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    超聲振動(dòng)切削鈦合金振動(dòng)信號(hào)及表面結(jié)構(gòu)分析

    2023-12-19 08:31:44黨迪呂志杰薛磊孫中陽(yáng)
    關(guān)鍵詞:切削力振幅徑向

    黨迪,呂志杰,薛磊,孫中陽(yáng)

    (山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250101)

    0 引言

    隨著加工技術(shù)的發(fā)展,鈦合金等材料在航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用更加廣泛[1-2]。由于鈦合金本身的難加工特性,在加工過(guò)程中存在著諸多問(wèn)題,如鈦合金高強(qiáng)度造成刀具的磨損、出現(xiàn)不規(guī)則振動(dòng);伴隨表面振紋和刺耳的噪聲[3-4]、切削過(guò)程中溫度過(guò)高[5]。因此,在鈦合金加工過(guò)程中更重視降低加工過(guò)程中的不規(guī)則振動(dòng)和提高已加工面的表面質(zhì)量,由此提出了新的解決方案——超聲振動(dòng)輔助切削,其可以降低切削溫度并提高工件的表面質(zhì)量[6-8]。許東輝[9]通過(guò)有限元仿真研究了不同方向的超聲振動(dòng)對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響,發(fā)現(xiàn)表面殘余應(yīng)力隨著超聲振動(dòng)振幅和頻率的增大而逐漸增大。SHUANG等[10]通過(guò)改變超聲振動(dòng)的頻率發(fā)現(xiàn)在低頻時(shí)超聲振動(dòng)對(duì)切削力和切屑的形態(tài)影響最強(qiáng),材料不規(guī)則流動(dòng)時(shí)形成的鋸齒形切屑和高頻時(shí)形成的連續(xù)切屑,是提升加工表面質(zhì)量的潛在技術(shù)。PENG 等[11]通過(guò)對(duì)比超聲振動(dòng)切削和普通切削,發(fā)現(xiàn)高速超聲振動(dòng)切削可以使INCONEL 718 合金的表面硬度提高50%。LU等[12]首次研究了超聲振動(dòng)干涉對(duì)表面紋理生成的影響,并分析表征了干涉后的紋理形貌,揭示了超聲銑削參數(shù)與加工質(zhì)量的關(guān)系。趙芝眉[13]通過(guò)切削力與振動(dòng)信號(hào)對(duì)切削顫振預(yù)測(cè),發(fā)現(xiàn)切削力與振動(dòng)信號(hào)的內(nèi)在關(guān)系均能代表車(chē)削的不同狀態(tài)。超聲振動(dòng)切削是在刀尖處施加一個(gè)高頻率的微小位移,不同方向的超聲振動(dòng)切削可以瞬時(shí)改變切削中的切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量,并與切削本身產(chǎn)生的振動(dòng)相互耦合,降低了切削過(guò)程中的振動(dòng),以達(dá)到改善切削環(huán)境的目的[14-15]。同時(shí),振動(dòng)切削通過(guò)不斷地高頻率分離刀具與工件,形成了斷續(xù)切削的切削狀態(tài),可以極大程度地改善切削過(guò)程中的溫升,減少了刀具的磨損,并在難加工結(jié)構(gòu)件的加工過(guò)程中能夠提升工件表面質(zhì)量[16]。

    綜上所述,超聲振動(dòng)加工能夠降低切削過(guò)程中的平均切削力、最大馮·米塞斯應(yīng)力(常簡(jiǎn)稱(chēng)為Mises應(yīng)力)等,但對(duì)其加工過(guò)程中的振動(dòng)信號(hào)及已加工面的表面結(jié)構(gòu)研究仍較少。因此,文章使用有限元軟件ABAQUS建立切削模型,對(duì)切向超聲振動(dòng)和徑向超聲振動(dòng)進(jìn)行仿真試驗(yàn),提取并分析了仿真結(jié)果中不同振幅下切削應(yīng)力和切削力,得出超聲振動(dòng)切削的最優(yōu)切削方案,以此為基礎(chǔ)搭建試驗(yàn),研究了超聲振動(dòng)切削對(duì)切削過(guò)程中振動(dòng)信號(hào)的影響,以及對(duì)已加工表面的結(jié)構(gòu)影響,以期為超聲振動(dòng)加工提供更詳細(xì)的技術(shù)支撐。

