一种用于准确识别超声振动辅助加工中切削力系数的方法

摘要

本发明公开了一种用于准确识别超声振动辅助加工中切削力系数的方法，包括如下步骤：S1，根据超声振动辅助加工条件，获得超声振动辅助加工条件下的实际加工参数；S2，根据刀具与工件接触的区域应力分布，获得刀具前刀面的切应力和正应力；S3，根据获得的切应力和正应力，获得切削力；S4、根据切削力求得超声振动辅助加工中切削力系数。本发明依据超声振动辅助加工超声振动对加工参数的影响，获得超声振动辅助加工条件下的实际加工参数，并根据对刀具与工件接触的应力分析，获得超声振动辅助加工中的切削力，并根据切削力，实现对超声振动辅助加工中切削力系数的准确获取，为超声振动辅助加工条件下的加工分析提供了有力基础。

权利要求

1.一种用于准确识别超声振动辅助加工中切削力系数的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，根据超声振动辅助加工条件，获得超声振动辅助加工条件下的实际加工参数；

S2，根据刀具与工件接触的区域应力分布，获得刀具前刀面的切应力和正应力；

S3，根据获得的切应力和正应力，获得切削力；

S4、根据切削力求得超声振动辅助加工中切削力系数；

刀具与工件接触的区域，刀具前刀面的正应力为：切应力为：

σs为材料的正应力屈服强度，lx为目标点到刀具与切屑接触长度终点之间的距离，τs为工件材料的屈服切应力；κ为常数；μs为刀具与工件的摩擦系数；l1为剪切区域与刀具前刀面的接触长度，l2为滑移区域与刀具前刀面的接触长度；

垂直于刀具前刀面的正压力为：刀具前刀面的切应力为：

其中

lv，t为超声振动下刀具与切屑的接触长度；

h为设定的切削深度，hv为超声振动振幅；fv为超声振动频率，θ为超声振动的相位角，t为时间；b为刀具宽度，A为刀具与工件的接触面积。

2.根据权利要求1所述的用于准确识别超声振动辅助加工中切削力系数的方法，其特征在于，其中刀具与切屑的摩擦系数为： 超声振动下的平均摩擦角度为：βv1＝arctan(us)。

3.根据权利要求2所述的用于准确识别超声振动辅助加工中切削力系数的方法，其特征在于，刀具进给方向的切削力：切削速度方向的切削力为：αv为超声振动下的刀具的有效前角；

θ1为超声振动辅助加工下的切削速度与无超声振动辅助加工下的切削速度之间的角度。

4.根据权利要求3所述的用于准确识别超声振动辅助加工中切削力系数的方法，其特征在于，lv，t满足如下关系式，h1＝h+hvsin(2πfvt+θ)；

其中h1为超声振动下的实际的切削深度；

φv为超声振动辅助加工下刀具的有效剪切角；

βv为超声振动辅助加工下刀具的瞬时摩擦角。

5.根据权利要求4所述的用于准确识别超声振动辅助加工中切削力系数的方法，其特征在于，φv、αv和βv，满足如下公式：αv＝α+θ1；

φv＝φ+θ1；

vv＝2πfvhv；

vt＝2πnDr；

其中n为工件转速，Dr为工件的半径，vt为刀具设定的切削速度，vv超声振动速度；α为无超声振动辅助下的刀具前角；φ为无超声振动辅助下的刀具剪切角。

说明书

一种用于准确识别超声振动辅助加工中切削力系数的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及机加工领域，特别是涉及一种用于准确识别超声振动辅助加工中切削力系数的方法。

背景技术

[0002] 超声振动辅助加工能够显著降低切削力与切削温度，提高加工中的稳定性，刀具的寿命及加工效率，其广泛用于各类高强度高硬度材料的加工。为了准确评估超声振动辅
助加工中的切削热，需要准确获得超声振动辅助加工中的切削力系数。现有的切削力系数
均是通过切削实验获得切削力系数，并以此计算切削力与切削热。而不同超声振动参数的
切削力系数不同，并在超声振动影响下的切削参数对切削力与热也有显著不同。现有的切
削力系数测试并不能实现对切削力与热的精准预测，为此，需要准确获得超声振动辅助加
工中的切削力系数。

