椭圆振动切削机理的研究

作     者：赵绍昕 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周晓勤

授予年度：2012年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：椭圆振动切削 切削机理 有限元分析 切削参量 切屑成形 

摘      要：脆性光学晶体材料、半导体材料及黑色金属材料在诸多领域有着日益突出的应用价值。然而，多数光学晶体材料及陶瓷材料具有脆硬性、断裂强度接近于屈服强度及各向异性等特点，使得常规加工方法获得的加工表面易产生裂纹和凹坑等缺陷;黑色金属材料在摩擦高温下则易于与金刚石刀具发生化学反应加剧刀具磨损。因此，如何实现上述难加工材料(Hard-to-Cut Material, HCM)的高效加工，已成为一项亟待解决的难题。椭圆振动切削(Elliptical Vibration Cutting, EVC)已被证明可以有效的降低切削力、减少切削热、改善金刚石刀具磨损等，被广泛认为是一种极具发展前途的常规金刚石切削替代方法。尽管国内外学者已对EVC进行了大量的研究，然而EVC过程的材料去除机理尚未能得到有效揭示，限制了人们对EVC的认识，制约了最优切削过程的提出。基于此，本文从解析模型、有限元仿真及切削试验三部分对EVC切削机理进行了研究。 首先，针对EVC切削过程中切削深度及切削速度的时变特性，将连续的EVC过程离散化为等效静态过程，通过对各静态过程进行解析描述，最终获得基于切削周期的动态切削模型。借助该动态切削模型，量化研究了EVC过程中有效切深、等效切削前角及切削力等参量的变化。数值计算结果表明：在EVC过程中，主切削力对切削深度变化依赖不明显，而背吃刀力对切削深度变化依赖较明显;EVC切削力峰值大于同条件下常规切削方式但平均切削力远小于常规切削方式;有效切深与振动频率存在一定的负相关关系;选用较小的水平速比(Horizontal Speed Ratio，HSR)利于工件表面几何质量的提高，以小于0.2为宜。 其次，在***环境下，以AISI1045钢为研究对象，建立EVC切削有限元模型，观测EVC切削过程中变形区应力、温度及切削力的变化过程。通过仿真结果分析得到：EVC切削过程中高应力分布区具有周期性移动现象;刀具刃弧的温度存在周期性变化规律;温度与切削力间存在对应关系，切削力对切削温度有较强依赖性;平均切削力与振动频率存在一定负相关关系;EVC切削过程中表面应力变化小于常规切削方式;摩擦力反转促进切屑形成。 第三，基于优化设计原理开发铰链式非共振型EVC切削装置。对硬铝2A12和黄铜的对比切削试验表明，EVC切削方式在一定参数条件下加工出工件的宏观表面光洁度欠佳，但微观表面质量要远高于常规切削方式，随着工件材料延性的降低，该现象趋于明显。振动频率增大和水平椭圆振动轨迹均有利于表面几何质量提高;EVC切削方式能够有效保护切削刃，防止产生崩裂和磨损，提高刀具使用寿命，但其前刀面受工件材料冲击侵蚀严重，后刀面靠近切削刃区域磨损程度较大。