切削振动范文

切削振动范文（精选6篇）

切削振动 第1篇

所谓“难加工”, 其原因一般是以下几个方面:高硬度、高强度、高塑性和高韧性、低塑性和高脆性、低导热性、有微观的硬质点或硬夹杂物、化学性质活泼。材料的这些特性一般都能使切削过程中的切削力加大, 切削温度升高, 刀具寿命下降, 有时还将使已加工表面质量恶化, 切屑难以控制, 最终则使加工效率和加工质量降低。

(1) 高强度和超高强度钢调质 (淬火、中温回火) 后σs>1000M P a或σb>1100M P a的结构钢, 称为高强度钢。调质后σs>1200M P a或σb>1500M P a的结构钢, 称为超高强度钢。与普通碳素结构钢相比, 它们的硬度、强度较高 (约比45钢高出一倍或一倍以上) , 冲击值较大, 导热系数偏低, 故切削力较大, 切削温度较高。

(2) 高锰钢高锰钢的典型牌号有M n13、40M n18C r3、50Mn18Cr4等。它的原始硬度虽不很高, 但其塑性和韧性特别高, 加工硬化特别严重。硬化后可达500H B W。它的导热系数很小, 只为45钢的1/4。切削力比加工中碳钢时增大60%, 切削温度很高。

(3) 淬硬钢和冷硬铸铁淬硬钢的组织为回火马氏体, 硬度可达60H R C以上。塑性和导热系数均极低。冷硬铸铁的特点是铸铁表面经激冷而发生“白口” (组织为渗碳体加珠光体) , 硬度亦达52～60HRC, 其他性能与淬硬钢相近。

(4) 不锈钢和高温合金奥氏体不锈钢 (如1Cr18Ni9Ti) 加工难度较大, 它的原始硬度、强度都不太高, 但塑性、韧性很高, 加工硬化倾向严重, 且有一定数量的硬质夹杂物, 导热系数很小 (为45钢的1/3) , 切削力较大, 切削温度较高。高温合金的加工难度更大, 其原始硬度、强度偏高, 导热系数很小 (为45钢的1/3～1/4) , 硬夹杂物多, 加工硬化严重, 切削力大, 切削温度高。

(5) 钛合金钛合金的导热系数极小 (只为45钢的1/6) , 化学性质活泼, 易与大气中氧、氮等化合而形成硬脆物质, 刀屑接触界面短, 切削温度高, 弹性模量小。

振动切削举例及原理

工件材料的力学性能 (如强度、硬度) 不断提高, 产品的品种和批量逐渐增多, 加工精度的要求日益提高, 工件的结构、形状复杂化和多样化, 这样就要不断地改进刀具、优化切削条件和采用新的切削方法。新切削方法是指非常规的切削加工方法, 如振动切削等。

材料:303易切削不锈钢。

表面处理:振动研磨。

主要加工方法:车削, 球体部分表面粗糙度Ra=0.8μm以上。

用途:与汽车换挡板母板铆合。

振动切削的实质是在切削过程中使刀具或工件产生某种有规律的、可控的振动, 使切削速度 (或进给量、背吃刀量) 按某种规律变化, 从而改善切削状态, 提高工件表面质量。振动切削原理如图2所示。

所谓振动切削, 就是在切削过程中给刀具或工件以一定方向、一定频率、一定振幅的强制振动, 从而改善切削性能的切削加工方法。振动切削按其振动频率可分为超声振动切削和低频振动切削。超声振动切削的振动频率一般在20k H z以上, 最大振幅30μm;低频振动切削的振动频率一般在100～200Hz左右, 最大振幅可达几毫米。

振动切削按其振动方向可分为三种:

(1) 进给方向振动切削即在切削系统中, 使工件或刀具在进给运动方向上按规定的振动参数进行振动切削加工。

(2) 背吃刀量方向振动切削即使工件或刀具沿背吃刀量方向的振动切削加工。

(3) 切削速度方向上的振动切削即使工件或刀具沿切削速度方向的振动切削。一般所说的振动切削, 即为切削速度方向上的振动切削 (钻孔加工除外) 。

振动切削的振源有五种:机械振动源、电磁振动源、液压振动源、直流电动机变速振动源、超声波起振振源。

振动切削通过改变刀具与工件之间的空间—时间存在条件, 从而改变切削加工机理, 达到降低切削力和切削热、提高加工质量和加工效率的目的。振动切削是一种脉冲切削, 切削时间短, 瞬时切入切出, 切削时工件还来不及振动, 刀具即已离开工件。根据动态切削理论和冲量平衡理论, 采用振动切削时切削温度低, 工件表面质量好。在振动切削过程中, 由于刀具周期性地接触和脱离工件, 其运动速度的大小和方向不断改变。振动切削引起刀具速度变化和加速度的产生, 使加工精度和表面质量明显提高。振动切削的特点使其在改善零件加工表面完整性方面独具优势。

振动切削可使刀屑间摩擦系数和切削力大幅度降低, 变形系数及切削温度亦下降, 积屑瘤消失, 加工硬化降低, 故能提高已加工表面质量。在振动切削过程中, 当主切削刃与工件不分离 (不分离型振动切削) 时, 切削速度、切削方向等参数产生周期性变化;当主切削刃与工件时切时离 (分离型振动切削) 时, 切削过程变成脉冲式的断续切削。当振动参数 (振动频率和振幅) 、进给量、主轴转速等选择合理时, 可明显提高尺寸精度、圆度和表面质量, 降低切削力和切削温度, 延长刀具寿命。在切削过程中, 人为的使刀具或工件产生有规律的振动, 一边振动一边切削。只要振动参数与切削用量匹配适当, 不论加工何种材料, 都能稳定可靠地断屑 (如图3所示) , 改善切削条件, 延长刀具磨具的使用寿命, 提高加工质量和效率。

图4和图5分别是在普通切削和振动切削条件下切屑微观形貌的扫描电子显微镜照片。切屑均为连续带状, 自由表面上有在切削区发生剪切变形后形成的层片结构。比较普通切削和振动切削可以发现, 振动切削时的切屑厚度比普通切削时小, 表明振动切削时工件材料的切削变形小, 有利于减小切削力和降低切削温度。

振动切削的优点

1. 降低切削力和切削温度

振动切削时, 刀具与工件间相对运动速度的大小和方向均产生周期性变化, 被加工材料的弹塑性变形和刀具各接触表面的摩擦系数都较小, 且切削力和切削热均以脉冲形式出现, 使切削力和切削温度的平均值大幅度下降 (切削力仅为普通切削时的1/2～1/10, 切屑的平均温度仅40℃左右) , 从而改善了切削条件, 提高了工件加工质量和刀具使用寿命, 减小了切削力引起的变形和切削温度引起的表面热损伤、表面热应力及工件热变形, 尤其为需要热处理的零件减小热处理变形及裂纹创造了十分有利的条件, 容易实现高精密加工。

2. 降低表面粗糙度值、提高加工精度

振动切削破坏了积屑瘤的产生条件, 同时由于切削力小、切削温度低及工件的刚性化效果, 使加工表面粗糙度减小、几何精度提高。

在振动切削中, 虽然刀刃振动, 但在刀刃与工件接触并产生切屑的各个瞬间, 刀刃所处位置是保持不变的。由于工件与刀具在切削过程中的位置不随时间变化, 从而提高了加工精度。