发明内容

[0003] 本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种用于准确识别超声振动辅助加工中切削力系数的方法，能够准确获取超声振动辅助加工条件
下的切削力系数。

[0004] 根据本发明的第一方面实施例的用于准确识别超声振动辅助加工中切削力系数的方法，包括如下步骤：S1，根据超声振动辅助加工条件，获得超声振动辅助加工条件下的
实际加工参数；S2，根据刀具与工件接触的区域应力分布，获得刀具前刀面的切应力和正应
力；S3，根据获得的切应力和正应力，获得切削力；S4、根据切削力求得超声振动辅助加工中
切削力系数。

[0005] 根据本发明实施例的一种用于准确识别超声振动辅助加工中切削力系数的方法，至少具有如下技术效果：依据超声振动辅助加工超声振动对加工参数的影响，获得超声振
动辅助加工条件下的实际加工参数，并根据对刀具与工件接触的应力分析，获得超声振动
辅助加工中的切削力，并根据切削力，实现对超声振动辅助加工中切削力系数的准确获取，
为超声振动辅助加工条件下的加工分析提供了有力基础。

[0006] 根据本发明的一些实施例，刀具与工件接触的区域，刀具前刀面的正应力为：

[0007]

[0008] 切应力为：

[0009]

[0010] σs为材料的正应力屈服强度，lx为目标点到刀具与切屑接触长度终点之间的距离，τs为工件材料的屈服切应力；κ为常数，由工件与刀具之间的属性决定；μs为刀具与工件的摩
擦系数；l1为剪切区域与刀具前刀面的接触长度，l2为滑移区域与刀具前刀面的接触长度。

[0011] 根据本发明的一些实施例，垂直于刀具前刀面的正压力为：

[0012]

[0013] 刀具前刀面的切应力为：

[0014]

[0015] 其中

[0016] lv,t为超声振动下刀具与切屑的接触长度；

[0017] h为设定的切削深度，hv为超声振动振幅；fv为超声振动频率，θ为超声振动的相位角，t为时间；b为刀具宽度，A为刀具与工件的接触面积。

[0018] 根据本发明的一些实施例，其中刀具与切屑的摩擦系数为： 超声振动下的平均摩擦角度为：βv1＝arctan(us)。

[0019] 根据本发明的一些实施例，刀具进给方向的切削力：

[0020]

[0021] 切削速度方向的切削力为：

[0022]

[0023] αv为超声振动下的刀具的有效前角；

[0024] θ1为超声振动辅助加工下的切削速度与无超声振动辅助加工下的切削速度之间的角度。

[0025] 根据本发明的一些实施例，lv,t满足如下关系式，

[0026]

[0027] h1＝h+hvsin(2πfvt+θ)；

[0028] 其中h1为超声振动下的实际的切削深度；

[0029] φv为超声振动辅助加工下刀具的有效剪切角；

[0030] βv为超声振动辅助加工下刀具的瞬时摩擦角。

[0031] 根据本发明的一些实施例，φv、αv和βv，满足如下公式：

[0032]

[0033] αv＝α+θ1；

[0034] φv＝φ+θ1；

[0035]

[0036] vv＝2πfvhv；

[0037] vt＝2πnDr；

[0038] 其中n为工件转速，Dr为工件的半径，vt为刀具设定的切削速度，vv超声振动速度；α为无超声振动辅助下的刀具前角；φ为无超声振动辅助下的刀具剪切角。

[0039] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

[0040] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

[0041] 图1是进给方向超声振动辅助加工示意图；

[0042] 图2是进给方向超声振动辅助加工切削示意图；

[0043] 图3是超声振动辅助车削加工各切削速度示意图；

[0044] 图4是超声振动辅助直角切削加工中各切削速度示意图；

[0045] 图5是超声振动辅助切削加工中切削速度示意图；

[0046] 图6是切屑、工件、刀具间接触区域示意图；

[0047] 图7是切屑、刀具接触面二向受力示意图。

具体实施方式

[0048] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附
图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0049] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴
向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为
了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方
位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第
二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有
说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

