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超声椭圆振动车削的切削特性

中国机械工程 2010年第4期21卷 415-419页

作者：王桂林李文段梦兰张德远中国石油大学(北京) 北京102200 北京航空航天大学北京100083

为了深入研究超声椭圆振动切削特性及其应用前景,通过建立超声椭圆振动切削模型,根据运动学方程,分析和推导出了切削占空比、振纹高度、振动频率、振幅之间的关系,揭示了超声椭圆振动车削表面粗糙度、加工精度、加工效率之间的相互关系... 详细信息

为了深入研究超声椭圆振动切削特性及其应用前景,通过建立超声椭圆振动切削模型,根据运动学方程,分析和推导出了切削占空比、振纹高度、振动频率、振幅之间的关系,揭示了超声椭圆振动车削表面粗糙度、加工精度、加工效率之间的相互关系。通过切削力和表面粗糙度试验对推导出来的结果进行了验证,试验结果表明有效减小切削力是超声椭圆振动切削加工应用的主要优势。

关键词：精密与超精密加工椭圆振动切削超声占空比表面粗糙度

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高频超声椭圆振动精密切削

制造技术与机床 2010年第3期 53-56页

作者：王桂林段梦兰张德远中国石油大学海洋油气研究中心北京102200 北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100083

研制了一种新型的工作频率为147.5kHz的超声椭圆振动换能器,进行了高频椭圆车削硬铝(LY12)的试验。试验结果表明,在精密切削中,同普通切削相比较,高频椭圆超声振动切削对表面粗糙度具有负面影响,但具有降低切削力和提高加工精度的特点,... 详细信息

研制了一种新型的工作频率为147.5kHz的超声椭圆振动换能器,进行了高频椭圆车削硬铝(LY12)的试验。试验结果表明,在精密切削中,同普通切削相比较,高频椭圆超声振动切削对表面粗糙度具有负面影响,但具有降低切削力和提高加工精度的特点,而同低频(20.5kHz)椭圆振动切削相比较,在相同条件下,可采用较高的切削速度,从而提高了工作效率。

关键词：椭圆振动切削高频超声精密切削换能器

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椭圆振动车削过程中切削力的研究

椭圆振动车削过程中切削力的研究

作者：韩金国长春工业大学

学位级别：硕士

椭圆振动切削(Elliptical Vibration Cutting, EVC)是近年来发展起来的一种新的方法,可用于改善材料切削加工性、获得纳微加工所需的切削运动等。切削力是切削加工过程中的一种重要的物理量,然而在业已开展的研究中关于EVC过程的切削力... 详细信息

椭圆振动切削(Elliptical Vibration Cutting, EVC)是近年来发展起来的一种新的方法,可用于改善材料切削加工性、获得纳微加工所需的切削运动等。切削力是切削加工过程中的一种重要的物理量,然而在业已开展的研究中关于EVC过程的切削力还研究的不够深入、已发表的研究报道也较少。本学位论文将主要针对EVC过程中的切削力开展研究。在假设刀具足够锋利的前提下,忽略刀具刃口圆弧半径的影响,根据薄剪切面理论分析了切削过程中瞬时切削速度、瞬时剪切速度和切屑瞬时流速的空间变化关系,定义了瞬时相对速度角,根据最大剪应力理论和切削过程中力的空间关系,建立了各相关角度与时间t的联系,建立了切削力的分析模型。采用有限元分析软件ABAQUS,建立了利用三维EVC加工钛合金工件的有限元模型。通过切削过程仿真,得到了刀具前角、振幅、振动频率、切速和切深对切削力的影响规律,分析了不同EVC参数对主切削力、吃刀抗力和法向力的影响,为实际加工中刀具和切削参数的优化提供理论依据。建立了用三维EVC加工钛合金工件的残余应力分析模型,改变切削速度、切削深度、振幅和振动频率,通过数值仿真分析了残余应力的变化过程,为基于三维EVC过程的残余应力来对切削参数进行优选从而提高加工质量和效率提供了理论依据。利用二维EVC装置在超精密车床上开展了金刚石刀具切削实验,利用Kistler三向测力仪对EVC过程中的力进行实时检测,与基于切削力模型预测得到的结果进行了对比,验证了模型的正确性。

关键词：椭圆振动切削切削力建模有限元仿真残余应力钛合金

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椭圆振动辅助车削中切削力的预测研究

椭圆振动辅助车削中切削力的预测研究

作者：刘博吉林大学

学位级别：硕士

在现代工业中,椭圆振动切削（Elliptical Vibration Cutting,EVC）这种新型加工方式逐渐进入人们的视野,并被学术界广泛认可,它的出现加深了人们对于超精密加工技术的认知和理解,它所特有的椭圆振动轨迹为自身带来了很多优点。首先,得... 详细信息