    1 鈦合金車(chē)削有限元建模

    1.1 材料本構(gòu)模型

    切削是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,切削過(guò)程中工件會(huì)發(fā)生應(yīng)力、應(yīng)變、熱軟化等方面的變化,ABAQUS 中一般通過(guò)約翰遜·庫(kù)克(Johnson-Cook,J-C)本構(gòu)模型計(jì)算工件力與變形之間的關(guān)系,其可以直接影響仿真結(jié)果;切削熱會(huì)使工件發(fā)生熱軟化,改變應(yīng)力、應(yīng)變過(guò)程,也是影響切削質(zhì)量的重要參數(shù),J-C本構(gòu)模型中需要考慮到溫度變化對(duì)材料強(qiáng)度的影響,因此應(yīng)用J-C 等向強(qiáng)化模型為材料本構(gòu)模型[17]。其方程σ由式(1)表示為

    式中A=1 089、B=1 092、C=0.014、w=0.93、m=1.1[18];ε為塑性應(yīng)變;為應(yīng)變率;為參考應(yīng)變率;T為材料實(shí)時(shí)溫度,℃;Tm為材料熔點(diǎn),℃;Tr為環(huán)境室溫,℃,

    1.2 材料分離失效準(zhǔn)則

    在切削過(guò)程中要定義一個(gè)分離失效準(zhǔn)則,使單元在受刀具外力的情況下可以變形刪除,并分離成切屑。J-C剪切失效準(zhǔn)則經(jīng)常運(yùn)用到切削仿真中,材料的失效過(guò)程經(jīng)過(guò)彈性變形階段、應(yīng)變強(qiáng)化階段,當(dāng)應(yīng)變強(qiáng)化達(dá)到頂點(diǎn)材料開(kāi)始失效,表現(xiàn)在有限元仿真中即為單元?jiǎng)h除。本模型材料的失效過(guò)程基于網(wǎng)格的長(zhǎng)度變化,當(dāng)網(wǎng)格變量達(dá)到臨界值時(shí),單元?jiǎng)h除。塑性應(yīng)變方程由式(2)表示為

    式中p為壓應(yīng)力,Pa;q為Mises應(yīng)力,Pa;d1、d2、d3、d4、d5為常數(shù),其中d1=- 0.09、d2=0.25、d3=- 0.5、d4=- 0.014、d5=- 3.27。

    1.3 建立有限元切削模型

    ABAQUS是一種解決非線性問(wèn)題的工具,在ABAQUS中建立二維切削模型,分為刀具和工件兩部分,其中刀具的前角為5°、后角為7°,刀尖圓弧半徑為0.2 mm,在實(shí)際切削過(guò)程中刀具在短時(shí)間磨損量極小,因此刀具設(shè)為三角形網(wǎng)格。為了加快計(jì)算速度,將刀具設(shè)為剛體。待加工件模型的尺寸為5 mm×3 mm、應(yīng)變厚度設(shè)為0.5 mm。工件受切削力變形,采用四邊形網(wǎng)格,分析類(lèi)型選擇溫度-位移耦合、平面應(yīng)變。切削部分設(shè)置小網(wǎng)格提高計(jì)算精度,非切削區(qū)域設(shè)置大網(wǎng)格減少計(jì)算時(shí)間。環(huán)境溫度設(shè)置為20 ℃,無(wú)冷卻液的方式,二維正交模擬幾何模型圖如圖1所示。