[0050] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可
以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是
两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本
发明中的具体含义。

[0051] 参照图1至图7，本发明实施例的一种用于准确识别超声振动辅助加工中切削力系数的方法，包括如下步骤：

[0052] S1，根据超声振动辅助加工条件，获得超声振动辅助加工条件下的实际加工参数。

[0053] S2，根据刀具与工件接触的区域应力分布，获得刀具前刀面的切应力和正应力；

[0054] S3，根据获得的切应力和正应力，获得切削力；

[0055] S4、根据切削力求得超声振动辅助加工中切削力系数。

[0056] 具体的，下面详细描述步骤S1。

[0057] 参照图1、图2，在超声振动辅助直角车削加工中，超声振动在刀具的进给方向发生振动，刀具加工示意及其直角切削原理如图1和图2所示。设定的切削深度为h,在进给方向
的超声振动幅值为hv，超声振动在进给方向的频率为fv，刀具设定的切削速度为vt。对于同
一刀具来说，切削深度与每齿进给量含义实质相同。

[0058] 则超声振动辅助加工后的真实切削速度为v，切削深度为h,进给量为fz。

[0059] 且fz＝h+hvsin(2πfvt+θ)。

[0060] θ为超声振动的相位角，t为时间。

[0061] 在超声振动辅助切削加工中，未变形切屑厚度为Lu,为：Lu＝fz；依据车削与直角切削之间的关系，切削深度(即未变形的切屑厚度)h1为：h1＝Lu。

[0062] 即超声振动辅助切削加工中，切削深度：

[0063] h1＝h+hvsin(2πfvt+θ)。

[0064] 在超声振动车削，刀具设定的切削速度vt、超声振动速度vv，超声振动辅助下刀具切削速度v间的关系如图3所示。

[0065] vv＝2πfvhv；

[0066] vt＝2πnDr；

[0067] n为工件转速，Dr为工件的半径。

[0068] v＝vt+vvcos(2πfvt+θ)；

[0069] θ为超声振动的相位角；

[0070] 超声振动辅助加工下的切削速度与常规加工下(无超声振动辅助)的切削速度的角度为：

[0071]

[0072] 刀具的原前角为α，刀具设定的切削速度vt、超声振动速度vv，超声振动辅助下刀具切削速度v间的关系如图4所示。刀具的有效前角αv，即切屑沿着刀具前刀面的流动角度，
为：

[0073] αv＝α+θ1

[0074] 超声振动辅助加工下刀具的有效剪切角为：

[0075] φv＝φ+θ1。

[0076] 根据设定的加工参数，依照上述关系式即可获得步骤S1中的超声振动辅助加工条件下的实际加工参数：h1、φv、αv和v。

[0077] 其中剪切角度由切削参数即材料属性决定，依据剪切角度的解析模型，常规加工下的剪切角度为：

[0078]

[0079] 其中χ为介质中声音的传播速度，τs为材料的剪切强度，h为未变形切屑厚度(即切削深度)，vc为切屑相对刀具的移动速度,c为材料的比热熔，ρ为材料的密度，k为材料的导
热系数。ξ1与ξ2由材料的热力学特性决定，可以分别定义为剪切强度对剪切角度的影响系
数，剪切面积对剪切角度的影响系数，由材料的属性决定，可以通过实验测试获得。

[0080] 在切削过程中，刀具与切屑的接触区域可以分为两个部分，第一部分为粘结区域，此区域与刀具的接触长度设为l1。在这个区域中，垂直于刀具前刀面的正压力足够的大，使
得切屑可以产生弯曲变形，摩擦应力达到材料的屈服应力，此部分区域发生的塑性变形。第
二部分区域为刮擦区域。

[0081] 两个区域的接触应力分布，正应力如公式所示：

[0082]

