材料成型及控制工程畢業(yè)論文-超聲振動(dòng)條件下外加載荷對(duì)車刀的能量分布及磨損狀況影響

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　超聲振動(dòng)條件下外加載荷對(duì)車刀的能量分布及磨損狀況影響</p><p><b>　　誠信聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是

2、本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的，在完成論文時(shí)所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。</p><p>　　本人簽名： 年 月 日</p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　設(shè)計(jì)題目： 超聲振動(dòng)條件下外加載荷對(duì)車刀的能量分布及磨損狀況影響 </p>

3、<p><b>　　1．課題意義及目標(biāo)</b></p><p>　　通過本次畢業(yè)計(jì)，了解超聲振動(dòng)特點(diǎn)；建立超聲振動(dòng)數(shù)學(xué)模型，學(xué)習(xí)有限元分析軟件；分析外加載荷對(duì)車刀基體及涂層能量分布及磨損狀況的影響規(guī)律，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；分析車刀涂層磨損及剝落的機(jī)理，為車刀涂層設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。</p><p><b>　　2．主要任務(wù)</b></p&g

4、t;<p>　　1）建立超聲振動(dòng)數(shù)學(xué)模型（振動(dòng)頻率、振幅、外加載荷與受力狀況之間的關(guān)系）。</p><p>　　2）應(yīng)用有限元法分析外加載荷對(duì)車刀能量分布及磨損狀況的影響規(guī)律。</p><p>　　3）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證車刀涂層磨損及剝落與振動(dòng)頻率之間的關(guān)系。</p><p>　　4）撰寫畢業(yè)論文。結(jié)構(gòu)完整，層次分明，語言順暢；格式符合機(jī)械工程系學(xué)位論文格式的統(tǒng)

5、一要求。</p><p><b>　　3．主要參考資料</b></p><p>　　[1] 王紅飛. 超聲振動(dòng)車削加工的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].機(jī)械設(shè)計(jì)及制造.2007.(第10期)。</p><p>　　[2] 李祥林等編著. 《振動(dòng)切削及其在機(jī)械加工中的應(yīng)用》 北京：北京科學(xué)技術(shù)出版社, 1985.</p><p>　

6、　[3] 張日昇.超聲振動(dòng)車削試驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代制造工程,1982,(第11期).</p><p><b>　　4．進(jìn)度安排</b></p><p>　　超聲振動(dòng)條件下外加載荷對(duì)車刀的能量分布及磨損狀況的影響</p><p>　　摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在機(jī)械加工領(lǐng)域，對(duì)工件的加工精度和表面質(zhì)量的要求越來越高，人們普遍關(guān)心如何提高產(chǎn)品的

7、制造精度。人們通過研究取得了大量成果并實(shí)現(xiàn)了零件的精密和超精密加工。但是，一些精密和超精密機(jī)床的造價(jià)十分昂貴，嚴(yán)重限制了它們的使用，因此人們通過探索新型的加工技術(shù)來達(dá)到零件的精密加工。先進(jìn)的加工技術(shù)是當(dāng)下必須研究的問題，它對(duì)于國家工業(yè)和人類的發(fā)展具有重要意義。超聲振動(dòng)復(fù)合加工技術(shù)是一種先進(jìn)的加工技術(shù)，能夠有效的實(shí)現(xiàn)零件的精密加工。雖然該加工技術(shù)先進(jìn)，切削效果也十分好，但是也面臨著一些問題，刀具的受力問題就是其中的一種。本文通過對(duì)超聲振動(dòng)

8、切削切削力計(jì)算模型的建立，分析了刀具振動(dòng)切削過程中外加載荷對(duì)車刀的能量分布影響。同時(shí)，利用 ANSYS 有限元分析軟件分析了車刀在動(dòng)載荷作用下的瞬態(tài)動(dòng)力 學(xué)響應(yīng)，得出涂層車刀在周期動(dòng)載荷作用下一個(gè)周期內(nèi)，刀具所受平均應(yīng)力遠(yuǎn)小于在靜載荷作用下的情況。最后進(jìn)行了車削實(shí)驗(yàn)研究，研究了普通無涂層刀具和涂層刀具在相同條件下的磨損情況，通過對(duì)比得出了涂層車刀相比于普通刀具更耐磨，加工精度更高，分析了影響涂層刀具涂層磨損和剝落的影響因素，為設(shè)計(jì)涂層刀

9、具提供</p><p>　　關(guān)鍵詞：超聲振動(dòng)，外加載荷，涂層車刀，能量分布，磨損影響</p><p>　　Under the condition of ultrasonic vibration，how are the applied loadings affect energy distribution and wear of cutting tool</p><p&g

10、t;　　Abstract：With the development of science and technology, in the field of machining, the machining precision of the workpiece and the surface quality of the demand is higher and higher, people focus on how to improve

11、the manufacturing precision of the product.Made a lot of people through research and implement of precision and ultra precision machining of the parts.However, some precision and ultra precision machine tool is very expe

12、nsive,which limit their use severely, therefore people through e</p><p>　　Keywords: Supersonic vibration,Applied load,Coating tool,Energy distribution,Abrasion affect</p><p><b>　　目 錄</

13、b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1.2 研究目的和意義2</p><p>　　1.3 國內(nèi)外研究進(jìn)展現(xiàn)狀3</p><p>　　1.3.1 超聲振動(dòng)切削理論的研究3</p>&

14、lt;p>　　1.3.2 超聲振動(dòng)切削刀具磨損研究5</p><p>　　1.4 論文的主要研究?jī)?nèi)容6</p><p>　　2 超聲振動(dòng)切削理論研究7</p><p>　　2.1 超聲波的基本原理及特點(diǎn)7</p><p>　　2.2 超聲波振動(dòng)切削加工機(jī)理原理7</p><p>　　2.2.1

15、 超聲振動(dòng)切削原理8</p><p>　　2.2.2 切削力10</p><p>　　3 超聲振切時(shí)外加載荷對(duì)車刀的能量分布模擬15</p><p>　　3.1 ANSYS簡(jiǎn)介15</p><p>　　3.1 ANSYS模擬仿真過程16</p><p>　　3.2.1 定義參數(shù)16</p&

16、gt;<p>　　3.2.2 建立幾何模型18</p><p>　　3.2.3 劃分網(wǎng)格18</p><p>　　3.2.4 加載荷數(shù)據(jù)19</p><p>　　3.2.5 后處理分析20</p><p>　　4 超聲振動(dòng)切削時(shí)刀具磨損研究24</p><p>　　4.1 普通切削時(shí)

17、車刀的磨損機(jī)理24</p><p>　　4.2 振動(dòng)切削過程中道具磨損研究25</p><p>　　4.3 振切顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料刀具磨損狀況研究27</p><p>　　4.4 涂層車刀的磨損研究30</p><p>　　5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證32</p><p>　　5.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備32</p>

18、;<p>　　5.2 實(shí)驗(yàn)過程33</p><p>　　5.2.1 普通車刀實(shí)驗(yàn)34</p><p>　　5.2.2 涂層車刀實(shí)驗(yàn)36</p><p>　　5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論38</p><p><b>　　6 結(jié)論39</b></p><p><b>　

19、　參考文獻(xiàn)40</b></p><p><b>　　致 謝42</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p><p>　　20世紀(jì)初期出現(xiàn)了超聲技術(shù)，經(jīng)過一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，超聲技術(shù)是聲學(xué)中

20、發(fā)展最為活躍的一部分，如今它已經(jīng)滲透人民生活、科學(xué)技術(shù)、國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)等各個(gè)領(lǐng)域。</p><p>　　超聲技術(shù)完成過程是通過超聲產(chǎn)生、傳播及接受的物理過程。由于超聲波輻射不同，將超聲技術(shù)分為兩方面：一是功率超聲，利用它的能量來改變材料的某些狀態(tài)；二是檢測(cè)超聲，利用它來采集信息。而功率超聲是一個(gè)重要的研究方向。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)人類社會(huì)發(fā)展的奉獻(xiàn)越來越大，已經(jīng)遍及國防，航空、航海、生物