    圖1 二維正交模擬幾何模型圖

    刀具和工件的材料分別為DCMT11T304LF 涂層硬質(zhì)合金刀具的TiAlN涂層、鈦合金,刀具和工件主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

    表1 TiAlN涂層刀具及鈦合金材料參數(shù)表

    1.4 超聲振動(dòng)參數(shù)設(shè)置

    超聲振動(dòng)切削利用斷續(xù)切削提高加工質(zhì)量,工件與刀具接觸時(shí)間稱(chēng)為切削有效時(shí)間,改變超聲振動(dòng)切削的振幅可以明顯改變切削有效時(shí)間,頻率對(duì)切削有效時(shí)間影響較小,因此在仿真中主要研究超聲振動(dòng)的振幅對(duì)工況的影響。刀具設(shè)置為剛體,參考點(diǎn)運(yùn)動(dòng)與刀具運(yùn)動(dòng)相同,在刀具參考點(diǎn)RP-1上設(shè)置超聲振動(dòng)位移,在設(shè)置超聲振動(dòng)時(shí),選擇位移邊界條件,幅值選擇以周期變化,在ABAQUS 中設(shè)置周期變化時(shí),其內(nèi)置的周期變化表達(dá)式a由式(3)表示為

    式中傅里葉級(jí)數(shù)中的常數(shù)項(xiàng)A0為初始幅度;An為余弦項(xiàng)系數(shù)、Bn為正弦項(xiàng)系數(shù),n=1,2,3,…,N;ω為角頻率,rad/s;t為時(shí)間,t0為開(kāi)始時(shí)間,s。超聲振動(dòng)的幅值曲線可以看作一個(gè)僅包含sin 函數(shù)的簡(jiǎn)單正弦曲線,因此ABAQUS中的周期傅里葉函數(shù)可以簡(jiǎn)化,由式(4)表示為

    式中ω=125 600 rad/s;B1為所需的超聲振動(dòng)振幅,其值分別為0、5、10、15、20 μm。將所需的參數(shù)輸入到ABAQUS 幅值周期選項(xiàng)中可得到刀具在切削過(guò)程中頻率為20 kHz的超聲振動(dòng)。

    將上述工件和刀具的材料參數(shù)導(dǎo)入ABAQUS切削仿真模型中。設(shè)置仿真試驗(yàn),切削速度為60 m/min,超聲振動(dòng)方向選擇徑向和切向,振動(dòng)的頻率為20 kHz,考慮到超聲振動(dòng)切削是在刀尖添加一個(gè)微小位移,振幅過(guò)小對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不明顯,振幅過(guò)大會(huì)影響已加工表面結(jié)構(gòu),所以振幅選擇為0、5、10、15、20 μm,工件的切削深度為0.5 mm,應(yīng)變厚度為0.5 mm。仿真試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

    表2 超聲振動(dòng)模擬試驗(yàn)參數(shù)表

    2 仿真結(jié)果及其分析

    2.1 切削應(yīng)力分析

    Mises應(yīng)力是基于剪切應(yīng)變的一種等效應(yīng)力,定義為當(dāng)單元變形達(dá)到一定程度時(shí)材料開(kāi)始屈服,一般用來(lái)衡量疲勞、破壞,最大Mises應(yīng)力是切削仿真中的重要指標(biāo)。將表2 中9 組試驗(yàn)參數(shù)導(dǎo)入到ABAQUS中,切削速度與切削深度不變,只改變超聲振動(dòng)輔助切削的振幅與方向設(shè)計(jì)仿真試驗(yàn)。最大Mises應(yīng)力仿真結(jié)果如圖2所示,不同切削條件最大Mises應(yīng)力圖如圖3所示。