[0083] 切应力如下所示：

[0084]

[0085] 其中σs为材料的正应力屈服强度，lx为目标点到刀具与切屑接触长度终点之间的距离，τs为工件材料的屈服切应力；κ为常数，由工件与刀具之间的属性决定；μs为刀具与工
件的摩擦系数；如图6所示，工件与刀具区域分为剪切区域(shera band)和滑移区域，l1为
剪切区域(shera band)与刀具前刀面的接触长度，l2为滑移区域与刀具前刀面的接触长
度。

[0086] 在一定的切削速度下，分析刀具中刀具前刀面切削刃发生明显颜色变化的长度，即从刀刃处向刀体方向延伸的距离。这是由于切屑与刀具前刀面接触，必然增加了刀具与
切屑之间的摩擦，其摩擦接触处的温度必然升高，温度升高必然会改变刀具切削刃的颜色，
即改变颜色但未出现刮擦痕迹的长度，即为l1。该变色反应对应切屑的剪切区域，对应刀具
的粘结区域。由于刀具与切屑接触摩擦区域的工件材料发生一定的剪切变形，切屑在刀具
上滑移，有一定的温度升高，但不会促刀具前刀面颜色发生改变，切屑在刀具上滑移，使得
刀具上具有刮擦痕迹，即刮擦痕迹从切削刃向刀体方向延深的长度为切屑在刀具上滑移摩
擦的长度，即l2。该滑移摩擦区域对应切屑的滑移区域，对应刀具上的刮擦区域。

[0087] 在传统加工中，刀具与工件的接触长度近似为与未变形切削厚度h，剪切角度φ，摩擦角度β，刀具前角α相关的函数，如下所示：

[0088]

[0089] lc为常规加工中刀具与工件的接触长度。

[0090] 在超声振动辅助加工的一个瞬间，可以认为刀具沿着超声振动速度与切削速度合成速度下的一个传统切削加工，即由于切削加工中合成速度的变化，造成刀具与工件的接
触长度的变化。

[0091] 则在超声振动辅助加工中，在某个时刻，刀具与切屑的接触长度为

[0092]

[0093] αv为超声振动下的刀具的有效前角；φv为超声振动辅助加工下刀具的有效剪切角；βv为超声振动辅助加工下刀具的瞬时摩擦角。

[0094] 在超声振动辅助切削加工过程中，存在以下相关速度：超声振动辅助加工中切削速度v，剪切面移动速度Vs2。剪切速度(切屑相对工件的移动速度)Vs，切屑相对刀具的移动
速度Vc，如图4所示。

[0095]

[0096]

[0097] 在常规切削过程中，依据能量最小的原则计算了剪切角度，为：

[0098]

[0099] 则在超声振动辅助加工中某个时刻，瞬时摩擦角度βv为：

[0100]

[0101] 则超声振动辅助加工中的某个瞬间，接触区域长度为lv,t，其中

[0102] lv,t＝l1+L2

[0103] 垂直于前刀面的正应力为：

[0104]

[0105] 定义符号函数

[0106]

[0107] 则某个时刻，垂直于刀具前刀面的正压力为：

[0108]

[0109] 其中b为刀具的宽度，即切削宽度。

[0110] 刀具前刀面的切应力为：

[0111]

[0112] 刀具前刀面的切应力为：

[0113]

[0114] A为刀具与工件的接触面积。

[0115] 则超声振动辅助加工过程，刀具与切屑的摩擦系数为

[0116]

[0117] 超声振动下的平均摩擦角度为：

[0118] βv1＝arctan(us)；

[0119] 依据以上闭环公式，可以求得摩擦系数和超声振动下的平均摩擦角度。

[0120] 依据图2中切削力示意图，则在刀具进给方向的切削力

[0121]

[0122] 刀具进给方向的切削力系数为：

[0123]

[0124] 切削速度方向的切向力为：

[0125]

[0126] 切削速度方向的切向力系数为：

[0127]

[0128] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结
构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的
示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特
点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

[0129] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本
发明的范围由权利要求及其等同物限定。