3.延长刀具使用寿命

振动切削时, 由于切削力小、切削温度低、冷却充分, 切屑的折断和排出都比较容易, 可明显提高刀具使用寿命。如振动参数选择适当, 一般可使刀具寿命延长几倍至几十倍, 对难加工材料和难加工工序应用效果更好。用硬质合金刀具对不锈钢进行振动切削试验证明, 刀具使用寿命比普通切削方式提高20倍。刀具寿命的延长不仅可节约刀具材料, 减少辅助时间, 降低加工成本, 提高生产效率, 而且有利于保证加工质量。

4.提高已加工表面的耐磨性、耐腐蚀性

振动切削时, 刀具按正弦规律振动, 在已加工表面形成细小刀痕, 类似二次再加工时形成的花格式网状花纹。大量花纹均匀密布在零件工作表面上, 使零件工作时易形成较厚油膜, 可提高滑动摩擦的耐磨性。振动切削的残余应力很小, 加工变质层较浅, 只在刃口附近有很小加工变形, 工作表面金相组织变化很小, 与材料内部金相组织几乎相当, 因此提高了工件表面耐腐蚀性。切削试验证明, 振动切削工件表面的耐磨性及耐腐蚀性接近于磨削加工表面。

振动切削加工技术在迅猛发展的汽车工业中已有非常广泛的应用, 目前主要用于发动机的型孔、型腔加工和难加工材料的加工。被加工材料涉及钛合金、淬硬钢、不锈钢、热喷涂层、紫钢、陶瓷及GFRP等, 工种有车削、攻螺纹、钻孔、铰孔等, 都取得了好的效果。目前, 已把振动切削技术应用到车床、立式钻床和不同类型的深孔钻床上, 先后开发了振动切削枪钻、B T A、喷吸钻及D F系统, 可提供振动切削、振动车削等相关技术及装备。利用振动切削深孔钻床, 顺利地解决了长径比L/D>100的超长小深孔φ6.35～φ1200m m深孔切削问题。采用单片机控制的低频振动攻螺纹机 (<200H z) , 可完成难加工材料M3、M4与M5的小孔振动攻螺纹。特别是可解决普通攻螺纹法无法攻出的淬火钢H R C50小螺孔, 攻制螺纹精度好, 表面光滑质量好。步进电动机低频振动攻螺纹机已经广泛应用于航天、航空、兵器、机械、仪器工业中难加工材料的小孔 (M3～M5) 攻螺纹。

随着传统加工技术和高新技术的发展, 振动切削技术的应用日益广泛, 振动切削研究日趋深入, 主要表现在以下几个方面。

振动切削技术的研究

1.研制和采用新的刀具材料

在现代制造业中, 钛合金、纯钨、镍基高温合金等难加工材料所使用的范围越来越大, 对机械零件加工质量的要求越来越高。为了更好地发挥刀具的效能, 除了选用合适的刀具几何参数外, 在振动切削中, 人们将更多的注意力转为对刀具材料的开发与研究上, 其中天然金刚石、人造金刚石和超细晶粒的硬质合金材料的研究和应用为主要方向。

2.研制和采用高效的振动切削系统

现有的实验及实用振动切削加工系统输出功率尚小、能耗高, 因此, 期待实用的大功率振动切削系统早日问世。到目前为止, 输出能量为4k W的振动切削系统已研制出来并投产使用。在日本, 振动切削装置通常可输出功率1k W, 背吃刀量为0.01～0.06mm。

3. 对振动切削机理深入研究

当前和今后一个时期对振动切削机理的研究将主要集中以下几个方面:

(1) 在振动切削状态下工件材料是如何与工件分离并形成切屑的。

(2) 振动切削中刀具与工件相互作用的力学分析。

(3) 振动切削机理的微观研究及数学描述。

4. 超声椭圆振动切削的研究与推广

超声波椭圆振动切削已受到国际学术界和企业界的重视。美国、英国、德国和新加波等国的大学以及国内的北京航空航天大学和上海交通大学已开始这方面的研究工作。日本企业界如日立、多贺和T o w a公司等已开始这方面的实用化研究。但是, 超声波椭圆振动切削在理论和应用方面还有许多工作要做。尤其是对硬脆性材料的超精密切削加工、微细部位和微细模具的超精密切削加工等方面还需要进一步研究。

结语

振动切削加工技术的发展及其取得的应用成果是可喜的。一方面, 材料加工的客观需要推动和促进了超声加工技术的发展;另一方面, 振动切削加工技术提供的强有力加工手段, 又促进了新材料的发展。材料加工中的许多课题需要我们共同去探讨。

切削振动 第2篇

表面粗糙度是评价工件表面质量的重要指标之一, 它对工件的疲劳强度、接触刚度、耐腐蚀性、配合性能、工作精度等都有重要的影响。研究铣削加工过程中的振动信号频谱特性, 提取最有利于切削的振动频率, 为振动切削提供重要的依据, 从而提高工件的表面质量, 是振动切削研究的主要任务之一。

许多学者已经将谱分析用于机械加工中:李锡文等[1]研究了双谱分析在铣削中的应用;李成贵[2]运用双谱及其切片成功地分析了机械加工工件表面轮廓的表面粗糙度特征, 取得了良好的效果;Berger等[3]将奇异值分解 (SVD) 分析方法引入到切削加工振动信号的频谱分析中;Simonovaki等[4]成功地将双谱分析用于铣削过程中铣削力的研究。

三谱是比双谱阶次更高的统计量, 是双谱的拓展, 具有双谱的一切特性, 且能提取信号中更多的特征信息, 能对系统进行更有效的故障诊断和监视等[5]。三谱切片谱与双谱估计相比, 计算量较小、估计精度高, 而且更有利于提取信号的非对称性和非线性耦合性特征[6]。因此, 本文以铣削加工为例, 通过采集铣削加工过程中工件的振动加速度信息, 利用三谱切片谱提取铣削加工工件表面粗糙度值与振动系统的固有特性信息, 获得振动信号的非线性、非高斯性特征, 分析不同因素对工件表面粗糙度的影响。

1 AR三谱及其切片

1.1AR三谱的时间序列建模

设系统输入信号{a (t) }为一组均值为零的平稳随机信号, 受到加性高斯噪声u (t) 的干扰, 如图1所示, h (t) 为系统的单位脉冲响应函数, x (t) 为系统的理想输出, y (t) 为系统的实际输出, 则有

$y(t)={\displaystyle \sum _{\tau =-\infty }^{+\infty }h}(\tau )a(t-\tau )+u(t)$ (1)

式中, τ为滞后量。

假设y* (t) 是系统实际输出信号y (t) 经过去噪后的信号, 系统输出的随机振动信号是由均值等于零的非高斯的白噪声a (t) 造成的, 所以输出的随机信号中含有丰富的动态信息, 可以建立AR模型:

$y{}^{*}(t)+{\displaystyle \sum _{i=1}^p\gamma }{}_{i}y{}^{*}(t-i)=a(t)t=1,2,\cdots ,{\rm N}(2)$

式中, γi为自回归系数;p为自回归模型的阶数。

对于稳定的线性物理过程h (t) , 考虑到系统为最小相位系统, 根据高阶累积量与高阶谱的关系与定义[7]可得到基于AR模型的三谱表达式:

TAR (ω1, ω2, ω3) =

γa, 4H (ω1) H (ω2) H (ω3) H* (ω1+ω2+ω3) (3)

|ω1|≤π, |ω2|≤π, |ω3|≤π

${\rm H}(\omega )=1/(1+{\displaystyle \sum _{i=1}^p\gamma }{}_i\text{e}{}^{-\text{j}i\omega })$ (4)

