毕业设计（论文）-超声振动条件下外加载荷对车刀的能量分布及磨损状况影响.doc

毕业设计超声振动条件下外加载荷对车刀的能量分布及磨损状况影响学生姓名： 张斌英 学号： 112018222 系 部： 机械工程系 专 业： 材料成型及控制工程 指导教师： 梁红玉 二零一五年六月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： 超声振动条件下外加载荷对车刀的能量分布及磨损状况影响 系部： 机械工程系 专业： 材料成型及控制工程 学号： 112018222学生： 张斌英 指导教师（含职称）： 梁红玉（教授）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；分析外加载荷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；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、振幅、外加载荷与受力状况之间的关系）。2）应用有限元法分析外加载荷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主要参考资料1 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.(第10期)。2 李祥林等编著. 振动切削及其在机械加工中的应用 北京：北京科学技术出版社, 1985.3 张日昇.超声振动车削试验研究J.现代制造工程,1982,(第11期).4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月3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4日4实验验证有限元分析结果5月5日6月1日5完成毕业论文及答辩工作6月2日6月22日审核人：赵跃文 2015年 1 月 3 日超声振动条件下外加载荷对车刀的能量分布及磨损状况的影响摘 要：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。人们通过研究取得了大量成果并实现了零件的精密和超精密加工。但是，一些精密和超精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。先进的加工技术是当下必须研究的问题，它对于国家工业和人类的发展具有重要意义。超声振动复合加工技术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，分析了刀具振动切削过程中外加载荷对车刀的能量分布影响。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，刀具所受平均应力远小于在静载荷作用下的情况。最后进行了车削实验研究，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，加工精度更高，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，外加载荷，涂层车刀，能量分布，磨损影响Under the condition of ultrasonic vibration，how are the applied loadings affect energy distribution and wear of cutting toolAbstract：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 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 expensive,which limit their use severely, therefore people through exploring the new processing technology to achieve precision machiningof machine parts. Presently ,we must study the Advanced processing technology, it is of great significance for the national industry and the development of human beings.Ultrasonic vibration compound processing technology is an advanced