椭圆轨迹对超声波椭圆振动切削的影响

超声波椭圆振动切削技术 (UEVC)是20世纪9o年代由日本学者提出的-种新型的特种加工方法u捌，此方法是通过超声波振动系统给刀具施加椭圆振动，从而使切削刃在切削的同时产生椭圆振动。该椭圆轨迹振动可使刀具在切削过程中实现与切屑在切削方向和切屑流出方向的分离，从而具备传统超声振动切削的优点，同时还避免刀具后刀面与已加工表面的高频摩擦所产生的疲劳崩刃 现象，另外刀具的前刀面与切屑之间有害的摩擦力还可反转成为有利于切屑流出的切削力 ，这对增大剪切角、降低切削力与切削温度和提高切削加工精度瞄州起到至关重要的作用。虽然，超声波椭圆振动切削技术有如此优势，但是超声波椭圆振动系统复杂、系统参数调整困难，实验测量切削力和切削温度不易，切削机理还有待进-步研究。因此，本文借助切削原理和有限元分析方法，研究椭圆运动轨迹对切削力和切削热的影响规律，以寻找最佳的椭圆轨迹，为优化超声椭圆振动工艺提供参考。

1 超声椭圆振动切削理论基础超声椭圆振动切削加工的关键就是使刀具在切削方向和切屑流出方向所构成的平面内沿椭圆轨鉴行周期高频振动，从而进行切削。根据椭圆轨迹的形成过程可知，同平面内频率相同相互垂直且有-定相位差的两个简谐运动即可合成-个椭圆运动轨迹。假设切削方向和切屑流出方向为 向和 向，那么椭圆运动轨迹方程为：asin(2f)Ybsin(2nfi )(1)(2)式中，口，b分别为 ，Y两个方向的振幅即椭圆的长、短轴半径，厂为振动频率， 为相位差。椭圆运动轨迹由以上四个参数确定。

由于在切削方向刀具不仅有沿切削方向的高频振动，同时还存在工件旋转所带来的主切削运动，我们把它看成刀具运动而工件不动的话，那么整个切削过程刀具的运动轨迹为：asin(2f1)vt (3)Ybsin(2fl 1 (4)式中 为切削速度。

为了研 究方便，把刀具的运动轨鉴行转换，变成刀具的运动速度，为：1，-2nfacos(2nf1) (5) - 2： 西cos(2 ) (6)传统的超声振动切削只在切削方向即 向产生高频振动，而超声椭圆振动在切屑流出方向即Y向也产生振动 。与传统超声振动切削同理，在切削方向上刀具振动速度大于切削速度，刀具就能与工件脱离，该种类型的椭圆振动切削称之为分离型，反之为不分离型 。分离型超声振动切削是目前研究的重点，本文研究的对象也是分离型超声椭圆振动切削过程。

2 有限元结果分析2.1切削模型超声椭圆振动切削在加工难加工材料时与普敬稿日期：2012-08-12作者简介：何俊 (1984-)，男，工程师，硕士，研究方向为精密加工与超精密加工。

第35卷 第1期 2013-01(下) 43务l 匐 似振动频率 (KHz)(b)1.5ms刀尖最高温度图10切削温度随振动频率变化规律图从上图中可以看出瞬时切削力峰值和平均切削力随振动频率的增大而减小，但是振动频率超过20Hz后，减小的幅度放缓。切削区最高温度和刀尖温度却随频率的增加而增加。振动频率的增加，直接影响到振动切削的临界切削速度，频率越低，切削速度与临界速度越接近，振动切削越接近普通切削，所以频率越低，切削力越大。但是频率超过20Hz后，由于此时临界切削速度已远大于切削速度，所以切削力降低幅度减弱。但是，频率增加会导致在相同时间内，切削次数增加，意味着在相同时间内净切削时间增加，这对切削力影响不显著，但是在相同时间内切屑变形次数，刀屑接触的次数随频率的增加而增加，从而导致切削热和热传导加剧，切削区和刀尖温度增高。

3 结束语本文运用有限元分析方法，建立了TC4钛合金超声椭圆振动切削二维热力耦合模型，并进行了仿真模拟，得到了椭圆轨迹对TC4钛合金超声振动切削切削力和切削热的影响规律。对过分析，得出以下结论。

1)TC4钛合金超声振动切削切削力随相位差先减畜增大，相位差为90。时，切削力最小；切削力随X向、Y向振幅和振动频率的增大而减校2)切削区温度和刀尖温度随相位差的增大先减畜增大，随X向振幅的增大而减小，随Y向振幅、振动频率的增大而增大。