21、工程、電子等領(lǐng)域。</p><p>　　而超聲振動(dòng)切削加工技術(shù)可以說是功率超聲技術(shù)里應(yīng)用十分廣泛的。20世紀(jì)60年代，一種先進(jìn)制造加工技術(shù)——振動(dòng)切削加工技術(shù)發(fā)展起來，它是通過在普通刀具上施加高頻的，一定規(guī)律的振動(dòng)，工件和刀具之間的接觸是間斷性的切削，這在根本上改變了傳統(tǒng)的車刀切削模式，不僅能對(duì)普通材料進(jìn)行加工，對(duì)高硬、脆等性能材料也有優(yōu)異的加工效果，有著比普通切削加工更優(yōu)異的加工性能。超聲振動(dòng)切削即高頻振動(dòng)切削

22、，是給切削刀具施加一定頻率、振幅有規(guī)律的振動(dòng)，改變了刀具和被加工材料間的空間、時(shí)間存在條件，而改變了加工機(jī)理，減小了切削力，切削熱。提高被加工材料可加工性，提高加工質(zhì)量，刀具耐用度等。超聲振動(dòng)切削加工技術(shù)是一種脈沖式的斷續(xù)切削過程。由于超聲加工的優(yōu)點(diǎn)，擴(kuò)大了它的應(yīng)用范圍，普遍用于車、銑、刨、磨、螺紋加工及齒輪加工等方面[1]。</p><p>　　對(duì)于涂層刀具是在強(qiáng)度和韌性較好的高速鋼（HSS）或硬質(zhì)合金基體表面

23、上，利用氣相沉積方法涂覆一薄層耐磨性好的難熔金屬或非金屬化合物而獲得的。涂層很好的保護(hù)了基體刀具，是一層很好的熱和化學(xué)屏障，減少了被加工工件和車刀間的化學(xué)反應(yīng)和物理擴(kuò)散，因此減少了前刀面月牙槽磨損。涂層刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐熱耐氧化、摩擦因數(shù)小和熱導(dǎo)率低等特性，切削時(shí)可比未涂層普通刀具提高壽命3~5倍以上，提高加工精度0.5~1級(jí)，提高切削速度20%~70%，降低刀具消耗費(fèi)用20%~50%。涂層刀具有四種：涂層高

24、速鋼刀具，涂層硬質(zhì)合金刀具，以及在陶瓷和超硬材料(金剛石或立方氮化硼)刀片上的涂層刀具。一般使用最多的是前兩種涂層刀具。</p><p>　　涂層材料具有硬度高、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、不與工件材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、耐熱耐氧化、摩擦因數(shù)低，以及與基體附著牢固等要求。常用的涂層材料有碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、硼化物、硅化物、金剛石及復(fù)合涂層八大類數(shù)十個(gè)品種。這些涂層材料中用的最多是TiC、TiN、Al2O3、金

25、剛石以及復(fù)合涂層；其中TiC涂層刀具抗后刀面磨損的能力特別強(qiáng)，而TiN涂層刀具則具有較高的抗“月牙洼”磨損能力。</p><p><b>　　研究目的和意義</b></p><p>　　現(xiàn)在微機(jī)械，微電子技術(shù)逐漸取得進(jìn)展，對(duì)于各種精密和超精密技術(shù)也已經(jīng)成為國際競(jìng)爭(zhēng)中的關(guān)鍵技術(shù)。其中超聲振動(dòng)切削加工技術(shù)就目前很有發(fā)展前景。它出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，是利用專門的超聲振動(dòng)驅(qū)

26、動(dòng)裝置，使切削加工的刀具以一定振動(dòng)頻率、振幅按正弦波形強(qiáng)迫振動(dòng)，形成一種脈沖式的切削過程，與普通切削加工相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p><b>　　生產(chǎn)率顯著提高；</b></p><p><b>　　切削溫度顯著降低；</b></p><p>　　工件表面硬化，使用壽命提高；</p><p>

27、　　工件表面粗糙度顯著降低；</p><p>　　切削穩(wěn)定，加工精度提高，使圓度及粒度誤差減小；</p><p>　　切削力和所消耗的功率減?。?lt;/p><p><b>　　刀具壽命提高。</b></p><p>　　普通切削加工中的一些固有難題，比如切削中的刀具切削熱變形和隨機(jī)振動(dòng)致使加工表面粗糙、刀具磨損嚴(yán)重等問題振

28、動(dòng)切削加工中則得到很好的改善。振切技術(shù)在傳統(tǒng)切削加工技術(shù)的基礎(chǔ)上有一個(gè)飛躍，也越來越引起人們的重視，受到世界各國的矚目[1]。</p><p>　　涂層硬質(zhì)合金刀具具有以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　已加工表面質(zhì)量在涂層刀具的加工下相對(duì)較好；</p><p>　　涂層刀具表面材料有很高的硬度和耐磨性，大幅度提高了刀具耐用度；</p><p>

29、　　刀具涂層材料與被加工材料之間摩擦系數(shù)小，故可減小切削力[12]。</p><p>　　但是經(jīng)過已有實(shí)驗(yàn)表明涂層車刀在超聲振動(dòng)切削過程中，車刀涂層卻表現(xiàn)出易磨損和剝落的現(xiàn)象。</p><p>　　本課題將對(duì)超聲振動(dòng)切削展開研究，借助ANSYS有限元分析軟件，模擬振動(dòng)切削過程，分析外加載荷對(duì)車刀基體及涂層能量分布及磨損狀況影響規(guī)律，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。分析車刀涂層磨損及剝落機(jī)理，為振動(dòng)車刀選用提供

30、理論指導(dǎo)。</p><p><b>　　國內(nèi)外研究進(jìn)展現(xiàn)狀</b></p><p>　　1927年超聲加工技術(shù)興起，經(jīng)過幾十年發(fā)展，國內(nèi)外關(guān)于超生加工技術(shù)進(jìn)行了廣泛的理論與實(shí)驗(yàn)研究，并在許多方面取得進(jìn)展，比如對(duì)超聲切削的機(jī)理研究，超生振動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)與制造、超聲加工工藝、振動(dòng)切削時(shí)的刀具選擇等，還解決了像陶瓷、石英、玻璃、金剛石及磁性材料等許多難加工材料在普通加工時(shí)遇到

31、的的技術(shù)困難，取得了良好的加工效果。在美、日、英、西德等工業(yè)發(fā)達(dá)國家，超生振切的研究、應(yīng)用受到重視并已經(jīng)在實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)用。</p><p>　　1.3.1 超聲振動(dòng)切削理論的研究</p><p>　　普通切削中，切削是靠刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來完成的，切屑和已加工表面的形成，本質(zhì)上是刀具強(qiáng)行擠壓工件材料，產(chǎn)生彈性變形和塑性變形，從而使使切屑與母體分離。在這種普通切削中，由于刀刃與被切物

32、接觸處局部壓力很大，從而使被切物分離，刀面則在切削的同時(shí)撐擠被切物，促進(jìn)這種分離。在普通切削中，伴隨著切屑的形成，由于切屑與刀具之間的擠壓和摩擦作用，將不可避免產(chǎn)生較大的切削力，較高的切削溫度，使刀具磨損和產(chǎn)生切削振動(dòng)等有害現(xiàn)象。而振動(dòng)切削是通過在切削刀具上施加某種有規(guī)律的、可控制的振動(dòng)，使切削速度、切削速度發(fā)生周期性的改變，從而得到特殊的切削效果的方法。振動(dòng)切削改變了刀具和被加工材料之間的空間與時(shí)間的存在條件，改變了切削加工機(jī)理，達(dá)到

