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椭圆振动切削切屑形成及其对切削过程影响的研究

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椭圆振动切削切屑形成及其对切削过程影响的研究

作者：管亮长春工业大学

学位级别：硕士

椭圆振动切削(Elliptical Vibration Cutting,EVC)是在振动辅助切削基础上发展而来的一种加工方式,不仅可以在工件表面上加工出复杂的微结构,极大地改善加工性能,还能够有效地加工诸如钛合金、碳化硅等硬脆性材料。切屑是切削过程中重... 详细信息

椭圆振动切削(Elliptical Vibration Cutting,EVC)是在振动辅助切削基础上发展而来的一种加工方式,不仅可以在工件表面上加工出复杂的微结构,极大地改善加工性能,还能够有效地加工诸如钛合金、碳化硅等硬脆性材料。切屑是切削过程中重要的产物,其形成过程伴随着各种化学现象(如金刚石刀具石墨化)及物理现象(如刀具磨损、切削热等),这些化学及物理现象所导致的切屑几何特征变化对切削过程有着重大影响,尤其对切削过程中的切削力及工件表面质量。然而目前对EVC切屑的研究尚不多见,多数学者仅对实验后的切屑进行了简单的观察,对EVC切屑缺乏深入的理论研究。因此本学位论文主要对EVC的形成展开相关研究,同时考虑到EVC切屑对切削过程的影响,本文也对切削力及工件表面形貌展开了相关研究。本论文研究内容从以下几个方面展开:1.分析EVC刀具运动过程,确定形成的切屑的边界,充分考虑刀具与工件的相对运动关系与位置关系,重新建立刀具运动方程。按照不同的切深比对EVC切屑的厚度、截面积、体积等几何特征分别建立数学模型。2.多数学者采用实验法研究相关参数对EVC表面质量的影响,缺乏EVC表面形貌数学模型。本文利用几何法对去除切屑后的工件三维表面形貌及表面残余高度进行数学建模,找到影响工件表面残余高度的相关参数。3.利用现有的EVC力模型计算切削力需要做大量的计算,而本文针对EVC变切深的特点,改进现有的切削力模型,将切屑截面积引入到切削力模型中,得到EVC力的经验公式。4.利用有限元分析软件,对EVC过程进行有限元仿真,得到切削后的切屑几何形态及切削力。通过改变相关参数,探究切屑几何形态(主要指切屑厚度)及切削力随相关参数的变化规律。利用Matlab对建立的EVC表面模型进行仿真,得到理想的工件三维表面形貌,并探究相关参数对表面残余高度的影响。5.进行金刚石切削实验,对切削过程中产生的切屑、工件表面形貌及切削力进行收集与测量。对得到的实验现象做出相应的解释。通过实验结果进一步验证理论推导与仿真结论的正确性。本论文研究内容从EVC切屑的形成展开,并通过EVC切屑研究工件表面形貌及切削力,将三者紧密联系在一起,为今后EVC实验切削参数的选择提供参考。

关键词：椭圆振动切削切屑几何特征残余高度切削力模型有限元仿真

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椭圆振动切削机理的研究

椭圆振动切削机理的研究

作者：赵绍昕吉林大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：椭圆振动切削切削机理有限元分析切削参量切屑成形

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椭圆振动切削过程中切削温度研究

椭圆振动切削过程中切削温度研究

作者：冯答长春工业大学

学位级别：硕士

椭圆振动切削(Elliptical Vibration Cutting,EVC)是一种高效的特种切削加工方法,由椭圆振动信号驱动压电陶瓷作用于刀架,使刀具按照椭圆轨迹进行运动,从而实现高频间歇性振动切削,可有效改善切削加工性并应用于难切削材料(Hard-to-Cut ... 详细信息

