1、本科毕业论文（20 届）超声振动条件下频率对车刀能量分布及磨损状况分析所在学院专业班级 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 日毕业设计任务书设计题目： 超声振动条件下频率对车刀能量分布及磨损状况分析 1设计的主要任务及目标1）查阅相关资料文献，了解超声振动特点。2）建立超声振动数学模型，学习有限元分析软件。3）分析振幅对车刀基体及涂层能量分布及磨损状况的影响规律，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
2、理论指导。 2设计的基本要求和内容1）建立超声振动数学模型（振动频率、振幅、外加载荷与受力状况之间的关系）。2）应用有限元法分析频率对车刀能量分布及磨损状况的影响规律。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主要参考文献1.段忠福；超声波振动辅助车削系统机理分析；2010 年 2 月2.李旭，刘震；超声加工中振幅衰减的原因分析；中国民航学院学报；20001 期3.原丰霞；基于 ANSYS 的超声变幅杆的优化设计；机械工程师，2004 年4、进度安排设计各阶段名称 起 止 日 期1 查阅文献，
3、了解研究目的意义，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 2015.04.305 实验验证有限元分析结果 2015.05.01 至 2015.05.156 撰写毕业论文，准备答辩 2015.05.16 至 2015.06.10审核人：_ 年 月 日I超声振动条件下频率对车刀的能量分布及磨损情况分析摘要：超声振动切削技术是把超声波振动的力有规律地加在刀具上，使刀具周期地
4、切削和离开工件的加工技术, 是结合超声波技术和传统切削工艺的一种新型切削技术。这篇论文研究对象是超声振动，此外还定义净切削比，通过实验来体现了切削力跟净切削比之间关系。有限元软件应用范围很广，特别是在金属切削方面，因为用它来分析各参数对切削的影响极为方便，可以得到许多通过其他途径不能获得的信息。本文利用有限元软件 ，分别体现出各种参数，比如振动频率对切削过程中切削应力以及温度的影响。 本文主要建立车削加工系统，首先利用 ANSYS 软件模拟了切削过程并且进行模态分析，最后进行实验对过程进行验证，将原有车刀和涂有涂层的车刀就行比较验证，实验验证了涂有涂层的到刀具比原有刀具在切削过程中更耐磨，寿命
5、一更要长一点。关键词：超声波，振动车削，净切削比，有限元分析Effect of Ultrasonic Vibration under the Condition of Frequency and Energy Distribution of Tool Wear ConditionAbstract:Ultrasonic vibration cutting technology is adding ultrasonic vibration force regularly on the cutting tool.The cutting tools are periodically cutting a
6、nd leave the workpiece machining technology, is combined with the ultrasonic technology and traditional cutting technology of a new type of cutting technology. Has made great use of the finite element software, especially in metal cutting, because use it to analyze the influence of various parameter
7、s on the cutting is very convenient, many cannot obtain information by other means. In this paper, by using the finite element software, respectively reflects various parameters, such as vibration frequency in the process of cutting cutting stress and the influence of temperature. In this paper, we
8、establish a turning processing system, first of all, using ANSYS software to simulate the cutting process and the modal analysis, the final experiments to verify this process, the original tool and coated with validation tool of the coating is being compared, coated with the coating to the cutting t