33、減小切削力、切削熱，提高加工質(zhì)量和效率的目的。振動(dòng)切削按所加頻率不同可分為高頻振動(dòng)和低頻振動(dòng)；低頻振動(dòng)僅僅從量上改變切屑和形成條件，主要用來解決斷屑問題以及與此相關(guān)的一系列問題；而超聲振動(dòng)即高頻振動(dòng)切削已經(jīng)使切屑形成機(jī)理產(chǎn)生重大變化，可以提高被加工材料的可加工性，提高刀具壽命和加工質(zhì)量。超聲加工的工藝效果來自刀具和工件之間的分離運(yùn)動(dòng)，即它是一種脈沖式的斷續(xù)切削過程。超聲振</p><p>　　1）周期性地改變了實(shí)

34、際切削速度的大小和方向；</p><p>　　2）周期性地改變了刀具運(yùn)動(dòng)角度，包括前角、后角、刃傾角等；</p><p>　　3）周期性地改變被切金屬層的厚度；</p><p>　　4）改變了所加載荷的性質(zhì)，使刀具由靜載荷變?yōu)閯?dòng)載荷；</p><p>　　5）改變了已加工表面的形成條件，從而改善了表面質(zhì)量，提高了加工精度；</p>

35、<p>　　6）改善了切削液到達(dá)切削區(qū)的條件；</p><p>　　7）改變了刀具工作表面的接觸條件，減小了切削形成區(qū)的變形，降低了切削力；</p><p>　　8）改變了工藝系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，從而得到振動(dòng)切削特有的消振效果；</p><p>　　9）改變了切削過程中消耗的功率N，使能量分布發(fā)生了變化：N總=N機(jī)床+N振動(dòng)，由于機(jī)床功率N在振切中大大減

36、小，所以總的功率N也會(huì)相應(yīng)減小。</p><p>　　從對(duì)超聲振動(dòng)加工技術(shù)研究的深度、廣度、實(shí)際應(yīng)用效果來看，日本處于國際領(lǐng)先地位。20世紀(jì)60年代，作為研究超聲振動(dòng)切削理論與應(yīng)用技術(shù)的奠基人——隈部淳一郎先生，首先提出了系統(tǒng)的振切理論并在超聲振動(dòng)切削技術(shù)方面完成了大量的開創(chuàng)性工作。他認(rèn)為對(duì)刀具施加強(qiáng)制性的有規(guī)律的穩(wěn)定的超聲振動(dòng)，顯著減小了機(jī)床系統(tǒng)的隨機(jī)振動(dòng)影響，減弱消除了刀具不穩(wěn)定區(qū)域，降低了平均切削力，工件的

37、切削質(zhì)量也得到改善，同時(shí)，由于周期性的振動(dòng)過程降低了切削溫度，刀具的工作環(huán)境比普通切削好，刀具耐用度提高，切削過程中的積屑瘤同樣得到抑制，改善了工件的切削質(zhì)量。在1977年，日本就在振動(dòng)切削與振動(dòng)磨削方面深入研究并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。</p><p>　　在美國，對(duì)振動(dòng)切削的研究開始于60年代，到70年代中期，美國在超聲振動(dòng)光整加工、磨削、鉆中心孔等方面已處于生產(chǎn)應(yīng)用階段，振動(dòng)車、鉆、鏜等切削加工已處于試驗(yàn)性生產(chǎn)設(shè)

38、備階段，成功的完成了對(duì)振動(dòng)銑削、拉削的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中已開始廣泛應(yīng)用超生振動(dòng)系統(tǒng)加工技術(shù)，并且其中部分都已經(jīng)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)了。</p><p>　　英國、德國也在超聲振動(dòng)加工機(jī)理方面研究付出了許多，有很多學(xué)者研究人員發(fā)表了自己的理論實(shí)驗(yàn)成果，并很好的應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。</p><p>　　我國對(duì)超聲振切的研究開始較遲，不過近些年來也取得了顯著的成績(jī)。比如：吉林工業(yè)大學(xué)首先揭示出z向分離型

39、超聲振切，具有分離、沖擊、變速、往復(fù)熨壓四個(gè)運(yùn)動(dòng)特性。溫任林在研究超聲振動(dòng)切削刀具的振動(dòng)規(guī)律是得出：刀具與切屑的分離作用是振動(dòng)切削最根本的特點(diǎn)，正是這一特點(diǎn)才使得刀尖每次能以極大的加速度沖擊工件進(jìn)行切削。南京理工大學(xué)芮小健等人從切削過程分析入手，研究了振動(dòng)切削過程中刀具與被切削工件之間的力學(xué)作用規(guī)律，得出如下結(jié)論：（1）刀具以沖擊載荷作用于被切材料，其動(dòng)態(tài)應(yīng)力波作用是是改善切削效果的一個(gè)主要因素；（2）振動(dòng)切削中摩擦力降低是前刀面和剪切

40、面的內(nèi)摩擦和外摩擦轉(zhuǎn)換所致；（3）振動(dòng)切削中前刀面正應(yīng)力減小，對(duì)材料破壞的斷裂抑制作用減弱，有利于切削；（4）振動(dòng)切削中，材料破壞過程與普通切削的擠壓滑移過程有區(qū)別，它由每次沖擊都產(chǎn)生微細(xì)破壞而完成切削。大連交通大學(xué)的楊亮對(duì)振動(dòng)切削中振幅對(duì)切削力影響做了理論與實(shí)驗(yàn)研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的盧澤生等人對(duì)振動(dòng)切削中頻率對(duì)切削力的影響規(guī)律做了研究與仿真。東南大學(xué)湯銘權(quán)等人從濕式超聲振動(dòng)切削中對(duì)潤(rùn)滑液作用的研究得出，刀具的沖擊作用使切屑形成以后在刀

41、具和切屑分離時(shí)間內(nèi)還</p><p>　　目前國外通過三維有限元建模和試驗(yàn)對(duì)加工效果有了很深入的研究。包括由切削參數(shù)（切削速度，切削深度等），超聲參數(shù)（振動(dòng)頻率，振幅等）對(duì)加工效果產(chǎn)生的影響的研究，對(duì)切削力，切削功率粗糙度及同軸度的影響因素，以及對(duì)不同材料的切削進(jìn)行了廣泛的研究。近些年，超聲波振動(dòng)切削得到了一些新的發(fā)展，出現(xiàn)了超聲波橢圓切削技術(shù)。但由于其增加了超聲振動(dòng)源，超聲波裝置更加復(fù)雜，而且人們對(duì)振動(dòng)切削微觀

42、機(jī)理尚認(rèn)識(shí)不足，至今還沒有成熟的理論，其切削機(jī)理仍需進(jìn)一步研究發(fā)展，認(rèn)識(shí)其實(shí)質(zhì)，促進(jìn)超聲振動(dòng)切削技術(shù)的發(fā)展[1]。</p><p>　　1.3.2 超聲振動(dòng)切削刀具磨損研究</p><p>　　超聲振動(dòng)切削技術(shù)是近代發(fā)展起來的一種特殊加工方法，是在普通切削基礎(chǔ)上給刀具或工件沿切削方向附件一個(gè)固定頻率的超聲振動(dòng)，該方法在加工硬脆材料方面有獨(dú)特的優(yōu)越性。主要體現(xiàn)在：超生振動(dòng)切削可減少切屑變形

43、區(qū)的塑性變形和摩擦，減小切削力，降低切削溫度，顯著提高刀具壽命；可以減小甚至消除機(jī)床的自身振動(dòng)，加工質(zhì)量好，精度高，工件表面粗糙度值小圓度好；減少工件上積屑瘤的生成，提供共件加工表面質(zhì)量。</p><p>　　在硬態(tài)車削磨損方面，大量文獻(xiàn)資料研究表明，盡管在硬態(tài)車削時(shí)，關(guān)于刀具磨損機(jī)制有很多不同的理論，但是存在一個(gè)基本一致的看法，即刀具磨損是由不同的磨損機(jī)制結(jié)合引起的，它通常包括磨粒磨損、粘著磨損、擴(kuò)散磨損以及化