    圖2 普通車(chē)削與超聲振動(dòng)車(chē)削Mises應(yīng)力云圖

    圖3 不同切削條件最大Mises應(yīng)力圖

    超聲振動(dòng)切削因其斷續(xù)切削的特性可以降低過(guò)程中的加工應(yīng)力,從圖2、3可以看出,不施加任何方向的超聲振動(dòng)時(shí)最大Mises應(yīng)力為1 301 Pa,由變化曲線可知在0 ~10 μm 范圍內(nèi)振幅對(duì)最大Mises 應(yīng)力影響最為明顯,其最大Mises 應(yīng)力減小,振幅為10 μm時(shí)徑向超聲振動(dòng)的最大Mises 應(yīng)力為1 228 Pa、切向應(yīng)力為1 219 Pa。在10~20 μm內(nèi)應(yīng)力趨于平穩(wěn)并發(fā)生波動(dòng),說(shuō)明在0~10 μm內(nèi)振幅增大,最大加工Mises應(yīng)力減小,并在10 μm時(shí)達(dá)到平穩(wěn),相比于普通切削約降低了6%,在10 ~20 μm 內(nèi)振幅繼續(xù)增大,最大加工Mises 應(yīng)力不會(huì)持續(xù)大幅減小,說(shuō)明在一定范圍內(nèi)Mises 應(yīng)力會(huì)隨著超聲振動(dòng)切削振幅增大而減小,超過(guò)了此范圍,Mises 應(yīng)力趨于平穩(wěn)。從圖3曲線可以看出徑向和切向超聲振動(dòng)對(duì)最大Mises 應(yīng)力的影響基本相同,其中切向效果略好于徑向。

    2.2 切削力分析

    切削力的整體變化趨勢(shì)與最大Mises應(yīng)力減小應(yīng)力的變化趨勢(shì)相似,在超聲振動(dòng)振幅較小時(shí)切削力降低明顯,隨著超聲振動(dòng)振幅繼續(xù)增大,切削力在測(cè)量范圍內(nèi)逐漸趨于平穩(wěn),其變化趨勢(shì)如圖4所示。

    圖4 不同振幅的平均切削力變化圖

    由圖4 可知,當(dāng)切削狀態(tài)為普通切削時(shí)平均切削力最大為408.45 N,切向超聲振動(dòng)切削在振幅為0~10 μm時(shí)平均切削力不斷減小并在振幅為10 μm時(shí)達(dá)到最小,隨著振幅繼續(xù)增大平均切削力增大,在超聲振動(dòng)振幅較小時(shí),斷續(xù)切削的作用可以減小平均切削力,當(dāng)隨著振幅繼續(xù)變大,切向超聲振動(dòng)的方向與刀具的進(jìn)給方向相同;隨著振幅繼續(xù)增大,材料容易在刀尖處形成聚集,使平均切削力變大。徑向超聲振動(dòng)在振幅為0~10 μm時(shí),平均切削力變化與切向超聲振動(dòng)相似,平均切削力在10 μm 時(shí)為365.86 N。隨著振幅繼續(xù)增大平均切削力繼續(xù)減小,徑向超聲振動(dòng)方向垂直與切削方向和進(jìn)給方向,而隨著斷續(xù)切削的作用,超聲振動(dòng)的振幅增大,平均切削力減??;當(dāng)振幅在10~20 μm后,平均切削力趨于平穩(wěn),但徑向超聲振動(dòng)方向會(huì)改變切削的背吃刀量,超聲振動(dòng)的振幅過(guò)大將導(dǎo)致加工平面的精度降低,因此徑向超聲振動(dòng)的振幅也不宜過(guò)大。根據(jù)徑向、切向超聲振動(dòng)的變化可知,無(wú)論是在切向還是徑向,振幅為10 μm時(shí)超聲振動(dòng)在降低平均切削力方面都有明顯的優(yōu)勢(shì),雖然繼續(xù)增大振幅切向的最大Mises 應(yīng)力與徑向的平均切削力有繼續(xù)降低的趨勢(shì),但繼續(xù)增大振幅可能會(huì)對(duì)加工表面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