式中, γa, 4为白噪声a (t) 在零滞后量时的四阶累积量;H (ω) 为系统的传递函数。

对y* (t) 运用AR模型的参数法估计出AR三谱模型的自回归系数γ, 结合式 (4) 将系数γ分别代入式 (3) 中, 得到AR三谱幅值表达式[6,7]:

$\begin{array}{l}\left|{\rm T}{}^{\text{A}\text{R}}(\omega {}_1,\omega {}_2,\omega {}_3)\right|=\\ \left|\gamma {}_{a,4}\right|/(\left|1+{\displaystyle \sum _{i=1}^p\gamma }{}_i\text{e}{}^{-\text{j}i(\omega {}_1+\omega {}_2+\omega {}_3)}\right|{\displaystyle \prod _{k=1}^3\left|1+{\displaystyle \sum _{i=1}^p\gamma }{}_i\text{e}{}^{-\text{j}i\omega {}_k}\right|})(5)\end{array}$

由式 (3) 、式 (5) 可以看出, 三谱反映的是三频率空间内的幅值、相位及非线性耦合信息。三谱的物理意义可看成是信号陡峭程度在频域的分解[8], 虽然不够严格, 但是能较容易地解释三谱的性质。

1.2AR三谱切片算法

式 (3) 中, 当ω3=C2 (C2为常数) 时, 定义为AR三谱的二维切片或重构双谱, 表达式为

TAR (ω1, ω2, C2) =

γa, 4H (ω1) H (ω2) H (C2) H* (ω1+ω2+C2) (6)

其归一化后的幅值表达式为

$\begin{array}{l}\left|{\rm T}{}^{\text{A}\text{R}}(\omega {}_1,\omega {}_2,C{}_2)\right|=\left|{\rm K}\right|/(\left|1+{\displaystyle \sum _{i=1}^p\gamma }{}_i\text{e}{}^{-\text{j}i(\omega {}_1+\omega {}_2+C{}_2)}\right|\cdot \\ \left|1+{\displaystyle \sum _{i=1}^p\gamma }{}_i\text{e}{}^{-\text{j}i\omega {}_1}\right|\left|1+{\displaystyle \sum _{i=1}^p\gamma }{}_i\text{e}{}^{-\text{j}i\omega {}_2}\right|\left|1+{\displaystyle \sum _{i=1}^p\gamma }{}_i\text{e}{}^{-\text{j}iC{}_2}\right|)(7)\end{array}$

在式 (7) 中, 定义K=γa, 4/ (γa, 2) 2为峰度 (Kurtosis) [5], γa, 2表示白噪声a (t) 在零滞后量时的二阶累积量。根据式 (6) 知, 三谱二维切片的表达式与双谱的表达式很相似, 只有系数不同, 它们都反映了两频率空间内的幅值信息、相位信息以及二次非线性相位耦合信息。

式 (3) 中, ω1=ω2时, 定义为AR三谱的对角切片:

TAR (ω1, ω1, C2) =γa, 4H2 (ω1) H (C2) H* (2ω1+C2) (8)

其归一化后的幅值表达式为

$\begin{array}{l}\left|{\rm T}{}^{\text{A}\text{R}}(\omega {}_1,\omega {}_1,C{}_2)\right|=\left|{\rm K}\right|/(\left|1+{\displaystyle \sum _{i=1}^p\gamma }{}_i\text{e}{}^{-\text{j}i(2\omega {}_1+C{}_2)}\right|\cdot \\ \left|1+{\displaystyle \sum _{i=1}^p\gamma }{}_i\text{e}{}^{-\text{j}i\omega {}_1}\right|{}^2\left|1+{\displaystyle \sum _{i=1}^p\gamma }{}_i\text{e}{}^{-\text{j}iC{}_2}\right|)(9)\end{array}$

式 (6) 中, 当ω2=C3 (C3为常数) 时, 定义为AR三谱的一维切片或重构功率谱:

TAR (ω1, C3, C2) =

γa, 4H (ω1) H (C2) H (C3) H* (ω1+C2+C3) (10)

其归一化后的幅值表达式为

$\begin{array}{l}\left|{\rm T}{}^{\text{A}\text{R}}(\omega {}_1,C{}_3,C{}_2)\right|=\left|{\rm K}\right|/\\ (\left|1+{\displaystyle \sum _{i=1}^p\gamma }{}_i\text{e}{}^{-\text{j}i(\omega {}_1+C{}_2+C{}_3)}\right|\left|1+{\displaystyle \sum _{i=1}^p\gamma }{}_i\text{e}{}^{-\text{j}i\omega {}_1}\right|\cdot \\ \left|1+{\displaystyle \sum _{i=1}^p\gamma }{}_i\text{e}{}^{-\text{j}iC{}_2}\right|\left|1+{\displaystyle \sum _{i=1}^p\gamma }{}_i\text{e}{}^{-\text{j}iC{}_3}\right|)(11)\end{array}$

2 试验装置

试验是在江苏多棱TK7640数控铣床上进行的, 试验材料采用综合性能较好、用途广泛的Q235A钢, 刀具采用的是直径为20mm的钨钴钛类硬质合金 (牌号YT-15) 直柄圆柱三刃螺旋铣刀, 其硬度、耐磨性、红硬性比YG好, 黏结温度高, 抗氧化能力强, 导热性能较差, 抗弯强度低, 适用于加工韧性材质的工件, 如Q235A钢、45钢等。试件表面粗糙度的测量采用德国生产的型号为MarSurf XR 20的表面测量仪, 它不仅能够测量工件表面的轮廓算数平均值Ra、轮廓最大值Rz、Ry等一些相关表面质量参数, 而且还能将工件表面实际的轮廓形状通过传感器扫描转换成数据存储在计算机中。

3 试验分析

在铣削加工过程中, 工件的振动与工件本身的表面粗糙度有直接的联系。如果将工件表面轮廓的形成看成是一稳定系统的话, 那么系统的输入就是工件振动信号, 输出为工件表面轮廓信号。通过MarSurf XR 20表面测量仪采集工件的表面轮廓信号, 并通过相应的数据处理可以定性、定量地分析加工系统在不同输入情况下对表面粗糙度的影响。

3.1切削深度对工件表面粗糙度影响

在主轴转速n=3000r/min、进给速度vf=700mm/min、不同切削深度ap下进行了实际铣削加工, 其工件表面粗糙度值如表1所示, 图2～图5分别为工件表面的轮廓图与三谱切片图。

从图2可以看出, 随着切削深度的增大, 工件表面轮廓波动增大, 粗糙度值也随之增大。由图3a、图4a、图5a知, 随着切削深度的增大, 三谱二维切片TAR (ω1, ω2, 0) 幅值变化较大, 当ap=0.2mm时, 谱峰之间的峰值相差较小, 谱峰偏斜度较小, 此时工件表面粗糙度值较小;随着切削深度ap的进一步增大, 谱峰变得越来越陡峭, 其偏斜度增大, 工件表面粗糙度值逐渐增大。

由图3b、图4b、图5b不难看出, 不同切削深度下幅值TAR (ω1, ω2, 0) 在角频率为0.15π、0.3π、0.45π处都出现了峰值, 且对工件表面轮廓的形成起主导作用的频率是0.3π。同时, 在其他频率处也出现了峰值。之所以出现这种现象是由于铣削加工振动过程中出现了不同程度的非线性相位耦合, 如ω1= (0.3π+0.45π) /2≈0.4π、ω1=0.15π+0.3π=0.45π、ω1=0.15π+0.4π=0.55π、ω1=2×0.3π=0.6π等, 它们是由基频相互之间的和频、倍频产生的新的频率, 称之为相位耦合频率, 其中耦合频率为0.4π和0.45π时对工件表面轮廓的形成有着很大的影响。

