物理问题的计算中，达到前所未有的精度，在当代主要是通过一系列有限元分析软件实现。3.2ANSYS有限元分析软件简介3.2.1CAE技术及其发展13CAE是计算机辅助工程(ComputerAidedEngineering）的简称，它包括产品设计、工程分析、数据管理、试验、仿真和制造等各个过程，是一种数值模拟技术。CAE作为一种新兴的数值模拟分析技术，解决了一系列工程实际问题，与传统方法相比具有独特的优越性，CAE的优越性主要有一下几点：（1）CAE本身也是一种基本试验。（2）同时，CAE可以用来代替很多实际操作起来危险系数较高的、实验费用很大的以及很多难于实施的试验，例如爆炸试验，这一功能至关重要，重新定义传统试验。（3）虽然数值模拟软件研制需要大量的人力物力资源，但是一次投资后，从长期来看，能大幅度降低产品开发成本。引入CAE后的产品设计，在产品开模之前，通过CAE对产品进行数值模拟分析，可以减少试验次数，进而可以发展为一次试验甚至是无试验，大幅度节约时间和成本，设计流程图如下：图3.1引入CAE后产品设计流程3.2.2ANSYS的特点及应用14ANSYS软件是国际著名的大型结构分析FEA程序，ANSYS提供一个全面的软件套件，横跨整个物理范围，提供几乎任何领域的工程模拟、设计过程需要。该软件可以在绝大多数计算机中运行，能够适应大多数操作系统，而且ANSYS文件能兼容工作平台十分多，无论是PC或工作站还是巨型计算机，例如从PC上生成的模型同样可以在巨型计算机上运行，这就保证了ANSYS对多领域多变工程问题的求解。（1）功能特点结构分析主要包括静力分析、模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析、特征屈曲分析和专项分析，其中专项分析包括断裂分析、复合材料分析和疲劳分析。热分析主要分析类型包括相变（熔化和凝固过程分析）、内热源（如电阻发热、加热炉加热等）、热传导、热对流、热辐射等。电磁分析主要分析类型包括静磁场分析、交变磁场分析、瞬态磁场分析、电场分析、高频电磁场分析。流体分析流体分析主要用于分析流体（气体和液体的总称）的流动行为及热行为。主要包括CFD（CouplingFluidDynamic）、声学分析（声波分析传播和水下结构动力学分析）、容器内流体分析、流体动力学耦合分析。耦合场分析主要是分析两个或多个物理场之间的相互作用，即将两个物理场组合到一起求解。（2）应用领域任何组织设计一个产品都可以受益于ANSYS工程仿真解决方案。ANSYS公司在世界各地的几乎每一个行业都将尖端设计概念转化为创新产品作为承诺。每个行业都有其独特的挑战，所以一个企业的解决方案可能并不理想甚至不能成功。ANSYS特定于行业的工具和专业知识涵盖了广泛的行业，同时提供客户所需要的灵活性和工程的可伸缩性，ANSYS建立了一个灵活的架构，是可定制的流程和设计系统。3.2.3ANSYS分析的一般流程ANSYS分析过程包括问题规划、前处理、求解和后处理四个部分，分析流程图如下：15图3.2ANSYS分析过程（1）问题规划：主要包括分析目的、计算时间、精度及成本等问题的解决。（2）前处理：主要是设置Preference选型，包括单元类型及材料模型、建立模型、划分网格、定义接触及边界条件等。（3）求解：主要是进行求解控制，例如分析类型、求解时间等。（4）后处理：所谓后处理，就是对求解后得到的结果数据进行分析处理，在ANSYS中依赖于通用后处理器和时间历程后处理器进行，包括应力、应变云图查看，时间历程曲线绘制等。后处理后需要注意的是需要人为判断结果的正确性。3.3ANSYS分析过程由图1.1及图1.2可知，刀具在最大位移处（即时）所受应力最大，且ya刀具在振动切削过程中切削力随时间不断变化，刀具相当于受动载荷作用。因此，本文采用对刀具施加随时间变化的动载荷所用，采用ANSYS的瞬态动力学分析功能，分析车刀的受力情况。