椭圆轨迹对超声波椭圆振动切削的影响

Ｉ　匐　化　椭圆轨迹对超声波椭圆振动切削的影响　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｅｌｌｉｐｔｉｃ　ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ　ｏｎ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｌｌｙ　ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｃｕｔｔｉｎｇ　何俊，邓成军　ＨＥ　Ｊｕｎ．ＤＥＮＧ　Ｃｈｅｎｇｄｕｎ　摘（四川大学制造科学与工程学院，成都６１００６５）　要：运用有限元仿真技术，从影响椭圆轨迹的参数人手，模拟了不同椭圆轨迹下ＴＣ４钛合金超声波　椭圆振动切削过程，得到了不同椭圆轨迹下切削力和切削温度的变化曲线。经过对比分析，结　果表明ＴＯ４钛合金超声波椭圆振动切削切削力、切削温度随相位差增大先减小后增大，切削力　随切削方向、切屑流出方向振幅和振动频率的增大而减小，而切削温度随切削方向振幅增大而　增大，随切屑流出方向振幅、振动频率增大而减小。　关键词：超声波椭圆振动切削；相位差；振幅；振动频率　中图分类号：ＴＨ１１１　文献标识码：Ａ　Ｄｏｉ：１０．３９６９Ｉ／Ｊ．Ｉｓｓｎ．１　００９－０１３４．２０１　３．０１（下）．１　３　０引言　超声波椭圆振动切削技术（ＵＥＶＣ）是２ｏ世纪９ｏ年　代由日本学者提出的一种新型的特种加工方法ｕ捌，此　方法是通过超声波振动系统给刀具施加椭圆振动，从　＝ａｓｉｎ（２￣ｆ）　Ｙ＝ｂｓｉｎ（２ｎｉ＋　）ｆ　（１）　（２）　式中，口，ｂ分别为　，Ｙ两个方向的振幅　而使切削刃在切削的同时产生椭圆振动。该椭圆轨　迹振动可使刀具在切削过程中实现与切屑在切削方　向和切屑流出方向的分离，从而具备传统超声振动　切削的优点，同时还避免刀具后刀面与已加工表面　的高频摩擦所产生的疲劳崩刃　现象，另外刀具的前　即椭圆的长、短轴半径，厂为振动频率，　为相位　差。椭圆运动轨迹由以上四个参数确定。　由于在切削方向刀具不仅有沿切削方向的高　频振动，同时还存在工件旋转所带来的主切削运　动，我们把它看成刀具运动而工件不动的话，那　么整个切削过程刀具的运动轨迹为：　刀面与切屑之间有害的摩擦力还可反转成为有利于　切屑流出的切削力　，这对增大剪切角、降低切削　力与切削温度和提高切削加工精度瞄州起到至关重要　的作用。虽然，超声波椭圆振动切削技术有如此优　势，但是超声波椭圆振动系统复杂、系统参数调整　困难，实验测量切削力和切削温度不易，切削机理　＝ａｓｉｎ（２￣１）＋ｖｔｆ　（３）　Ｙ＝ｂｓｉｎ（２￣ｌ＋　１ｆ　（４）　式中　为切削速度。　为了研究方便，把刀具的运动轨迹进行转　换，变成刀具的运动速度，为：　＝１，一２ｎｆａｃｏｓ（２ｎ１ｆ）　＝一（５）　还有待进一步研究。因此，本文借助切削原理和有　限元分析方法，研究椭圆运动轨迹对切削力和切削　热的影响规律，以寻找最佳的椭圆轨迹，为优化超　声椭圆振动工艺提供参考。　２：　西ｃｏｓ（２　＋　）　（６）　传统的超声振动切削只在切削方向即　向产　生高频振动，而超声椭圆振动在切屑流出方向即　Ｙ向也产生振动。与传统超声振动切削同理，在　切削方向上刀具振动速度大于切削速度，刀具就　能与工件脱离，该种类型的椭圆振动切削称之为　１超声椭圆振动切削理论基础　超声椭圆振动切削加工的关键就是使刀具在　切削方向和切屑流出方向所构成的平面内沿椭圆　轨迹进行周期高频振动，从而进行切削。根据椭　圆轨迹的形成过程可知，同平面内频率相同相互　分离型，反之为不分离型　。分离型超声振动切　削是目前研究的重点，本文研究的对象也是分离　型超声椭圆振动切削过程。　垂直且有一定相位差的两个简谐运动即可合成一　个椭圆运动轨迹。假设切削方向和切屑流出方向　为　向和　向，那么椭圆运动轨迹方程为：　敬稿日期：２０１２－０８－１２　２有限元结果分析　２．１切削模型　超声椭圆振动切削在加工难加工材料时与普　作者简介：何俊（１９８４－），男，工程师，硕士，研究方向为精密加工与超精密加工。　第３５卷第１期２０１３－０１（下）　【４３】　２　２　２　一　一一　赠柜喵　Ｒ５山　一２　２　１　１　　务ｌ１　１　　振动频率（ＫＨｚ）　（ｂ）１．５ｍｓ刀尖最高温度　图１０切削温度随振动频率变化规律图　从上图中可以看出瞬时切削力峰值和平均切　削力随振动频率的增大而减小，但是振动频率超　过２０Ｈｚ后，减小的幅度放缓。切削区最高温度和　刀尖温度却随频率的增加而增加。振动频率的增　加，直接影响到振动切削的临界切削速度，频率越　低，切削速度与临界速度越接近，振动切削越接近　普通切削，所以频率越低，切削力越大。但是频率　超过２０Ｈｚ后，由于此时临界切削速度已远大于切　削速度，所以切削力降低幅度减弱。但是，频率增　加会导致在相同时间内，切削次数增加，意味着在　相同时间内净切削时间增加，这对切削力影响不显　著，但是在相同时间内切屑变形次数，刀屑接触的　次数随频率的增加而增加，从而导致切削热和热传　导加剧，切削区和刀尖温度增高。　３结束语　本文运用有限元分析方法，建立了ＴＣ４钛合金　超声椭圆振动切削二维热力耦合模型，并进行了　仿真模拟，得到了椭圆轨迹对ＴＣ４钛合金超声振动　切削切削力和切削热的影响规律。对过分析，得　出以下结论。　１）ＴＣ４钛合金超声振动切削切削力随相位差　先减小后增大，相位差为９０。