当ω2为0、π/2、π, ω3=0时, 三谱TAR (ω1, ω2, ω3) 的一维切片图见图3c、图4c、图5c, 与对角切片比较, 表现为谱峰减少。三谱一维切片不但拥有类似功率谱的功能, 能够识别振动过程中系统所包含的频率成分及其相互之间的关系, 还能识别出部分非线性相位耦合频率。从图中可以看出, 三谱一维切片ω2=0时的谱峰峰值明显大于ω2为π/2、π时的谱峰峰值, 这也说明了三谱二维切片TAR (ω1, ω2, 0) 的峰值主要集中在频域平面中间部分, 即在|ω1|≤π/2、|ω2|≤π/2之间。

3.2进给速度对表面粗糙度的影响

在n=3000r/min、ap=0.2mm、不同进给速度vf下进行了实际铣削加工, 获得的工件表面粗糙度值如表2所示, 图6～图10为工件的表面轮廓图和铣削振动信号的三谱切片图。

从图6可以看出, 表面高度值波动不大, 结合粗糙度值可知工件表面质量变化很小。图7a～图10a为不同进给速度vf时的三谱二维切片TAR (ω1, ω2, 0) 幅值, 可以看出, vf=200mm/min时谱峰之间的峰值相差最大, 而当进给速度vf=600和vf=700mm/min时谱峰分布及其峰值大小都相近, 结合表2知, 工件表面粗糙度值分别为1.606μm、1.564μm。但当vf处于200～500mm/min之间时, 谱峰变化比较明显, 而对应的粗糙度值较大, 分别为2.389μm、2.061μm、1.884μm、1.842μm, 可见进给速度对表面质量有一定的影响, 随着进给速度的增大, 工件表面粗糙度有减小的趋势。

从图6可以看出, 表面高度值波动不大, 结合粗糙度值可知工件表面质量变化很小。由图7a、图8a、图9a、图10a可以看出, vf=200mm/min时, 谱峰之间的峰值相差最大, 而当vf=600mm/min和vf=700mm/min时谱峰分布及其峰值大小都相近, 结合表2知, 工件表面粗糙度值分别为1.606μm、1.564μm。但vf处于200～500mm/min之间时, 谱峰变化比较明显, 而对应的粗糙度值较大, 分别为2.189μm、2.061μm、1.884μm、1.842μm, 可见进给速度对表面质量有一定的影响, 随着进给速度的增大, 工件表面粗糙度有减小的趋势。

不同进给速度下的三谱对角切片TAR (ω1, ±ω1, 0) 如图7b、图8b、图9b、图10b所示, 可以发现, 频率ω1=0.15π和ω2=0.3π均同时出现在各对角切片图上, 而频率0.35π、0.45π、0.5π却出现在部分对角切片图上。系统非线性相位耦合所产生的新的频率ω1=2×0.15π=0.3π、ω1=0.15π+0.3π=0.45π。结合表2可知, vf=600mm/min时测得的粗糙度值较小, 对铣削工件表面轮廓形成起主导作用的频率是ω1=0.3π, 其他情况下是频率ω1=0.15π起主要作用, 说明频率ω1=0.3π对铣削加工工件表面质量是有利的。相对于ω1=-ω2, ω1=ω2时整个频域平面上出现的谱峰明显比ω1=-ω2出现的谱峰多, 且ω1=-ω2时有谱峰的地方ω1=ω2都有, 但ω1=ω2有谱峰的地方ω1=-ω2却没有, 这些多出现的谱峰就是系统产生了非线性相位耦合现象而产生的新谱峰。

当ω2为0、π/ 2、π, ω3=0时, 三谱TAR (ω1, ω2, ω3) 的一维切片如图7c、图8c、图9c、图10c所示。当ω2=0、ω2=π/2时每个切片图上都出现明显谱峰, 但是ω2=π时却几乎没有谱峰出现, 这说明工件表面轮廓信号的三谱能量主要集中在整个频域空间的中间区域, 即|ω1|≤π/2, |ω2|≤π/2, |ω3|≤π/2。

3.3主轴转速对表面粗糙度的影响

在vf=700mm/min、ap=0.2mm、不同主轴转速下进行了实际铣削加工, 获得的工件表面粗糙度值如表3所示, 图11～图14分别为铣削表面的轮廓图和三谱切片图。

从图11可以看出, n=2500r/min时工件表面高度波动很大, 结合表3可知, 此时加工系统振动剧烈, 不稳定, 直到n=2900r/min时工件表面轮廓信号才变得比较稳定而有规律。

图12a、图13a、图14a所示是三谱二维切片TAR (ω1, ω2, 0) , 当主轴转速n=2500r/min时, 谱峰突然变陡、变窄, 粗糙度值增大, 表面轮廓质量下降;当主轴转速n为2400r/min～2900r/min时, 谱峰变化较大, 但当主轴转速n=2400r/min、n=2900r/min时, 谱峰分布以及大小都相近, 结合表3可知, 工件表面粗糙度值分别为1.354μm、1.475μm。当主轴转速从2500r/min到2900r/min变化时, 所获得工件表面粗糙度值有减小的趋势。因此, 在切削系统许可的高速范围内切削可以提高工件表面加工质量。

三谱对角切片TAR (ω1, ±ω1, 0) 如图12b、图13b、图14b所示。随着主轴转速的增大, 其工件表面轮廓的主频是一致的, 即最大谱峰值都出现在0.15π处;副频位置变得不稳定, 在0.35π、0.2π、0.4π处出现, 副频的数量以及出现的位置也在不断变化。

当ω2=0、π/2, ω3=0时, 三谱一维切片TAR (ω1, C, 0) 如图12c、图13c、图14c所示。当ω2=0、主轴转速n在2400～2900r/min之间变化时, 最大谱峰对应的频率值在ω1=0.15π附近, 而ω1=0.35π是由系统非线性相位耦合产生的新的耦合频率, 且在整个加工过程中起到重要的作用, 说明耦合频率ω1=0.35π对工件表面质量影响很大。

4 结论

(1) 本文认为表面轮廓输出信号受到多因素、多输入的振动信号干扰, 所以利用输出信号中的有色噪声建立系统的时间序列模型是研究振动切削表面质量的一种有效方法。

(2) 从AR三谱切片谱中可以看出它既给出能量与频率分布的关系, 又提供其相位信息, 且出现功率谱中没有的峰值, 说明在切削加工过程中存在相位耦合, 反映出不同因素对表面粗糙度影响程度, 这对研究振动加工振动系统、改进设计与提高加工精度具有特别意义。

(3) 本文研究了铣削用量对铣削加工工件表面质量的影响, 但是影响铣削工件表面质量的因素还有很多, 如刀具的几何参数、刀具的材料、刀具的磨损情况等, 后续研究工作将对此进行研究。

参考文献

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[7]蔡奇志, 黄宜坚.三谱切片在调速阀故障诊断中的应用[J].华侨大学学报, 2009, 30 (1) :16-21.

