一种超声纵弯车刀的设计方法技术

一种超声纵弯车刀的设计方法，属于超声刀具设计领域。包括以下步骤：步骤一、分析车刀结构和声波传播特性；步骤二、计算振动速度

【技术实现步骤摘要】
一种超声纵弯车刀的设计方法
本专利技术属于超声车刀设计
，具体涉及一种超声纵弯车刀的设计方法。
技术介绍
对于钛合金、高温合金等难加工材料，传统的加工方式很难实现加工的精密性，高效性和经济性，超声辅助加工则是解决这些难题的有效加工方式之一。随着超声加工技术的深入研究，单纯的一维超声振动已经不能满足日益复杂的材料的加工要求。多维超声加工技术与装备的研究正受到国内外学者广泛的关注。目前，超声铣削、超声钻削都可以通过不同的变幅杆来达到加工所需要的超声纵振或超声纵扭复合振动。但是，超声车削要实现多维振动相对来说就比较困难。目前，想要实现多维超声振动就需要有多个超声振动设备，通过在不同方向上进行单一振动，然后计算出各个方向上超声振动设备合适的相位差才能在理论上得到二维超声纵弯振动，进而合成所需要的多维振动。以上方法虽然能在车削时获得多维超声振动，但是需要多个超声振动设备和繁琐的计算才能实现。且安装步骤复杂，不易调试。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供一种原理科学、安装简单、易于调试的超声纵弯车刀的设计方法，只需要一套超声设备就可以在刀尖输出纵弯复合振动，相比现有的二维超声振动设备，其安装调试更容易。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种超声纵弯车刀的设计方法，其特征在于：包括以下步骤，（1）结合实际超声加工作业分析超声纵弯车刀的结构和声波传播特性；（2）计算振动速度，应力分布，求出位移节点和应力分布最大点满足的公式；（3）计算共振长度l；（4）计算放大系数M；（5）运用模拟软件根据步骤（2）至步骤（4）中给定的数据和计算结果进行数值模拟；（6）对设计的超声纵弯车刀进行结构优化，并通过模拟软件进行模拟，并应用到实际超声加工作业后再反馈到模拟过程，使设计结构更优。所述步骤（1）具体为，将超声纵弯车刀的刀头作为模态转换器，在进行超声车削工件时，超声波传递到车刀产生一个惯性力F1，F1遇到车刀几何斜面会产生反射惯性力F2，反射惯性力F2分解为纵向作用力F2L，和剪切作用力F2T，其中纵向作用力F2L沿着惯性力传播的方向继续向前传递，形成纵向振动；剪切作用力F2T则沿着垂直于惯性力F1传播的方向，使刀尖产生弯曲振动。所述步骤（2）具体为，设刀头大端面面积为S2，小端面面积为S1，刀头长度为l，振动频率为f，波速为C，其截面积变化规律可以写为线性函数：（1）（2）若振动速度用来表示，由变截面杆波动方程式可得：（3）将截面方程代入上式得：（4）其中，上式为零阶第一类贝塞尔方程，该函数的解为：（5）其中，为积分常数，：由边界条件时，可得：（6）代入上式中可得振动速度为：（7）由上式可得振动速度和振动位移的关系，并将其代入应力公式可得：（8）上式化简可得：（9）其中为第一类一阶贝塞尔函数若节点位移坐标,则其应满足的条件为：（10）应力最大点满足的条件为：（11）。所述步骤（3）具体为，由边界条件知：（12）即：（13）。所述步骤（4）具体为，由两端振动速度可得超声车刀放大系数为：（14）上式化简可得：（15）上述推导属于一般表达式，超声一体式车刀由于车刀切削位置比较特殊，刀尖位置为一条线，可以认为面积为零，即当时，此时振动速度和应力可以写成：（16）（17）放大系数M为：。采用上述技术方案，本专利技术设计出的一种超声纵弯复合车刀需要在刀体安装一套超声设备，只需要产生一个激振，就可以在刀尖成功输出超声纵弯复合振动。并且通过对刀头的改进和车刀角度参数的优化，可以使超声纵弯复合车刀结构更优，振动更好。本专利技术相比现有超声车刀来说实现超声多维振动更加容易、安装更简单、调试更方便。附图说明图1是超声波在超声纵弯车刀中传播示意图；图2是超声纵弯车刀设计示意图；图3是超声纵弯车刀刀头简图；图4是超声纵弯车刀位移云图；图5是超声纵弯车刀位移矢量图；图6是优化后超声纵弯车刀位移云图；图7是优化后超声纵弯车刀位移矢量图。具体实施方式本专利技术的一种超声纵弯车刀的设计方法，其特征在于：包括以下步骤，（1）结合实际超声加工作业分析超声纵弯车刀的结构和声波传播特性；（2）计算振动速度，应力分布，求出位移节点和应力分布最大点满足的公式；（3）计算共振长度l；（4）计算放大系数M；（5）运用模拟软件根据步骤（2）至步骤（4）中给定的数据和计算结果进行数值模拟；（6）对设计的超声纵弯车刀进行结构优化，并通过模拟软件进行模拟，并应用到实际超声加工作业后再反馈到模拟过程，使设计结构更优。如图1所示，所述步骤（1）具体为，将超声纵弯车刀的刀头作为模态转换器，在进行超声车削工件时，超声波传递到车刀产生一个惯性力F1，F1遇到车刀几何斜面会产生反射惯性力F2，反射惯性力F2分解为纵向作用力F2L，和剪切作用力F2T，其中纵向作用力F2L沿着惯性力传播的方向继续向前传递，形成纵向振动；剪切作用力F2T则沿着垂直于惯性力F1传播的方向，使刀尖产生弯曲振动。所述步骤（2）具体为，设刀头大端面面积为S2，小端面面积为S1，刀头长度为l，振动频率为f，波速为C，如图2和图3所示，其截面积变化规律可以写为线性函数：（1）（2）若振动速度用来表示，由变截面杆波动方程式可得：（3）将截面方程代入上式得：（4）其中，上式为零阶第一类贝塞尔方程，该函数的解为：（5）其中，为积分常数，：由边界条件时，可得：（6）代入上式中可得振动速度为：（7）由上式可得振动速度和振动位移的关系，并将其代入应力公式可得：（8）上式化简可得：（9）其中为第一类一阶贝塞尔函数若节点位移坐标,则其应满足的条件为：（10）应力最大点满足的条件为：（11）。所述步骤（3）具体为，由边界条件知：（12）即：（13）。所述步骤（4）具体为，由两端振动速度可得超声车刀放大系数为：（14）上式化简可得：（15）上述推导属于一般表达式，超声一体式车刀由于车刀切削位置比较特殊，刀尖位置为一条线，可以认为面积为零，即当时，此时振动速度和应力可以写成：（16）（17）放大系数M为：。下面结合实施例对具体实施方式做进一步说明，参见附图2，给定超声车刀的设计频率f=35KHz，声速C=5200m/s,设计长度为四分之一波长；材料选择45#钢，从上述推导的公式可知，设计大端宽度为，厚度为；为了便于固定、夹紧和换能器等部件的安装，刀体长度设计为，宽为，厚度为。可知当时，即时，，因此得到四分之一波长杆的共振长度为。代入公式得放大系数M=4.2。用模拟软件根据上述给定数据和结果进行模拟，模拟结果见附图4和附图5，从附图4中看到振动频率接近设计频率f=35KHz，放大系数M约为4.45。从附图5中可以看到振动位移矢量有纵向振动和弯曲振动复合组成。但是因刀尖角太小，刀尖磨损较快，不适合用于切削。通过改进刀头，增加过渡段，增大刀尖角，并对超声纵弯车刀刀头进行优化，模拟结果见附图6和附图7，从附图6中看到振动频率接近设计频率f=35KHz放大系数M约为4.5，从附图7中可以明显的看到刀尖处振动比较剧烈，并且是纵向振动和弯曲振动的复合振动。本实施例并非对本专利技术的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本专利技术的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本专利技术技术方案的保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声纵弯车刀的设计方法，其特征在于：包括以下步骤，（1）结合实际超声加工作业分析超声纵弯车刀的结构和声波传播特性；（2）计算振动速度