processing technology,which can effectively realize the parts precision machining.Process technology is advanced, cutting effect is also very good, but it faced with some problems, the stress of the cutting tool is one of them.This article through to establishes the model of the ultrasonic vibration cutting about cutting force calculation, analyzing the process of cutting tool vibration cutting and loading load impact on energy distribution of turning tool.At the same time, using the ANSYS a finite element analysis software analyzes the transient dynamic response of the tool under the action of dynamic load, it is concluded that the average stress of coating tool is far less than the static load conditions in a cycle of the periodic dynamic load, cutting too.Finally ,we do the cutting experiment research , studying the ordinary uncoated tool and coated tool wear in the same conditions, it is concluded that the coating tool compared with ordinary tool is more wear-resisting, higher machining precision.And I analyzed the influence factors that influence the coating tool wear and spalling of coated tools for design provides a theoretical guidanceKeywords: Supersonic vibration,Applied load,Coating tool,Energy distribution,Abrasion affect目 录1 绪论11.1 课题背景11.2 研究目的和意义21.3 国内外研究进展现状31.3.1 超声振动切削理论的研究31.3.2 超声振动切削刀具磨损研究51.4 论文的主要研究内容62 超声振动切削理论研究72.1 超声波的基本原理及特点72.2 超声波振动切削加工机理原理72.2.1 超声振动切削原理82.2.2 切削力103 超声振切时外加载荷对车刀的能量分布模拟153.1 ANSYS简介153.1 ANSYS模拟仿真过程163.2.1 定义参数163.2.2 建立几何模型183.2.3 划分网格183.2.4 加载荷数据193.2.5 后处理分析204 超声振动切削时刀具磨损研究244.1 普通切削时车刀的磨损机理244.2 振动切削过程中道具磨损研究254.3 振切颗粒增强复合材料刀具磨损状况研究274.4 涂层车刀的磨损研究305 实验验证325.1 实验准备325.2 实验过程335.2.1 普通车刀实验345.2.2 涂层车刀实验365.3 实验结论386 结论39参考文献40致 谢42III太原工业学院毕业设计1 绪论1.1 课题背景20世纪初期出现了超声技术，经过一个世纪的发展，超声技术是声学中发展最为活跃的一部分，如今它已经渗透人民生活、科学技术、国民经济、国防建设等各个领域。超声技术完成过程是通过超声产生、传播及接受的物理过程。由于超声波辐射不同，将超声技术分为两方面：一是功率超声，利用它的能量来改变材料的某些状态；二是检测超声，利用它来采集信息。而功率超声是一个重要的研究方向。随着科学技术的发展，它的应用越来越广泛，对人类社会发展的奉献越来越大，已经遍及国防，航空、航海、生物工程、电子等领域。而超声振动切削加工技术可以说是功率超声技术里应用十分广泛的。