超声波振动辅助车削加工机理分析

建立了超声振动切削系统。

本文进行了超声振动辅助车削试验。

验证了振幅、切削速度与切削力的关系，验证了切削热分布的规律；并对超声波振动切削45号钢的切削参数进行了优化分析；对比了超声振动车削与普通车削的功率、表面粗糙度、切削力等；试验结果表明，振动车削可以降低切削力，表面粗糙度值在振动车削条件下明显减小。

关键词：超声波，振动切削，净切削比，有限元分析
RESEACH ON ULTRASONIC VIBRATION TURNING
ABSTRACT
With the development of the science and technology, precision and super-precision machining technologies have an important increasing position. For some workpieces of specific material and complex shape, it is difficult to use the conventional machining method, so non-traditional machining is developed rapidly. One of them is ultrasonic machining technology. It is indicated that ultrasonic technology has provided an huge help to improve the quality of product, reduce the costs of production, increase efficiency and so on. Now it is already entered into national defense and economy, science and technology, people’s life and other domains.
Secondly, ultrasonic vibration cutting systems are studied theoretically. Net cutting time ratio r is defined, and relationship between r and cutting force is studied. The analysis indicates that the force increases as the r increases. With the software MARC, the temperature field variation rule of vibration cutting process is studied. The results of simulations show that heat dissipation when the tool comes off the workpiece is the mian reseon.
Finally, the cutting experiment with and without ultrasonic vibration
is made. The superior ranges of cutting parameters are recommended. The cutting speed and ultrasonic amplitude between cutting force is verified. The results of experiments show that the cutting force and surface roughness are lower with ultrasonic vibration than without ultrasonic vibration.
Keywords : ultrasonic, vibration turning, net cutting time ratio, finite element
目 录
摘要 (I)
ABSTRACT (III)
目录 (V)
第一章绪论 (1)
1.1课题背景 (1)
1.2国内外研究发展现状 (2)
1.2.1 超声振动系统 (2)
1.2.2 超声振动切削理论 (4)
1.2.3 超声车削加工系统 (7)
1.3论文的主要研究内容 (9)
第二章超声波辅助振动车削理论研究 (10)
2.1超声波的基本原理及特点 (10)
2.2超声波加工的基本原理 (10)
2.2.1超声振动切削原理 (11)
2.2.2切削力 (14)
2.2.3 振幅的影响 (16)
2.2.4 切削速度的影响 (17)
2.2.5振动车削温度场的模拟 (18)
2.3本章小结 (20)
第三章超声波振动辅助车削系统的建立 (22)
3.1超声装置概述及其选用 (22)
3.2超声波发生器的选用 (24)
3.3换能器 (27)
3.3.1磁致伸缩换能器 (27)
3.3.2压电式换能器 (28)
3.3.3 换能器的匹配与选型 (28)
3.4调幅器 (29)
3.5超声波车刀的设计 (31)
3.5.1 超声车刀特性 (31)
3.5.2 采用F.E.A方法设计刀杆 (31)
3.5.3实体建模 (34)
3.5.4 软件ANSYS模态分析 (35)
3.5.5 分析结果 (38)
3.6连接与固定方案 (46)
3.7本章小结 (48)
第四章超声波振动辅助车削试验研究 (49)
4.1切削试验方案 (49)
4.1.1切削试验系统 (49)
4.1.2切削试验步骤 (54)
4.2.1切削深度对切削过程的影响 (56)
4.2.2进给量对切削过程的影响 (57)
4.2.3切削速度对切削过程的影响 (58)
4.2.4参数优化 (59)
4.3试验结果验证 (62)
4.3.1 对振幅影响的验证 (62)
4.3.2 对转速影响的验证 (64)
4.3.3对温度仿真的验证 (65)
4.4本章小结 (67)
第五章总结与展望 (69)
5.1全文总结 (69)
5.2前景展望 (69)
参考文献 (71)
致谢 (75)
攻读硕士学位期间发表的论文 (76)
第一章 绪论
1.1课题背景
超声技术出现在20世纪初期。

