薄平面切削3D椭圆振动模型分析.docVIP

附 件 2 薄平面切削3D椭圆振动分析模型 E. Shamoto (2)*, N. Suzuki, R. Hino 日本名古屋大学，机械工程学院工程师 摘要：利用简单的三维立体分析技术，对椭圆振动切削中快速切削过程和基本机械原理进行模拟。最近几年，椭圆振动切削已被广泛的应用于工业之中，例如，超精密加工模具和普通模具。在切削过程中振动方向并不总是垂直于切削刃方向，剪切方向，切屑流出方向和切削力方向，这些要素在3D模拟切削过程中都有相应的模拟器件。以下是对三维立体椭圆振动切削模型和基本机械切削技术的研究。 关键字：切削，分析，椭圆振动切削。 1.引言 椭圆振动切削的首次发表是在1994年[1]。自此，有多种超声波椭圆振动切削刀具产生，并且充分显示出了对难切削材料的优越机械性能[2－4]。现在，实际上该技术已被应用于超精密金刚石切削模具，模具和光学零件[5]。 相反，对椭圆振动切削的基本原理的研究却很少。正交椭圆振动切削过程的模拟要求切削速度，切削力和振动的方向垂直于切削刃。通过实验所说明证实的结论去推测理论粗糙度，主后角，剪切角等，并且说明不同振动条件下不同的影响[6]。然而实际的切削过程并不总是正交模式。大多数工业应用中，椭圆振动轨迹倾斜于切削方向。 然而，现在研究发展起来的简易三维立方体振动切削模拟分析模型，只是为了模拟快速切削和帮助科研人员对其基本原理的理解。科研人员们将模型模拟出的结果与先前发表于书刊的数据做了对比[6，7]。 2.椭圆振动切削过程 图1是椭圆振动切削过程简略原理图。前提是刀具做椭圆振动并且刀具的振动在理论切削方向上停止。从到时刻间切去前一刀残留下的微小部分。在时刻进入切削状态，这一微小部分主要是由前一切削过程的切屑形成的，在实际切削过程中，这一微小部分往往被挤压到与刀具接触的下方或前方，或者是在刀尖上形成积屑瘤。从时刻起，用大的切削深度对工件材料进行切削，到时刻时，也就是切削路径的切线平行于剪切方向时，刀具所受的摩擦力发生了变化。而在实际切削过程中，由于刀具的弹性变形，在到达左右时移动方向和切屑流出的方向都沿着切削方向移动，从而使摩擦力方向不发生变化。当切削路径的切线平行于切屑光滑面时，即时刻，刀具与切屑分离，摩擦力减小或反向变化，这有利于减小切削力，能量的损耗和热量的产生[1，6，8]。 图1.椭圆振动切削过程 图2是利用单晶体金刚石切削刀具进行超精密椭圆振动切削所产生的典型切屑的展示。切屑往往是连续的，即使是瞬间切削力方向是变化的，也会产生很薄的连续切屑。这表明在一个椭圆振动切削循环过程中，平均切削力和总的切削力会使工件材料发生剪切变形。 图2.实际超精密椭圆振动切削的切屑形式。（a）螺卷屑；(b)切屑光滑面；(c)切屑粗糙面；[工作条件]工件材料:高硬度钢（JIS:SUS420J2），金刚石刀具：R1mm，后角：，切削速度：１m/min，切削深度：１０μm，进给量：２０μm/rev，振动：循环,振幅２μm，频率：３９kHz 由以上所述可知，椭圆振动切削可分成两个阶段：一是从到时刻的微切削或打磨阶段；另一段是，从到时刻，摩擦力减少或反向的切削阶段。当切削深度与振动振幅相比足够大时，则前一阶段的微切削可忽略。另一方面，当切削深度很小，并且切削刃足够锋利时，则后一切削阶段不存在，除了切屑光滑面不倾斜，刀具路径是椭圆的外，与微磨粒加工是相似的。 从切削过程中现象与切屑形态推理判断[1，3，6－8]，可得以下结论：在实际的椭圆振动切削中，连续的切屑形态和其中的摩擦力现象是最值的研究的。可以用微机械加工原理解释，后一阶段的切屑形态和摩擦力减小或反向的现象是独特的并且有学术意义。因此，现在主要研究此过程的后一阶段。 总之，假设切削刃足够锋利，刀具弹性变形忽略不计，后一切削阶段切削深度发生缓慢的变化，且不计其产生的影响，即切削深度恒定不变。为了简化模拟实验和更好的理解连续切屑的形成过程，利用简易的薄平面切削模型，并遵守最大压应力和最低能量损耗原则。 3.三维立体椭圆振动切削过程的几何分析 图3表示几种类型的椭圆振动切削。图3（a）是直角类型。图3（b）是非直角类型，此类型中切削刃在已加工表面内振动。非直角类型可以认为是切削刃做侧向运动时进行间歇性切削，相当于倾斜振动切削[7，9]。在此情况下，由于切屑被拉到侧面，切削力减小。推力组件摩擦力的减小阻止了切屑流出，如图3（b）所示。 图３.椭圆振动切削的几种类型。（a）正交类型；（b）斜交类型；（c）中间类型（d）切削刃与工件倾斜。 图3（c）所示的是处于以上两种情况的中间情况，受两个方向的椭圆振动影响，摩擦力减小或发生反向变化，并且推力组件摩擦力减小或发生的反向变化更大。在实际情况下