切削振动 第3篇

现代机床正向着高速、高精、高效方向发展,同时要求机床结构兼备有良好的加工动态性能。通过大量实验证明,机床的加工动态性能与其整机结构的动态特性紧密相关,通过改善整机结构中各个部件及结合面的动态特性,可以提高机床切削加工时的抗振性能,同时也有效提升了其加工精度和效率[1]。

机床动态特性研究思路:对机床结构进行动态特性测试,根据测试数据进行动力学分析,找出机床整机串联刚度场中的最薄弱环节,建立机床整机结构的力学模型,再依据该模型进行仿真计算为设计部门提供改进意见[2],这种方式可以很直观地预测改进后的设计效果,达到预期的改进设计目的。

2 整机模态实验

采用激振器对整机进行模态测试,如图1所示。测得各阶次固有频率、阻尼比和振型等模态参数,通过各阶次振型的动画显示对机床振动时各部件的振动情况有直观的了解,便于找出其中的薄弱环节[3],对机床主要部件的动态特性有更全面的掌握。

采用相对激振的实验方案,首先把激振器固定安装在机床的工作台面上,然后用激振器发出正弦扫频信号,激励主轴端沿着与x、y、z三轴夹角成45°方向,力传感器则直接识别激振力的时域变化幅值,使用3个三方向加速度传感器依次对主轴、立柱、工作台和床身等部件进行动态响应测量,各测点布置如图2所示。在选择激振器激励方式时,选择前面锤击法得到的前几阶次的固有频率作为正弦信号,对机床施以扫频测试来获得更高信噪比的模态参数信息[4],模态识别工作则与锤击法模态试验相类似。测量结果如图3和表1所示。

从模态振型图中可以发现,悬伸出的交换工作台的振型在很多阶次模态振型中都能找到,虽然该工作台不参加切削加工过程,但其“悬臂梁”效应对床身的振动幅值上起到了放大的作用。这是由于当时测试过程中,悬伸出来的工作台下未安装两个地脚约束,才会造成这种现象,故此处振型并非整机的薄弱环节。后处理分析软件ME’scope中把未安装的两个地脚约束好后,不仅能消除模态测试中的局部模态振型,而且可以提高床身的刚度。

3 切削力实验

进行机床的切削加工性能验证测试实验,获得机床在不同加工方式下的实际切削参数以及设计作对比分析[5]。该Kistler三向测力仪包括有:5070多通道电荷放大器、9265B三向力感测器、9443测力工作台和DynoWare数据处理软件等用以测量在机床加工过程中刀具各个方向的切削力随时间变化情况。进行切削加工时,切削力作用于压电传感器产生电荷信号,经由电荷放大器将信号放大,最后数据采集卡采集到这些信号,传送给计算机进行检测、分析显示,同时将结果保存。

根据该卧式加工中心制造与验收技术要求,设计机床最大切削抗力试验。通过测量机床在加工过程中,刀具各个方向的切削力随时间变化情况,分析机床的切削加工性能。

此处给出机床切削时候发生颤振的状态,转速500r/min,进给速度500mm/min,切深5mm,切宽120mm,齿数6,每齿进给量0.17mm,沿机床x向进给。试验测得的切削力随时间变化如图6所示。

机床主传动系统最大功率切削试验中,在转速500r/min时产生切削颤振,此时机床三个方向的受力均特别大,尤其在进给方向上。该转速在以后的切削加工中应避免使用,以防因颤振引起轴向力过大造成主轴的损坏。

4 切削与振动联合分析

首先把Kistler三向测力仪测得的三方向切削力在时域上变化幅值导成文本格式,然后用ME’scope模态后处理软件识别时域上的切削力数据,再通过快速傅里叶变换得到频域下的切削力幅值数据[6],并截取了这里所关注的频率范围7~200Hz。通过以上时域和频域切削幅值图,首先排除受迫振动的影响[7],发生颤振时刻主轴转速为500r/min,主轴回转频率为500/60=8.33Hz,切削时候用的铣刀为6个齿,故基频为8.33×6=50Hz。通过频域下切削力叠加幅值数据显示,排除基频以外,可以看出影响机床最大的频率值为83.6Hz。

5 结论

(1)在上述切削条件下,500r/min对应的工作频率为8.3Hz,8.3×6=49.8Hz≈50Hz,而在机床各测量位置检测出的峰值频率83.6Hz,与50Hz没有关系,因此不是受迫振动,从激振器法整机振动模态试验和锤击法振动模态试验测试结果中都包含83.6Hz这阶固有频率,由此,可以判定机床此时发生了颤振,颤振时的振动速度明显加大,工作台x向达到32.5mm/s,主轴端y向达到24.2mm/s,比其它状态下振动量大了10多倍。为了排除刀具安装因素的影响,把该铣刀卸下,重新安装。重复上述铣削条件进行切削,检测出的频率还是没有变化,因此,肯定了机床确实是发生了颤振,从尖锐刺耳的噪声中也可以判断得出。

(2)由于83.6Hz、101Hz、118Hz这几阶次模态振型,都包含立柱的扭摆和与床身结合面错位,说明三条直线导轨中,连接立柱和床身的x向导轨和滑块系统是最薄弱的,从设计图纸上导轨和滑块数据来看,x向选用SRG55LR2SSC1E+2158LP-II导轨已经考虑增大了基本动载荷和静载荷。通过提高立柱的抗扭刚度来提升其动态特性,同时把每条直线导轨上的滑块数量由两个增加到三个,可使该机床的整机动态特性将会显著提高。

参考文献

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切削振动 第4篇

振动加工就是在传统的切削加工基础上对工件或刀具施加一定频率的振动以改变加工模式,达到减小切削力[1]、降低表面粗糙度[2]、切屑处理容易[3,4]、减少刀具 磨损[5,6]等良好的 加工效果。二维振动切削的切削力比一维振动切削的切削力更小[7],表面粗糙度值更小[8],其良好的加工效果受到了各国学者的广泛关注。

目前,振动加工技术已经在车削、钻削等领域获得了大量的研究成果[9,10],对振动铣削技术的研究成为振动加工的研究热点。在一维振动铣削方面,沈学会[11]进行了较系统的理论研究,从运动学方面分析了一维振动铣削的加工机理,并通过实验得出工件切削表面质量提高、刀具磨损减小等加工效 果。 在二维振 动铣削方 面,Chern等[12]利用压电陶瓷微驱动二维振动工作台进行了振动铣削的实验研究,实验研究表明:振动辅助微铣削可以改善加工沟槽的尺寸精度,降低切削表面粗糙度和延长刀具寿命。丁辉[13]从理论上对二维振动铣削的动力学过程进行了分析,并通过实验得出二维振动铣削的加工效果优于一维振动铣削的结论,但在切削厚度的计算方面,他没有给出具体的解析函数公式,在刀尖轨迹的分析中也没有给出获得最优理想刀尖轨迹的参数选择。因此,本文将针对这两点,从解析函数角度计算切削厚度,并依据二维振动铣削切削厚度变化的特点,对加工参数进行优化,以此求得理想的刀尖轨迹和切削厚度曲线,进而提高工件的加工效果。

1 切削厚度数值仿真

1.1 切削厚度形成过程分析

目前,普遍应用 的铣削厚 度计算模 型是由Tlusty等[14]提出的,假设刀具轨迹为圆,依据刀具的旋转过 程,刀具的切 削厚度近 似为h =ftsinθ,ft为刀具的每齿进给量,θ 为刀具的旋转角度,如图1所示。但是在二维振动铣削中,刀尖轨迹不再是类似圆的形状,而是随着刀具的旋转和振动的影响,呈现螺旋状,图2为两齿铣刀在二维振动铣削加工中刀尖轨迹仿真图,图中A点为前一刀尖轨迹上的点,B为后一刀尖轨迹上的点。