经过近一个世纪的发展，超声技术是声学发展中最为活跃的一个部分，如今它已经渗透到国防建设、国民经济、人民生活和科学技术等各个领域。

超声技术是通过超声波产生、传播及接收的物理过程完成的。

按超声波辐射大小不同，超声技术的使用可分为两大方面：一是利用它的能量来改变材料的某些状态，称为功率超声；第二类是利用它来采集信息，称为检测超声。

功率超声是超声学中一个重要的研究方向，随着科学技术的发展，其应用遍及航空、航海、国防、生物工程以及电子等领域。

功率超声技术在振动切削方面的应用十分广泛，超声振动除能对普通材料进行加工外，还能对高硬、软、薄、脆等性能材料进行加工。

超声辅助振动切削是超声加工技术的重要组成部分，有着比普通切削优异的加工性能，它是通过在常规的切削刀具上施加高频振动，使刀具和工件发生间断性的接触，从而使传统切削模式发生了根本性的变化。

它可望解决传统切削加工中的某些固有难题，如切削中的振动和切削热变形等，从而得到了良好的切削效果。

振动切削是通过在切削刀具上施加某种有规律的、可控的振动，使切削速度、切削深度发生周期性的改变，从而获得特殊切削效果的方法。

振动切削改变了刀具和被加工材料之间的空间——时间存在条件，从而改变了加工(切削)机理，达到减小切削力、切削热，提高加工质量和效率的目的。

振动切削按所加频率不同可分为高频振动和低频振动，低频振动仅仅从量上改变切屑的形成条件，主要用来解决断屑问题以及与此相关的一系列问题。

而超声振动即高频振动切削已经使切屑形成机理产生重大变化，可以提高被加工材料的可加工性，提高刀具寿命和工件加工质量。

超声加工的工艺效果来自刀具和工件之间的分离运动，即它是一种脉冲式的断续切削过程。

由于刀具的脉冲切削作用，减少了切削变形区的摩擦和塑性变形，使切削力和切削温度大大减小，起到了改善零件加工表面质量与加工精度，延长刀具寿命，提高切削效率的作用，并扩大了切削加工的应用范围，可广泛用于车、铣、刨、
磨、螺纹加工及齿轮加工等方面[1]。

超声波辅助振动切削与普通切削相比有以下优点：
1) 切削温度降低；
2) 工件表面无撕裂与拉沟现象，表面粗糙度降低；
3) 切削稳定，提高了工件加工精度，使圆度及柱度误差趋近于零；
4) 工件表面得到硬化，使其使用寿命提高；
5) 刀具寿命提高；
6) 切削力和消耗功率减小；
7) 提高了生产效率。

超声辅助振动切削解决了传统的切削加工中固有的难题，如切削中的振动和切削热变形等，为细长轴及薄壁零件等易变形零件加工、软质、脆硬及低熔点材料加工提供了解决方案。

本课题将对超声辅助振动切削系统展开研究，借助软件，通过对理论，设备和试验的研究，应用到实际加工工艺中，以提高加工效率、质量并降低加工成本为目标进行工艺创新。

1.2 国内外研究发展现状
近几十年来，超声技术的发展极为迅速，其应用日益广泛，已深入到工业、农业、国防、电子、能源、材料、生物技术、医药卫生和环境保护等行业部门，并迅速的扩大到新的应用领域，诸如超声马达、超声切削、超声清洗、超声化学、超声悬浮等领域。

超声加工的范围非常广泛，目前主要应用在下列几个方面：超声钻孔、超声切削、超声研磨和抛光、超声金属塑性加工。

超声波振动切削可广泛地用于车、刨、铣、磨、螺纹加工及齿轮加工等方面[3]。

1.2.1 超声振动系统
超声波振动是通过超声波发生器将220V或380V的交流电转换成功率为300W和频率为16kHz以上的超声频电振荡信号，在将电信号加到换能器上，使其产生同频率的机械振动，此振动通过调幅器将振幅放大，最终在工具端部产生足够大的机械振动幅值。