20世纪60年代，一种先进制造加工技术振动切削加工技术发展起来，它是通过在普通刀具上施加高频的，一定规律的振动，工件和刀具之间的接触是间断性的切削，这在根本上改变了传统的车刀切削模式，不仅能对普通材料进行加工，对高硬、脆等性能材料也有优异的加工效果，有着比普通切削加工更优异的加工性能。超声振动切削即高频振动切削，是给切削刀具施加一定频率、振幅有规律的振动，改变了刀具和被加工材料间的空间、时间存在条件，而改变了加工机理，减小了切削力，切削热。提高被加工材料可加工性，提高加工质量，刀具耐用度等。超声振动切削加工技术是一种脉冲式的断续切削过程。由于超声加工的优点，扩大了它的应用范围，普遍用于车、铣、刨、磨、螺纹加工及齿轮加工等方面1。对于涂层刀具是在强度和韧性较好的高速钢（HSS）或硬质合金基体表面上，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物而获得的。涂层很好的保护了基体刀具，是一层很好的热和化学屏障，减少了被加工工件和车刀间的化学反应和物理扩散，因此减少了前刀面月牙槽磨损。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性，切削时可比未涂层普通刀具提高寿命35倍以上，提高加工精度0.51级，提高切削速度20%70%，降低刀具消耗费用20%50%。涂层刀具有四种：涂层高速钢刀具，涂层硬质合金刀具，以及在陶瓷和超硬材料(金刚石或立方氮化硼)刀片上的涂层刀具。一般使用最多的是前两种涂层刀具。涂层材料具有硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、不与工件材料发生化学反应、耐热耐氧化、摩擦因数低，以及与基体附着牢固等要求。常用的涂层材料有碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、硼化物、硅化物、金刚石及复合涂层八大类数十个品种。这些涂层材料中用的最多是TiC、TiN、Al2O3、金刚石以及复合涂层；其中TiC涂层刀具抗后刀面磨损的能力特别强，而TiN涂层刀具则具有较高的抗“月牙洼”磨损能力。1.2 研究目的和意义现在微机械，微电子技术逐渐取得进展，对于各种精密和超精密技术也已经成为国际竞争中的关键技术。其中超声振动切削加工技术就目前很有发展前景。它出现于20世纪60年代，是利用专门的超声振动驱动装置，使切削加工的刀具以一定振动频率、振幅按正弦波形强迫振动，形成一种脉冲式的切削过程，与普通切削加工相比具有以下优点：（1） 生产率显著提高；（2） 切削温度显著降低；（3） 工件表面硬化，使用寿命提高；（4） 工件表面粗糙度显著降低；（5） 切削稳定，加工精度提高，使圆度及粒度误差减小；（6） 切削力和所消耗的功率减小；（7） 刀具寿命提高。普通切削加工中的一些固有难题，比如切削中的刀具切削热变形和随机振动致使加工表面粗糙、刀具磨损严重等问题振动切削加工中则得到很好的改善。振切技术在传统切削加工技术的基础上有一个飞跃，也越来越引起人们的重视，受到世界各国的瞩目1。涂层硬质合金刀具具有以下优点：1） 已加工表面质量在涂层刀具的加工下相对较好；2） 涂层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；3） 刀具涂层材料与被加工材料之间摩擦系数小，故可减小切削力12。但是经过已有实验表明涂层车刀在超声振动切削过程中，车刀涂层却表现出易磨损和剥落的现象。本课题将对超声振动切削展开研究，借助ANSYS有限元分析软件，模拟振动切削过程，分析外加载荷对车刀基体及涂层能量分布及磨损状况影响规律，并实验验证。分析车刀涂层磨损及剥落机理，为振动车刀选用提供理论指导。1.3 国内外研究进展现状 1927年超声加工技术兴起，经过几十年发展，国内外关于超生加工技术进行了广泛的理论与实验研究，并在许多方面取得进展，比如对超声切削的机理研究，超生振动装置的设计与制造、超声加工工艺、振动切削时的刀具选择等，还解决了像陶瓷、石英、玻璃、金刚石及磁性材料等许多难加工材料在普通加工时遇到的的技术困难，取得了良好的加工效果。在美、日、英、西德等工业发达国家，超生振切的研究、应用受到重视并已经在实际生产中得到应用。1.3.1 超声振动切削理论的研究 普通切削中，切削是靠刀具与工件的相对运动来完成的，切屑和已加工表面的形成，本质上是刀具强行挤压工件材料，产生弹性变形和塑性变形，从而使使切屑与母体分离。在这种普通切削中，由于刀刃与被切物接触处局部压力很大，从而使被切物分离，刀面则在切削的同时撑挤被切物，促进这种分离。