椭圆振动切削(Elliptical Vibration Cutting,EVC)是一种高效的特种切削加工方法,由椭圆振动信号驱动压电陶瓷作用于刀架,使刀具按照椭圆轨迹进行运动,从而实现高频间歇性振动切削,可有效改善切削加工性并应用于难切削材料(Hard-to-Cut Material,HCM)的超精密加工中。尽管前人已经对EVC技术做出了大量的研究,EVC技术特有的加工方式能够极大的提升切削过程中的散热效率,但加工过程中切削温度的变化规律尚未得到明确揭示,而切削温度影响着加工过程中残余应力、刀具磨损和使用寿命、加工后表面质量和性能等方面的研究。在此基础上,本文从理论模型、仿真分析及椭圆振动辅助车削实验等部分对EVC切削温度进行研究。首先,将EVC过程单一周期轨迹离散化,针对EVC过程中存在的间歇切削和摩擦逆转等特性,借助实时变化的切削深度、刀具前角和剪切角,揭示EVC过程中的切削速度、剪切速度与切屑流动速度之间的关系以及剪切力、前刀面摩擦力的大小,单位时间内产生的热量被看作是剪切面的塑性变形功与前刀面上的摩擦功产生的,在此基础上探讨了切削区内刀具、工件、切屑的温升以及热量分配比例。其次,借助有限元仿真(FEA)分析软件ABAQUS,对TC4钛合金的EVC过程进行仿真,建立刀具-工件有限元仿真模型,得到切削温度的变化过程。通过仿真分析结果得出X方向振幅、Y方向振幅、振动频率、切削深度、切削速度以及刀具公称前角与切削温度之间的关系。对刀具磨损率模型进行对比分析,探索切削温度对刀具磨损的影响。针对磨粒磨损、粘结磨损以及扩散磨损等磨损模型,利用二次开发语言Python在ABAQUS软件环境中提取EVC仿真模型中的刀具表面节点温度、应力以及刀-屑相对滑移速度等参数变量,应用于刀具总磨损量的计算,并反馈到仿真模型中进行几何更新,反复迭代计算,由此模拟出一定切削条件下的刀具磨损形貌。最后,在超精密车床Nanoform 250上搭建实验系统,进行椭圆振动辅助车削温度实验,对铝圆棒料以及TC4钛合金圆棒料展开加工,利用红外热像仪采集实时的切削温度数据,对比不同材料、不同切削条件下的切削温度,利用超景深显微系统测量不同切削时长下的刀具磨损情况。并将结果与仿真预测模型进行对比,验证理论与仿真模型的正确性。通过本文的研究,可以为研究椭圆振动切削残余应力、刀具磨损等提供理论基础。

关键词：椭圆振动切削切削温度建模与仿真刀具磨损二次开发难加工材料

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超声椭圆振动切削表面形貌形成机理的研究

中国机械工程 2009年第7期20卷 807-811页

作者：李勋张德远北京航空航天大学北京100191

对超声椭圆振动切削过程和三维切削模型进行了分析,阐述了超声椭圆振动切削表面微观形貌的形成机理主要是由进给方向上的刀纹残留面积高度和切削方向上的振纹相互交织而形成的。同时对两者的影响因素进行了深入研究,进给方向上的刀纹残... 详细信息

对超声椭圆振动切削过程和三维切削模型进行了分析,阐述了超声椭圆振动切削表面微观形貌的形成机理主要是由进给方向上的刀纹残留面积高度和切削方向上的振纹相互交织而形成的。同时对两者的影响因素进行了深入研究,进给方向上的刀纹残留面积高度主要由刀具的形状、参数和进给量来决定,切削方向上的振纹高度主要由椭圆振动的振幅、频率和速度系数来决定,同时受刀刃钝圆半径的影响较大。利用天然金刚石刀具和PCD刀具对紫铜件进行超声椭圆振动切削实验,验证了超声椭圆振动切削表面形貌形成机理及其影响因素分析的正确性。