    由工件切削應(yīng)力分析可知,超聲振動(dòng)振幅在0~10 μm 時(shí),超聲振動(dòng)對(duì)最大Mises 應(yīng)力的影響最敏感,繼續(xù)增大超聲振動(dòng)的振幅對(duì)最大應(yīng)力并無(wú)明顯影響,在分析平均切削力時(shí)振幅為10 μm 時(shí)相較于其他振幅也有明顯的優(yōu)勢(shì)。因此選擇10 μm 作為超聲振動(dòng)的振幅,對(duì)切削過(guò)程中平均切削力進(jìn)一步分析,切削力對(duì)比圖如圖5所示。

    圖5 各切削力對(duì)比圖

    鈦合金切削時(shí)會(huì)形成鋸齒形切屑,因此切削波動(dòng)較大,由圖5 可知,普通切削時(shí)平均切削力為408.45 N,并且由于鋸齒形切屑的原因切削力波動(dòng)非常大。徑向超聲振動(dòng)切削的平均切削力為363.70 N,當(dāng)在切削過(guò)程中施加超聲振動(dòng)后,雖然切屑仍為鋸齒形切屑,但切削力的波動(dòng)明顯變小,相較于普通切削更加平穩(wěn)。切向超聲振動(dòng)輔助切削的平均切削力為365.86 N與徑向超聲振動(dòng)基本持平,振幅為10 μm超聲振動(dòng)切削可以有效降低切削過(guò)程中11.0%的主切削力。超聲振動(dòng)切削在切削過(guò)程中刀具與工件不斷分離接觸,從而形成斷續(xù)切削,斷續(xù)過(guò)程中刀具與工件分開(kāi)時(shí)切削力大幅降低,因此超聲振動(dòng)切削降低了平均切削力。由徑向和切向切削力分析計(jì)算可以得出徑向超聲振動(dòng)切削切削力標(biāo)準(zhǔn)差為41.91,而切向超聲振動(dòng)切削力標(biāo)準(zhǔn)差為45.55,徑向超聲振動(dòng)比切向更加平穩(wěn),切削力平穩(wěn)有助于提高已加工表面的表面質(zhì)量。因此試驗(yàn)時(shí)選擇10 μm徑向超聲振動(dòng)輔助切削。

    3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

    3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

    經(jīng)過(guò)仿真分析不同切削狀態(tài)下的最大Mises應(yīng)力、切削力以及在振幅為10 μm 時(shí)切削過(guò)程中切削力的變化曲線,通過(guò)系統(tǒng)的分析對(duì)比,最終選擇最優(yōu)的切削方案為振幅為10 μm 時(shí)的徑向超聲振動(dòng)輔助切削。為了探究超聲振動(dòng)輔助切削在實(shí)際應(yīng)用中與普通切削的優(yōu)缺點(diǎn),必須通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證。切削力和最大Mises應(yīng)力主要受切削過(guò)程中的工件變形、切削熱和加工過(guò)程中的振動(dòng)耦合作用,其中最大Mises應(yīng)力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致切削過(guò)程不平穩(wěn),增大加工過(guò)程中系統(tǒng)的振動(dòng),加工過(guò)程中系統(tǒng)的振動(dòng)會(huì)直接影響切削力是否平穩(wěn),切削力的周期性變化會(huì)使已加工表面的表面結(jié)構(gòu)變差。測(cè)量切削力時(shí),通過(guò)電阻應(yīng)變式傳感器測(cè)量刀桿上由切削力產(chǎn)生的變形,通過(guò)電路轉(zhuǎn)換、放大、標(biāo)定之后推算出被測(cè)的切削力。切削振動(dòng)信號(hào)通過(guò)測(cè)量刀尖振動(dòng)產(chǎn)生的位移而獲得,并且信號(hào)分析可以側(cè)面反映出切削力的大小和變化[19]。