超声波发生器主要由振荡器、电压放大器、功率放大器和输出变压器等部分组成。

其中，振荡器是超声频发生器的核心。

根据超声波加工的需要，超声波发生器的输出波形可以是正弦波或是非正弦波，但以正弦波最为多见。

超声换能器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件，常用的换能器有磁滞换能器和压电换能器。

超声调幅器是超声系统的重要组成部件，它被用来将换能器传来的由电能转换成的机械能传递给被加工工件，是功率超声振幅的机械放大级，用以
提高超声加工功效。

近年来，日、美、俄、英、德等工业发达国家对超声振动切削这一新技术进行了大量研发，工业应用日趋广泛[4]。

换能器方面，第一次世界大战期间Langevin发明的钢—石英—钢结构的夹心压电换能器是产生低频大功率超声的重大进展。

20世纪50年代初ler对夹心式换能器作了重大改进，发展了加预应力的复合换能器，其基木结构延用至今，并得到广泛应用[10]。

20世纪80年代森荣司等提出夹心弯曲换能器结构，扩大了工业应用[11][12]。

20世纪40年代W.P.Mason提出等效网络分析方法。

近年来在此基础上发展了传输矩阵法用于复杂结构的一维纵振分析。

20世纪70年代森荣司提出表观弹性法[13]，分析二维振动问题。

目前发展有限元及边界元方法分析三维振动问题。

调幅器方面，20世纪40年代W.P.Mason发明调幅器，它与压电换能器连接而获得高强度超声，开创了强超声在固体中的应用。

20世纪50年代Mepxyob等提出悬链线型调幅器及山多级组合的调幅器，扩展了调幅器类型。

20世纪60年代EEisner提出了形状因数的概念，发展了一种应力沿杆件均匀分布的高斯型调幅器，获得很高的位移振幅。

同时森荣司提出振动方向变换器，开辟了用功率合成方法获得特大功率的高强度超声的新途径[10]。

椭圆振动车削的设备研究也在进行之中，并得到了一些成果[45]。

我国超声加工的研究始于五十年代末，但当时超声波发生器、换能器和声振系统很不成熟，缺乏合理的组织和持续的研究工作。

六十年代初期，哈尔滨工业大学应用超声车削，加工了一批飞机上的铝制细长轴，取得了良好的切削效果。

然而，此项技术直到七十年代末期才重新受到重视。

换能器方面，20世纪60年代以后集中研究夹心式压电换能器,用等效网络建立一维理论。

给出有力、电负载和损耗时换能器的共振频率和效率表达式，提出决定换能器最大效率的参量,指出最佳设计方向[20]。

20世纪80年代发展并提出两种新型的功率超声换能器，一种是半穿孔结构宽频带压电换能器,广泛用于超声清洗设备；另一种是双向辐射换能器,用于超声乳化设备[21]。

与此同时提出了换能器的声匹配问题[22],为改进功率超声换能器设计指出方向。

20世纪90年代以来开展了大尺寸压电换能器的二维分析弯曲振动[23]、扭转振动[24,25]和复合振动的压电换能器设计计算,为这类换能器在工业方面的应用奠定了基础。

调幅器方面，20世纪60年代以来对纵振动的单一和组合调幅器的特性进行过系统的分析。

于20世纪80年代初首次用复变数解析映像理论研究了有负载的调幅器,建立了有负载调幅器的阻抗映像图,这是调幅器的理论的重要发展。

20世纪90年代以来研究了大尺寸单一和复合变幅器的二维振动[26]，弯曲振动模式调幅器[27]以及纵—扭,纵—弯复合振动模式的调幅器[28]。

提出了新型扭转振动调幅器,并分析了几种扭振复合调幅器,填补了这一方面的空白[29,30]。

我国在调幅器,变幅器方面的研
究处于世界前列。

1982年，上海钢管厂、中国科学院声学研究所及上海超声波仪器厂研制成功超声拉管设备，为我国超声加工在金属塑性加工中的应用填补了空白。

1985年，机械电子工业部第11研究所研制成功超声旋转加工机，在玻璃、陶瓷、YAG激光晶体等硬脆材料的钻孔、套料、端铣、内外圆磨削及螺纹加工中，取得了优异的工艺效果。