关键词：微观表面形成机理椭圆振动切削三维切削模型

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椭圆振动切削加工的同步控制研究

航空制造技术 2020年第1期63卷 66-72,93页

作者：霍建强张臣王晓雪甘晓明石晗南京航空航天大学机电学院

利用椭圆振动切削加工的回转体表面微织构是在机床主轴旋转、平台进给和装置椭圆振动的联合运动下得到的,机床主轴转动与装置位移输出如果不能保持完全的实时同步,会造成微织构加工的偏差。为了解决这一问题,提出了一种新的基于转角的... 详细信息

利用椭圆振动切削加工的回转体表面微织构是在机床主轴旋转、平台进给和装置椭圆振动的联合运动下得到的,机床主轴转动与装置位移输出如果不能保持完全的实时同步,会造成微织构加工的偏差。为了解决这一问题,提出了一种新的基于转角的同步控制方法,该方法在主轴的对位基准处实现装置正弦信号的复位,以修正转速漂移造成的加工位置误差,并通过判断主轴角度信号实时输出对应幅值电压来实时同步信号输出和机床旋转运动。基于LabVIEW FPGA搭建同步控制模块,经试验验证,利用该方法加工的矩形阵列微织构轴向排列与中轴线平行,与周向排列的夹角和仿真结果的偏差不超过0.1°,织构深度随转角的不同发生预设的变化,因此,同步控制方法具有实时同步控制椭圆振动切削装置的能力。

关键词：椭圆振动切削同步控制微织构矩形阵列 LabVIEW FPGA

超声椭圆振动切削装置的运动学建模与实验验证

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武汉科技大学学报 2016年第1期39卷 53-57页

作者：史桂林张臣南京航空航天大学机电学院江苏南京210016

对一种二维椭圆振动辅助切削(EVC)装置的运动学特性进行分析,建立该装置刀尖轨迹的运动学模型,从理论上探讨该装置刀尖运动在一定激励下产生椭圆轨迹的可能性。同时实际加工出EVC装置,在相应的检测系统下测试该EVC装置的刀尖运动轨迹数... 详细信息

对一种二维椭圆振动辅助切削(EVC)装置的运动学特性进行分析,建立该装置刀尖轨迹的运动学模型,从理论上探讨该装置刀尖运动在一定激励下产生椭圆轨迹的可能性。同时实际加工出EVC装置,在相应的检测系统下测试该EVC装置的刀尖运动轨迹数据,利用测得的数据对运动学模型进行修正,并将修正后的模型输出值与实测值进行比较,验证了修正后模型的有效性。

关键词：椭圆振动切削切削加工运动轨迹运动学建模模型修正

基于Deform 2D的椭圆振动切削仿真研究

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机械设计与制造 2019年第1期 118-121页

作者：马伟周晓勤谢雪范李国发吉林大学机械科学与工程学院吉林长春130022

鉴于椭圆振动切削(Elliptical Vibration Cutting,EVC)方法在高质高效加工黑色金属、硬质合金和硬脆材料等加工材料方面存在巨大优势,文章将基于Deform 2D有限元软件对EVC及传统切削过程中切削力、应力及应变等关键特征进行对比分析研究... 详细信息

鉴于椭圆振动切削(Elliptical Vibration Cutting,EVC)方法在高质高效加工黑色金属、硬质合金和硬脆材料等加工材料方面存在巨大优势,文章将基于Deform 2D有限元软件对EVC及传统切削过程中切削力、应力及应变等关键特征进行对比分析研究,仿真结果表明:两者最大切削力基本相同,但EVC的平均切削力要远小于后者,且其等效应力高度集中于刀具-切屑的接触区域,形成切屑更薄且具有很好的连续性,对于延长刀具使用寿命和实现脆性材料的延性切削具有重要的研究价值和应用前景。

