1、本科毕业论文（20 届）超声振动条件下振动频率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： 超声振动条件下振动频率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；分析振动频率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主要任务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）应用有限元法分析振动频率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振动频率之间的关系。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 曹凤国.超声加工技术M.北京: 化学工业出版社, 2005:114- 1152 张云电. 超声加工及其应用 M. 北京: 国防工业出版社 1995: 139- 1403 陈斌, 徐可伟, 朱训生.超声振动切削薄壁镜筒零件的研究J. 机械工程师，2001, (1): 40- 424 王红飞.超声振动车削加工的研究现状及发展J .机械设计与制造，
3、2007（10）： 216-2185 段忠福.超声波振动辅助车削加工机理分析D.上海：上海交通大学，20106 Ming Zhou,X.J.Wang,B.K.A.Ngoi,J.G.K.Gan Brittle-ductile transition in the diamond cutting of glasses with the aid of ultrasonic vibration J. Materials Processing Technology 2000,121:243-25 7 X.Wang, M.Zhou, J.G.K.Gan, B.Ngoi Theoretical and Exp
4、erimental Studies of Ultraprecision Machining of Brittle Materials with Ultrasonic Vibration J. Advanced Manufacturing Technology 2002,20:99- 1028 Chol K.S, John S.T. Diamond Turning: Optimum Machining of Optical Crystals. Mechanical Engineering. 1991,(4):68-724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
5、 月 03 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 04 日4 实验验证有限元分析结果 5 月 05 日6 月 01 日5 完成毕业论文及答辩工作 6 月 02 日6 月 22 日审核人： 年 月 日I超声振动条件下振动频率对车刀受力状况影响的研究摘 要：超声波振动切削是一种新型的特种切削加工方法，是一种复合工艺，超声波振动在一定条件下能够有效地解决精密切削加工的问题，但是目前对其机理的研究大都根据各自的试验表象以及所得到的工艺效果分析而得。本文章通过建立了振动切削中切削力的数学模型，研究振动频率对切削力
6、的影响规律，同时，还研究了在不同的振动切削条件下，切削力随切削参数变化的变化规律。除此以外，运用有限元软件 ANSYS/LS-DYNA,建立了涂层车刀的三维模型，在该模型的刀尖上施加前面从理论上得出振动频率对切削力的影响规律的变化曲线，从而模拟仿真出了涂层车刀的内部应力情况。根据涂层车刀的内部应力，提出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，从而能更好的提高车刀寿命。关键词：超声振动切削；涂层车刀；振动频率；切削力；仿真分析Study of the Effect of Vibration Frequency on the Stress State of Toolunder the
7、 condition of Ultrasonic Vibration Abstract：Ultrasonic vibration cutting is a new-type non-tradition machining , a multiple machining. It can resolve precision machining problem effectively under certain condition. But research on cutting mechanism is not mature, study some processing affects from t
8、he test representation, mostly. Mathematical model of cutting force in vibration cutting is established in this paper. By the mathematical model , the frequency of the influence law of cutting force is showed. And the relationship between cutting parameters and cutting force is probed into on the di
9、fferent cutting conditions. In addition, a 3D model of coated cutting is established by using the finite element software of ANSYS/LS-DYNA . The internal stress of tool coating is simulated by applying the vibration frequency of the influence law of cutting force curve concluded in front on the tip
