基于ALE方法的二维超声振动切削仿真

ＮＯ．４ Ａｐｒ． ２０１６
基 于 ＡＬＥ方 法 的 二维 超声 振 动 切 削仿 真 冰
宗 昌 生 ，郑 华林 ，蒲 新 明 （西 南石 油大 学 机 电工程 学院 ，成都 ６１０５００）
摘要 ：文 章应 用任 意拉格 朗 日方 法 （ＡＬＥ）建 立超 声 椭 圆振 动 切 削有 限元模 型 ，模 拟 超 声振 动对 切 削 加 工的影 响 。 同时还对钝 圆半径 对切 削温度 和 残余应 力的影 响进 行模 拟 研 究 。从 结果 可以看 出 ：工 件 瞬 时最 高温度 随着振 动频 率 的增 加 先减 小后 增 大 ，增 大速 率 比减 小速 率 快 ；振 动 频 率 只 影 响残 余 应 力值 大小 ，对应 力层厚 度 影响较 小 ；随着钝 圆半径 的 增加 ，残余 压 应 力层 厚 度基 本 不 变 ，而拉 应 力 层厚 度 减 小 ，最 大拉 应 力也 随之 减 小。 关键 词 ：ＡＬＥ；椭 圆振动 ；振 动频 率 中图分 类号 ：ＴＨ１６６：ＴＧ６５９ 文献标 识码 ：Ａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ，ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ａｒｂｉｔｒａｒｙ Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ—Ｅｕｌｅｒｉａｎ ｍｅｔｈｏｄ，ｄｅｖｅｌｏｐｓ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｕｔｔｉｎｇ，ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｎ ｃｕｔｔｉｎｇ．Ｍ ｅａｎｗｈｉｌｅ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈ ｅ ｒｏｕｎｄ ｒａｄｉｕｓ ｏｎ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ． Ｗ ｅ ｃａｎ ｃｏｎｃｌｕｄｅ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ ｍ ａｘｉｍ ｕｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｆ ｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ．ｉｎｃｒｅａｓｅ ｆａｓｔｅｒ ｒａｔｅ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｒａｔｅ ｏｆ ｄｅｃｒｅａｓｅ．Ｔｈｅ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｆｆｅｃｔｓ ｏｎｌｙ ｔｈｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｖａｌｕｅ，ｌｅｓｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｌａｙｅｒ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ； Ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔ ｈ ｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｃｏｍ ｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｍ ａｉｎ ｃｏｎｓｔａｎｔｓ ｗ ｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｕｎｄ ｒａｄｉｕｓ ． ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｌａｙｅｒ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ．ｔｈｅ ｍ ａｘｉｍ ｕｍ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ｉＳ ｒｅｄｕｃｅｄ． Ｋ ｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｌａｇｒａｎｇｉａｎ—ｅｕｌｅｒｉａｎ ｍ ｅｔｈｏｄ；ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ￣ｅｑｕｅｎｃｙ
ＴＷＯ．ｄｉｍ ｅｎｓｉＯｉｌａｌ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｃｕｔｔｉｎｇ Ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＡＬＥ Ｍ ｅｔｈｏｄ Ｚ０ＮＧ Ｃｈａｎｇ—ｓｈｅｎｇ ．ＺＨＥＮＧ Ｈｕａ—ｌｉｎ．ＰＵ Ｘｉｎ—ｍｉｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１０５００，Ｃｈｉｎａ）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
利 于实现 ＴＣ４钛合金 的高精度加工 ｊ。 以往 大多 数 研 究 假 设 刀 具 是 锋 利 的 ，忽 略 了钝
圆半 径 的 影 响 。最 近 几 年 把 钝 圆半 径 大 小 考 虑 其 中 ，对 有 限 元 模 拟 切 削 加 工 进 行 了有 效 延 伸 。 Ｋａｉ Ｙａｎｇ对微 铣 削过 程进 行 模 拟 加 工 ，得 出 随 着钝 圆半 径 的增加 切 削力 降低 ，等 效 应 力 和温 度 小 幅度 降低 ， 并证 明钝 圆半 径 对 微 切 削 温 度 分 布 有 重 要 影 响 －ｏ 。 Ｋ．ｃ．Ｅｅ在不 使用 切削 分离 准则 条件 下 ，分 析 了钝 圆 半径 对残 余应 力 的影 响 。Ｚｈａｎｇ Ｘｉｎｑｕａｎ分 析 了钝 圆半 径对 椭 圆振 动 过 程 表 面形 成 过 程 影 响 ，得 出 随 着钝 圆 半 径 的增 加 ，切 削 方 向 表 面 粗 糙 度 降 低 。 但并 不是 钝 圆 半 径 越 大 越 好 ，钝 圆 半 径 对 温 度 和 残 余应 力也 有重 要影 响 。
０ 引言
钛 合金具有 质量 轻 、强度 高 、耐 腐 蚀性 好 等优 点 ， 在汽车发 动机系 统 中有 着 广泛 应用 ，能够提 高 发动 机 转速 和输 出功率 。但 是其硬度 高 、导热系数 小 、切 削温 度高 ，属 于典型 的难 加工 材料 。超声 椭 圆振 动 加工 是 一 种新 型 加 工 技 术 ，该 技 术 由 日本 学 者 Ｍｏｒｉｗａｋｉ和 Ｓｈａｍｏｔｏ提 出 ，通过超声 振动系统 在两个方 向同时施 加振动 ，使 得刀具切 削 刃在 切削 加工 中产生类 似 椭 圆 轨迹 的振 动 。与传统切 削加工相 比，它具有切 削力 小 、 表面精度 高 、延 长 刀具 寿命 等 优 点 。Ｍａｅｔａｌ发 现 椭 圆 振动技术 中吃 刀抗 力 与传统 的切 削加 工 相 比降 低 了 １／５０，而且加工 表面 的形 状 误差 可 以达 ２０ａｍ ，而且 椭圆振动加 工能够有效 抑制毛刺 的产生 ［ 。王跃提 出 一 种在两个相互 垂直方 向 同时激励 的新 型超声 椭 圆振 动切削结 构 ，并 分析 了实 现 振 动 方式 的转 换 机 理 。 何 俊通过 ＡＢＡＱＵＳ软 件 对超 声 椭 圆振 动进 行 有 限元 仿真 ，得 出椭圆振 动切削可 以进 一步改善 切削条件 ，有
第 ４期 ２０１６年 ４月
组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术
Ｍ ｏｄｕｌａｒ Ｍ ａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌ＆ Ａｕｔｏｍ ａｔｉｃ Ｍ ａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
文 章 编 号 ：１００１—２２６５（２０１６）０４—００７２—０４
ＤＯＩ：１０．１３４６２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｒｎｍｔａｍｔ．２０１６．０４．０２０