44、學(xué)磨損。在超聲振動(dòng)車削刀具磨損方面，國內(nèi)外也都有很多研究，并取得不錯(cuò)的進(jìn)展。河南理工大學(xué)的焦峰、趙亮等人對(duì)超生振動(dòng)切削的刀具磨損機(jī)理及其對(duì)工件表面粗糙度影響做了研究；東南大學(xué)的毛善鋒、湯銘權(quán)等人對(duì)超生振動(dòng)切削時(shí)硬質(zhì)合金刀具磨損機(jī)理做了研究；佛山大學(xué)的阮世勛、余歆尤對(duì)超聲振動(dòng)切削加工面和刀具磨損面做了SEM分析，得出耐沖擊是刀具必須考慮的首選特征；王立江、孫鳳池等進(jìn)行了硬質(zhì)合金車刀超聲波振動(dòng)車削與普通車削耐用度的對(duì)比試驗(yàn)研究，多因素試驗(yàn)研

45、究結(jié)果表明，對(duì)超生波振動(dòng)硬質(zhì)合金車刀耐用度影響顯著的因素為切削速度V、刀具材料、刀尖振幅A和切削液。程雪麗等人在超聲振動(dòng)切削SiCp/Al復(fù)合材料的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，刀具磨損主要包括前、后刀面的磨料磨損和粘結(jié)磨損，但都比普通切削小很多，超聲振動(dòng)切削中的刀具磨損均勻性也要優(yōu)于普通切削，這些研究對(duì)延長(zhǎng)刀具壽命非常重要。</p><p>　　1.4 論文的主要研究?jī)?nèi)容</p><p>　　超聲振動(dòng)切

46、削可以解決普通切削加工中某些固有的難題。基于超聲振動(dòng)切削的機(jī)理，本文擬開展如下研究工作：</p><p>　　（1）對(duì)超生振動(dòng)切削技術(shù)進(jìn)行了國內(nèi)外文獻(xiàn)檢索與調(diào)研，了解該技術(shù)的研究發(fā)展概況；</p><p>　?。?）應(yīng)用有限元分析軟件分析超聲切削加工中切削力的變化規(guī)律，并分析外加載荷對(duì)車刀能量分布及磨損狀況的影響規(guī)律 ；</p><p>　　（3）基于超聲振動(dòng)切削車

47、刀磨損的機(jī)理，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證車刀涂層磨損及剝落與振動(dòng)頻率之間的關(guān)系。</p><p>　　2 超聲振動(dòng)切削理論研究</p><p>　　2.1 超聲波的基本原理及特點(diǎn)</p><p>　　聲波是人耳能感受的一種縱波，它的頻率在10—16kHz范圍內(nèi)。當(dāng)頻率超過16kHz，就稱為超聲波。超聲波和聲波一樣，可以在氣體、液體和固體介質(zhì)中傳播。超聲波頻率高，波長(zhǎng)短，能量大。超

48、聲波傳播的速度c與波長(zhǎng)λ頻率f之間的關(guān)系表示為 λ=c/f （2.1）</p><p>　　超聲波主要具有下列性質(zhì)：</p><p>　　1）超聲波能傳遞很強(qiáng)的能量；</p><p>　　2）當(dāng)超聲波經(jīng)過液體介質(zhì)傳播時(shí)，能產(chǎn)生巨大的液壓沖擊，這種交變的脈

49、沖壓力作用在鄰近的零件表面上會(huì)使其表面破壞，引起固體物質(zhì)分散、破碎。此現(xiàn)象稱為空化現(xiàn)象； </p><p>　　3）超聲波在一定條件下，會(huì)發(fā)生波的干涉和共振現(xiàn)象；</p><p>　　4）超聲波通過不同的介質(zhì)，在界面會(huì)發(fā)生波速突變，產(chǎn)生波的反射和折射現(xiàn)象</p><p>　　2.2 超聲波振動(dòng)切削加工機(jī)理原理</p><p>　　超聲振動(dòng)切

50、削是通過在切削刀具上施加一有規(guī)律的超聲高頻振動(dòng)，改變了刀具和被加工材料相對(duì)普通切削不一樣的空間與時(shí)間的存在條件，使切削速度和深度發(fā)生周期性改變，而得到特殊切削效果的方法。振動(dòng)切削改變了切削加工機(jī)理，從而減小了切削力、切削熱，提高了加工質(zhì)量和效率。超聲振動(dòng)切削使切削機(jī)理產(chǎn)生重大變化，它是一種脈沖式的斷續(xù)切削過程。</p><p>　　超聲振切系統(tǒng)的流程：超聲波電源輸出大功率的超聲頻的交流信號(hào)，由換能器將電能轉(zhuǎn)換成同

51、頻率的機(jī)械振動(dòng)，經(jīng)變幅桿進(jìn)行振幅放大，然后帶動(dòng)刀具振動(dòng)。其組成如圖（2.1）所示。把振動(dòng)系統(tǒng)固定在刀架上，刀桿的左端是刀片，右端是振動(dòng)驅(qū)動(dòng)中心，由換能器和變幅桿將縱向振動(dòng)轉(zhuǎn)換為彎曲刀桿的橫向振動(dòng)[3]。</p><p>　　圖（2.1） 振動(dòng)系統(tǒng)組成圖</p><p>　　2.2.1 超聲振動(dòng)切削原理</p><p>　　超聲振動(dòng)切削的原理如圖（2.2）所示<

52、;/p><p>　　圖（2.2） 振動(dòng)切削模型</p><p>　　刀具在切削方向以O(shè)為中心，以頻率f做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，工件以速度V向右運(yùn)動(dòng)，其原理如圖（2.3）所示。 </p><p>　　（a） （b）</p><p>　　圖（2.3）振動(dòng)切削基本運(yùn)動(dòng)分析圖</p><p&g

53、t;　　刀具位移為：y=aSin（2πft） （2.2）</p><p>　　如圖（2.3（a））所示</p><p>　　式中：a------------刀具的振幅</p><p>　　f------------刀具振動(dòng)頻率</p><p>　　刀具的速度為：Vt=2

54、πafcos(2πft) （2.3)</p><p>　　如圖（2.3（b））所示</p><p>　　刀具從O點(diǎn)振動(dòng)方向與工件相反，到a點(diǎn)時(shí)刻開始與工件接觸進(jìn)入切削過程，達(dá)到振幅最大后，振動(dòng)方向發(fā)生改變，開始與刀具運(yùn)動(dòng)方向相同，到t2時(shí)刻，刀具振動(dòng)速度Vt與切削速度V數(shù)值相等方向相同，這時(shí)刀具和工件開始脫離，工件繼續(xù)以

55、切削速度繼續(xù)推進(jìn)，到t3時(shí)刻，工件位置坐標(biāo)與刀刃位置相等，刀具和工件又開始接觸進(jìn)行切削；到t4時(shí)刻刀具振動(dòng)速度又與工件速度相同，刀具又脫離，如此反復(fù)循環(huán)進(jìn)行，這就是超聲振動(dòng)切削過程。</p><p>　　刀具開始離開工件的時(shí)間tb應(yīng)滿足Vtb=2πafcos(2πft) （2.4）</p><p>　　Vtb------------刀具在t2時(shí)刻b點(diǎn)的速度

56、</p><p>　　則刀具離開工件的時(shí)刻tb為： </p><p>　　由上式可知，若V﹥2πaf，則上式不成立，這意味著刀具不能脫離工件。當(dāng)切削速度V大于某一速度Vc時(shí)，即V﹥Vc，刀具和切屑之間不存在分離狀態(tài)，稱為不分離型超聲車削。當(dāng)切削速度V﹤Vc時(shí)，刀具與切屑之間存在分離狀態(tài)，稱為分離型車削。超聲