9、ools is verified by the experiments more wear-resistant than the original cutting tool in cutting process, a much longer service life. IIKey Words：ultrasonic ，Vibration Turning，net cutting time ratio，Finite Element Analysis目 录1 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 国内外研究发展现状 .21.2.1 超声振动系统 .41.2.2 超声振动切削理论 .51.2.3 超声
10、车削加工系统 .61.3 论文的主要研究内容 .92 超声振动车削理论 .92.1 超声波的基本原理和特点 .102.2 超声加工的基本原理 .102.2.1 超声振动切削基本原理 .112.2.2 切削力 .142.2.3 频率的影响.162.3 本章小结 .203 超声振动车削系统建立以及有限元分析 .203.1 超声振动切削系统 .203.1.1 换能器 .203.1.2 变幅杆 .223.1.3 超声波信号发生器 .233.1.4 振动切削刀具 .253.2 振动切削系统的建立以及有限元分析 .253.2.1 ANSYS 软件的简介 .253.2.2 模态分析过程 .253.3 本章小
11、结 .294 切削实验的进行与研究 .294.1 切削实验 .294.1.1 实验设备的选择 .29III4.1.2 实验过程 .304.1.3 实验结果 .314.2 本章小结 .325 总结与展望 .325.1 总结 .325.2 展望 .33参考文献 .34致 谢 .3511 绪论1.1 课题背景超声波技术，也简称为超声技术，它首次出现在 20 世纪的初期，通过近一个世纪的不断发展，如今超声技术在社会的各个领域里面都得到了很大利用，甚至在很多的领域，例如科学，生活和生产拥有着极大的影响力。 超声技术的本质来通过发生波，并且将产生的超声波来完成传输接受的一个过程。根据发射出的超声波辐射大小
12、的不同，可以将超声技术在现实生活中的利用归两个作用：其一是利用超声波将我们的材料按照我们的需求来进行改变它的属性，这便是功率超声；还有一种超声波就叫做检查超声，这种超声我们用来收集我们所需要的信息。在超声学中我们重点发展的是功率超声，在现代生活当中，超声功率在很多的区域起着极其重大的作用， 而且在近几年，由于宇航、原子能、军工、电力这些行业进入了高速的发展，这就对产品的材料性能有了比之前更苛刻的要求。现在材料必须能够在许多苛刻的工作条件下正常的运作，很多的时候需要较优秀的耐磨耐腐这些优秀性能，所以我们需要使用很多的，不同的材料，这些材料必须具有许多在性能上优异的特点，这些材料要优秀的硬度强度，
13、这些材料在加工中相对于普通材料很难加工，也称为难加工材料，在由于这些材料很难加工，硬度比较高，在加工的时候会产生许多问题，例如产生很大的温度，同时刀具寿命也会降低，加工的工件质量也会有一定的问题，切削当中可能会产生许多不可控的问题。由于这些困难的产生，在切削中会让加工的效率变低，而且加工的质量也得不到保障。于是近年来，国内外科研人员便试着利用超声振动切削对上面那些难加工的材料进行加工，并且取得了一定的效果因此，通过许多的尝试，发现用超声振动切削来对那些难加工的材料进行加工上述问题能够得到很大程度上的解决。许多研究和使实验表明，超声振动相对于普通的切削工艺有这无法代替的优点，它能够切削普通切削所
14、不能加工的工件。当今社会，超声切削在振动车削，钻孔，冲击加工在，符合加工这些领域得到了一些重大的突破和进展。可是超声振动在现阶段仍存在着许多我们没有解决的问题，由于这些问题的无法解决，导致超声切削技术无法继续更好的发展和实用化, 这也是超声波切削技术2经过这么长时间的发展却仍停留在实验阶段、不能够大量的应用实际生产的主要原因，如 果能将这些问题圆满的解决，在加工领域中超声技术一定会大放异彩。在原有的传统的切削加工中原有的许多难题无法解决但是通过超声辅助振动切削能够很好的处理，例如切削过程中会产生无法抵挡的振动以及所产生的切削热变形，对细长轴及薄壁零件这些易变形零件进行加工、以及软质、脆硬及低熔
15、点材料的加工提供了较好的解决方案，本文会对超声辅助振动切削进行比较详尽的学习讨论，借助现有的软件，并且通过对设备和试验的一些研究，将它应用到实际加工工艺当中，将提高加工效率、生产质量而且降低加工的成本作为首要目标进行工艺创新。1.2 国内外研究发展现状 在近几十年当中，超声振动切削技术发展的特别迅速，而且它的应用也越来越广泛，已经在工业、农业、国防、这些重大的领域有着很好的应用以及发展，同时由于他的优异功能导致超声切削技术已经很快速的发展到另外的一些重要领域。例如超声马达、超声切削、超声清洗、超声化学、超声悬浮等这些高科技领域。超声加工的有着很大的适用范围，现阶段在以下所列陈述的几个类型中有着