    設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)輔助切削的試驗(yàn),并采集振幅為10 μm 時(shí)的徑向超聲振動(dòng)切削狀態(tài)下的振動(dòng)信號(hào),與普通切削條件下的振動(dòng)信號(hào),并使用粗糙度測(cè)量?jī)x,測(cè)量加工后的表面結(jié)構(gòu),對(duì)切削過(guò)程、試驗(yàn)結(jié)果兩方面測(cè)量,觀測(cè)超聲振動(dòng)輔助切削在實(shí)際工程應(yīng)用中的表現(xiàn),試驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示。

    圖6 試驗(yàn)平臺(tái)圖

    試驗(yàn)平臺(tái)主要由超聲振動(dòng)輔助加工系統(tǒng)、數(shù)控車(chē)削中心和動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)3部分組成。超聲振動(dòng)輔助加工系統(tǒng)使用聚能超聲波割刀,型號(hào)為SCQ-1500F,車(chē)床使用CY-K360n 數(shù)控車(chē)削中心,動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)選用DH5923N動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng),信號(hào)放大裝置使用電橋應(yīng)變片的方式。

    由于信號(hào)頻率較高,傳感器選用加速度力傳感器,加工件選用規(guī)格為Φ100 mm×400 mm的鈦合金棒料,刀具使用DCMT11T304LF 涂層硬質(zhì)合金刀具,刀具表面的涂層為T(mén)iAlN。切削試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3。

    表3 切削試驗(yàn)參數(shù)表

    3.2 振動(dòng)信號(hào)結(jié)果與分析

    由于在刀具與工件接觸面積不變的情況下最大Mises應(yīng)力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致切削過(guò)程不平穩(wěn),增大加工過(guò)程中系統(tǒng)的振動(dòng),因此使用切削動(dòng)態(tài)信號(hào)來(lái)驗(yàn)證仿真中的切削應(yīng)力。

    使用東華測(cè)試DH5923N 采集普通切削和超聲振動(dòng)輔助切削過(guò)程中的振動(dòng)信號(hào),利用系統(tǒng)中自帶的算法對(duì)信號(hào)放大分析,采樣頻率設(shè)置為5 kHz,測(cè)量切削過(guò)程中<1 kHz的振動(dòng)信號(hào),采樣時(shí)間為10 s,可得不同切削狀態(tài)下的時(shí)域信號(hào)和頻域信號(hào)如圖7所示。

    圖7 切削時(shí)頻域信號(hào)圖

    由圖7(a)和(b)可以看出在相同切削條件下,普通切削采集到的時(shí)域信號(hào)從波形看信號(hào)跳動(dòng)的范圍比較大,證明切削過(guò)程中有比較大的振動(dòng)產(chǎn)生。采用徑向超聲振動(dòng)輔助切削時(shí)采集到的時(shí)域信號(hào)跳動(dòng)的范圍約減小了28%,說(shuō)明徑向超聲振動(dòng)輔助切削可以降低切削過(guò)程中的徑向振動(dòng)。由圖7(d)可以看出信號(hào)的振動(dòng)頻率主要來(lái)源于主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和刀具固有頻率上產(chǎn)生的振動(dòng),由圖7(c)與(d)對(duì)比峰值可以看出超聲振動(dòng)切削可以有效地降低切削過(guò)程中由主軸回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)和在固有頻率上的振動(dòng),降幅約為22%。因此,超聲振動(dòng)輔助切削可以抵消機(jī)床坐標(biāo)系中x軸方向的振動(dòng),提高了加工質(zhì)量。