3.3.1ANSYS瞬态动力学分析介绍（1）所谓瞬态动力学分析，也即时程分析，就是对研究对象施加随时间变化的载荷，然后研究其响应。ANSYS中瞬态动力学的基本方程如下：（3.1）()MuCKuFt16式中，质量矩阵；M阻尼矩阵；C刚度矩阵；K节点加速度向量；u节点速度向量；节点位移向量。（2）瞬态动力学问题的求解方法ANSYS软件提供了三种求解瞬态动力学的方法，即完全法（Full）、模态叠加法（ModeSuperposn）和缩减法（Reduced）。3.3.2车刀瞬态动力学分析过程（1）定义刀具材料单元特性及定义ANSYS提供了丰富的单元类型，例如LINK1、BEAM3、PLANE2、SOLID45等，每一个单元都有属于自己的唯一编号使用十分方便。单元类型直接影响到我们的计算结果，我们必须根据需要正确地选取单元，才能保证计算的准确性。研究的刀具为涂层车刀，所以应该在ANSYS中选择复合材料。在GUI中选择MainMenuPreprocessorElementTypeAdd/Edit/Delete，在弹出的对话框中选择Solidlayered46为一号单元。该单元默认材料在厚度方向分层。材料模型及选用材料模型选取正确与否直接关系到计算能不能顺利进行，而且计算结果的合理性和可靠性也受材料模型的直接影响，因此，我们必须合理地选择材料模型，这是模拟成功的先决条件。ANSYS为用户提供了丰富的材料模型，例如Elastic、Bilinear、Nonlinear等，我们需要根据自己需要进行选择，用户也可以根据需要自定义材料。一般来讲，定义材料模型时应注意以下几点：选取材料模型前需要考虑单元类型，因为有的单元类型，未必能够使用所有材料模型；材料模型的选择决定于要分析的材料和可以得到的材料参数（有时候并不是所有参数都具备）；对于每一种材料模型，有的参数选项不需要输入；定义材料属性时，必须统一输入参数的单位；确保参数的准确性。17由于车刀切削过程中，刀具几乎没有塑性变形，因此我们将刀具视为线弹性材料，在GUI界面中选择MainMenuPreprocessorMaterialPropsMaterialModels命令，在弹出的对话框中选择材料模型为线弹性各向同性模型（Isotropic）为一号材料，重复定义二号材料也为线弹性各向同性材料。模拟参数表3.1模拟参数参数刀具基体(2)涂层(1)MaterialW18Cr4VWCEX220GPa550GPaPRXY0.320.30Density8700Kg/m315630Kg/m3Temperature25（2）建立有限元模型建立几何模型建模是整个分析过程的关键环节，实体模型直接关系到计算结果的正确性，而且还会影响时间和成本，为计算方便，对刀具进行简化处理。在GUI界面PreprocessorModeling中建立几何模型如图：18图3.3车刀几何模型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。网格划分结果如下：图3.4车刀有限元网格划分（3）建立边界条件分别对刀具X、Y、Z方向施加零位移约束。19（4）施加载荷对刀具施加随时间变化的动载荷作用，参考图1.2和图1.3定义载荷曲线如下：图3.5载荷曲线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。3.3.3结果分析求解以后在ANSYS通用后处理器中进行后处理，主要查看刀具应力云图。（1）载荷A作用下刀具应力分布载荷A为恒定载荷作用，在不考虑温度变化的情况下，加载后刀具所受应力大小不变，其等效应力分布云图3.6所示。可以看出，刀尖受到的应力最大，在涂层和基体结合处应力也最大。（2）载荷B作用下刀具应力分布刀具受周期载荷作用，在一个周期内取不同的时间观察刀具的应力分布情况，如图3.7所示。20图3.6静载荷作用下的等效应力分布云图.