在现代工业中,椭圆振动切削（Elliptical Vibration Cutting,EVC）这种新型加工方式逐渐进入人们的视野,并被学术界广泛认可,它的出现加深了人们对于超精密加工技术的认知和理解,它所特有的椭圆振动轨迹为自身带来了很多优点。首先,得益于刀具的前刀面和未切割的材料之间的周期性的分离特性,它能够切削玻璃陶瓷、光学元件和碳化硅等硬脆性材料,其次是由于摩擦力反转现象的存在,切削力和切削热显著降低,切屑更容易排出。最后,与传统加工方式相比,应用EVC加工工件能够延长刀具使用寿命以及提高加工效率。切削力是金属切削加工过程中的基本物理量之一,是分析机制工艺、设计机床、刀具、夹具时的主要技术参数,所以可靠的切削力预测显得尤其重要。切削力的分析将有助于揭示EVC的温度、应力的变化机制和表面完整性的影响。然而,现阶段对于椭圆振动切削力的研究尚未成熟,虽然国内外许多学者相继提出了切削力模型,但他们并未考虑切削刃钝圆半径的存在,在实际的切削加工中,完全锋利的刀具是不存在的,他们忽略了切削刃钝圆半径对切削力的影响。综上所述,建立一个较为完善的切削力模型是当前EVC研究的重点。本文将通过三个方面来完成对切削力的预测研究。1.通过对椭圆振动的机理分析,探讨EVC的轨迹,摩擦力反转特性以及切屑的形成过程。然后根据刀具切削刃上分流点的位置将切削力模型的建立分为三部分进行,即耕犁力模型、分离切削力模型和后刀面切削力模型。在完成理论模型的初步建立后,又对切削力影响因素进行了简要分析。2.采用ABAQUS有限元分析软件,利用二维EVC加工6061铝合金,对切削力进行有限元建模。通过分析在切削深度、切削速度、振动频率、刀具的前角和切削刃钝圆半径取值不同的情况下,所对应的EVC主切削力和背吃刀力大小的变化规律。3.利用超精密数控车削中心进行切削实验,分别选取聚晶金刚石（PCD）和6061铝合金作为刀具和工件材料。应用压电叠堆驱动器、压电功率放大器、电容式位移传感器、信号发生器、多轴运动控制器以及EVC装置完成实验系统的调试,并设定合适的切削参数完成对切削力的测量,同时调整参数的大小,来观察切削力的变化规律。

关键词：椭圆振动切削切削刃钝圆半径切削力的预测切削力的影响因素分析 Abaqus 有限元仿真分析

基于纳米级切削厚度的椭圆振动高精度切削力模型研究

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基于纳米级切削厚度的椭圆振动高精度切削力模型研究

作者：徐少杰华中科技大学

学位级别：硕士

椭圆振动切削技术是一种将连续切削转变为间歇式切削的超精密切削技术,在单个振动切削周期内可以实现材料的微纳去除,已被证实具有有效降低切削力、改善冷却润滑效果、抑制刀具磨损崩碎等诸多优势,因而受到广泛学者关注和研究。椭圆振... 详细信息

椭圆振动切削技术是一种将连续切削转变为间歇式切削的超精密切削技术,在单个振动切削周期内可以实现材料的微纳去除,已被证实具有有效降低切削力、改善冷却润滑效果、抑制刀具磨损崩碎等诸多优势,因而受到广泛学者关注和研究。椭圆振动切削过程的切削力对加工表面成形质量、亚表层损伤、刀具磨损、切削颤振等具有重要影响,对振动切削力的研究和预测对椭圆振动切削过程的材料去除机理阐释和工艺参数优化等研究具有重要意义。本文围绕纳米级切削厚度下椭圆振动高精度切削力模型与实验验证等工作开展以下研究:(1)首先基于椭圆振动切削过程的基本理论和原理等,建立了椭圆振动刀具运动轨迹模型和瞬时切削厚度几何模型,进一步考虑刀具刃口半径的影响,建立纳米级切削厚度下椭圆振动切削过程的切削力几何分布模型、数值计算模型和基于MATLAB的切削力数值仿真模型;(2)为了验证所建立的基于纳米级切削厚度的椭圆振动切削力模型,自研了一套由压电陶瓷驱动的非共振型低频椭圆振动切削装置,进行了振动切削装置的结构设计、仿真优化、关键零部件选型、样机制造与安装调试、装置输出特性测试等工作;(3)最终搭建了正交椭圆振动切削实验平台,利用所研制的低频椭圆振动切削装置开展了切削力测试实验,对切削力测试的实验结果进行了处理和分析,并与理论仿真切削力数值模型进行了对比,最终发现理论模型能够较好的吻合实际的切削力,预测误差在允许范围内。综上,本文围绕纳米级切削厚度下的椭圆振动切削力变化,完成了椭圆振动切削力预测模型研究、低频椭圆振动切削装置研制及对模型的正交椭圆振动切削力测试实验验证,为纳米级切削厚度工况下的椭圆振动切削机理研究和工艺参数优化等提供参考依据。