时，切削力最小；　匐　似　切削力随Ｘ向、Ｙ向振幅和振动频率的增大而减　小。　２）切削区温度和刀尖温度随相位差的增大先　减小后增大，随Ｘ向振幅的增大而减小，随Ｙ向振　幅、振动频率的增大而增大。　参考文献：　【１】Ｔｏｓｈｉｍｉｃｈｉ　Ｍｏｒｉｗａｌｄ，Ｅｉｊｉ　Ｓｈａｍｏｔｏ．Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｃｕｕｔｉｎｇ［Ｊ】．ＣＩＲＰ　Ａｎｎａｌｓ—Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９５：３１－３４．　【２】Ｅｉｊｉ　Ｓｈａｍｏｔｏ，Ｔｏｓｈｉｍｉｃｈｉ　Ｍｏｒｉｗａｋｉ．Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｃｕｕｔｉｎｇ［Ｊ】．ＣＩＲＰ　Ａｎｎａｌｓ—Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９４：３５—３８．　［３】季远，李勋，张德远．超声椭圆振动精密切削【Ｊ］．航空制造　技术，２００５（１）：９２—９５．　【４】Ｃｈａｎｄｒａ　Ｎａｔｈ，Ｍｕｓｔ蚯ｚｕｒ　ｒａｈｍａｎ，Ｋｅｎ　Ｓｏｏｎ　Ｎｅｏ．Ａ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｔｏｏｌ　ｎｏｓｅ　ｒａｄｉｕｓ　ｉｎ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｏｆ　ｔｕｎｇｓｔｅｎ　ｃａｒｂｉｄｅ【Ｊ】．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００９，２０９：５８３０—５８３６．　［５】Ｇｉ　Ｄａｅ　Ｋｉｍ，Ｂｙｏｕｎｇ　Ｃ０ｏｋ　ｌｏｈ．Ａｎ　ｕｌｔｒａｓＯｎｉＣ　ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｄｅｖｉｃｅ　ｆｏｒ　ｍｉｃｒｏ　Ｖ・ｇｒｏｏｖｅ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ：Ｋｉｎｅｍａｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｍｉｃｒｏ　Ｖ・ｇｒｏｏｖｅ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ【Ｊ】．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｒＰｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７，１９０：１８１－１８８．　【６】王跃，札刚，王翠英．超声波椭圆振动切削研究［Ｊ】．电加工　与模具，２０１０（３）：３８—４０．　［７】马春翔，胡德金．超声波椭圆振动切削技术［Ｊ】．机械工程　学报，２００３，３９：６７—７０．　［８】马春翔，社本英二，森肋俊道．超声波椭圆振动切削提高加　工系统稳定性的研究［Ｊ］．兵工学报，２００４，２５（６）：７５２－７５６．　［９】Ｃｈｕｎｘｉａｎｇ　Ｍａ，Ｅ　Ｓｈａｍｏｔｏ，Ｔ　Ｍｏｒｉｗａｋｉ，ｅｔａ１．Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｉｎ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｃｕｔｔｉｎｇ［Ｊ】．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｔｏｏｌｓ＆　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，２００４，４：１３０５—１３１０．　【１０】Ｃｈａｎｄｒａ　Ｎａｔｈ，Ｍｕｓｔａｆｉｚｕｒ　ｒａｈｍａｎ，Ｋｅｎ　Ｓｏｏｎ　Ｎｅｏ．　Ｍａｃｈｉｎａｂｉｌｉｔｙ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｔｕｎｇｓｔｅｎ　ｃａｒｂｉｄｅ　ｕｓｉｎｇ　ＰＣＤ　ｔｏｏｌｓ　ｕｎｄｅｒ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｃｕｕｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｔｏｏｌｓ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ．２００９：　１０８９．１０９５．　【１１】Ｃｈｕｎｘｉａｎｇ　Ｍａ，Ｅ　Ｓｈａｍｏｔｏ，Ｔ　Ｍｏｒｉｗａｋｉ，ｅｔａ１．Ｓｕｐｐｒｅｓｓ—ｉｏｎ　ｏｆ　ｂｕｒｒｓ　ｉｎ　ｔｕｒｎｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｕｌｒｔａｓｏｎｉｃ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｍａｌ　ｏｆＭａｃｈｉｎｅ　Ｔｏｏｌｓ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，２００５，４５：１２９５．１３００．　第３５卷第１期２０１３－０１（下）　［４７１