57、振切中把Vc稱為臨界切削速度。 Vc=2πaf （2.6）</p><p>　　由圖（2.3）知超聲振切一個(gè)周期為T，其中在一個(gè)周期中，完全切削的時(shí)間段為t1到t2，記為Tc，則定義凈切削時(shí)間比為 r=Tc/T (2.7)</p><p>　　2.2.2 切削力</p><p>

58、;　　普通切削時(shí)，由于刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，刀具強(qiáng)行擠壓工件材料，產(chǎn)生彈性變形和塑性變形，從而使切屑與母體分離，完成切削過程。在這個(gè)過程中，刀具所受切削力基本上是一個(gè)恒定的值。如圖（2.4）所示：</p><p>　　圖（2.4） 普通切削力</p><p>　　而超聲振動(dòng)切削是一個(gè)脈沖式斷續(xù)切削過程，刀具在切削方向高頻振動(dòng)，把整個(gè)個(gè)切削長(zhǎng)度分割成許多細(xì)小部分進(jìn)行切割，只有在切削時(shí)間Tc過

59、程中才會(huì)產(chǎn)生切削力，其切削力可用圖（2.5）表示：</p><p>　　圖（2.5）振動(dòng)切削切削力</p><p>　　超聲振動(dòng)切削是一個(gè)在極短時(shí)間內(nèi)完成的微量切削過程，刀具在很小的位移上得到很大的瞬時(shí)速度和加速度，這種局部產(chǎn)生的很高的沖擊能量使得切削區(qū)材料快速變形，摩擦系數(shù)降低，剪切區(qū)材料的塑性變形減小。所以振動(dòng)切削時(shí)切削力大大減小。</p><p>　　從圖（2

60、.5）中可以看出，在一個(gè)切削周期T內(nèi)，只有在工件與刀具接觸的切削時(shí)間Tc內(nèi)，才會(huì)產(chǎn)生切削力，其峰值為F；而刀具與工件分離的時(shí)段切削力為0，在一個(gè)周期T中，設(shè)超聲振動(dòng)平均切削力為Fr，實(shí)驗(yàn)已表明其值一般為普通切削力的1/10—1/3，遠(yuǎn)小于普通切削力。</p><p>　　在超聲振切過程中，若超聲振動(dòng)頻率f不變，則振動(dòng)周期T不變。當(dāng)切削時(shí)間Tc變小，即凈切削時(shí)間比r=Tc/T變小時(shí)，則振切的平均切削力Fr越小；反之

61、凈切削時(shí)間比r越大，平均切削力Fr越大。</p><p>　　下面單獨(dú)分析刀具在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)切削時(shí)間段內(nèi)的受力情況，如圖（2.6）所示。圖中刀具在切削速度方向（y方向）振動(dòng)。</p><p><b>　　根據(jù)切削理論知：</b></p><p>　　圖（2.6）切削區(qū)相對(duì)運(yùn)動(dòng)分析圖</p><p>　　式中：τ ——剪

62、切面內(nèi)的剪切應(yīng)力； </p><p><b>　　λ ——摩擦角； </b></p><p>　　w ——切削寬度； </p><p><b>　　φ ——剪切角； </b></p><p><b>　　ap——背吃刀量。</b></p><p><

63、;b>　　通常，有如下關(guān)系：</b></p><p>　　2φ + λ ? γ= K (2.10)</p><p>　　K 是一個(gè)與切削條件有關(guān)的常數(shù)，對(duì)于塑性材料來講，一般 K =/2平均摩擦系數(shù)與摩擦角的關(guān)系為： μ = tanλ

64、(2.11)</p><p>　　其中，摩擦系數(shù) μ 是與切屑相對(duì)于刀具的速度有關(guān)的[15]，通常情況下可用下面的關(guān)系式表示：</p><p>　　這里d 和q ( q < 0)常數(shù)，雖然一般認(rèn)為，在切削過程中的d 和q 的值會(huì)隨著背吃刀量和前角 γ 的變化而發(fā)生很微小的變化，但是通常，可以認(rèn)為d 和q 是固定的常數(shù)。工件相對(duì)于刀具的速度可以用下面的表達(dá)式表示：</p>

65、<p>　　式中的為 y 方向的單位向量，、 v分別為切削速度和刀具的速度。切屑相對(duì)于刀具的速度表示為。根據(jù)切削過程中發(fā)生的塑性變形的不可壓縮性，在垂直于直線 AB 的方向 n 上的速度是連續(xù)的，n為 AB 的單位法向量。因此有：</p><p>　　將上式在 n 上投影可得：</p><p>　　這里： </p>

66、<p>　　由式(2.10)、式(2.11)、式(2.12)可得：</p><p>　　同時(shí)可得到一個(gè)周期內(nèi)切削時(shí)間段的切削力：</p><p>　　而外加載荷對(duì)受力影響是直接在上式（2.18）、（2.19）直接加外力在x軸和y軸上的投影力。</p><p>　　由于振動(dòng)切削是一個(gè)循環(huán)反復(fù)的過程，在每一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)情況基本相同，故取一個(gè)周期對(duì)其進(jìn)行研究

67、。由上一節(jié)分析得出了切削力的計(jì)算方法，在此我們將分析振動(dòng)過程中振幅和頻率變化分別對(duì)切削力的影響情況。刀具在一個(gè)周期中與工件的接觸切削時(shí)間非常短為了簡(jiǎn)化問題求解，可把一個(gè)周期內(nèi)切削速度看成是勻速加工過程，速度取其中一定值，取振幅影響最大的情況下的速度值即刀具過平衡位置的速度，并由式(2.10)、(2.11)、(2.12)和(2.15)，則有</p><p>　　式(2.20)反映的是剪切角與頻率的關(guān)系，就是說剪切角

68、φ 是關(guān)于頻率 f 的函數(shù)，不妨記作：</p><p>　　同時(shí)，根據(jù)第一節(jié)的分析可知， 時(shí)刻刀具與工件發(fā)生分離， 時(shí)刻刀具與工件再次發(fā)生接觸，則刀具在一個(gè)周期中的切削時(shí)間為Tc , 它們之間的關(guān)系如式</p><p>　　T為周期；當(dāng)?shù)毒咚俣鹊扔谇邢魉俣葧r(shí)，即t2時(shí)刻有：</p><p>　　當(dāng)工件位置坐標(biāo)等于刀刃位置時(shí)，即t3時(shí)刻有：</p>&

69、lt;p>　　由上式可看出t3/T是t2/T的函數(shù)，所以可設(shè)</p><p>　　根據(jù)功率恒定原理，振動(dòng)切削過程的平均切削力為：</p><p>　　可得最終的振動(dòng)切削力公式: </p><p>　　同理：由式（2.20）可轉(zhuǎn)換為</p><p><b>　　（2.29）</b></p><p&

70、gt;　　得知上式是剪切角φ關(guān)于振幅a的函數(shù)，所以可設(shè)：</p><p><b>　　（2.30）</b></p><p>　　同樣可得振動(dòng)過程刀具切削力：</p><p><b>　?。?.31）</b></p><p>　　3 超聲振切時(shí)外加載荷對(duì)車刀的能量分布模擬</p>&l

71、t;p>　　3.1 ANSYS簡(jiǎn)介</p><p>　　1）ANSYS公司成立于1970年，是目前世界上CAE行業(yè)中最大的公司之一。ANSYS是當(dāng)前使用最廣泛，功能最強(qiáng)大的有限元分析軟件。ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件能模擬現(xiàn)實(shí)中的各種復(fù)雜幾何非線性，接觸和材料非線性問題，尤其對(duì)于各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸等非線性動(dòng)力沖擊問題相比更容易解決，同時(shí)還能解決傳熱、流體及流固耦合問題。&