关键词：椭圆振动切削纳米级切削厚度刃口半径切削力模型

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微纳功能结构的椭圆振动金刚石切削技术

微纳功能结构的椭圆振动金刚石切削技术

不同磨损量PCBN刀具椭圆振动车削仿真研究

2016年全国超声加工技术研讨会

作者：张建国崔涛葛成隋永新杨怀江中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

具有微纳结构的功能表面越来越多的应用于先进光学、先进制造等领域。为了实现微纳结构表面的批量制造,对铁基模具材料微纳加工技术的研究变得尤为必要。由于剧烈的刀具热化学磨损,普通的金刚石切削技术很难用于铁基材料的微纳切削加工... 详细信息

具有微纳结构的功能表面越来越多的应用于先进光学、先进制造等领域。为了实现微纳结构表面的批量制造,对铁基模具材料微纳加工技术的研究变得尤为必要。由于剧烈的刀具热化学磨损,普通的金刚石切削技术很难用于铁基材料的微纳切削加工。近年来,椭圆振动金刚石切削技术已成功应用于模具钢的超精密切削加工。本文实验验证了铁基材料椭圆振动金刚石镜面切削能力和极小的刀具磨损量。随后将可控振幅椭圆振动雕刻技术应用于微纳结构的车削成型过程,成功获得铁基材料的正弦波、三角波和方波功能表面。

关键词：铁基材料椭圆振动切削金刚石刀具可控振幅雕刻

来源： cnki会议评论

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组合机床与自动化加工技术 2021年第8期 173-177页

作者：陈佳鑫张敏良李莹董慧婷刘晓峰上海工程技术大学机械与汽车工程学院上海201620

通过改变刀具磨损量建立具有不同磨损状态的PCBN刀具切削镍基高温合金Inconel 718的仿真模型,设置边界散热条件模拟浇注式切削液冷却环境,分别进行椭圆振动切削仿真和普通切削仿真。研究了具有不同磨损量的PCBN刀具对椭圆振动切削过程... 详细信息

通过改变刀具磨损量建立具有不同磨损状态的PCBN刀具切削镍基高温合金Inconel 718的仿真模型,设置边界散热条件模拟浇注式切削液冷却环境,分别进行椭圆振动切削仿真和普通切削仿真。研究了具有不同磨损量的PCBN刀具对椭圆振动切削过程中切削力、切削温度、切屑形态的影响规律,并与普通切削进行对比。结果表明:在刀具磨损量相同的情况下,椭圆振动切削的切削力、切削温度的曲线斜率是大于0并且小于普通切削的,而切削力、切削温度是影响刀具使用寿命的重要因素,因此相比于普通切削,椭圆振动切削的刀具寿命更长;椭圆振动切削所形成的切屑弯曲半径比普通切削小,有利于断屑。此外该研究结果数据也可以为椭圆振动切削加工Inconel 718过程中PCBN刀具磨损的实时监测提供依据。

关键词： PCBN刀具椭圆振动切削冷却环境切削仿真刀具磨损

三维椭圆振动辅助车削加工微结构的关键技术研究

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三维椭圆振动辅助车削加工微结构的关键技术研究

作者：陈建中长春工业大学

学位级别：硕士

三维椭圆振动切削(Three-Dimensional Elliptical Vibration,3D-EVC)由于具有周期散热、间歇性切削、多参数可调等加工特性被看作一种精密加工技术被广泛地应用在航空航天及民用工业的光学精密器件的加工。然而,研究主要集中在装置设计... 详细信息