在普通切削中，伴随着切屑的形成，由于切屑与刀具之间的挤压和摩擦作用，将不可避免产生较大的切削力，较高的切削温度，使刀具磨损和产生切削振动等有害现象。而振动切削是通过在切削刀具上施加某种有规律的、可控制的振动，使切削速度、切削速度发生周期性的改变，从而得到特殊的切削效果的方法。振动切削改变了刀具和被加工材料之间的空间与时间的存在条件，改变了切削加工机理，达到减小切削力、切削热，提高加工质量和效率的目的。振动切削按所加频率不同可分为高频振动和低频振动；低频振动仅仅从量上改变切屑和形成条件，主要用来解决断屑问题以及与此相关的一系列问题；而超声振动即高频振动切削已经使切屑形成机理产生重大变化，可以提高被加工材料的可加工性，提高刀具寿命和加工质量。超声加工的工艺效果来自刀具和工件之间的分离运动，即它是一种脉冲式的断续切削过程。超声振动切削使切削形成机理产生重大的变化，它对切削过程影响有以下几方面：1）周期性地改变了实际切削速度的大小和方向；2）周期性地改变了刀具运动角度，包括前角、后角、刃倾角等；3）周期性地改变被切金属层的厚度；4）改变了所加载荷的性质，使刀具由静载荷变为动载荷；5）改变了已加工表面的形成条件，从而改善了表面质量，提高了加工精度；6）改善了切削液到达切削区的条件；7）改变了刀具工作表面的接触条件，减小了切削形成区的变形，降低了切削力；8）改变了工艺系统的动态稳定性，从而得到振动切削特有的消振效果；9）改变了切削过程中消耗的功率N，使能量分布发生了变化：N总=N机床+N振动，由于机床功率N在振切中大大减小，所以总的功率N也会相应减小。从对超声振动加工技术研究的深度、广度、实际应用效果来看，日本处于国际领先地位。20世纪60年代，作为研究超声振动切削理论与应用技术的奠基人隈部淳一郎先生，首先提出了系统的振切理论并在超声振动切削技术方面完成了大量的开创性工作。他认为对刀具施加强制性的有规律的稳定的超声振动，显著减小了机床系统的随机振动影响，减弱消除了刀具不稳定区域，降低了平均切削力，工件的切削质量也得到改善，同时，由于周期性的振动过程降低了切削温度，刀具的工作环境比普通切削好，刀具耐用度提高，切削过程中的积屑瘤同样得到抑制，改善了工件的切削质量。在1977年，日本就在振动切削与振动磨削方面深入研究并应用于实际生产中。在美国，对振动切削的研究开始于60年代，到70年代中期，美国在超声振动光整加工、磨削、钻中心孔等方面已处于生产应用阶段，振动车、钻、镗等切削加工已处于试验性生产设备阶段，成功的完成了对振动铣削、拉削的实验研究。实际工业生产中已开始广泛应用超生振动系统加工技术，并且其中部分都已经规定标准了。英国、德国也在超声振动加工机理方面研究付出了许多，有很多学者研究人员发表了自己的理论实验成果，并很好的应用于实际生产中。我国对超声振切的研究开始较迟，不过近些年来也取得了显著的成绩。比如：吉林工业大学首先揭示出z向分离型超声振切，具有分离、冲击、变速、往复熨压四个运动特性。温任林在研究超声振动切削刀具的振动规律是得出：刀具与切屑的分离作用是振动切削最根本的特点，正是这一特点才使得刀尖每次能以极大的加速度冲击工件进行切削。南京理工大学芮小健等人从切削过程分析入手，研究了振动切削过程中刀具与被切削工件之间的力学作用规律，得出如下结论：（1）刀具以冲击载荷作用于被切材料，其动态应力波作用是是改善切削效果的一个主要因素；（2）振动切削中摩擦力降低是前刀面和剪切面的内摩擦和外摩擦转换所致；（3）振动切削中前刀面正应力减小，对材料破坏的断裂抑制作用减弱，有利于切削；（4）振动切削中，材料破坏过程与普通切削的挤压滑移过程有区别，它由每次冲击都产生微细破坏而完成切削。大连交通大学的杨亮对振动切削中振幅对切削力影响做了理论与实验研究。哈尔滨工业大学的卢泽生等人对振动切削中频率对切削力的影响规律做了研究与仿真。东南大学汤铭权等人从湿式超声振动切削中对润滑液作用的研究得出，刀具的冲击作用使切屑形成以后在刀具和切屑分离时间内还存在一定弦振动，加上刀具本身的振动作用，加强了切削液的动态润湿作用。清华大学的王先逵教授在1986年开始研究了硬脆材料的超声砂带磨削技术，获得了高效超镜面加工效果。杭州电子工学院的张云电教授成功利用超声车削技术加工变截面细长杆，被各专家认为是国际首创，居国际领先水平。吉林大学的张雷在1996年研究了超声波振动车削产生超越性加工现象。目前国外通过三维有限元建模和试验对加工效果有了很深入的研究。包括由切削参数（切削速度，切削深度等），超声参数（振动频率，振幅等）对加工效果产生的影响的研究，对切削力，切削功率粗糙度及同轴度的影响因素，以及对不同材料的切削进行了广泛的研究。近些年，超声波振动切削得到了一些新的发展，出现了超声波椭圆切削技术。