关键词：有限元分析切削力等效应力椭圆振动切削

基于神经网络的钛合金微观划痕和椭圆振动切削研究

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基于神经网络的钛合金微观划痕和椭圆振动切削研究

作者：谢海波西南交通大学

学位级别：硕士

随着科技发展和国家战略的需要,特种合金的制备成为了各国争相研究的重点。钛合金（Ti-6Al-4V）以其低密度、高强度和热稳定等优良的特性被广泛应用于各个领域。然而,Ti-6Al-4V也存在硬度不足和导热系数低等一些缺陷,这些缺陷导致了Ti-6... 详细信息

随着科技发展和国家战略的需要,特种合金的制备成为了各国争相研究的重点。钛合金（Ti-6Al-4V）以其低密度、高强度和热稳定等优良的特性被广泛应用于各个领域。然而,Ti-6Al-4V也存在硬度不足和导热系数低等一些缺陷,这些缺陷导致了Ti-6Al-4V零部件易出现表面磨损失效和疲劳断裂,并限制了其在各领域的进一步应用。因此,为了探究Ti-6Al-4V的表面摩擦磨损性能和加工特性,本文采用有限元和人工神经网络为主的方法,首先在准静态条件下开展了Ti-6Al-4V微纳米划痕过程,之后考虑材料的应变率效应,在动态条件下开展了Ti-6Al-4V椭圆振动切削过程的研究。主要内容包括以下两个方面:（1）在研究材料表面摩擦磨损属性方面,摩擦系数是表征材料表面接触属性的一个重要参数。不同于宏观尺度,在微纳米尺度下犁沟效应不可忽视,材料的摩擦系数不仅与表面粗糙度和表面润滑相关,还与其弹塑性变形相关。在研究划痕参数、划痕形貌和摩擦系数之间关系的过程中,首先通过微纳米压痕、划痕实验获得了Ti-6Al-4V准静态本构方程以及剪切摩擦系数;然后进行了大规模的划痕过程有限元仿真;最后基于有限元仿真结果构建了人工神经网络模型,并分析了划痕参数、划痕形貌和摩擦系数之间的关系。分析结果表明划痕深度、弹性回复高度、犁沟堆积高度和犁沟摩擦系数随压头钝圆半径的增大而减小,并且钝圆半径越小,其变化越明显;划痕深度和弹性回复高度与剪切摩擦系数无关,但犁沟堆积高度和犁沟摩擦系数与剪切摩擦系数成正比关系;所建立的人工神经网络模型准确预测了划痕参数的变化引起的划痕形貌和摩擦系数数值上的改变,以及犁沟摩擦系数与划痕形貌、压头钝圆半径和剪切摩擦系数之间的数学关系。（2）在研究材料加工特性方面,切削力为评价材料切削加工性能的一个重要指标。不同于普通切削,在椭圆振动加工过程中切削力会随着刀具的椭圆振动出现一定的反向特性。在研究振动和切削参数与切削力之间关系的过程中,首先基于文献实验建立了Ti-6Al-4V椭圆振动车削有限元模型;接着进行了不同振动和切削参数条件下的大规模Ti-6Al-4V椭圆振动切削仿真;最后,基于有限元仿真结果,采用单因素方差分析,回归分析和人工神经网络对振动和切削参数与切削力之间的关系进行评估和分析。有限元分析结果表明在椭圆振动切削过程中,主切削力随着振动频率,横向和纵向振幅的增加而减小,但随着切削速度的增加而增加;正进给抗力和负进给抗力随着频率,横向振幅的增加而减小,但随着纵向振幅和切削速度的增加而增加;单因素方差分析结果显示在95%的置信水平上,振动和切削参数对切削力都有显著的影响影响,并且横向振幅为影响主切削力、正进给抗力和负进给抗力的最主要因素,影响百分比分别为69.56%,66.03%和62.83%。;相比回归模型,神经网络能够更好地预测切削力与振动和切削参数之间的数学关系,主切削力、正进给抗力和负进给抗力的神经网络模型的决定系数分别为0.999,0.995和0.995。

