超声波椭圆振动切削理论研究与装置设计

摘要

随着我国机械工业的迅速发展，人们对零部件的要求也越来越高，不仅对许多零件的加工尺寸精度、平面度、圆度等形位精度要求很高，同时要求零件加工表面残余应力要小，可使零件长时间的保持精度。对这类零件，如果采用传统切削加工技术，仅仅依靠增加刀具锋利程度、减少进刀量等工艺方法，由于其切削特性的制约，依然不能大幅度降低切削力，很难达到理想的加工效果。超声振动切削是把超声波高频振动的力有规律地加在刀具上，使刀具周期性的切削和分离工件的加工技术，是结合超声波技术和传统切削工艺的一种新型切削技术。与传统切削技术相比，可有效的减小切削力，降低切削温度，提高加工质量，但是依然存在一定的局限性，如刀具与零件处于分离状态时，后刀面会摩擦、撞击其已加工表面，严重影响了已加工表面的加工精度，而且切削刀具在切削过程中要承受一个随超声振动不断变化的交变应力。这些局限性限制了超声振动切削技术在精密加工领域中的进一步应用。
　　 超声椭圆振动切削技术是将超声椭圆振动附加于切削刀具，使刀尖按椭圆轨迹进行运动，从而实现高频间歇性振动切削。当刀具与工件表面分离时，刀具后刀面不会与已加工表面产生接触，避免了摩擦产生的同时，将刀具前刀面与切屑之间有害的摩擦力变为有利的切削力，增加了刀具的剪切角，从而降低了切削过程中切削力，提高了加工精度和质量、降低了毛刺的形成、增加了刀具的寿命、减小表面粗糙度值等。
　　 本文对超声波椭圆振动轨迹形成原理和受力情况进行分析，设计出超声波椭圆振动切削结构，并利用有限元软件对其进行动力学分析，从而对超声波椭圆振动系统参数进行修改以满足振动频率和参数的需求。建立超声波椭圆振动切削机构的椭圆轨迹数学模型并利用MATLAB 软件对其刀具轨迹进行验证。主要研究内容有：
　　 1 .研究超声波椭圆振动切削原理，概述国内外超声波椭圆振动切削的研究现状，通过对超声波椭圆振动切削原理和超声波椭圆振动切削区域受力进行分析，得出与传统超声波切削加工相比较存在一系列优点。
　　 2 .设计超声波椭圆振动切削机构，通过对纵向振动变幅杆的研究，提出了一种新型的以两个垂直方向同时激励的超声波椭圆振动切削系统的结构。利用变幅杆设计理论，分别对一个圆锥形变幅杆和一个窄端带有圆柱杆的复合圆锥形变幅杆进行设计，并对各个变幅杆进行有限元模态分析。
　　 3 .建立超声波椭圆振动切削机构的数学模型，为了研究刀尖的轨迹，把超声波椭圆振动切削机构简化为杆的结构，利用数学公式证明这个机构能够产生椭圆振动轨迹，并利用MATLAB 进行刀尖轨迹仿真。利用有限元分析软件对超声波椭圆振动机构进行建模和动力学分析。
　　 4 .加工制造超声波椭圆振动切削变幅杆，并设计制造超声波椭圆振动切削机构的装夹装置。将变幅杆进行安装并调试其振动可行性，调试表明可以实现椭圆振动。
　　 5.将整套超声波椭圆振动机构安装到试验用车床上，并对车床与椭圆振动系统进行调整使其达到精密加工的要求。此外，对超声椭圆振动切削参数进行理论分析与介绍。