72、lt;/p><p>　　2）ANSYS的功能特點(diǎn)及應(yīng)用：</p><p>　?、?結(jié)構(gòu)分析 主要包括靜力分析、模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、特征屈曲分析和專項(xiàng)分析，其中專項(xiàng)分析包括斷裂分析、復(fù)合材料分析和疲勞分析。</p><p>　　② 熱分析 熱分析一般不是單獨(dú)進(jìn)行的，熱分析之后常常進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，計(jì)算由于熱膨脹或收縮不均勻引起的應(yīng)力。主要分析類型包括相變（熔

73、化和凝固過程分析）、內(nèi)熱源（如電阻發(fā)熱、加熱爐加熱等）、熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射等。</p><p>　?、?電磁分析 電磁分析中考慮的物理量是磁通量密度、磁場(chǎng)密度、磁力、磁力矩、阻抗、電感、渦流、耗能及磁通量泄露等。主要分析類型包括靜磁場(chǎng)分析、交變磁場(chǎng)分析、瞬態(tài)磁場(chǎng)分析、電場(chǎng)分析、高頻電磁場(chǎng)分析。</p><p>　?、?流體分析 流體分析主要用于分析流體（氣體和液體的總稱）的流動(dòng)行為及熱

74、行為。主要包括CFD（Coupling Fluid Dynamic）、聲學(xué)分析（聲波分析傳播和水下結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析）、容器內(nèi)流體分析、流體動(dòng)力學(xué)耦合分析。</p><p>　?、?耦合場(chǎng)分析 主要是分析兩個(gè)或多個(gè)物理場(chǎng)之間的相互作用，即將兩個(gè)物理場(chǎng)組合到一起求解。 </p><p>　　ANSYS軟件廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、石油化工、國防工業(yè)、土木工程、汽車鐵道交通、生物醫(yī)學(xué)、能源、電

75、子、輕工、水利、造船、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究等。它能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，具有Pro/Engineer,AutoCAD,UG,I-DEAS等大多數(shù)CAD軟件的數(shù)據(jù)接口。ANSYS還具有強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分能力、加載求解能力以及后處理能力。當(dāng)前，ANSYS軟件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面得到廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　一個(gè)典型的ANSYS分析過程可分為以下六個(gè)步驟：</p><p>　　3.1 A

76、NSYS模擬仿真過程</p><p>　　3.2.1 定義參數(shù)</p><p>　　在建設(shè)模型和網(wǎng)格劃分之前，需要做一些準(zhǔn)備工作，包括指定工程名，更改工作目錄、設(shè)定分析標(biāo)題、定義單位、定義單元類型、定義單元實(shí)常數(shù)和定義材料參數(shù)等。本步主要是對(duì)這些前期工作進(jìn)行相關(guān)操作。</p><p><b>　　1.設(shè)計(jì)工作文件名</b></p>

77、<p>　?。?）啟動(dòng)ANSYS,選擇“File”→“Change Jobname”命令，彈出“Change Jobname”對(duì)話框。</p><p>　?。?）在“Enter new jobname”文本框中輸入“Body”，同時(shí)把“New log and error files”中的復(fù)選框?yàn)椤癥es”，并單擊“OK”按鈕。</p><p><b>　　2.更改工

78、作目錄</b></p><p>　　選擇“File”→“Change Directory”命令，彈出對(duì)話框，選擇工程問題分析需儲(chǔ)存的工作目錄路徑，單擊“OK”按鈕即可以進(jìn)入新的工作目錄路徑。</p><p><b>　　3.設(shè)定分析標(biāo)題</b></p><p>　　（1）選擇“File”→“Change Title”菜單命令，彈出“

79、Change Title”對(duì)話框。</p><p>　?。?）在“Enter new title”文本框中輸入“3D Body Stress Bracket”，并單擊“OK”按鈕。</p><p><b>　　4.定義單位</b></p><p>　　ANSYS軟件沒有為系統(tǒng)指定唯一的單位。除了磁場(chǎng)分析外，可以在工程分析中使用任意一種單位制，只

80、要用戶在使用中要注意保證所有數(shù)據(jù)使用同一單位制就可以了。</p><p>　　操作方法:在ANSYS主界面的輸入窗口輸入“/UNIT,SI”,回車即可。</p><p><b>　　5.定義單元類型 </b></p><p>　　（1）選擇“Main Menu”→“Preprocessor”→“Element Type”→“Add/Edit/D

81、elete”命令,彈出“Element Types”對(duì)話框。</p><p>　?。?）單擊“Element Types”對(duì)話框中的“Add”按鈕，彈出“Library of Element Type”對(duì)話框。</p><p>　?。?）選擇左側(cè)文本框中的“Structural Solid”選項(xiàng)，然后選擇右側(cè)文本框中的“Quad 8 node 183”選項(xiàng)，單擊“OK”按鈕。</p&

82、gt;<p>　?。?）回到“Element Types”對(duì)話框。</p><p>　?。?）單擊“Element Types”對(duì)話框上面的“Options”按鈕，彈出“PLANE</p><p>　　183 element types”對(duì)話框。</p><p>　?。?）在“Element behavior”的下拉列表中選擇“Plane strs w

83、/thk”選項(xiàng)，并單擊“OK”按鈕。</p><p>　?。?）再次回到“Element Types”對(duì)話框，單擊“Close”按鈕結(jié)束即可。</p><p><b>　　6.定義單元實(shí)常數(shù)</b></p><p>　?。?）在ANSYS程序主要界面中選擇“Main Menu”→“Preprocessor”→“ Real Constants”→

84、“Add/Edit/Delete”命令，彈出“Real Constant”對(duì)話框。</p><p>　　（2）單擊“Real Constants”對(duì)話框“Add”按鈕，進(jìn)入下一個(gè)“Choose Elemet Type”對(duì)話框，選擇“PLANE 183”單元，然后單擊“OK”按鈕。</p><p>　　（3）回到“Real Constants”對(duì)話框，單擊“Close”按鈕。</p&g

85、t;<p><b>　　7.定義材料參數(shù)</b></p><p>　　（1）在ANSYS程序主界面，選擇“Main Menu”→“ Preprocesso”→“Material Props”→“Material Models”命令，彈出“Define Material Model Behavior”對(duì)話框。</p><p>　?。?）選擇對(duì)話框右側(cè)的“S

86、tructural”→“Linear”→“Elastic”→“Isotropic”命令，雙擊“Isotropic”選項(xiàng)，彈出“Linear Isotropi Properties For Materia Number 1”對(duì)話框。</p><p>　?。?）在“EX”文本框中輸入彈性模量“550000”，在“PRXY”文本框中輸入泊松比“0.3”，然后單擊“OK”按鈕。</p><p>　

87、　（4）回到“Define Material Model Behavior”對(duì)話框后，直接關(guān)閉對(duì)話框。至此，材料參數(shù)設(shè)置完畢。</p><p>　　3.2.2 建立幾何模型</p><p>　　建模是整個(gè)分析過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實(shí)體模型直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的正確性，而且還會(huì)影響時(shí)間和成本，為計(jì)算方便，對(duì)刀具進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。建立模型如圖（3.1）所示：</p><p>　　

88、圖（3.1）刀具幾何模型</p><p>　　3.2.3 劃分網(wǎng)格</p><p>　　網(wǎng)格劃分即是將幾何模型離散化的過程，劃分完后就生成了有限元模型，后續(xù)計(jì)算也就可以進(jìn)行了，網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響計(jì)算過程和結(jié)果，因此網(wǎng)格劃分必須考慮計(jì)算時(shí)間、成本以及要求的精度，選擇合理的劃分方法。使用復(fù)合材料需要注意在材料分層方向上只能劃分為一格，同時(shí)劃分網(wǎng)格前設(shè)定各層材料類型。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖（3.2）

