超聲振動切削加工機理及切削性能分析

李仁鎖，鄒愛成，寧曉明

（桂林航天工業學院，廣西 桂林541004）

0 引言

陶瓷材料因為其耐酸堿、高硬度、耐磨損等性能特點，廣泛應用于火力發電、鋼鐵、航空航天、化工等領域[1]，但由其延展性差等特點造成加工時容易產生裂紋和燒傷缺陷[2]，需研究新的加工方法。超聲振動加工是近年來新興針對工程陶瓷等難加工材料的加工方法。許多國家重點研究和開發高強度高韌性陶瓷及復合材料、耐熱沖擊陶瓷、陶瓷的粘接、加工技術[3]。也有人運用有限元法，用（JH-2）模型，初步分析了從有限元模型中如何去除陶瓷材料，以及工程陶瓷材料裂紋機理等[4-6]。在查閱相關文獻的基礎上，本文對工程陶瓷類零部件普通車削加工的機理進行了探索研究，并對工程陶瓷類零部件普通車削加工進行有限元模擬，以期對陶瓷切削的實際加工和后期研究提供一些理論參考。

1 材料選擇及切削參數

常見工程陶瓷材料中Al2O3陶瓷材料具有最穩定的化學性能和較強的機械強度，應用比較廣泛。所以本文切削工件材質為95氧化鋁陶瓷，切削速度范圍為108 m/min～180 m/min，換算成有限元中的綱量單位為1 700 mm/s～3 000 mm/s。切削深度給定為0.1 mm。

2 有限元仿真建模

采用的實際車削模型為：工件為直徑50 mm直徑的圓柱氧化鋁陶瓷棒料，背吃刀量為0.1 mm，切削轉速范圍為573～1 146 r/min。從圓柱氧化鋁陶瓷棒料實際形狀中取一個長方體微元，刀具與棒料的旋轉切削運動轉化為刀具相對于長方體模型的直線運動，如圖1。

圖1 工件及刀具模型裝配圖

切削轉速需轉化為削速度。轉化公式為：

其中D為工件直徑，n為切削速度。經換算為ABAQUS軟件里面的切削速度為是3 000 mm/s。

在ABAQUS軟件中創建三維工件和刀具模型并裝配在一起，如圖1所示。因為這里是氧化鋁陶瓷工件材料中取得一個微元，模型尺寸為0.8 mm×0.6 mm×0.4 mm。刀具模型尺寸為0.3 mm×0.3 mm×0.39 mm，后角為 7°。

依次輸入工件的材料參數，氧化鋁部分材料參數如表1所示。聚晶金剛石刀具材料參數如表2所示。

表1 氧化鋁部分材料參數

表2 聚晶金剛石刀具材料參數

超聲振動切削是在刀具上添加一個周期性振動的簡諧函數，讓刀具在切削時，在主切削方向振動。刀具速度表達式為：

其中 vc為切削速度，2πfAcos（2πft）為簡諧振動。振動頻率設定為40 K，振幅A=0.002 mm。

3 切削速度3000mm/s時不同切削方法的仿真分析

3.1 應力分析

選取被切削的一個單元為取值對象，取應力中的一個分力等效應力作為研究對象，等效應力變化曲線反應切削過程應力的變化規律。傳統車削應力云圖結果如圖2所示；超聲車削應力云圖結果如圖3所示；從云圖中明顯讀出傳統車削的最大應力為1 347 MPa；超聲振動車削的最大應力值為1 033 MPa。從應力分布區域來看，超聲振動車削應力分布較為集中，分布范圍面積較小。因此超聲切削比傳統車削在能耗和溫度理論上來講應該較低。

圖2 傳統切削應力云圖

圖3 超聲切削應力云圖

傳統車削和超聲車削兩種切削模式下切削等效應力對比曲線如圖4所示。通過對比發現：（1）超聲振動切削切削工件過程中所產生的最大應力要小于傳統切削切削工件過程中所產生的最大應力；（2）超聲振動切削切削工件過程中所產生的切削應力均值最大為914 MPa，明顯小于傳統切削切削工件過程中所產生的最大應力1 347 MPa；（3）超聲振動切削因其本身存在的切削周期應變力的加載和卸載，等效應力的變化波動比傳統車削波動較大。