    3.3 表面結(jié)構(gòu)結(jié)果與分析

    切削力的周期性變化會(huì)影響已加工表面的表面結(jié)構(gòu),表面結(jié)構(gòu)在一定程度上體現(xiàn)了切削過(guò)程中切削力是否平穩(wěn),因此使用表面結(jié)構(gòu)驗(yàn)證超聲振動(dòng)切削對(duì)切削力的影響。根據(jù)表3 的兩組試驗(yàn),分別測(cè)量普通切削與超聲振動(dòng)切削加工后的表面結(jié)構(gòu)。選擇儀器TR200粗糙度測(cè)試儀,為了保證測(cè)量準(zhǔn)確無(wú)誤,每個(gè)加工圓周面在不同地方測(cè)量3 組數(shù)據(jù)取其中間數(shù)據(jù),可得原始表面輪廓曲線的測(cè)量數(shù)據(jù)如圖8所示。

    圖8 不同切削狀態(tài)下已加工原始表面輪廓曲線圖

    從加工表面原始輪廓圖可以看出,普通切削狀態(tài)下加工表面的表面波紋度輪廓有較大的起伏,因此采用表面結(jié)構(gòu)比使用表面粗糙度和表面質(zhì)量表達(dá)更合適。超聲振動(dòng)切削狀態(tài)下加工表面的原始輪廓圖的表面波紋度較小,表面粗糙度輪廓呈鋸齒形曲線波動(dòng),這個(gè)波動(dòng)是由于施加在刀具上的超聲振動(dòng)與機(jī)床在切削過(guò)程中產(chǎn)生的隨機(jī)振動(dòng)相耦合產(chǎn)生的,與超聲振動(dòng)的最大振幅相似,其頻率相差較大,綜合可得已加工表面原始輪廓的極差約降低了23%。結(jié)合對(duì)振動(dòng)信號(hào)結(jié)果分析可知,刀具的超聲振動(dòng)抑制了主軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)和刀桿固有頻率處產(chǎn)生的振動(dòng),但振幅過(guò)大時(shí)施加在超聲振動(dòng)上的規(guī)則振動(dòng)會(huì)在加工表面上增大表面粗糙度輪廓,因此當(dāng)超聲振動(dòng)方向?yàn)閺较驎r(shí),超聲振動(dòng)的振幅不宜過(guò)大,其值過(guò)大可能會(huì)使表面結(jié)構(gòu)相較于普通切削變差。

    4 結(jié)論

    通過(guò)以上研究得出以下結(jié)論:

    (1)超聲振動(dòng)振幅在10 μm 時(shí),最大Mises 應(yīng)力相比于普通切削降低了6%。振幅繼續(xù)增大,最大加工Mises應(yīng)力不會(huì)持續(xù)大幅減小,說(shuō)明僅在一定范圍內(nèi)Mises應(yīng)力會(huì)隨著超聲振動(dòng)切削振幅增大而減小。

    (2)當(dāng)振幅為10 μm 時(shí),普通切削與徑向和切向平均切削力相比,超聲振動(dòng)切削可以有效降低切削過(guò)程中11%的主切削力,且徑向切削的切削力方差小,切削過(guò)程更加平穩(wěn)。

    (3)超聲振動(dòng)輔助切削可以有效減小切削過(guò)程中振動(dòng)信號(hào)的波動(dòng)范圍約為28%。對(duì)比頻域信號(hào)可知,超聲振動(dòng)輔助切削能夠減小主軸回轉(zhuǎn)及刀架固有頻率引起的振動(dòng)約為22%。超聲振動(dòng)加工是通過(guò)耦合降低主軸回轉(zhuǎn)與刀桿固有頻率產(chǎn)生的振動(dòng)。

    (4)超聲振動(dòng)加工降低了已加工表面原始輪廓的極差約為23%,但振幅過(guò)大會(huì)影響表面粗糙度輪廓,因此當(dāng)超聲振動(dòng)方向?yàn)閺较驎r(shí),超聲振動(dòng)的振幅不宜過(guò)大,其振幅過(guò)大可能會(huì)使表面結(jié)構(gòu)相較于普通切削變差。

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