分析其运动过程可知,一次走刀过程中后一刀齿切削轨迹进入前一刀齿切削范围内时,对工件同一位置表面进行了第二次铣削;后一刀齿的刀尖位于前一刀齿的切削轨迹内时不产生切屑,切削厚度为零;后一刀齿的刀尖位于前一刀齿的切削轨迹外时产生切屑,切削厚度为同一刀具转角下切削刃与最大轮廓间交点的距离,即为图中A、B点间的距离。

因此,为求出二维振动铣削的切削厚度,只需求前后两切削轨迹的最大轮廓方程,然后计算出同一刀具转角下两最大轮廓上点的坐标,这两交点间的距离即为当前刀具转角下切削厚度数值。

1.2 切削厚度计算

观察此最大轮廓曲线的变化规律,可近似地将其看作由若干个半椭圆接续而成。首先通过椭圆公式和刀具运动参数求得起始位置处半椭圆方程,然后通过一定的角度旋转可求得任意处的半椭圆方程,将所有刀具旋转半周期内的椭圆都求出后,就可确定最大轮廓上各点坐标,从而求得切削厚度值。具体计算过程如下:

(1)为求得椭圆方程,先求每两个半椭圆间的交点坐标。由于刀具的旋转角度、振动频率和振幅都呈周期性变化,从而椭圆间交点的坐标也呈现周期性,其变化周期为刀齿的旋转周期T,根据刀具的旋转规律和切削轨迹的特征,形成每一个交点的时间为

式中,n=1,2,… 为每一个交点的时间;k为切削轨迹中椭圆的个数。

则第n个交点的坐标(xn,yn)为

式中,vf为刀尖的进给速度;ω 为刀具旋转角速度。

(2)根据两交点坐标和最大轮廓的曲线特征求第n个椭圆方程的数学表达式。先求得第一个椭圆(刀尖起始位置的椭圆)的长轴和短轴来建立椭圆方程,将此椭圆方程乘以旋转矩阵就可以求得任意旋转角度下椭圆的方程,椭圆上点的坐标即为所求。旋转矩阵为其中旋转矩阵的旋转角则任意椭圆上点的坐标(xn*,yn*)为

式中,φ为刀具的旋转 角度;an为长半轴 值;bn为短半轴值;c为长半轴中点与进给点间的距离。

用同样的方法可以求得任意刀尖轨迹的最大轮廓点的坐标。整个计算程序的流程图见图3。

通过以上算法求得相邻两切削轨迹的最大轮廓上点的坐标,在刀具同一旋转角度下,通过求两点间距离公式就可得到任意转角下的切削厚度,其仿真结果如图4所示。

由图4可以看出,切削厚度变化曲线不再是一条规则的曲线,而是一条随着振动频率和幅值的变化而呈现起伏振荡的曲线,振荡的幅度由振动幅值控制,振荡变化的次数由振动频率决定。在初始阶段刀具切入工件和切出工件时,切削厚度迅速超过了最小切削厚度,对工件进行去除材料加工,减小了刀具与工件间的摩擦,对抑制毛刺的产生和延长刀具寿命起到了很大的作用。在刀具切入、切出阶段还出现了切削厚度为零的情况,此时,后一刀齿的切削刃在前一刀齿的切削轨迹内,不形成切屑,由此判断二维振动铣削是一个断续的切削过程,在一定的周期范围内,刀具与工件间歇性的接触和分离有利于切削液的进入,对于提高工件的加工表面质量有很大作用。

2 刀尖轨迹数值仿真

加工参数的选择不同,所形成的刀尖运动轨迹也不同,其结果影响切削厚度变化,对工件的加工效果产生很大影响。为获得理想加工效果的螺旋状刀尖轨迹,本文选取振动频率、振幅、每齿进给量和主轴转速4个因素,分析其对刀尖轨迹的影响。假设每齿进给量都为2μm,表1为正交仿真参数表,其中λ 为振动频率与主轴回转频率的比值。通过MATLAB仿真出铣刀刀尖轨迹,探索最优刀尖轨迹的参数选择。

依据仿真数据,得出不同参数变化下的刀尖切削轨迹仿真图,如图5~图7所示(其中虚线、实线分别表示前后两刀齿的切削轨迹)。仿真分析结果表明,1~3组中都没有出现螺旋状刀尖轨迹(图5);4~6组中,第4组出现螺旋状刀尖轨迹(图6a),第5组刚好要出现螺旋状刀尖轨迹(图6b),第6组没有出 现螺旋状 刀尖轨迹 (图6c);7~9组中,第7、8组出现明显的螺旋状刀尖轨迹(图7a、图7b),第9组没有出现螺旋状刀尖轨迹(图7c)。

综合分析表明,振动幅值小于每齿进给量时都没有出现螺旋状的刀尖轨迹,而随着振动幅值与每齿进给量的比值越来越大,刀尖螺旋状运动轨迹越明显。当振动幅值一定时,随着振动频率与主轴回转频率比值的减小,螺旋状刀尖轨迹逐渐消失;当振动振动频率与主轴回转频率比值近似为1时,刀具旋转一周刀尖的螺旋状轨迹次数增多,如图7a所示,这种加工效果会使加工效率降低,并不是理想 的刀尖运 动轨迹,图7b(第8组)数据为理想的刀尖运动轨迹仿真图。根据第8组仿真数据,利用本文中切削厚度计算方法得出其切削厚度仿真图,结果同图4中加X、Y向振动的切削厚度曲线形状相似,此曲线即为理想的切削厚度曲线。基于以上分析,获得理想螺旋状刀尖运动轨迹和切削厚度曲线的条件为:振动幅值与每齿进给量的比值应大于等于2,但其比值不宜过大,否则影响加工效率;同时振动频率与主轴回转频率的比值应近似于1/2。

3 实验验证

为了验证仿真分析的准确性,对Al6061进行二维振动铣削表面粗糙度实验。利用XY25XS压电陶瓷装置设计二维振动工作台,工件固定于振动工作台上,两齿硬质合金端铣刀固定于空气轴承主轴上,刀杆直径为0.5mm,螺旋角为30°,利用三维表面形貌轮廓仪(Zygo 5000)测量切削表面粗糙度[15]。实验中振动频率为2000Hz,每齿进给量为2μm,主轴转速分别为4000r/min、7000r/min、10 000r/min,实验结果 分析如图8所示。

分析图8可知,二维振动铣削与普通铣削相比,粗糙度值明显减小,且主轴转速与振动频率的比值越接近1/2,其粗糙度 值越小,加工效果 越好,由此判断仿真分析结果的准确性。在理想刀尖轨迹下二维振动铣削能够降低工件表面粗糙度,从而达到提高加工表面质量的效果。

4 结语

切削振动 第5篇

关键词：超声波椭圆振动切削,相位差,振幅,振动频率

0 引言

超声波椭圆振动切削技术 (UEVC) 是20世纪90年代由日本学者提出的一种新型的特种加工方法[1,2], 此方法是通过超声波振动系统给刀具施加椭圆振动, 从而使切削刃在切削的同时产生椭圆振动。该椭圆轨迹振动可使刀具在切削过程中实现与切屑在切削方向和切屑流出方向的分离, 从而具备传统超声振动切削的优点, 同时还避免刀具后刀面与已加工表面的高频摩擦所产生的疲劳崩刃[3]现象, 另外刀具的前刀面与切屑之间有害的摩擦力还可反转成为有利于切屑流出的切削力[4,5], 这对增大剪切角、降低切削力与切削温度和提高切削加工精度[3,6]起到至关重要的作用。虽然, 超声波椭圆振动切削技术有如此优势, 但是超声波椭圆振动系统复杂、系统参数调整困难, 实验测量切削力和切削温度不易, 切削机理还有待进一步研究。因此, 本文借助切削原理和有限元分析方法, 研究椭圆运动轨迹对切削力和切削热的影响规律, 以寻找最佳的椭圆轨迹, 为优化超声椭圆振动工艺提供参考。