89、所示：</p><p>　　圖（3.2）刀具劃分網(wǎng)格圖</p><p>　　3.2.4 加載荷數(shù)據(jù)</p><p>　　用ANSYS軟件模擬超聲振動(dòng)切削時(shí)，給車刀外加一載荷，分析車刀的能量分布。切削過程中刀具刀尖受力情況最惡劣，所以將載荷作為集中載荷施加到刀尖上分析。施加載荷以后在Solution模塊里面進(jìn)行瞬態(tài)分析的求解控制，然后點(diǎn)擊Solve進(jìn)行求解。簡(jiǎn)化超聲

90、振動(dòng)切削的模擬方法，在車刀刀尖上加載一如下圖（3.3）所示的隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)載荷，從而模擬振動(dòng)切削時(shí)車刀的受力情況，再在車刀上外加一組靜載荷，假設(shè)加的靜載荷為30N，然后后處理分析車刀的能量分布。由重慶理工大學(xué)的張興紅等人對(duì)超聲車削瞬時(shí)切削力的仿真研究結(jié)論，超聲振動(dòng)切削時(shí)，車刀的瞬時(shí)切削力變化如下圖（3.3）所示：</p><p>　　圖（3.3）車刀瞬時(shí)切削力</p><p>　　因?yàn)槌?/p>

91、聲振動(dòng)切削頻率f為20KHz，由f=1/T得周期時(shí)間T為即50us，刀具與車刀的切削接觸時(shí)間設(shè)為10us，然后加載求解</p><p>　　3.2.5 后處理分析</p><p>　　由上加載求解后處理分析得出結(jié)果如以下圖所示：</p><p>　　圖（3.4）t=0時(shí)刻時(shí)的應(yīng)力分布圖</p><p>　　上兩張圖是加載時(shí)間為0時(shí)刻時(shí)刀具應(yīng)

92、力分布圖，即刀具與工件剛接觸時(shí)，此時(shí)只有外加在載荷力30N，切削力為0N，其能量分布圖如下：</p><p>　　圖（3.5）t=0時(shí)刻刀具能量分布圖</p><p>　　當(dāng)?shù)毒吲c工件接觸切削力最大時(shí)，其應(yīng)力分布和能量分布圖分別如下圖（3.6）和圖（3.7）：</p><p>　　圖（3.6）t=5us時(shí)刻時(shí)應(yīng)力分布圖</p><p>　　圖

93、（3.7）5us時(shí)刻刀具能量分布圖</p><p>　　由上圖可得出這樣的結(jié)論：在振動(dòng)切削過程中刀尖處車刀的應(yīng)力最大，在此處的涂層最容易剝落。經(jīng)分析可知，刀具在周期動(dòng)載荷作用下的平均應(yīng)力遠(yuǎn)小于靜載荷作用下的情況。外加載荷對(duì)車刀受力的疊加作用使得車刀的平均應(yīng)力增大，進(jìn)而車刀的磨損情況就越嚴(yán)重。</p><p>　　4 超聲振動(dòng)切削時(shí)刀具磨損研究</p><p>　　

94、4.1 普通切削時(shí)車刀的磨損機(jī)理</p><p>　　切削金屬時(shí)，刀具切削刃部分是應(yīng)力和熱的集中區(qū)域，切削刃不僅承受切削力和切削熱，而且還與切屑和已加工表面摩擦，在這種惡劣環(huán)境下，切削刃容易被磨鈍，使切削能力下降，刀具也因此發(fā)生磨損、破損。磨損是逐漸的發(fā)展過程，而破損一般是隨機(jī)的突發(fā)破壞（包括脆性和塑性破壞）。磨損時(shí)存在著機(jī)械的、熱的、化學(xué)的作用以及摩擦、粘結(jié)、擴(kuò)散等。研究刀具的磨損對(duì)提高工件的加工精度，選用開

95、發(fā)合適的刀具都有十分重要的意義。</p><p>　　普通切削時(shí)，切屑是在加工過程中刀具前刀面強(qiáng)行推擠工件材料致使發(fā)生塑性變形，最終沿一斜面剪切滑移成為切屑。金屬被剪切滑移發(fā)生塑性變形的斜面區(qū)稱剪切區(qū)Ⅰ。如圖（4.1）所示 </p><p>　　圖（4.1） 切削部位3個(gè)變形區(qū)</p><p>　　金屬除在剪切區(qū)發(fā)生顯著變形外，在切屑沿前刀面排出時(shí)進(jìn)一步受到前刀面

96、的擠壓和摩擦使僅靠前刀面處的金屬發(fā)生了顯著的彎曲，并進(jìn)一步纖維化，纖維方向基本與前刀面平行，此區(qū)稱為第二變形區(qū)。在已加工表面處也發(fā)生了顯著的變形，方格已纖維化，切削刃和后刀面的擠壓和摩擦造成已加工表面的變形區(qū)稱為第三變形區(qū)。</p><p>　　切削金屬經(jīng)剪切塑性變形形成切屑沿前刀面流出時(shí)，切屑底層仍受到刀具的擠壓和接觸面間強(qiáng)烈的摩擦，繼續(xù)以剪切滑移為主的形式變形，使切屑底層的晶粒彎曲拉長(zhǎng)，并與前刀面平行形成纖維

97、層，這就降低了切屑流動(dòng)速度。此纖維層稱為滯留層。</p><p>　　由于刀—屑接觸界面上存在很大的壓力，切屑液不易流入接觸界面，再加上幾百攝氏度的高溫，使刀—屑接觸面間產(chǎn)生粘結(jié)，切屑底部與前刀面發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象。在粘結(jié)情況下，切屑與前刀面已不是一般的外摩擦，而是切屑和刀具粘結(jié)層與其上層金屬之間的內(nèi)摩擦，這種內(nèi)摩擦實(shí)際就是金屬內(nèi)部的剪切滑移。</p><p><b>　　刀具的磨損形

98、式有：</b></p><p><b>　　1.前刀面磨損；</b></p><p>　　2.后刀面磨損：在切削過程中車刀后刀面與已加工表面材料的接觸，存在壓應(yīng)力，使刀具后刀面發(fā)生彈性和塑性變形，致使刀具后刀面接觸面上發(fā)生磨損。</p><p>　　3.邊界磨損：車刀切削過程中使工件的邊界處留下加工硬化層，由于該層的中的硬質(zhì)點(diǎn)與刀具

99、接觸使得刀具在該處的應(yīng)力和溫度梯度升高導(dǎo)致邊界磨損。</p><p>　　切削過程中刀具磨損中的機(jī)械磨損是因?yàn)楣ぜ牧洗嬖诘挠操|(zhì)點(diǎn)對(duì)刀具不可避免的刻劃作用，刀具的熱、化學(xué)磨損是因?yàn)榍邢鬟^程中刀具與工件材料的粘結(jié)、擴(kuò)散、腐蝕作用引起，這是刀具磨損中的兩個(gè)重要原因?？筛爬p分類①磨料磨損，②粘結(jié)磨損，③擴(kuò)散磨損，④化學(xué)磨損。</p><p>　　4.2 振動(dòng)切削過程中道具磨損研究</

100、p><p>　　本節(jié)主要引用總結(jié)前人已有的研究成果。比如：佛山大學(xué)的阮世勛等人對(duì)超聲振動(dòng)切削加工時(shí)的加工面和刀具磨損面做了SEM分析，并對(duì)振切時(shí)切削分離方式做了理論分析，分析表明：超聲振動(dòng)切削在于切削加工時(shí)附加了超聲能量，這是它與普通切削的區(qū)別。超聲能量是通過激勵(lì)起刀具的諧振，使刀具以超聲頻率沖擊切削區(qū)而其作用的。刀具振幅雖然只有十幾微米，但其頻率能達(dá)到20KHz以上，故其瞬時(shí)速度和加速度值很大，當(dāng)V/Vc﹤1時(shí)（其