华中理工大学伍世虔[31]等人将低频系统用于大螺纹的攻丝，蜗杆机构增力。

他们采用单片机控制步进电机驱动电源，电机带动丝锥按要求反复进退，工件不动，通过靠模螺母将主轴沿圆周方向的振动转换为沿丝锥螺纹升角方向上的振动，靠模螺母上下各垫一块蝶形弹簧，使得切入后工件螺距完全取决于丝锥。

沈阳航空工业学院张建中等人[32]建立的镗孔用超声扭转振动系统，采用磁致伸缩换能器，将超声波发生器电振荡转变成超身波的机械振动。

1.2.2 超声振动切削理论
在普通切削中，切削是靠刀具与工件的相对运动来完成的。

切屑和已加工表面的形成过程，本质上是工件材料受到刀具的挤压，产生弹性变形和塑性变形，使切屑与母体分离的过程[33]。

在这种刀具始终不离开切削的普通切削中，刀具的作用包括两个方面：一个是刀刃的作用；一个是形成刀刃的刀面的作用。

由于刀刃与被切物接触处局部压力很大，从而使被切物分离。

刀面则在切削的同时撑挤被切物，促进这种分离。

普通切削中，伴随着切屑的形成，由于切屑与刀具之间的挤压和摩擦作用，将不可避免产生较大的切削力，较高的切削温度，使刀具磨损和产生切削振动等有害现象。

但切削振动也有它有益的一面:在一定条件下切削功率可以降低15％～30％，切屑收缩显著减小，改善了切削的形成条件，得到碎断切屑等。

因此可以这样设想：从进一步改善材料的可加工性出发，在传统的切削过程中人为地给工艺系统造成某种有规律的振动，以发挥其有利的方面从而消除其不利的影响。

切削加工时，工件材料塑性变形的过程，已加工表面的变形大小以及刀具的磨损程度等，都与切削过程中刀具与工件接触表面相互作用的条件有关，亦即与它们所处的时间和空间条件有关。

当给工艺系统加上振动(包括超声振动)以后，其刀具与工件各接触表面的相互作用条件都与普通切削有很大区别。

小振幅的高频振动虽然对工件表面尺寸和形状不会有什么影响，但却使刀具摩擦和磨损条件产生很大变化，使刀具与工件的接触表面产生附加的往复运动，从而造成刀具前后面摩擦力产生周期性的变化，因而能减小切屑流出的阻力，使切屑能在更有利的条件下形成。

在难加工材料的切削中，刀具的工作表面经常出现“滞流层”，产生一种特殊的静摩擦。

如果给刀具加上超声振动，就会产生动摩擦并且以动摩擦代替静摩擦，从而使摩擦力大大降低，这对切削加工十分有利。

基于上述思想，产生了一种新的切削方法——振动切削。

振动切削即是通过
在切削刀具上施加某种有规律的、可控的振动，使切削速度、切削深度发生周期性的改变，从而得到特殊的切削效果的方法。

振动切削改变了刀具和被加工材料之间的空间——时间存在条件，从而改变了加工(切削)机理，达到减小切削力、切削热，提高加工质量和效率的目的。

振动切削按所加频率不同可分为高频振动和低频振动，低频振动仅仅从量上改变切屑的形成条件，主要用来解决断屑问题以及与此相关的一系列问题。

而超声振动即高频振动切削已经使切屑形成机理产生重大变化，可以提高被加工材料的可加工性，提高刀具寿命和工件加工质量。

超声加工的工艺效果来自刀具和工件之间的分离运动，即它是一种脉冲式的断续
切削过程。

超声振动切削使切屑形成机理产生重大变化[36][37]，它对切削过程的影响可大致归纳成以下几个方面：
1)周期性地改变了实际切削速度的大小和方向；
2)周期性地改变了刀具运动角度，包括前角、后角、刃倾角等；
3)周期性地改变被切金属层的厚度；
4)改变了所加载荷的性质，使刀具由静载荷变为了动载荷；
5)改变了已加工表面的形成条件，从而改善了表面质量，提高了加工精度；
6)改善了切削液到达切削区的条件；
7)改变了刀具工作表面的接触条件，减小了切屑形成区的变形，降低了切削力；
8)改变了工艺系统的动态稳定性，从而得到振动切削特有消振效果；
9)改变了消耗在切削过程中的功率N ，使能量分布发生了变化: N N N 总振动
机床＝＋，由于机床功率N 可以大大减小，所以总的功率N 总也相应降
低。