但由于其增加了超声振动源，超声波装置更加复杂，而且人们对振动切削微观机理尚认识不足，至今还没有成熟的理论，其切削机理仍需进一步研究发展，认识其实质，促进超声振动切削技术的发展1。1.3.2 超声振动切削刀具磨损研究超声振动切削技术是近代发展起来的一种特殊加工方法，是在普通切削基础上给刀具或工件沿切削方向附件一个固定频率的超声振动，该方法在加工硬脆材料方面有独特的优越性。主要体现在：超生振动切削可减少切屑变形区的塑性变形和摩擦，减小切削力，降低切削温度，显著提高刀具寿命；可以减小甚至消除机床的自身振动，加工质量好，精度高，工件表面粗糙度值小圆度好；减少工件上积屑瘤的生成，提供共件加工表面质量。在硬态车削磨损方面，大量文献资料研究表明，尽管在硬态车削时，关于刀具磨损机制有很多不同的理论，但是存在一个基本一致的看法，即刀具磨损是由不同的磨损机制结合引起的，它通常包括磨粒磨损、粘着磨损、扩散磨损以及化学磨损。在超声振动车削刀具磨损方面，国内外也都有很多研究，并取得不错的进展。河南理工大学的焦峰、赵亮等人对超生振动切削的刀具磨损机理及其对工件表面粗糙度影响做了研究；东南大学的毛善锋、汤铭权等人对超生振动切削时硬质合金刀具磨损机理做了研究；佛山大学的阮世勋、余歆尤对超声振动切削加工面和刀具磨损面做了SEM分析，得出耐冲击是刀具必须考虑的首选特征；王立江、孙凤池等进行了硬质合金车刀超声波振动车削与普通车削耐用度的对比试验研究，多因素试验研究结果表明，对超生波振动硬质合金车刀耐用度影响显著的因素为切削速度V、刀具材料、刀尖振幅A和切削液。程雪丽等人在超声振动切削SiCp/Al复合材料的试验中发现，刀具磨损主要包括前、后刀面的磨料磨损和粘结磨损，但都比普通切削小很多，超声振动切削中的刀具磨损均匀性也要优于普通切削，这些研究对延长刀具寿命非常重要。1.4 论文的主要研究内容超声振动切削可以解决普通切削加工中某些固有的难题。基于超声振动切削的机理，本文拟开展如下研究工作：（1）对超生振动切削技术进行了国内外文献检索与调研，了解该技术的研究发展概况；（2）应用有限元分析软件分析超声切削加工中切削力的变化规律，并分析外加载荷对车刀能量分布及磨损状况的影响规律 ；（3）基于超声振动切削车刀磨损的机理，实验验证车刀涂层磨损及剥落与振动频率之间的关系。2 超声振动切削理论研究2.1 超声波的基本原理及特点声波是人耳能感受的一种纵波，它的频率在1016kHz范围内。当频率超过16kHz，就称为超声波。超声波和声波一样，可以在气体、液体和固体介质中传播。超声波频率高，波长短，能量大。超声波传播的速度c与波长频率f之间的关系表示为 =c/f （2.1）超声波主要具有下列性质：1）超声波能传递很强的能量；2）当超声波经过液体介质传播时，能产生巨大的液压冲击，这种交变的脉冲压力作用在邻近的零件表面上会使其表面破坏，引起固体物质分散、破碎。此现象称为空化现象； 3）超声波在一定条件下，会发生波的干涉和共振现象；4）超声波通过不同的介质，在界面会发生波速突变，产生波的反射和折射现象2.2 超声波振动切削加工机理原理超声振动切削是通过在切削刀具上施加一有规律的超声高频振动，改变了刀具和被加工材料相对普通切削不一样的空间与时间的存在条件，使切削速度和深度发生周期性改变，而得到特殊切削效果的方法。振动切削改变了切削加工机理，从而减小了切削力、切削热，提高了加工质量和效率。超声振动切削使切削机理产生重大变化，它是一种脉冲式的断续切削过程。超声振切系统的流程：超声波电源输出大功率的超声频的交流信号，由换能器将电能转换成同频率的机械振动，经变幅杆进行振幅放大，然后带动刀具振动。其组成如图（2.1）所示。把振动系统固定在刀架上，刀杆的左端是刀片，右端是振动驱动中心，由换能器和变幅杆将纵向振动转换为弯曲刀杆的横向振动3。图（2.1） 振动系统组成图2.2.1 超声振动切削原理超声振动切削的原理如图（2.2）所示图（2.2） 振动切削模型刀具在切削方向以O为中心，以频率f做简谐振动，工件以速度V向右运动，其原理如图（2.3）所示。 （a） （b）图（2.3）振动切削基本运动分析图刀具位移为：y=aSin（2ft） （2.2）如图（2.3（a）所示式中：a-刀具的振幅 f-刀具振动频率刀具的速度为：Vt=2afcos(2ft) （2.3)如图（2.3（b）所示刀具从O点振动方向与工件相反，到a点时刻开始与工件接触进入切削过程，达到振幅最大后，振动方向发生改变，开始与刀具运动方向相同，到t2时刻，刀具振动速度Vt与切削速度V数值相等方向相同，这时刀具和工件开始脱离，工件继续以切削速度继续推进，到t3时刻，工件位置坐标与刀刃位置相等，刀具和工件又开始接触进行切削；到t4时刻刀具振动速度又与工件速度相同，刀具又脱离，如此反复循环进行，这就是超声振动切削过程。