101、中V是切削速度，Vc是臨界切削速度），即振切時(shí)刀具與工件有分離過程，刀具在沖擊、切削、脫離的循環(huán)中完成切削過程，并起以下沖擊作用：1.激活位錯(cuò)，軟化刃前材料；2.造成微觀缺陷，產(chǎn)生高應(yīng)力集中；3.促使刃前材料產(chǎn)生塑性變形而斷裂。而切削過程分析如下：刀具每次沖擊，均使刃前材料產(chǎn)生滑移而發(fā)生塑性變形，材料被擠壓形成與刀刃形狀相應(yīng)的位錯(cuò)塞積群，形成位錯(cuò)線。領(lǐng)先位錯(cuò)遇到障礙后因位錯(cuò)擠壓而產(chǎn)生局部應(yīng)力，當(dāng)局部應(yīng)力很大時(shí)可產(chǎn)生加工硬化，再次沖擊時(shí)，

102、刀具以較大的速度沖擊刃前材料，其刀刃尖端的動(dòng)能起到一個(gè)強(qiáng)烈熱振動(dòng)高峰的作用，使位錯(cuò)發(fā)生熱激活而使刃前材料軟化，大大降低了斷裂的臨界應(yīng)力，而上次沖擊的刀痕無疑</p><p>　　阮世勛對(duì)超聲振動(dòng)切削下刀具磨損特點(diǎn)分析如下：超聲振切使刀具與切削區(qū)材料和切屑的摩擦大大減小，由于間歇性的切削與分離加上刀具的沖擊吸收作用使?jié)櫥鹤饔么蟠蠹訌?qiáng)。刀具與切屑，刀具與已加工表面處于良好的外摩擦狀態(tài)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)特性和沖擊作用則使刀具

103、與切屑界面和刀具與工件界面的相互作用力分別表現(xiàn)為斷續(xù)沖擊式交變沖擊式的正壓力和摩擦力。而且，振動(dòng)切屑時(shí)整個(gè)切削刃均勻地傳遞沖擊動(dòng)能和起應(yīng)力集中作用，參加切削的整個(gè)切削刃受到較為均勻的負(fù)荷，因此，整個(gè)切削刃形成磨損量很小的均勻磨損帶。如圖（4.2）這根本改變了普通切削時(shí)刀具的半月形磨損帶模式。</p><p>　　圖（4.2）普通切削與超聲振動(dòng)切削刀具磨損模式</p><p>　　振動(dòng)切削過

104、程，前、后刀面摩擦的減小和切削溫度的降低，使刀具與切屑不容易發(fā)生粘結(jié)，極大的減少了擴(kuò)散磨損。正常切削參數(shù)的超聲振動(dòng)刀具以磨粒摩擦磨損為主。振切時(shí)，振動(dòng)過大會(huì)加快刀具磨損，且容易引起崩刃，對(duì)于韌性較差的刀具尤為顯著，這與刀具受高頻沖擊引起疲勞破壞有關(guān)。這對(duì)開發(fā)和選用韌性高、耐沖擊、耐磨性好的高性能刀具提供了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)[6]。</p><p>　　振切顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料刀具磨損狀況研究</p><

105、;p>　　研究振動(dòng)切削時(shí)外加載荷對(duì)車刀的磨損狀況影響的實(shí)際意義就是在振動(dòng)過程中，當(dāng)車刀遇到材料中硬質(zhì)顆粒時(shí)的切削機(jī)理和車刀本身的磨損狀況，對(duì)選用和開發(fā)設(shè)計(jì)合適的涂層車刀或其他車刀提供理論指導(dǎo)。</p><p>　　這里主要總結(jié)前人已有的研究成果，主要針對(duì)振切顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的車刀磨損狀況。總結(jié)如下：</p><p>　　一．河南機(jī)電高校的程雪利等人以硬質(zhì)合金刀具YG6為例，分別進(jìn)行了

106、超聲振動(dòng)切削和普通切削的對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)切削SiCp/Al復(fù)合材料時(shí)的刀具磨損機(jī)理進(jìn)行了研究。研究表明超聲振動(dòng)切削的刀具磨損機(jī)理主要是磨料磨損和粘結(jié)磨損，但都比普通切削小很多，超聲切削中刀具磨損的均勻性也要比普通切削好[9]。</p><p>　　二．上海交通大學(xué)的夏靖宇、朱訓(xùn)生等人對(duì)超聲振動(dòng)切削金屬基顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的刀具磨損狀況也做了研究，研究指出顆粒增強(qiáng)相本身硬度大，切削時(shí)相當(dāng)于刀具在以金屬結(jié)合劑的SiC砂輪上

107、磨刀；硬脆強(qiáng)化相也增大了材料的強(qiáng)度硬度，彈性模量，增大了切削抗力，導(dǎo)致刀具磨損加劇。根據(jù)前人研究結(jié)果，只有硬度高于復(fù)合材料增強(qiáng)顆粒的硬度時(shí)，如陶瓷刀具、CBN、PCD（聚晶金剛石）等超硬刀具，才能保持較好的加工精度。通過實(shí)驗(yàn)分析對(duì)比得出這樣的結(jié)論：①振動(dòng)切削低濃度顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，可以有效降低刀具磨損，但隨著復(fù)合相，即材料中硬質(zhì)顆粒含量的增多，振動(dòng)切削刀具磨損也越來越嚴(yán)重；②振動(dòng)切削與普通切削有相應(yīng)的趨勢(shì)，即刀具磨損以磨粒磨損為主，且

108、和材料中的硬脆相呈線性關(guān)系，復(fù)合相含量越高刀具磨損越嚴(yán)重[8]。</p><p>　　三．哈爾濱工業(yè)大學(xué)的碩士生何俊對(duì)超生振動(dòng)切削金屬基顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)刀具的磨損做了系統(tǒng)的研究，結(jié)論如下：</p><p>　　1.在切削顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)不僅有基體材料的屈服破壞，也有顆粒的脆性破壞，導(dǎo)致刀具具有不同的磨損形態(tài)。主要表現(xiàn)為前刀面月牙洼磨損，后刀面磨損和脆性破壞等幾種形式：①前刀面月牙洼磨損

109、：由于高溫高壓作用下，刀具材料向切屑中擴(kuò)散和溶解造成刀具強(qiáng)度降低，同時(shí)刀具和切屑材料間有粘結(jié)和磨料磨損，造成的月牙洼。②后刀面磨損：由于材料內(nèi)部大量硬質(zhì)顆粒的存在，切削時(shí)顆粒不斷對(duì)后刀面進(jìn)行研磨造成的。后刀面磨損是切削顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料刀具磨損的主要形式。③刀具脆性破壞：刀具振切過程中由于在機(jī)械沖擊和熱沖擊的作用，易產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致刀具微崩刃，在切屑刃局部處會(huì)產(chǎn)生小缺口。</p><p>　　2.切削顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料

110、時(shí)，由于基體中含有大量硬脆顆粒，會(huì)與刀具之間發(fā)生摩擦，相等于一個(gè)金屬基砂輪不斷對(duì)刀具進(jìn)行磨削，造成刀具表面材料脫落，產(chǎn)生劃痕。同時(shí)，脫落的硬質(zhì)顆粒在刀具和工件相互作用下，對(duì)刀具進(jìn)行機(jī)械刻劃。也會(huì)由于高溫高壓作用下，較軟的鋁基體容易和刀具發(fā)生粘結(jié)作用發(fā)生粘結(jié)磨損</p><p>　　3.振切顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，顆粒越大，顆粒百分含量越高，則切削力越大，刀具磨損越嚴(yán)重。因?yàn)轭w粒越大，基體材料塑性流動(dòng)越易受到顆粒的阻擋