从研究的深度、广度以及实际应用效果来看，日本在超声振动方面处于国际领先地位。

1977年，日本对振动切削与振动磨削方面的研究已相当深入且已应用于生产。

研究超声振动切削理论与应用技术奠基人隈部淳一郎教授[5]，他在1956年首先提出了系统的振动切削理论，把振动切削理论成功地应用于车、刨、铣、钻、镗、铰、拉、磨削、螺纹加工、齿轮加工、抛光、珩磨、拉伸与挤压等冷热加工领域，并取得了意想不到的效果与显著的经济效益。

在美国，60年代初就对振动切削进行研究，70年代中期，美国在超声振动钻中心孔、磨削、光整加工与振动焊接、振动拉管等方面已处于生产应用阶段，振动车、钻、镗等切削加工已处于试验性生产设备的阶段，振动拉削、铣削与螺纹切削也已试验成功。

超声振动系统已能供应生产上应用，且部分已标准化[6]。

德国和英国也对超声加工的机理和工业应用进行了大量的研究工作，并发表了许多有价值的论文，在生产中也得到了积极的应用。

目前国外通过三维有限元建摸和试验对加工效果有了很深入的研究。

包括由切削参数（切削速度，切削深度等），超声参数（振动频率，振幅等）对加工效果产生的影响的研究，对切削力，切削功率，粗糙度及同轴度的影响因素，以及对不同材料的切削进行了广泛的研究。

其中美国的N. Ahmed等人用三维有限元分析了超声辅助车削[38]；并研究了超声辅助车削中切削力的影响因素，分析对比了与普通车削车削力的不同 [39]；此外还对超声加工金属Inconel 718进行了深入的研究[41]。

Chandra Nath等人研究了超声车削在低合金钢中的应用，通过试验对比了与普通车削的不同，研究了车刀磨损，切削力，切屑形状以及表面粗糙度的情况。

得出了在超声切削下可以得到比较好加工表面，刀具磨损较小的结论[40]。

目前对椭圆振动切削正在研究[45]。

近10多年来，在超声波振动切削领域中，我国已取得了显著的成绩。

主要有以下几个方面：(1)超声振动切削的设备和刀具；(2)超声振动切削的理论研究；
(3)超声振动切削加工各种材料的试验研究；(4)超声振动切削加工精度和表面质量；(5)超声振动切削时刀具的磨损和耐用度；(6)超声振动切削在各种加工方法方面的研究和应用；(7)超声振动技术从机械行业向其它行业的研究和应用拓展。

吉林工业大学首先揭示出z向分离型超声振车，具有分离、冲击、变速、往复熨压四个运动特性。

山东工业大学张勤河[14]等人通过对超声振动钻削加工陶瓷的研究，认为是静态负载的接触力与冲击力同时作用在工件上。

温任林[15]在研究超声振动切削刀具的振动规律时得出：刀具与切屑的分离作用是振动切削最根本的特点，正是这一特点才使得刀尖每次能以极大的加速度冲击工件进行切削。

柳世传[16]等人分析轴向振动钻削微孔，认为刀具的动态角度是周期性变化的，引起剪切角也发生周期的变化，使切削条件显著改善。

另外，他们还指出高频振动钻削使钻头刚性化和静止化，也有利于切削。

南京理工大学芮小健等人[17]从切削过程分析着手，研究了振动切削过程中刀具与被切屑工件之间的力学作用规律，得出如下结论：（1）刀具以冲击载荷作用于被切材料，其动态应力波作用是改善切削效果的一个主要因素；（2）振动切削中摩擦力降低是前刀面和剪切面的内摩擦向外摩擦转换所致；（3）振动切削中，前刀面正应力减小，对材料破坏的断裂抑制作用减弱，有利于切削；（4）振动切削中，材料破坏过程与普通切削的挤压滑移过程有区别，它由每次冲击都产生微细破坏而完成切削。

