一种超声辅助切削加工回弹量预测与表征方法技术

本发明专利技术公开了一种超声辅助切削加工回弹量预测与表征方法，首先结合最小未变形切削厚度与无限剪切应变原理计算加工过程中金属死区的位置，然后根据瞬时切削厚度的不同值，引入滑移线场理论与赫兹接触理论，并综合考虑有效前角以及有效剪切角对加工过程的影响，探究了最小未变形切削厚度、刀具参数、超声振动参数以及机床加工参数对超声辅助振动切削加工回弹预测与表征的影响。本发明专利技术综合运用了无限剪切应变理论、滑移线场理论以及赫兹接触理论，考虑了最小未变形切削厚度、超声振动参数、刀具参数以及机床加工参数的影响，建立了不同切削厚度下回弹量的分段预测模型。切削厚度下回弹量的分段预测模型。切削厚度下回弹量的分段预测模型。

【技术实现步骤摘要】
一种超声辅助切削加工回弹量预测与表征方法


[0001]本专利技术属于机械制造
，具体涉及在超声辅助加工过程中加工回弹量的预测与表征方法。

技术介绍

[0002]超声椭圆振动车削技术在现有的加工方法中使用比较广泛，比如在加工难加工材料和精密加工中，这种切削技术不仅解决了传统加工难题，而且展现了许多特有的优势：切削力降低、加工精度提高、表面粗糙度等级提高等，所以被广泛应用于航空、航天、军工等领域各种难加工材料的加工中。
[0003]在加工过程中，在刀具钝圆部分前方存在一个三角形区域，在此区域内，材料流动速度近似为零，因此称其为“金属死区”。研究表明，该区域的位置仅和刀具参数有关，且在加工工程中相对于刀具位置固定。由于最小未变形切削厚度的存在，导致加工过程中存在未被去除的工件材料，经过刀具切削刃与后刀面的挤压作用，一部分材料在进给方向发生侧向流动，另一部分未发生流动的材料，受到强烈的挤压之后，在切深方向形成弹性回复。弹性回复对车削表面粗糙度的形成有重要影响。目前大多数学者关于弹性回复的计算多采用经验公式，从切削理论入手分析的较少，这样计算的回弹量忽略了加工过程中一些动态参数的影响，和实际值存在些许偏差。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术存在的上述问题，本专利技术提供一种超声辅助切削加工回弹量预测与表征方法，首先结合最小未变形切削厚度与无限剪切应变原理计算加工过程中金属死区的位置，然后根据瞬时切削厚度的不同值，引入滑移线场理论与赫兹接触理论，并综合考虑有效前角以及有效剪切角对加工过程的影响，探究了最小未变形切削厚度、刀具参数、超声振动参数以及机床加工参数对超声辅助振动切削加工回弹预测与表征的影响。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006]步骤一、确定加工工件材料以及刀具参数，获得工件的最小未变形切削厚度h
min
，同时根据无限剪切应变理论以及正弦定理分别计算出金属死区稳定存在时的三个顶点P1、P2、P3距刀具最低点P的高度h1、h2、h3；所述刀具参数包括钝圆半径r
e
、刀具前角γ0、刀具后角α0；
[0007]步骤二、输入超声振动参数以及加工参数，结合步骤一中输入的刀具参数计算出在超声振动辅助加工过程中的瞬时前角γ
eff
、瞬时剪切角φ
eff
以及瞬时切削厚度TOC
t
；所述超声振动参数包括振动频率f、x向振幅a、y向振幅b；所述加工参数包括切削速度v
c
、切削深度DOC；
[0008]步骤三、根据瞬时切削厚度TOC
t
与最小未变形切削厚度h
min
及金属死区稳定存在时的顶点P1距刀具最低点P的高度h1的大小关系，将加工过程划分为以下三个阶段：
[0009]阶段一：瞬时切削厚度TOC
t
的值小于金属死区稳定存在时的顶点P1距刀具最低点P
的高度h1，即TOC
t
<h1；
[0010]阶段二：瞬时切削厚度TOC
t
的值大于金属死区稳定存在时的顶点P1距刀具最低点P的高度h1，但小于最小未变形切削厚度h
min
，即h1<TOC
t
<h
min
；
[0011]阶段三：瞬时切削厚度TOC
t
的值大于最小未变形切削厚度h
min
，即TOC
t
>h
min
；
[0012]步骤四、根据步骤三中划分的三个加工过程阶段，结合步骤二中计算得出的瞬时剪切角φ
eff
以及瞬时前角γ
eff
，并结合滑移线场模型理论以及赫兹接触理论，计算出对应切削厚度下的回弹量s。
[0013]本专利技术具有以下优点：
[0014]本专利技术综合运用了无限剪切应变理论、滑移线场理论以及赫兹接触理论，考虑了最小未变形切削厚度、超声振动参数、刀具参数以及机床加工参数的影响，建立了不同切削厚度下回弹量的分段预测模型。
附图说明
[0015]图1为金属死区、刀具与工件的几何位置关系图
[0016]图2为金属死区顶点P1处的应变图
[0017]图3为超声振动辅助加工示意图
[0018]图4为切屑形成区域子区域分布图
[0019]图5为当瞬时切削厚度满足h1<TOC
t
<h
min
时的滑移线场图
[0020]图6为当瞬时切削厚度满足TOC
t
>h
min
时的剪切滑移线场图
[0021]图7为超声辅助切削加工回弹量预测与表征方法流程图
具体实施方式
[0022]下面结合附图所示实例进一步说明本专利技术的实施方案与工作过程。
[0023]结合图7，本专利技术为一种超声辅助切削加工回弹量预测与表征方法，包括以下步骤：