1 超声椭圆振动切削理论基础

超声椭圆振动切削加工的关键就是使刀具在切削方向和切屑流出方向所构成的平面内沿椭圆轨迹进行周期高频振动, 从而进行切削。根据椭圆轨迹的形成过程可知, 同平面内频率相同相互垂直且有一定相位差的两个简谐运动即可合成一个椭圆运动轨迹。假设切削方向和切屑流出方向为x向和y向, 那么椭圆运动轨迹方程为:

式中, a, b分别为x, y两个方向的振幅即椭圆的长、短轴半径, f为振动频率, θ为相位差。椭圆运动轨迹由以上四个参数确定。

由于在切削方向刀具不仅有沿切削方向的高频振动, 同时还存在工件旋转所带来的主切削运动, 我们把它看成刀具运动而工件不动的话, 那么整个切削过程刀具的运动轨迹为:

式中v为切削速度。

为了研究方便, 把刀具的运动轨迹进行转换, 变成刀具的运动速度, 为:

传统的超声振动切削只在切削方向即x向产生高频振动, 而超声椭圆振动在切屑流出方向即y向也产生振动。与传统超声振动切削同理, 在切削方向上刀具振动速度大于切削速度, 刀具就能与工件脱离, 该种类型的椭圆振动切削称之为分离型, 反之为不分离型[7,8]。分离型超声振动切削是目前研究的重点, 本文研究的对象也是分离型超声椭圆振动切削过程。

2 有限元结果分析

2.1 切削模型

超声椭圆振动切削在加工难加工材料时与普通切削相比具有显著的优越性, 而钛合金材料是一种典型的难加工材料。本文以CBN刀具和钛合金材料为材料模型, 建立了二维热力耦合超声振动切削模型, 模拟不同椭圆轨迹下切削过程。切削模型如图1所示, 采用工件固定不动, 施加切削速度和超声椭圆振动于刀具。工件尺寸3mm×1mm, 材料为TC4钛合金, 采用JohnsonCook模型, 运用CPE4RT4节点平面应变减缩积分热应力耦合单元划分网格。刀具为CBN材质, 前角和后角均为7°, 刀尖圆弧半径0.01mm, 刀具作为刚体处理。切削速度为24m/min, 切削深度为0.1mm, 切削时间1.5毫秒, 初始温度为20°, 采用显示热力耦合算法。

2.2 仿真结果

由超声椭圆振动切削的椭圆运动轨迹方程 (1) 、 (2) 可知, 振动频率, X、Y向振幅以及相位差共同决定了椭圆运动轨迹, 采用单一变量的方法可逐一考察各个参数对切削力和切削温度的影响。

2.2.1 相位差对切削力和切削温度的影响

为了考察不同的相位差对切削过程的影响规律, 固定振动频率为20KHz, X向振幅为10μm, Y向振幅为15μm, 选用不同相位差进行仿真。各相位差下椭圆轨迹如图2所示。

从图中可以看出当相位差为0°和180°时都为一条斜线, 只有在相位差为45°、90°和135°时为椭圆, 而相位差180°为分界点, 此后椭圆轨迹与之前的轨迹相对应重复。因此相位差值在0°至180°之间每隔45°选取, 切削过程主切削力和切削温度随相位差的变化规律如图3、图4所示。

从图中可以看出不论是瞬时主切削力还是平均主切削力, 在相位差为90°时值最小, 0°至90°之间主切削力随着相位差的增大而减小, 但超过90°后, 主切削力随着相位差的增大而增大。从图2各相位差所对应的椭圆运动轨迹来看, 0°时轨迹为一条斜线, 刀尖按此轨迹运动相当于增大刀具前角, 有助于提高刀具锋利度, 切屑变形程度减弱, 但是按此路径振动, 刀具在切入和切出过程中会和切屑发生严重摩擦阻碍刀具切入切出。而伴随相位差增大, 刀具和切屑之间的摩擦力发生发生反转, 有害的摩擦力变为切屑流出的提拉力, 有利于切屑流出[3,6], 因此0°至90°之间切削力随相位差的增大而减小。相位差超过90°后超声振动轨迹使得刀具前角变为负前角, 而且相位差增大, 负前角值增大, 从而主切削力增大。但是由于刀具对切屑提拉作用使切屑更易流出, 相位差超过90°后随相位差增大其主切削力值增加不明显。切削区、刀尖最高温度变化趋势和主切削力变化趋势类似, 这是由于相位差小于90°时刀具与切屑间摩擦力随相位差增大转变为切屑的提拉力的程度增强。而相位差大于90°后, 虽然摩擦产生的热量减少但切屑卷曲变形严重, 变形能产生的热量急剧增加, 使切削温度又开始增加, 而且刀具与切屑接触的时间增长, 温度上升更明显。由此可见当相位差为90°时, 切削力和切削温度都最低, 此时椭圆轨迹最理想[6]。

2.2.2 振幅对切削力和切削温度的影响

为了进一步考察影响椭圆轨迹的参数—振幅对切削过程的影响, 固定相位差为90°, 然后固定Y向振幅 (取b=10μm) , 考察X向振幅对切削过程的影响, 所得结果如图5、图6所示。

从图中可以看出瞬时切削力在X向振幅5μm时较大, 而振幅为10μm、15μm时瞬时切削力峰值相差不大, 平均主切削力随振幅的增大而减小, 切削区最高温度和刀尖温度随振幅的增大而减小。

X向振幅为5μm时, 振动切削的临界切削速度为37m/min, 与切削速度24m/min较接近, 振动切削降低切削力效果不明显, 因此主切削力较大。而X向振幅为10μm之后, 切削速度为临界切削速度的1/3甚至更小, 振动切削降低切削力效果明显, 因此瞬时切削力峰值差接近。

但是振幅越大, 净切削时间降低, 平均切削力自然有所减小。伴随X向振幅振幅的增大, 切屑变形程度减弱, 所产生热量减小, 同时刀具与工件接触时间即净切削时间减少, 散热更充分, 因此切削区和刀尖温度随之降低。

同理, 为了考察Y向振幅对切削过程的影响, 固定相位差为90°、X向振幅 (取a=10μm) , 改变Y向振幅, 所得结果如图7、图8所示。

从图8中可以看出瞬时切削力峰值和平均切削力随Y向振幅的增大而减小, 但是振幅超过10μm后, 瞬时切削力峰值和平均切削力减小程度不明显。切削区温度和刀尖温度随Y向振幅的增大而增大, 但是振幅超过10μm后, 增幅变小。

Y向振幅增大, 刀具前刀面与切屑接触时间增加, 有利于摩擦力提拉作用, 从而促进切屑的形成, 进而降低切削力。

但振幅超过10μm后, 刀屑接触时间增加幅度减弱, 切削力降低幅度也减弱。

同时, 由于单个周期切削工件面积增大, 切屑变形加重, 切屑与刀具热传导增强, 从而导致切削区、刀尖温度升高。

2.2.3 振动频率对切削力和切削温度的影响

最后, 为了考察振动频率对超声振动切削过程的影响, 选则相位差为90°, 两个方向的振幅分别为:X向15μm, Y向10μm, 改变振动频率, 计算结果如图9、图10所示。