16、很大的使用：超声钻孔、超声切削、超声研磨和抛光、超声金属塑性加工。在车、刨、铣、磨、螺纹的加工及齿轮的加工这些方面超声切削相对于普通车削也有着很大优点，在加工中也有着极大的应用。1.国外进展美、日、苏、法、德国这些在国际上一直处于工业发达的国家尤其重视超声波振懂切削的研究和应用,通过不断的努力在近十多年来已经很大程度上优异的成绩.在拉丝钻孔方面有着很大的应用。而且在车、刨、钻、镗、磨等工艺中也起到了不能忽视的作用.其中一些系统己经从实验性的设奋演变成为了标准化产品,而且得到了企业界的好评。利用这种系统在加工一些难加工的出材料和要求比较高的工作时表现的很好，有极大优越性，这是其他方法做不到的。日
17、本等国外发达国家不仅仅将超声波振动切削广泛使用在普通设备上,而且还用应用在精密机床、数控机床等高端设备上。泻铁工会研究所甚至已经研制了专门的振功攻丝机等设备。32.国内进展随着国外超声切削的发展，我国也很重视这一方面,当前我国超声波振动切削的试验研究也从最初的引进阶段逐渐的向应用技术研究发展,而且取得了一定成果。比如:25.2000W 这些类别的超声波振动电源设备以及切削装置都逐步产生走向应用,而且在使用当中完成了许多困难的任务，体现出巨大的价值;利用超声波振动切削能有效的对难切削材料的小径深孔、小螺纹孔和薄壁零件、细长轴等零件进行便捷的加工;在将天然金刚石车刀取消并且以硬质合金车刀代替对过共
18、晶高硅铝合金活塞成功的进行了超声波振动精密车削;通过对包括陶瓷在内的许多高难度材料加工试验已经获得了了许多有用的数据,现阶段成熟的超声波振动抛光跟超声振动砂带磨削这种工艺手段正在大量的在各种模具的要求特别高的精密加工中使用。超声震动切削是一个非传统的而且处于先进前沿的新型工艺，这种工艺的本质是在刀具上或者工件上面给予方向，频率以及振幅这些外加条件，来让他更好的按照自己的要求开进行切削，可以达到自己所期望的效果。将之跟传统切削相对比，可以发现超声切削所加工的材料质量更加优秀，而且所使用的刀具寿命比以前更长，也更加容易控制，效率高这些长处。我国的超生加工技术的呀就开始在 50 年代木，60 年代初
19、，哈尔滨工业大学应用产生切削，尝试加工了一批铝质细长轴用来在航空上使用，并且得切削效果得到了大家的肯定，在 1973 年上海的超声波电子仪器厂研制成功了CNM-2 型超声研磨机，1982 年在上海钢管厂，中国科学院声学研究以及上海超声波研究场成功研制了超声拉管设备，成功的为我国超声振动加工在金属的塑性加工中的应用开创了先河，填补了空白.1983 年十月，工艺部在线上开展了第一次的关于超声振动的会议，并且通过这次会议众人通过讨论确立了振动切削在金属切削中所处的重要地位。1985 年广西大学和南京电影机械厂以及南京刀具厂三个厂一期联合开发了我国历史上第 1 台 CZQ-25OA 型超声振动切削系统
20、.永年.后来我国的机械电子工业部通过长期的努力终于生产出旋转超声加工机，该机器在对玻璃以及陶瓷这一些硬脆材料的生产，比如打孔，套料。并且在内外圆磨削及螺纹加工中取得了出乎意料的效果，一九八九年，超声研磨装置被我国科研人员成功的研制出来。北京某个装甲兵学院又创造了一种超声4微震车削的新工艺，这种工艺的特点是功率和振幅比较小，但是效果和一般的振动车削一样 。随后清华大学进行了一次实验，以 45 号钢制作成的超声砂岩带为实验物品进行了相关的研究跟大量的实验。相继又成功的制作了出了超声旋转加工装置，北京研究院通过大量研制生产出了一台旋转超声加工机床，并且对超声加工的核心技术进行继续深入的研习。超声振动
21、磨削体现出来的价值让国内外学者继续深入研究，现阶段超声振动切削理论比较多，也相对成熟了一些 ，但是还有许多不完善的地方。早年，国外学者发表过关于超声波加工的论文，也有国外学者在 1945 年申请了关于超生加工的专利. 日本学者一郎是世界范围内第一个对振动切削进行详细有条理的研究的学者，.该学者成绩公开发表了很多震动切削方面的专著，也是他首次发表了振动切削理论，他完美的使得振动车削，振动磨削，振动镗削等加工工艺得到了使用，在 1960 年左右，英国原子能研究院发明了新的超声磨削加工方法，之后美国根据前面的理论展开了对振动切削的更多研究，等到三十世纪七十年代中期的时候，振动车削，振动钻孔，振动磨削
22、，光整加工这些已经达到了实用阶段，利用这些方法加工效率比传统加工方法高除了 6-10 倍，目前超声波加工已经被广泛应用，甚至被广泛的还被广泛的应用于医学领域。利用超声振动来加工难加工以及需要高精度的材料以及工件的时候获得了良好的效果，确立了其在切削加工中的地位。世界范围内通过不断的研究取得了许多骄人的成绩，并且在现实的加工中也取得不错的效果与应用。1.2.1 超声振动系统利用超声波发生器将 220v 或者 380v 的交流电转换成功率为 300w 和频率我高于 16Khz 的超声频电振动信号这个过程称为超声波振动.通过见电信号加载到换能器上达到其获得相同频率的机械振动，然后振幅通过振幅器变大，在工具端部产生强大的机械振动给幅值。超声波发生器是由四大部分所构成的，他们分别是振荡器，电压放大器，功率放大器，输出变压器这些部分。其中振荡器是核心。超声波发射器的输出波形大概为俩种，一种是正弦波还有一种是非正弦波。正弦波更常见，根据工作的需要来选择。超声换能器是一种能够使得电信号和声信号二者相互转换的能量转换器。超声调幅器用来将传来的电能转换成机器能能传递给被加工的工件，以此来提高超声加工功效。许多海外发达国家对超声振动切削很重视，进行了大量的研发，特别是在