10、of the model. The mechanism of cutting tool wear and spalling is put forward in according to the internal stress of tool coating. The results of this study provide the cutting tool coating desigh with theoretical guidance, thus improve the life of tool.IIKeywords: ultrasonic vibration cutting; tool
11、coating; vibration frequency; cutting force; the simulation analysis 目录1 前言 .11.1 课题背景及研究的目的和意义 .11.2 超声振动切削简介 .21.3 涂层车刀简介 .31.4 国内外超声振动条件下振动频率对车刀受力状况的研究现状 .31.4.1 超声振动切削理论的研究 .31.4.2 超声振动切削刀具磨损研究 .61.5 本课题的主要研究内容 .62 振动频率对切削力影响的理论研究 .82.1 引言 .82.2 超声振动切削的基本运动分析 .82.3 振动参数对切削力影响的理论分析 .92.4 频率对切削力的计
12、算模型 .122.5 本章小结 .143 超声振动切削的有限元仿真模拟 .143.1 引言 .143.2 ANSYS 简介 .143.3 ANSYS 模拟仿真 .153.3.1 定义参数 .153.3.2 创建几何模型 .173.3.3 划分网格 .183.3.4 加载数据 .193.3.5 求解 .203.3.6 结果分析 .203.4 本章小结 .224 振动及实验研究切削系统的建立及试验研究 .234.1 引言 .23III4.2 试验机机构介绍 .234.2.1 振动切削机床的选择 .234.2.2 车刀的选择 .254.2.3 工件的选择 .264.3 车床的工作条件 .274.4
13、实验步骤 .274.4.1 焊接车刀切削 .274.4.2 涂层车刀切削 .274.4.3 实验结果 .274.4.4 主轴转速对车刀的磨损状况的影响 .294.5 本章小结 .295 结论 .31参考文献 .32致 谢 .34IV11 前言1.1 课题背景及研究的目的和意义工业用陶瓷、光学玻璃、金刚石、硬质合金等高性能材料具备耐腐烛、抗氧化等优良的物理、化学特性,在航空、航天、军工、电子、汽车和生物工程等应用领域有着诸多潜在的实用价值。但是这些硬脆材料强度较高,采用传统机械加工方法效率低、加工性能差,而且精度低,从而限制了硬脆材料的应用范围,在这种工业生产背景下,超声加工技术应运而生。超声技
14、术是以经典声学理论为基础,综合机械振动学、电学和材料学等学科知识发展起来的一门技术,其应用方向主要有功率超声和检测超声两大领域。其中,功率超声根据加工工艺特性的不同,分为超声磨料加工和超声复合加工。旋转超声加工是将传统超声加工技术与磨粒磨削加工技术有机结合在一起的复合加工,是加工各类硬脆材料的一种高效方法。自 1940 年在工业文献上首次出现超声加工(USM)工艺技术描述以来,超声加工技术在超声振动系统、拉丝模及型腔模具研磨抛光、深小孔加工等领域发展迅速,并且在难加工材料工艺方面取得关键性的突破目前,采用纵向振动方式的超声振动系统应用较为普遍,随着超声加工技术的发展,“纵-弯”型、 “扭转”型
15、、 “纵-扭”型等新型超声振动系统也应运而生,逐步应用于超声加工设备中。在工业发展中显得更加重要。45 钢是经常被使用的一种材料，因为他有着较好的力学性能，被广泛用于机械、医疗和生活等各个领域，同时良好的切削加工性能使它通常在退火或正火状态下使用，它具有高的强度和塑性，经调制处理后，其韧性得到较强提升。超声振动系统是功率超声加工设备的核心,其设计优劣直接影响超声加工性能。当前超声振动系统的设计方法利用仿真软件对振动系统及超声加工过程进行仿真分析的研究还较少。利用计算机仿真技术对系统的动态工作特性进行研究,可在设计阶段分析其运行结果,通过不断修改仿真参数,实现超声振动系统的结构优化。国内的计算机
16、仿真研宄起步较晚,本文通过对旋转超声振动系统进行基础理论分析,然后借助 ANSYS 软件进行建模与仿真分析,得到可视化的测试结果,这对超声振动系统的优化设计研究提供了理论与现实依据。伴随着科学技术的快速发展，刀具表面涂层技术受到大众的广泛应用，因为该项2技术可以使切削刀具获得良好的综合机械性能，并具有更好的切削效果，从而大幅度提高刀具使用寿命，因此该项技术已成为满足现代机械加工高效率、高精度、高可靠性要求的关键技术之一，然而，征对于车刀涂层的方法还没有一定的理论指导。通过本次毕业设计，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；分析振动频率对车刀基体及涂层受力状况的影响规律，并
17、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，从而能更好的提高车刀寿命。1.2 超声振动切削简介超声振动切削，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。超声振动切削从微观上看是一种脉冲切削。在一个振动周期中，刀具的有效切削时间很短，大于 80%时间的里刀具与工件、切屑完全分离。刀具与工件、切屑断续接触，这就使得刀具所受到的摩擦变小，所产生的热量大大减少，切削力显著下降，避免了普通切削时的“让刀“现象，并且不产生积屑瘤。利用这种振动切削，在普通机床上就可以进行精密加工，圆度、圆柱度、平面度、平行度、直线度等形位公差取主要决于机床主轴及导轨精
18、度，最高可达到接近零误差，使以车代磨、以钻代铰、以铣代磨成为可能。与高速硬切削相比，不需要高的机床刚性，并且不破坏工件表面金相组织。在曲线轮廓零件的精加工中，可以借助数控车床、加工中心等进行仿形加工，可以节约高昂的数控磨床购置费用。超声振动优点：1.切削力小，约为普通刀具切削力的 1/3-1/10。2.加工精度高，主要取决于所用机床精度，所加工工件形位公差几乎可接近机床相关精度。3.切削温度低，工件保持室温状态。4.不产生积屑瘤，工件变形小，没有毛刺。5.切削表面粗糙度低，可接近理论粗糙度值，最高可达 Ra0.2 以下。6.被加工零件的“刚性化“，即与普通切削相比，相当于工件刚性提高。7.加工过程稳定，能有效消除颤振。
