不分离型超声椭圆振动切削力特性研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaSep．252013V01．34No．92241-2248ISSN1000-6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxbbuaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．ca不分离型超声椭圆振动切削力特性研究李文1’*，尹礁1，吕垒平1，徐明刚1，张德远21．北方工业大学机电工程学院，北京1001442．北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191摘要：分离型超声椭圆振动切削加工效率低的特点阻碍了超声椭圆振动切削技术的广泛应用和进一步发展。为拓展超声椭圆振动

2、切削技术的应用领域，在分析了超声椭圆振动切削过程的基础上，深入研究了不分离型超声椭圆振动切削降低平均切深抗力的有效性机理，并在此基础上分析了速度系数和切深方向振幅对切深抗力的影响，揭示了不分离型超声椭圆振动切削逆变区及动态前角是降低平均切深抗力的主要原因，给出了速度系数对降低切削力失效的判断公式，并通过实验验证了不分离型超声椭圆振动切削具有降低切削力和提高加工过程稳定性的优势。这对于发挥超声椭圆振动切削技术优势，拓宽其应用领域具有重要的意义。关键词：不分离；切削力；振动；逆变区；动态前角中图分类号：V261．92；TB559文献标识码：A文章编号：10

3、00—6893(2013)092241—08超声椭圆振动切削具有降低切削力、改善表面质量、提高加工精度和抑制颤振等加工优势。研究人员经过多年的研究取得了很多有参考价值的研究成果和实验成果[1。]。20世纪50年代，日本隗部淳一郎教授对超声振动切削理论和应用进行了深入研究[11；社本英二提出了超声椭圆振动加工技术并成功应用于超精密加工领域口3；不莱梅大学的Bremen团队采用超声辅助研磨技术在脆性材料上加工微型结构；英国拉夫堡大学Babitsk等人应用超声振动加工技术对耐热合金材料进行切削，取得了良好的加工效果。北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、吉林工业

4、大学等高校研究人员对超声振动切削的切削机理、工艺效果和超声振动装置等内容进行了广泛的研究，并取得了很好的成果。在超声椭圆振动切削研究中，速度系数K是非常关键的参数[8]。根据速度系数，超声椭圆振动切削分为分离型超声椭圆振动切削(K<1)和不分离型超声椭圆振动切削(K≥1)。同普通切削相比，分离型超声椭圆振动切削在降低切削力、抑制颤振等方面具有很大优势[9‘14】。但是，随着速度系数K的增大，超声椭圆振动切削降低切削力的效果逐渐消失，速度系数的限制使得振动切削的加工效率很低，这制约了该技术的进一步推广。近年来，随着振动切削技术研究的不断深入，同分离型超声

5、椭圆振动切削相比，研究人员发现不分离型超声椭圆振动切削同样在抑制颤振和积屑瘤方面具有一定的有效性[15。”]，并实验验证了不分离型超声椭圆振动具有降低切削力效果，但是上述成果对于降低切削力机理的研究很少。本文基于超声椭圆振动切削过程模型，分析了不分离型超声椭圆振动切削过程中刀具与切屑收稿日期：2013-03．22；退修日期：2013—05—15；录用日期：2013·05—29；网络出版时间：2013—06—1708：43网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／11．1929．V20130617．0843，001html基金项目：国

6、家自然科学基金(51205005)*通讯作者Tel．：010-88801958E—mail：1w@ncut．edu．CR嘲用格武tLiW．YinJ，LvLP。eta1．Studyontheunseparatedultrasonicellipticalvibrationcuttingforce．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2013，34(9)：2241-2248．李文．尹礁，s磊平，等．不分离型超声糖圆振动切觏力特性研究．航空学报，2013，34(9)：2241．2248航空学报Sep．252013V01．34

7、No．9的相对运动关系，得出了逆变区和动态前角是降低平均切深抗力的主要因素的结论，揭示了振动参数对切深抗力的影响规律。1不分离型超声椭圆振动切削过程分析不考虑刀具切削刃钝圆半径对切削过程的影响，在速度系数K≥1的理想切削情况下，不分离型超声椭圆振动切削一个切削周期的切削过程如图1所示，同分离型椭圆振动切削的切削过程相比，不分离型超声椭圆振动切削在切削过程中刀具前刀面始终与切屑保持接触，不存在分离型椭圆振动切削过程中的空切阶段。0，2图1不分离型超声椭圆振动切削过程Fig．1Unseparatedultrasonicellipticalvibration

8、cuttingprocess根据图1中的坐标系，z轴为主切削方向，Y轴为切深方向，a。为刀具吃