[0024]步骤一、确定加工工件材料以及刀具参数，获得工件的最小未变形切削厚度h
min
，同时根据无限剪切应变理论以及正弦定理分别计算出金属死区稳定存在时的三个顶点P1、P2、P3距刀具最低点P的高度h1、h2、h3；所述刀具参数包括钝圆半径r
e
、刀具前角γ0、刀具后角α0；
[0025]步骤二、输入超声振动参数以及加工参数，结合步骤一中输入的刀具参数计算出在超声振动辅助加工过程中的瞬时前角γ
eff
、瞬时剪切角φ
eff
以及瞬时切削厚度TOC
t
；所述超声振动参数包括振动频率f、x向振幅a、y向振幅b；所述加工参数包括切削速度v
c
、切削深度DOC；
[0026]步骤三、根据瞬时切削厚度TOC
t
与最小未变形切削厚度h
min
及金属死区稳定存在时的顶点P1距刀具最低点P的高度h1的大小关系，将加工过程划分为以下三个阶段：
[0027]阶段一：瞬时切削厚度TOC
t
的值小于金属死区稳定存在时的顶点P1距刀具最低点P的高度h1，即TOC
t
<h1；
[0028]阶段二：瞬时切削厚度TOC
t
的值大于金属死区稳定存在时的顶点P1距刀具最低点P的高度h1，但小于最小未变形切削厚度h
min
，即h1<TOC
t
<h
min
；
[0029]阶段三：瞬时切削厚度TOC
t
的值大于最小未变形切削厚度h
min
，即TOC
t
>h
min
；
[0030]步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声辅助切削加工回弹量预测与表征方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、确定加工工件材料以及刀具参数，获得工件的最小未变形切削厚度h
min
，同时根据无限剪切应变理论以及正弦定理分别计算出金属死区稳定存在时的三个顶点P1、P2、P3距刀具最低点P的高度h1、h2、h3；所述刀具参数包括钝圆半径r
e
、刀具前角γ0、刀具后角α0；步骤二、输入超声振动参数以及加工参数，结合步骤一中输入的刀具参数计算出在超声振动辅助加工过程中的瞬时前角γ
eff
、瞬时剪切角φ
eff
以及瞬时切削厚度TOC
t
；所述超声振动参数包括振动频率f、x向振幅a、y向振幅b；所述加工参数包括切削速度v
c
、切削深度DOC；步骤三、根据瞬时切削厚度TOC
t
与最小未变形切削厚度h
min
及金属死区稳定存在时的顶点P1距刀具最低点P的高度h1的大小关系，将加工过程划分为以下三个阶段：阶段一：瞬时切削厚度TOC
t
的值小于金属死区稳定存在时的顶点P1距刀具最低点P的高度h1，即TOC
t
<h1；阶段二：瞬时切削厚度TOC
t
的值大于金属死区稳定存在时的顶点P1距刀具最低点P的高度h1，但小于最小未变形切削厚度h
min
，即h1<TOC
t
<h
min
；阶段三：瞬时切削厚度TOC
t
的值大于最小未变形切削厚度h
min
，即TOC
t
>h
min
；步骤四、根据步骤三中划分的三个加工过程阶段，结合步骤二中计算得出的瞬时剪切角φ
eff
以及瞬时前角γ
eff
，并结合滑移线场模型理论以及赫兹接触理论，计算出对应切削厚度下的回弹量s。2.如权利要求1所述的一种超声辅助切削加工回弹量预测与表征方法，其特征在于，所述步骤一中，当确定工件材料以及刀具参数后，最小未变形切削厚度与刀具钝圆半径的关系如下：h
min
＝c*r
e
ꢀꢀꢀ
(1)上式中，h
min
为最小未变形切削厚度，r
e
为刀具钝圆半径，c为无量纲系数，与工件材料、摩擦系数有关，c＝0.4；金属死区的位置由四个点共同确定，分别是停驻点P
s
点以及该区域稳定存在时的三个端点P1点、P2点、P3点；P
s
点、P1点和P2点位于刀具与切屑的接触面上，且P
s
点为弧P1P2的中点，P3点位于工件内部、OP
s
延长线上；P
s
点到刀具最低点P的距离即最小未变形切削厚度，圆弧PP
s
所对应的圆心角记为θ
s
，表达式如下：记∠POP
s
＝θ
s
,∠POP1＝θ1,∠POP2＝θ2,∠POP3＝θ3，θ1+θ2＝2θ
s
ꢀꢀꢀ
(3)(3)(3)根据上述方程，若要求解出P1点的位置，求解θ1即可；而θ1与α1有关，α1为P1点处切线与
竖直方向的夹角，表达式为：根据金属死区边界模型，P1点与P2点为分离点，P1点处的剪切应变表示为：上式表明∠P1P
′1H1或者∠P1P
″1H1为
‑
π,0,π.∠P1P
′1H1为剪切角，根据最大剪应力原理，剪切角可表示为：β1为摩擦角，β1＝arctan(μ1)；μ1为摩擦因数；在三角形
△
P1P
′1P
″1中，中，ω1为滑移线与塑性区域边界的夹角，通过摩擦系数计算，摩擦系数定义为剪应力与剪切屈服强度的比值；ω1与μ1关系如下：结合上述方程，在
△
P1P
′1P
″1中，∠P1P
″1H1和∠P1P
′1H1的表达式为：根据公式(8)求解出公式(11)的θ1的解有6个；当∠P1P
′1H1为
‑
π和π，∠P1P
″1H1为
‑
π和0时，方程(11)无解；当∠P1P
′1H1＝0和∠P1P
″1H1＝π时，θ1可求解出两个值，小于θ
s
的...

【专利技术属性】
技术研发人员：冀世军，田豪霞，赵继，崔连柱，代汉达，胡志清，刘振泽，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：