东南大学汤铭权等人[18]从湿式超声振动切削中对润滑液作用的研究得出，刀具的冲击作用使切屑形成以后在刀具和切屑分离时间内还存在一定弦振动，加之刀具本身也处在振动状态，加强了切削液的动态湿润作用。

1986～1988年清华大学王先逵教授研究了硬脆材料的超声砂带磨削技术，获得了高效超镜面加工效果。

1989～1992年我国学者王立江教授深入研究了微小孔的超声振动钻削问题，为超声振动高效钻孔奠定了严密的理论基础。

1991年，杭州电子工学院的张云电
教授成功利用超声车削技术加工变截面细长杆，并被专家一致认为属国际首创，居国际领先水平。

河南焦作工学院的赵波教授在1991年工程陶瓷普通磨削研究的基础上，于1992～1995年研究了工程陶瓷发动机缸套旋转超声珩磨技术。

1996年，吉林工业大学的张雷博士对超声波振动车削产生超越性加工现象进行了研究
[19]。

上海交通大学马春翔教授对超声波椭圆振动方式进行了研究[56]。

1.2.3 超声车削加工系统
超声波振动车削加工系统主要由精密机床和超声波振动装置两大部分构成。

其中超声波振动部分分为：超声波发生器、超声波换能器、超声波调幅器三部分。

超声车削装置有纵向振动超声车削装置、弯曲振动超声车削装置和扭转振动超声车削装置三种形式。

弯曲振动系统使刀杆在垂直杆的轴向方向上作来回往复运动。

弯曲振动装置刚性较好，调幅器的固定较为简便。

但弯曲振动刀杆节点的测定和压块的调节都比较麻烦，以及车刀磨损，重新刃磨后节点还要发生变化，辅助时间长，调整麻烦，不易调到车刀所需要的高度，而刀尖高度对超声加工的效果起着至关重要的作用。

刀具的拆装不方便。

这些都使它的应用受到限制。

在实际应用中，扭转振动超声车削装置用的比较少。

纵向振动系统具有传递振动功率大，振动能量损耗小等特点。

纵向振动超声车削装置使用小质量车刀，车刀成本低，不必测量和确定超声车刀的位移与节点，因而使用方便，同时刀尖高度调节机构设计较简单，刀具拆卸、刃磨方便，易于调到共振状态。

随着超声车削技术研究的不断深入，加上这种装置使用方便，因而它的应用越来越多。

国外研究趋势是从试验性研究转向应用性研究，试验装置向实用性方向发展。

其研究结果表明，采用振动切削技术可提高刀具寿命，如振动车削不锈钢薄壁零件上的精密螺纹，刀具寿命由普通车削50个零件提高到可切削10000个零件，加工玻璃、陶瓷，刀具寿命可提高20倍以上，使用K10硬质合金刀具超声振动刨削硬铝、黄铜及碳素钢时，其表面粗糙度均可达到0.2z R m μ，在回转精度
很高的车床上用振动切削和振动研磨淬硬钢、不锈钢、黄铜、硬铝，可使零件的圆度、圆柱度、表面粗糙度近似为零。

振动切削加工材料已从试验中碳钢向难加工材料方向发展，近几年对硬脆材料、韧性材料等的振动切削更为重视
[7][8][9]。

目前国内外超声车削设备在超硬车削方面有很大的发展。

其原因是超硬车削的具大优势。

传统的超硬材料加工，都是先车后磨，不仅效率低，增加了成本，而且还污染环境，造成能源巨大的浪费。

而超声加工由于其加工特点，可以直接加工超硬材料，可以实现以车代磨，不仅大大降低了生产成本，提高了效率，而且环保节能，为社会创造了巨大的经济效益。

图1-1为由德国Hermann Sauer 公司。