（a）时刀具的应力分布情况10ts21（b）时刀具的应力分布情况15ts（c）时刀具的应力分布情况30ts22（d）时刀具的应力分布情况50ts图3.7一个周期内能不同时间刀具的应力分布情况由图可以看出，刀具在以前刀具没有应力，在内应力1t103ts逐渐增大，在是应力最大，在内应力逐渐减小到零。可以30ts305ts看出，刀具在一个周期内有大部分时间没有应力，刀具受变化的应力作用，平均应力大大小于静载荷作用下的情况。（3）载荷C、D作用下刀具应力分布容易分析出来，在载荷C、D作用下，刀具应力变化情况与载荷B作用下相同，只是应力值不一样，这里只取应力最大的时间点（）查看。30ts23（a）载荷C作用下刀具的最大应力状态（b）载荷D作用下刀具的最大应力状态图3.8载荷C、D作用下刀具最大应力状态24经以上分析，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，载荷频率不变，幅值减小时，刀具所受应力变化情况不变，应力值减小。3.4本章小结本章对有限元分析分析方法和ANSYS有限元分析软件做了简要介绍，并利用ANSYS软件对车刀做了瞬态动力学分析。通过对比车刀在静载荷和动载荷的响应情况，分析出了刀具在周期动载荷作用下的平均应力要远小于刀具在静载荷作用时的应力值，结合图1.2和图1.3分析出刀具在超声振动条件下刀具应力远小于普通切削。通过对比车刀在相同频率不同幅值载荷下的响应情况，分析得出刀具应力值与载荷幅值的关系。任何情况下涂层和基体结合处受应力都最大，最易发生破坏，因此在设计涂层车刀时应首先考虑结合处的结合强度，防止涂层剥落。254实验研究4.1引言本文前几章通过超声振动数学模型的建立，分析了振动切削时切削力的变化关系，使用ANSYS有限元分析软件对车刀在动载荷作用下的响应情况进行了分析。本章主要是通过实验研究刀具在不同切削条件下的磨损情况，并与前述理论分析做对比。4.2实验过程实验在CA6136车床上进行，切削工件为45钢，实验分别采用普通刀具和涂层刀具进行对比实验。4.2.1实验数据（1）实验用刀具数据普通车刀实验所用普通车刀为焊接刀具，如图4.1：图4.1实验用普通车刀照片26该刀具为硬质合金外圆车刀，适应于钢、铸钢和不锈钢的半精加工、精加工等，新刀具无断屑槽，为使断屑方便人为在刀具上开了槽。刀具参数如下：表4.1普通车刀刀具参数表刀具参数硬质合金牌号刀具前角刀具后角圆角半径参数值YT151050.05mm涂层车刀涂层刀具是一种新型刀具，具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等优点，刀具寿命明显高于普通未涂层刀具（35倍以上），在切削过程中使用涂层刀具可以提高切削速度20%70%，切削后的工件加工精度可提高0.51级，综合以上优点，使用涂层刀具可以降低刀具消耗费用20%50%，大大节省在刀具上的开支。实验用涂层刀具刀片如图4.2。图4.2实验用涂层刀具刀片图刀具参数如下：表4.2涂层刀片参数表牌号型号LI.CSdr后角YBC251WNMG0804088.7mm12.7mm4.76mm5.16mm0.8mm0（2）切削参数车削是需要选用切削液、刀具、切削用量等，其中刀具已选定，这里主要是确定切削用量和选择切削液。其中切削液主要作用是降低切削温度、减少刀具磨损和提高已加工表面质量，而切削用量是影响车削的关键因素，必须合理选择。27实验中，改变主轴转速做对比试验，车削试验参数如下：表4.3实验参数实验参数实验温度主轴转速进给量背吃刀量切削液刀具号A800r/min1B1200r/min2C800r/min3D251200r/min0.24mm/s1.5mm煤油4表中1、2号刀具为相同的无涂层刀具，3、4号刀具为一个刀片的两个刃口。4.2.2进行实验设定好车床参数，切削液准备好后开始实验，为了观察刀具的情况，因此需要切削较长时间，当完成一次走刀后，退刀后重复切削，一次实验进行4小时。实验过程需要注意高速切削钢件时会形成红热地、锋利的切屑，极易伤人，在实验时应该注意安全，防止切屑伤人。工作前要全面检查机床，确认良好方可使用，