切深对椭圆超声振动切削机理的影响

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnau“caSinicaApr．252017V01．38No．4SSN1000—6893ON11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．crlhkxb@buaaedu．cn切深对椭圆超声振动切削机理的影响张翔宇，张德远*，隋篙，姜兴刚北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100083摘要：以椭圆超声振动切削为研究对象，通过理论分析，有限元仿真和切削实验，研究了切深变量对其切削过程中机理的影响。指出在微小的切深条件下，刀尖钝圆影响不可忽略，其切削过程表现出微细切削特性。一方面，

2、基于微细切削理论，建立了正交椭圆超声振动切削运动学和力学模型，将切削区分为后刀面回弹区、刀尖犁切区、刀尖剪切区和前刀面摩擦区四个区域，并依次对四个区域内不同切深条件下各个切削分力进行计算分析。另一方面，对切削过程进行有限元仿真和切削实验。其结果表明：当切深小于最小切削厚度时，切削过程主要为刀具后刀面的回弹挤压与摩擦和刀尖钝圆的犁切作用，不产生切屑，切深抗力大于主切削力；当切深大于最小切削厚度并逐渐增大时，刀尖剪切和切屑与前刀面的挤压与摩擦作用逐渐凸显并成为主要切削方式，此时主切削力逐渐超过切深抗力并迅速增大。关键词：椭圆超声振动；切深；刀尖钝圆；

3、微细切削；最小切削厚度中图分类号：V261．92文献标识码：A文章编号：1000—6893(2017)04—420567—09现代航空制造领域内存在着大量的难加工材料，如不锈钢、钛合金、镍基高温合金和复合材料等。克服其较差的切削加工性能，提高其加工精度和效率一直为航空制造领域中的重要目标。而椭圆振动切削自从提出[13后，经过二十多年的高速发展，已成为克服上述困难的有效方法而广泛应用于各类难加工航空材料[2。33的精密切削加工中。研究人员对椭圆超声振动切削过程进行的大量研究指出其具有大幅度降低切削力、改善工件已加工表面质量和抑制加工颤振等优势n。7

4、]。而为了进一步揭示获得上述优势的原因，切削实验、切削过程建模和有限元仿真等深入研究工作也得到了同步的开展。切屑的产生过程和瞬时切削力的波形同步对比研究表明，除周期性分离带来的空切特性之外，椭圆振动切削独有的摩擦力反转特性是切削力相比传统振动切削更大幅度下降的原因。8：。在对瞬时切削力建模的过程中，切削过程多被简化为平面剪切模型，剪切角和摩擦角的动态变化使其切削过程不同于普通切削[912]。有限元方法的使用，同时能够对上述椭圆超声振动切削过程中的特有现象进行分析和验证E1⋯。然而，以上对工艺效果和切削原理的研究均是建立在将刀具假想为理想锋利模型的

5、基础上。但是在实际切削过程中，刀具切削刃并非是理想锋利刀刃，而是在刀尖处存在一个钝圆。又由于椭圆超声振动切削为精密切削加工方法，其切深与刀尖钝圆半径处在同一数量级中，因此刀尖钝圆对切削过程中切削机理的影响不应再被忽略。但考虑到刀尖钝圆影响的椭圆超声振动研究中，切削力模型通过利用刀具切削面积作为中间量，收稿日期：2016—06—28；退修日期：2016—07—25；录用日期：2016．08．08；网络出版时间：2016．08—1714：24网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929V20160817．1424．0

6、04html基金项目：黑龙江省应用技术研究与开发计划(GAl2A402)*通讯作者E-mail：zhangdy@buaaedu．CR嘲搠格武i张羯宇，张德远．晴器．等i切深对椭函趣声振动切嘲祝理的影响!Jj．航空学报．2017。38(4)：420567。ZHANGXY．ZHANGDY，SUIH，eta1．Influenceofdepthofcutonellipticalultrasonicvibrationcuttingmechanism[JJ．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2017，38(4)：4205

7、67420567．1航空学报设定一个相关系数来建立口4。1“，其切削过程又无法准确刻画小切深条件下的微细切削特性[1引。由此可见，大量文献对椭圆超声振动切削机理和微细切削特性的研究是孤立和分开的，而使用微细切削理论来研究椭圆超声振动切削机理的文献尚不多见。本文基于微细切削的特性，研究了变化的切深对正交椭圆超声振动切削机理的影响，通过建立正交椭圆超声振动切削运动模型和力学模型，并辅以有限元仿真方法，揭示了不同切深条件下正交椭圆超声振动切削过程中的微细切削现象和主切削力与切深抗力关系的变化规律。最后通过切削实验，验证所建立的模型和有限元仿真的有效性。

8、1理论分析1．1运动模型图1为椭圆振动切削示意图，图中：口为刀具切削线速度；z、Y和z轴分别表示切深、进给和切削速度方向；A和B分别为刀