从上图中可以看出瞬时切削力峰值和平均切削力随振动频率的增大而减小, 但是振动频率超过20Hz后, 减小的幅度放缓。切削区最高温度和刀尖温度却随频率的增加而增加。振动频率的增加, 直接影响到振动切削的临界切削速度, 频率越低, 切削速度与临界速度越接近, 振动切削越接近普通切削, 所以频率越低, 切削力越大。但是频率超过20Hz后, 由于此时临界切削速度已远大于切削速度, 所以切削力降低幅度减弱。但是, 频率增加会导致在相同时间内, 切削次数增加, 意味着在相同时间内净切削时间增加, 这对切削力影响不显著, 但是在相同时间内切屑变形次数, 刀屑接触的次数随频率的增加而增加, 从而导致切削热和热传导加剧, 切削区和刀尖温度增高。

3 结束语

本文运用有限元分析方法, 建立了TC4钛合金超声椭圆振动切削二维热力耦合模型, 并进行了仿真模拟, 得到了椭圆轨迹对TC4钛合金超声振动切削切削力和切削热的影响规律。对过分析, 得出以下结论。

1) TC4钛合金超声振动切削切削力随相位差先减小后增大, 相位差为90°时, 切削力最小;切削力随X向、Y向振幅和振动频率的增大而减小。

2) 切削区温度和刀尖温度随相位差的增大先减小后增大, 随X向振幅的增大而减小, 随Y向振幅、振动频率的增大而增大。

参考文献

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切削振动 第6篇

关键词：振动切削,应力波,有限元仿真

1 引言

自20世纪60年代振动切削的理论提出至今,其切削加工领域不断拓宽,21世纪初实现了采用六轴控制的群钻刀具加以超声波振动制造难加工的尖角。振动切削理论的发展也使得硬脆材料加工的理念焕然一新,包括陶瓷、硅、石墨、复合材料和贵重石材等材料的高效加工成为可能。振动切削技术的发展与应用,推动了对微观应力波机理的完善,这又反过来促进了振动装置的进一步研发。

2 振动切削中应力波的产生

振动切削中,在外设的振动源的作用下,刀具对工件施以连续的、有规律的脉冲切削力[1],当脉冲切削力波形如图1时,工件中每一质点产生的应力值也呈周期性变化。一开始只有那些直接受到外载荷作用的表面部分的介质质点离开了初始平衡位置,它们与相邻介质质点之间发生了相对运动,由于介质质点具有惯性,脉冲切削力在表面上所引起的扰动就这样在工件中传播开来,形成应力波[2,3]。刀具的周期作用的脉冲切削力成为应力波的波源。

3 应力波在切削区的传播过程分析

3.1 应力波追赶卸载分析

振动切削中(图1),在每个振动加载周期T内,刀具对工件的实际切削时间t1,T-t1时间段刀具与工件分离,形成自由表面。设在t=0时工件受一恒值矩形脉冲载荷σ觹,其幅值足以产生塑性变形,经过时间t1后又突然卸载到零,这时加载扰动和卸载扰动都以强间断波阵面的形式在工件中传播,并且卸载扰动的传播快于加载扰动的传播,产生了追赶卸载。

当为加载扰动和卸载扰动相遇后的残余质点速度,vY为屈服速度)时,应力波随时间的传播曲线、应力与速度关系曲线、应力与应变关系曲线分别如图2(a)、图2(b)、图2(c)所示。

当t=t1时,塑性波阵面到达位置l1=C1t1,而切削应力突然卸载到零,加载表面成为自由表面,于是强间断卸载扰动(即相当于应力波反射)以速度C0(>C1)在塑性恒值区2中传播,追赶以速度C1传播的塑性加载扰动。卸载区3的状态可由给定的卸载边界条件按弹性卸载应力应变关系以及强间断面上动量守恒条件确定,即有:

由此可见,振动切削中刀具与工件分离时间内仍有反射追赶的应力波存在并作用于工件的主切削变形区,即强化了切削力。同时避免了普通切削的刀具工件长时间不分离、切削的过热、刀具磨损加剧及工件加工质量降低等弊端。加载波与卸载波相遇后,会在相遇处削弱,或衰减为零(视v軃觹的大小而定)。这也使得应力波作用区域集中于刀尖附近,能量集中,对未切削区影响小,从而提高了切削质量。

3.2 工件表面的应力波反射形成的断裂分析

由应力波理论可知,振动切削的应力波的压力脉冲在工件的自由表面反射成拉伸脉冲时,将可能在邻近自由表面的某处造成相当高的拉应力。设振动切削的矩形脉冲脉冲长为t1,只要脉冲幅值σ≥σc(材料的抗拉临界值),则在当入射脉冲的1/2被反射时,叠加后的净应力恰好全为零,此后由于入射波与反射卸载波的相互作用将出现拉应力,即当t=t1/(2c)时刻将发生断裂。这种断裂无疑使得振动切削在切削区的裂纹多于普通切削,使得振动切削更易成屑。

对低频振动切削进行有限元仿真分析[4],当外加载荷随时间周期变化时,各节点的应力值也会随之周期变化,从而导致应力波的形成。如图3所示,第一主应力的应力幅变化最大处正是工件本体与切屑的连接处,也就是刀尖处。在刀-屑接触的切削层中,若应力值超过了材料的屈服强度时,就会产生塑性变形。应力波的叠加及反复作用会导致材料处于疲劳积累状态,根据科顿-多伦的累积损伤理论,在给定的应力幅下的损伤扩展率是随着循环次数的增加而递增的,当循环次数达到永久性疲劳损伤对应值时,在切削区内也会产生损伤核,可以减少金属晶粒的纤维化程度。通过有限元分析可知振动切削时,成屑容易,这不仅可以降低主切削力,而且切削力作用范围集中,可以提高加工表面质量,利于实现高精度加工。

由微观应力波传播机理分析,应力波经过裂纹边缘位置处时,不仅有直接入射至此处的一次波,而且存在由一次波与裂纹面碰撞后的内反射波,同时形成了应力波的反射断裂,Ⅱ型动态应力强度因子KⅡ将会出现复杂形式的跃动,产生的裂纹比普通切削裂纹短的多,导致切削区裂纹扩展速度的提高。在切削刃前方会产生裂纹形成的偏角ζ,使实际剪切角增大为φ=φ'+ζ,如图4所示。剪切角增大,剪切面变短,更加有利于切屑形成。而应力波的反复叠加又使得滑移区剪切带密化,从而使切屑细碎,剪切带变薄,剪切应变集中,易于分离成屑。

4 结论

振动切削的加载特定性决定了切削中应力波的存在。应力波的传播有其特殊性,无论是波的反射作用还是追赶卸载的强化作用,一旦切削中有裂纹产生,则应力波在裂纹处的传播方向、波的振幅和频率都会改变,动态应力强度因子出现突跃,应力波的能量会在裂纹处被大量消耗,使得能量作用集中于刀尖。反复加载时,应力波的作用持续循环,材料处于疲劳累积状态,加快了成屑进程。进而振动切削的微观机理得到了更好地阐述。

参考文献

[1]隈部淳一郎.精密加工振动切削基础与应用[M].北京:机械工业出版社,1985.

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