刀具开始离开工件的时间tb应满足Vtb=2afcos(2ft) （2.4）Vtb-刀具在t2时刻b点的速度则刀具离开工件的时刻tb为： 由上式可知，若V2af，则上式不成立，这意味着刀具不能脱离工件。当切削速度V大于某一速度Vc时，即VVc，刀具和切屑之间不存在分离状态，称为不分离型超声车削。当切削速度VVc时，刀具与切屑之间存在分离状态，称为分离型车削。超声振切中把Vc称为临界切削速度。 Vc=2af （2.6）由图（2.3）知超声振切一个周期为T，其中在一个周期中，完全切削的时间段为t1到t2，记为Tc，则定义净切削时间比为 r=Tc/T (2.7)2.2.2 切削力普通切削时，由于刀具与工件的相对运动，刀具强行挤压工件材料，产生弹性变形和塑性变形，从而使切屑与母体分离，完成切削过程。在这个过程中，刀具所受切削力基本上是一个恒定的值。如图（2.4）所示： 图（2.4） 普通切削力而超声振动切削是一个脉冲式断续切削过程，刀具在切削方向高频振动，把整个个切削长度分割成许多细小部分进行切割，只有在切削时间Tc过程中才会产生切削力，其切削力可用图（2.5）表示：图（2.5）振动切削切削力超声振动切削是一个在极短时间内完成的微量切削过程，刀具在很小的位移上得到很大的瞬时速度和加速度，这种局部产生的很高的冲击能量使得切削区材料快速变形，摩擦系数降低，剪切区材料的塑性变形减小。所以振动切削时切削力大大减小。从图（2.5）中可以看出，在一个切削周期T内，只有在工件与刀具接触的切削时间Tc内，才会产生切削力，其峰值为F；而刀具与工件分离的时段切削力为0，在一个周期T中，设超声振动平均切削力为Fr，实验已表明其值一般为普通切削力的1/101/3，远小于普通切削力。在超声振切过程中，若超声振动频率f不变，则振动周期T不变。当切削时间Tc变小，即净切削时间比r=Tc/T变小时，则振切的平均切削力Fr越小；反之净切削时间比r越大，平均切削力Fr越大。下面单独分析刀具在一个振动周期内切削时间段内的受力情况，如图（2.6）所示。图中刀具在切削速度方向（y方向）振动。根据切削理论知： 图（2.6）切削区相对运动分析图式中： 剪切面内的剪切应力； 摩擦角； w 切削宽度； 剪切角； ap背吃刀量。通常，有如下关系：2 + = K (2.10)K 是一个与切削条件有关的常数，对于塑性材料来讲，一般 K =/2平均摩擦系数与摩擦角的关系为： = tan (2.11)其中，摩擦系数 是与切屑相对于刀具的速度有关的15，通常情况下可用下面的关系式表示：这里d 和q ( q 0)常数，虽然一般认为，在切削过程中的d 和q 的值会随着背吃刀量和前角 的变化而发生很微小的变化，但是通常，可以认为d 和q 是固定的常数。工件相对于刀具的速度可以用下面的表达式表示：式中的为 y 方向的单位向量，、 v分别为切削速度和刀具的速度。切屑相对于刀具的速度表示为。根据切削过程中发生的塑性变形的不可压缩性，在垂直于直线 AB 的方向 n 上的速度是连续的，n为 AB 的单位法向量。因此有：将上式在 n 上投影可得：这里： 由式(2.10)、式(2.11)、式(2.12)可得：同时可得到一个周期内切削时间段的切削力：而外加载荷对受力影响是直接在上式（2.18）、（2.19）直接加外力在x轴和y轴上的投影力。由于振动切削是一个循环反复的过程，在每一个振动周期内情况基本相同，故取一个周期对其进行研究。由上一节分析得出了切削力的计算方法，在此我们将分析振动过程中振幅和频率变化分别对切削力的影响情况。刀具在一个周期中与工件的接触切削时间非常短为了简化问题求解，可把一个周期内切削速度看成是匀速加工过程，速度取其中一定值，取振幅影响最大的情况下的速度值即刀具过平衡位置的速度，并由式(2.10)、(2.11)、(2.12)和(2.15)，则有 式(2.20)反映的是剪切角与频率的关系，就是说剪切角 是关于频率 f 的函数，不妨记作： 同时，根据第一节的分析可知， 时刻刀具与工件发生分离， 时刻刀具与工件再次发生接触，则刀具在一个周期中的切削时间为Tc , 它们之间的关系如式T为周期；当刀具速度等于切削速度时，即t2时刻有：当工件位置坐标等于刀刃位置时，即t3时刻有：由上式可看出t3/T是t2/T的函数，所以可设根据功率恒定原理，振动切削过程的平均切削力为：可得最终的振动切削力公式: 同理：由式（2.20）可转换为（2.29）得知上式是剪切角关于振幅a的函数，所以可设： （2.30）同样可得振动过程刀具切削力：（2.31）3 超声振切时外加载荷对车刀的能量分布模拟3.1 ANSYS简介1）ANSYS公司成立于1970年，是目前世界上CAE行业中最大的公司之一。ANSYS是当前使用最广泛，功能最强大的有限元分析软件。ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件能模拟现实中的各种复杂几何非线性，接触和材料非线性问题，尤其对于各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸等非线性动力冲击问题相比更容易解决，同时还能解决传热、流体及流固耦合问题。2）ANSYS的功能特点及应用： 结构分析 主要包括静力分析、模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析、特征屈曲分析和专项分析，其中专项分析包括断裂分析、复合材料分析和疲劳分析。 热分析 热分析一般不是单独进行的，热分析之后常常进行结构分析，计算由于热膨胀或收缩不均匀引起的应力。主要分析类型包括相变（熔化和凝固过程分析）、内热源（如电阻发热、加热炉加热等）、热传导、热对流、热辐射等。 电磁分析 电磁分析中考虑的物理量是磁通量密度、磁场密度、磁力、磁力矩、阻抗、电感、涡流、耗能及磁通量泄露等。主要分析类型包括静磁场分析、交变磁场分析、瞬态磁场分析、电场分析、高频电磁场分析。 流体分析 流体分析主要用于分析流体（气体和液体的总称）的流动行为及热行为。主要包括CFD（Coupling Fluid Dynamic）、声学分析（声波分析传播和水下结构动力学分析）、容器内流体分析、流体动力学耦合分析。 耦合场分析 主要是分析两个或多个物理场之间的相互作用，即将两个物理场组合到一起求解。 ANSYS软件广泛应用于航空航天、机械制造、石油化工、国防工业、土木工程、汽车铁道交通、生物医学、能源、电子、轻工、水利、造船、日用家电等一般工业及科学研究等。它能实现数据的共享和交换，具有Pro/Engineer,AutoCAD,UG,I-DEAS等大多数CAD软件的数据接口。ANSYS还具有强大的网格划分能力、加载求解能力以及后处理能力。当前，ANSYS软件在结构设计方面得到广泛的应用。一个典型的ANSYS分析过程可分为以下六个步骤： ANSYS分析过程 定义参数 创建几何模型 划分网格 加载数据 求解 结果分析3.1 ANSYS模拟仿真过程3.2.1 定义参数在建设模型和网格划分之前，需要做一些准备工作，包括指定工程名，更改工作目录、设定分析标题、定义单位、定义单元类型、定义单元实常数和定义材料参数等。本步主要是对这些前期工作进行相关操作。1.设计工作文件名（1）启动ANSYS,选择“File”“Change Jobname”命令，弹出“Change Jobname”对话框。（2）在“Enter new jobname”文本框中输入“Body”，同时把“New log and error files”中的复选框为“Yes”，并单击“OK”按钮。2.更改工作目录选择“File”“Change Directory”命令，弹出对话框，选择工程问题分析需储存的工作目录路径，单击“OK”按钮即可以进入新的工作目录路径。3.设定分析标题（1）选择“File”“Change Title”菜单命令，弹出“Change Title”对话框。（2）在“Enter new title”文本框中输入“3D Body Stress Bracket”，并单击“OK”按钮。4.定义单位 ANSYS软件没有为系统指定唯一的单位。除了磁场分析外，可以在工程分析中使用任意一种单位制，只要用户在使用中要注意保证所有数据使用同一单位制就可以了。操作方法:在ANSYS主界面的输入窗口输入“/UNIT,SI”,回车即可。5.定义单元类型 （1）选择“Main Menu”“Preprocessor”“Element Type”“Add/Edit/Delete”命令,弹出“Element Types”对话框。（2）单击“Element Types”对话框中的“Add”按钮，弹出“Library of Element Type”对话框。（3）选择左侧文本框中的“Structural Solid”选项，然后选择右侧文本框中的“Quad 8 node 183”选项，单击“OK”按钮。（4）回到“Element Types”对话框。（5）单击“Element Types”对话框上面的“Options”按钮，弹出“PLANE183 element types”对话框。 （6）在“Element behavior”的下拉列表中选择“Plane strs w/thk”选项，并单击“OK”按钮。（7）再次回到“Element Types”对话框，单击“Close”按钮结束即可。6.定义单元实常数（1）在ANSYS程序主要界面中选择“Main Menu”“Preprocessor”“ Real Constants”“Add/Edit/Delete”命令，弹出“Real Constant”对话框。