关键词： Ti-6Al-4V 人工神经网络有限元微纳米划痕摩擦系数椭圆振动切削切削力

基于椭圆振动切削颗粒的不锈钢多孔材料制备技术研究

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基于椭圆振动切削颗粒的不锈钢多孔材料制备技术研究

作者：李世斌吉林大学

学位级别：硕士

烧结不锈钢多孔材料诞生于上个世纪初期,因其兼具有多孔材料的优异轻质性、透过性、毛细性能和不锈钢材料的高强度、稳定性、耐腐蚀性和导电导热性能等优势,是在本世纪新型材料的研究领域中取得高速进步的一位特殊成员。然而由于不锈钢... 详细信息

烧结不锈钢多孔材料诞生于上个世纪初期,因其兼具有多孔材料的优异轻质性、透过性、毛细性能和不锈钢材料的高强度、稳定性、耐腐蚀性和导电导热性能等优势,是在本世纪新型材料的研究领域中取得高速进步的一位特殊成员。然而由于不锈钢材料的硬度较高、机械加工难度大,现有的烧结不锈钢多孔材料主要以化学还原法制备的球状金属粉末为原料烧结而成,难以在保持较高孔隙率的同时保证材料的高强度,一定程度上限制了其应用和发展。而椭圆振动切削技术(Elliptical Vibration Cutting,EVC)是针对于黑色金属和脆硬性材料的一种新型加工方式,可以用于制取微米级的切屑颗粒,因此本文基于对椭圆振动车削技术过程中产生的切屑颗粒的研究,提出了一种大孔隙比、高强度的新型烧结不锈钢多孔材料制备技术。本研究中首先重点基于柔性机构的动力学建模和刚度计算研制了一套基于压电叠堆驱动、由位移传感器动态监测补偿的高精度二维椭圆振动切削系统,包括装置的整体设计和柔性铰链的尺寸设计计算。并通过有限元软件对装置模型进行了仿真分析,搭建测试系统对装置的静态刚度、固有频率、阶跃响应、正弦响应以及椭圆轨迹合成性能进行了测试,以保证装置性能可以满足切削实验的需求。其次,建立输入信号对刀尖的椭圆振动轨迹数学模型,分析微切屑颗粒的制备条件,推导切屑颗粒在不同平面的厚度公式,以获取各切削参数的合理选用范围。将设计完成的椭圆振动机构安装在精密数控机床上,用以在奥氏体不锈钢棒料端面切削,获取微米级大小的具有丰富微观结构的奥氏体不锈钢微切屑颗粒,通过多组对比实验探究振动频率、名义切深、进给量以及主轴转速等主要切削参数对微切屑颗粒表面微观形态的影响,获得了一组最佳的切削参数用于加工可用于烧结不锈钢多孔材料的微切屑颗粒。最后,设计制作了一套压片模具将制备好的微切屑颗粒在压力机下模压出成型压坯,将模压后获得的压坯在真空环境中采用阶梯升温法开展烧结实验,微切屑颗粒表面的微观结构在烧结过程中有利于颗粒间的烧结颈与细小孔隙的形成,从而能获得一种兼具有大孔隙率和较高强度的特点新型微切屑颗粒烧结不锈钢多孔材料(Micro Chip Particles-Sintered Stainless Steel Porous Material,MCP-SSSPM)。设计不同的实验对制备出的MCP-SSSPM样品的孔隙率、抗压强度和可加工性能进行了测试,多孔材料的孔隙率达到了36%的同时抗压强度达到了82MPa,同时也具有较好的可加工性能,被加工表面不易发生断裂掉渣,对刀具的磨损也较低。这些性能特点有利于其应用于如齿轮传动等轻载机械传动场合,提高机械结构的减振润滑性能。

关键词：金属多孔材料烧结椭圆振动切削模压