1、本科毕业论文（20 届）超声振动条件下振幅对车刀受力状况影响所在学院专业班级 材料成型及控制工程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 日毕业设计任务书设计题目： 超声振动条件下振幅对车刀受力状况影响 1设计的主要任务及目标查阅相关资料文献，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；分析振幅对车刀基体及涂层受力状况的影响规律，并实验验证；通过毕业设计分析车刀涂层磨损及剥落的机理，为车刀涂层设计提供一定的理论指导。2设计的基本要求和内容建立超声振动数
2、学模型（振动频率、振幅、外加载荷与受力状况之间的关系）；应用有限元法分析振幅对车刀受力状况的影响规律；实验验证车刀涂层磨损及剥落与振幅之间的关系；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主要参考文献1 阮世勋，肖继世.超声波振动切削刀具磨损的研究J.电加工及模具，1995（04）:100-105.2 王立江.超声波振动车刀在负载状态下的振幅和频率的变化J.电加工，1985（01）：85-91.3 王红飞.超声振动车削加工的研究现状及进展J.机械设计及制造，2007（02）：212-214.4、进度安排设计各阶段名称 起 止 日 期1 查阅文献，了
3、解研究目的意义，完成开题报告2014.12.01 至 2014.12.312 广泛阅读相关文献，制定研究方案 2015.01.01 至 2015.03.103 建立超声振动数学模型 2015.03.11 至 2015.03.304 完成有限元分析，中期检查 2015.04.01 至 2015.04.302015.04.305 实验验证有限元分析结果 2014.05.01 至 2014.05.156 撰写毕业论文，准备答辩 2014.05.16 至 2014.06.10审核人： 2014 年 12 月 15 日I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
4、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，
5、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IIThe effect of amplitudes on the stress state of turning tool under ultrasonic vibration conditionAbstract：With the development of science and technology, the machining precision of the w
6、orkpiece and the demand of the surface quality have become increasingly higher and higher in the field of mechanical processing, people are generally concerned about how to improve the product manufacturing accuracy, the continuous improvement of machine tools and advanced processing technology. Ult
7、rasonic vibration composite processing technology is an advanced processing technology which can effectively achieve the precision machining of parts. Although it is equiped with the advanced processing technology and well cutting effect , it also faced with some problems, the stress of the cutting
8、tool is one of them. Through the establishment of the ultrasonic vibration cuttings cutting force calculation model, this paper analyses the influence of vibration amplitude of the tool cutting forces, and concludes that cutting forces increases with the amplitude decreases. At the same time, using
9、the ANSYS finite element analysis software to analyse the tools transient dynamic response under dynamic loads, it is concluded that coating tool in the cycle of dynamic load under the action of cutting tools are far less than the average stress in a cycle under static load case, and the largest str
10、ess appears on the substrate and coating junction. Finally, this paper has carried on a cutting experiment about ordinary uncoated and coated cutting tools wear under the same conditions, by comparison,we obtained that the coating tool is more wear-resisting than ordinary tool and analyzed the facto
11、rs that influence the coating tool wear and spalling of coated tool, which provide a theoretical guidance for coated tools design.Keywords: Ultrasonic vibration cutting, Vibration amplitude, The finite element analysis, Coated toolsIII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
12、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 .123.2 ANSYS 有限元分析软件简介 .133.2.1 CAE 技术及其发展 .133.2.2 ANSYS 的特点及应用 .143.2.3 ANSYS 分析的一般流程 .153.3 ANSYS 分析过程 .163.3.1 ANSYS 瞬态动力学分析介绍 .163.3.2
13、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 .28IV4.3.1 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 .3411 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
14、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 Y 12 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
15、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
16、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。21.2 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
17、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
18、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 Masahiko Jin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
19、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
20、术进行了大量研究，研究过程中3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