（2）单击“Real Constants”对话框“Add”按钮，进入下一个“Choose Elemet Type”对话框，选择“PLANE 183”单元，然后单击“OK”按钮。（3）回到“Real Constants”对话框，单击“Close”按钮。7.定义材料参数（1）在ANSYS程序主界面，选择“Main Menu”“ Preprocesso”“Material Props”“Material Models”命令，弹出“Define Material Model Behavior”对话框。（2）选择对话框右侧的“Structural”“Linear”“Elastic”“Isotropic”命令，双击“Isotropic”选项，弹出“Linear Isotropi Properties For Materia Number 1”对话框。（3）在“EX”文本框中输入弹性模量“550000”，在“PRXY”文本框中输入泊松比“0.3”，然后单击“OK”按钮。 （4）回到“Define Material Model Behavior”对话框后，直接关闭对话框。至此，材料参数设置完毕。3.2.2 建立几何模型建模是整个分析过程的关键环节，实体模型直接关系到计算结果的正确性，而且还会影响时间和成本，为计算方便，对刀具进行简化处理。建立模型如图（3.1）所示：图（3.1）刀具几何模型3.2.3 划分网格网格划分即是将几何模型离散化的过程，划分完后就生成了有限元模型，后续计算也就可以进行了，网格的质量直接影响计算过程和结果，因此网格划分必须考虑计算时间、成本以及要求的精度，选择合理的划分方法。使用复合材料需要注意在材料分层方向上只能划分为一格，同时划分网格前设定各层材料类型。网格划分结果如图（3.2）所示：图（3.2）刀具划分网格图3.2.4 加载荷数据用ANSYS软件模拟超声振动切削时，给车刀外加一载荷，分析车刀的能量分布。切削过程中刀具刀尖受力情况最恶劣，所以将载荷作为集中载荷施加到刀尖上分析。施加载荷以后在Solution模块里面进行瞬态分析的求解控制，然后点击Solve进行求解。简化超声振动切削的模拟方法，在车刀刀尖上加载一如下图（3.3）所示的随时间变化的动态载荷，从而模拟振动切削时车刀的受力情况，再在车刀上外加一组静载荷，假设加的静载荷为30N，然后后处理分析车刀的能量分布。由重庆理工大学的张兴红等人对超声车削瞬时切削力的仿真研究结论，超声振动切削时，车刀的瞬时切削力变化如下图（3.3）所示：图（3.3）车刀瞬时切削力因为超声振动切削频率f为20KHz，由f=1/T得周期时间T为即50us，刀具与车刀的切削接触时间设为10us，然后加载求解3.2.5 后处理分析由上加载求解后处理分析得出结果如以下图所示：图（3.4）t=0时刻时的应力分布图上两张图是加载时间为0时刻时刀具应力分布图，即刀具与工件刚接触时，此时只有外加在载荷力30N，切削力为0N，其能量分布图如下：图（3.5）t=0时刻刀具能量分布图当刀具与工件接触切削力最大时，其应力分布和能量分布图分别如下图（3.6）和图（3.7）：图（3.6）t=5us时刻时应力分布图图（3.7）5us时刻刀具能量分布图由上图可得出这样的结论：在振动切削过程中刀尖处车刀的应力最大，在此处的涂层最容易剥落。经分析可知，刀具在周期动载荷作用下的平均应力远小于静载荷作用下的情况。外加载荷对车刀受力的叠加作用使得车刀的平均应力增大，进而车刀的磨损情况就越严重。4 超声振动切削时刀具磨损研究4.1 普通切削时车刀的磨损机理切削金属时，刀具切削刃部分是应力和热的集中区域，切削刃不仅承受切削力和切削热，而且还与切屑和已加工表面摩擦，在这种恶劣环境下，切削刃容易被磨钝，使切削能力下降，刀具也因此发生磨损、破损。磨损是逐渐的发展过程，而破损一般是随机的突发破坏（包括脆性和塑性破坏）。磨损时存在着机械的、热的、化学的作用以及摩擦、粘结、扩散等。研究刀具的磨损对提高工件的加工精度，选用开发合适的刀具都有十分重要的意义。普通切削时，切屑是在加工过程中刀具前刀面强行推挤工件材料致使发生塑性变形，最终沿一斜面剪切滑移成为切屑。金属被剪切滑移发生塑性变形的斜面区称剪切区。如图（4.1）所示 图（4.1） 切削部位3个变形区金属除在剪切区发生显著变形外，在切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦使仅靠前刀面处的金属发生了显著的弯曲，并进一步纤维化，纤维方向基本与前刀面平行，此区称为第二变形区。在已加工表面处也发生了显著的变形，方格已纤维化，切削刃和后刀面的挤压