1、本科毕业论文（20 届）超声振动条件下外加载荷对车刀受力状况影响所在学院专业班级 机械设计制造及其自动化学生姓名指导教师完成日期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I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
2、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
3、 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II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
4、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 o
5、f 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 vibra
6、tion 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 deve
7、lopment, 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 co
8、ating 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 conclusi
9、on. Keywords: Ultrasound; Vibration cutting; The finite element analysisIII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
10、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 .26IV6 总结 .27参考文献 .28致 谢 .3011 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
11、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
12、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
13、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： 21) 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
14、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
15、、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
16、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、3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
17、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,VtAtxVtAtx )cos()(,)sin()( 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，fAHSR2/刀具与待切削材料才能够发生分离，实
18、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 )(/)(1122 tfTtDC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
19、似，因此认为系4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：)cos(),cos(21tbytaxH. 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
20、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。