三维椭圆振动切削(Three-Dimensional Elliptical Vibration,3D-EVC)由于具有周期散热、间歇性切削、多参数可调等加工特性被看作一种精密加工技术被广泛地应用在航空航天及民用工业的光学精密器件的加工。然而,研究主要集中在装置设计、加工性能以及路径规划等方面,对于3D EVC加工光学材料的模型调控方面的研究偏少。一种灵活的调控模型是加工复杂目标光学微结构的关键,本文基于(Non-resonant elliptical vibration cutting,N-EVC)切削建立一种亚微米光栅式微结构加工的调控模型,利用三维椭圆装置灵活性、振动参数可调性以及加工参数多选性为目标微结构提供目标加工参数。主要研究内容如下:首先,分析了刀具尺寸对微量材料去除的影响,并对PCD刀具建立刀具几何模型,提出一种带有切深方向的凹坑阵列的加工模型,并对相邻凹坑阵列模型的材料去除量进行数学表达。基于凹坑阵列偏移量进行多方向诱导凹坑有序偏移初步建立偏移模型,最后使用MATLAB仿真软件对凹坑偏移模型进行仿真验证。其次,提出一种创成光学微结构的调控模型。微结构调控模型主要包括:基于加工切深方向的凹坑阵列调制模型和MATLAB仿真结构建立起切削参数和振动参数与凹坑偏移量的线性关系,预测目标微结构加工需要参数;基于非共振压电参数对设定目标光栅,并建立了多参数可控的微结构调控模型,分析了模型中轨迹重复率、横向进给量、名义切削速度和振动频率等对加工的影响;将凹坑阵列在不同方向进行重叠诱导成亚微米尺度光栅式微结构,并基于衍射原理理论预测目标微结构衍射效应。最后,搭建了N-EVC加工微结构的加工实验平台和衍射检测平台。完成线上切削亚微米光栅式微结构实验并对加工后表面微结构进行功能检测。利用ZYGO白光干涉仪对光栅式微结构的几何形貌进行无接触无损检测,除此之外还分析微了结构的几何精度和形貌结构。其次基于衍射效应,利用衍射检测平台对光栅微结构的衍射质量和光学效应进行评估和分析。实验结果显示通过更改调制模型的参数组合,在铜铝材料材料表面创成近目标宽度的光栅式微结构(700 nm),精度误差分别为2.28%和6.85%。衍射近红光平均波长为764 nm,平均精度误差为9.25%的光栅式微结构。验证了基于N-EVC诱导亚微米光栅式微结构的可行性,并为创成多种复杂微结构提供了一种灵活调控模型。

关键词：椭圆振动切削调控模型亚微米光栅式微结构凹坑阵列重叠衍射着色

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超声椭圆振动车削系统的设计及工艺研究

超声椭圆振动车削系统的设计及工艺研究

作者：周浩琰广东工业大学

学位级别：硕士

随着难加工材料在航天、航空、军事与民用领域的应用越来越广及对加工精度、表面质量与使用寿命的要求越来越高,传统机械加工方法已倍感吃力。超声椭圆振动切削加工由于刀尖的椭圆运动周期性分离特性可有效减小切削力,降低切削热,提高... 详细信息

随着难加工材料在航天、航空、军事与民用领域的应用越来越广及对加工精度、表面质量与使用寿命的要求越来越高,传统机械加工方法已倍感吃力。超声椭圆振动切削加工由于刀尖的椭圆运动周期性分离特性可有效减小切削力,降低切削热,提高工件表面质量,已成为难加工材料精密加工的有效方法。本研究设计了一套对称型超声椭圆振动切削装置,该装置结构简单、紧凑、换刀方便。主要研究内容如下:(1)基于超声椭圆振动车削加工原理,设计了一套频率为60k Hz单激励超声椭圆振动车削装置。利用圆锥形变幅杆频率方程计算出变幅杆的具体共振长度、节点位置。根据弯曲振动变幅杆的设计要求,确定对称型刀杆的尺寸,并利用COMSOL软件进行模态仿真,结合正交分析表优化刀杆尺寸。(2)利用COMSOL软件对整套超声椭圆振动系统进行模态仿真,优化法兰盘的位置,通过谐响应分析模拟超声椭圆振子在通电条件下的振动形态,找到最佳频率振型。并通过瞬态仿真分析提取刀尖点随时间变化的位移曲线,合成刀尖点运动轨迹为椭圆运动,满足设计要求。(3)采用阻抗分析仪测试超声椭圆振动系统的阻抗参数,探究刀杆与变幅杆连接处螺栓预紧力矩对超声振子谐振频率及动态电阻的影响规律,发现螺栓预紧力矩对振子动态电阻影响较大,对谐振频率影响较小,螺栓预紧力矩为10N·m时,振子动态电阻最小,机电转化效率最高。通过激光位移传感器对椭圆振动正面位移及侧面位移进行测量,测得振子刀尖点正面位移为4μm,侧面位移为1.5μm。并通过给刀尖点施加长时间负载,来判断振子的稳定性,为后续工艺试验提供保障。(4)通过四组单因素试验,探究了不同切削速度、切削深度、进给量、超声电压对304不锈钢材料已加工表面形貌及表面粗糙度的影响规律。并将普通车削与超声椭圆振动车削试验结果进行对比,发现椭圆振动切削效果明显优于普通车削,且在低切削速度、小切削深度、小进给量下,椭圆振动切削效果更好,说明椭圆振动车削更适合精加工。椭圆振动车削时,在70V超声电压作用下,表面粗糙度最小。

关键词：椭圆振动切削不锈钢材料谐响应分析模态分析加工表面