圖4 兩種切削模式下切削等效應力對比曲線

3.2 溫度分析

選取被切削的一個單元為取值對象，單元的溫度變化反應切削過程溫度的變化。傳統車削溫度分布云圖結果如圖5所示；超聲車削溫度分布云圖結果如圖6所示；從云圖中明顯讀出傳統車削的最大溫度為328.9℃；超聲振動車削的最大溫度值為167.1℃。這與上面的應力分布區域得出的“超聲切削比傳統車削在能耗和溫度理論上來講應該較低”的結論相一致。而且超聲振動切削溫度在刀具和工件上的分布面積更廣，這應該是切削熱能隨著高頻往復振動被刀具不停擴散傳播到已加工區域有關。

圖5 傳統切削溫度云圖

圖6 超聲振動切削溫度云圖

傳統車削和超聲車削兩種切削模式下切削切削溫度對比曲線如圖7所示。通過對比發現：（1）超聲振動切削切削工件過程中所產生的最大溫度167.1℃，要遠小于傳統切削切削工件過程中所產生的最大溫度328.9℃；（2）超聲振動切削因其本身存在的切削周期應變力的加載和卸載，溫度呈現一定的周期波動性特點，溫度曲線呈波浪線狀，而傳統車削溫度為一條平滑曲線。

圖7 兩種切削模式下切削切削溫度對比曲線

3.3 切屑分析

圖8 和圖9所示分別為傳統車削的切屑和超聲車削切屑形態。通過對比可以發現：超聲振動切削的切屑較細較薄，為細片狀；而傳統切削的切屑較厚較長，為棱形切屑。因此超聲車削的表面質量更好些。

圖8 傳統車削的長條狀的棱形切屑

圖9 超聲車削的細片狀切屑

3.4 刀具切削力對比分析

傳統車削和超聲車削兩種切削模式下切削力對比曲線如圖10所示。通過對比發現：（1）超聲振動切削切削工件過程中刀具所受切削反力均值在1.5 N，要遠小于傳統切削切削工件過程中所產生的受切削反力均值在8.3 N。（2）超聲振動切削因其本身存在的切削周期應變力的加載和卸載，刀具所受切削反力呈現小幅值穩定的周期波動性特點，溫度曲線呈細波浪線狀，而傳統車削刀具所受切削反力為一條波動范圍較大的折線。這與兩種切削種類下，切屑的大小和形狀規律相一致。

圖10 兩種切削模式下刀具所受切削反力對比曲線

4 結論

采用聚晶金剛石刀具對氧化鋁工程陶瓷進行車削有限元綜合分析。利用ABAQUS軟件平臺建立了限元模型，從應力、溫度、刀具切削反力、切屑的狀態等四個方面，開展傳統車削和超聲振動車削的有限元仿真實驗對比分析。并得到如下結論：

（1）超聲振動切削切削氧化鋁工程陶瓷工件過程中所產生的最大應力為1 033 MPa，比傳統切削切削工件過程中所產生的最大應力1 347 MPa，小23.31%。超聲振動切削切削工件過程中所產生的切削應力均線最大為914 MPa，比傳統切削切削工件過程中所產生的均線應力1 347 MPa小32.15%。

（2）超聲振動切削因其本身存在的切削周期應變力的加載和卸載，等效應力的變化波動比傳統車削波動較大。

（3）相比較于傳統車削技術，氧化鋁工程陶瓷工件在超聲振動車削時，應力分布更為集中，分布范圍面積更小。因此超聲切削比傳統車削在能耗和溫度理論上來講應該較低。具體溫度對比下面會進一步實驗分析。

（4）超聲振動切削切削工件過程中所產生的最大溫度167.1℃，要遠小于傳統切削工件過程中所產生的最大溫度328.9℃，是傳統切削溫度的50.7%。

（5）超聲振動切削因其本身存在的切削周期應變力的加載和卸載，溫度呈現一定的周期波動性，溫度曲線呈波浪線狀，而傳統車削溫度為一條平滑曲線。

（6）超聲振動切削溫度在刀具和工件上的分布面積更廣。

（7）超聲振動切削的切屑較細較薄，為細片狀，而傳統切削的切屑較厚較長，為棱形切屑，因此超聲車削的表面質量更好些。

（8）超聲振動切削切削工件過程中刀具所受切削反力均值在1.5 N，要遠小于傳統切削切削工件過程中所產生的受切削反力均值在8.3 N。

（9）超聲振動切削因其本身存在的切削周期應變力的加載和卸載，刀具所受切削反力呈現小幅值穩定的周期波動性特點，溫度曲線呈細波浪線狀，而傳統車削刀具所受切削反力為一條波動范圍較大的折線。這也與兩種切削種類下，切屑的大小和形狀規律相一致。