【技术特征摘要】
1.一种超声纵弯车刀的设计方法，其特征在于：包括以下步骤，（1）结合实际超声加工作业分析超声纵弯车刀的结构和声波传播特性；（2）计算振动速度，应力分布，求出位移节点和应力分布最大点满足的公式；（3）计算共振长度l；（4）计算放大系数M；（5）运用模拟软件根据步骤（2）至步骤（4）中给定的数据和计算结果进行数值模拟；（6）对设计的超声纵弯车刀进行结构优化，并通过模拟软件进行模拟，并应用到实际超声加工作业后再反馈到模拟过程，使设计结构更优。2.根据权利要求1所述的一种超声纵弯车刀的设计方法，其特征在于：所述步骤（1）具体为，将超声纵弯车刀的刀头作为模态转换器，在进行超声车削工件时，超声波传递到车刀产生一个惯性力F1，F1遇到车刀几何斜面会产生反射惯性力F2，反射惯性力F2分解为纵向作用力F2L，和剪切作用力F2T，其中纵向作用力F2L沿着惯性力传播的方向继续向前传递，形成纵向振动；剪切作用力F2T则沿着垂直于惯性力F1传播的方向，使刀尖产生弯曲振动。3.根据权利要求2所述的一种超声纵弯车刀的设计方法，其特征在于：所述步骤（2）具体为，设刀头大端面面...

【专利技术属性】
技术研发人员：童景琳，陈鹏，马俊金，赵俊帅，张致铭，王雪，崔峰，向道辉，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南,41