高锰钢振动车削中的刀具磨损研究

论文摘要

随着现代化机械工业的飞速发展,许多产品对零件材料的性能要求也越来越高,因此高锰钢作为一种高耐磨性材料,其应用范围越来越广。然而作为一种典型的难加工材料,使用传统的切削方式已无法满足对高锰钢的加工要求,而常用的特种加工方式如电加工、化学加工等,由于成本和技术的制约,目前尚无法大规模投入应用中。因此,本文采用了一种新型的超声振动切削技术,将其应用到高锰钢的车削加工中。建立了超声振动车削实验平台,并对高锰钢振动车削中刀具的磨损进行了研究。超声振动系统是高锰钢振动车削的核心组成部分,它主要包括三个部件：超声波发生器、超声波换能器和超声波变幅杆。超声换能器分为磁致伸缩换能器和压电陶瓷换能器两种,通过对比二者的优缺点,最终选用了压电陶瓷换能器,并对其结构进行了设计与仿真。分析了几种常用的简单形状变幅杆,因其无法满足实验要求,故自行设计出一种余弦形复合型变幅杆。然后设计了专用夹具,将超声振动系统安装在普通车床上,搭建并调试整个超声振动车削实验平台。根据金属切削原理和刀具磨损的相关理论,确定了对刀具磨损量影响最大的四个因素,即切削速度、背吃刀量、进给量和刀具振幅,选择刀具后刀面中部磨损带宽VB作为衡量刀具磨损状态的指标,同时根据车削系统对刀具材料和几何参数的要求选择了合适的车刀片。介绍并分析了正交实验原理,根据所选定的四个因素设计出了能够满足实验要求的正交表,并按照正交表的安排完成了高锰钢的超声振动车削实验。使用光学金相显微镜测量每次实验后刀具的后刀面磨损带宽,对实验数据进行极差分析和回归分析,找出了切削速度、背吃刀量、进给量和刀具振幅对刀具磨损量的影响规律,建立了回归方程。最后对超声振动车削和普通车削进行了对比,发现超声振动车削能够有效减小刀具磨损量,提高刀具寿命；同时,切削温度和切削力也大大低于普通车削,并能得到更好的切屑形态。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 绪论
• 第一章 超声振动系统的组成
• 1.1 超声振动系统的组成
• 1.2 超声波发生器
• 1.3 超声波换能器
• 1.3.1 超声波换能器的作用
• 1.3.2 超声波换能器的主要类型
• 1.4 超声变幅杆
• 1.4.1 超声变幅杆的工作原理及作用
• 1.4.2 超声变幅杆的类型
• 本章小结
• 第二章 超声振动系统的设计
• 2.1 超声波换能器的理论设计
• 2.1.1 压电式换能器的结构
• 2.1.2 换能器前后盖板的振动特性分析
• 2.1.3 压电陶瓷片的振动特性分析
• 2.1.4 压电换能器的振动特性分析及尺寸设计
• 2.2 超声波换能器的有限元仿真
• 2.2.1 盖板、陶瓷片等材料参数的确定
• 2.2.2 换能器的Ansys建模
• 2.2.3 换能器的模态分析
• 2.3 超声变幅杆的设计
• 本章小结
• 第三章 实验方案的设计
• 3.1 刀具磨损的指标及影响因素
• 3.2 实验参数的选择
• 3.2.1 刀具材料的选择
• 3.2.2 刀具几何参数的选择
• 3.2.3 切削用量的选择
• 3.2.4 振动参数的选择
• 3.3 各因素的正交实验设计
• 3.3.1 正交实验设计概述
• 3.3.2 实验因素与正交表的选择
• 3.3.3 正交表的设计
• 本章小结
• 第四章 超声振动车削实验平台的搭建及车削实验
• 4.1 超声振动车削方式
• 4.1.1 纵向振动方式
• 4.1.2 弯曲振动方式
• 4.1.3 振动车削方式的选择
• 4.2 超声波发生器和振子的选择
• 4.3 超声振动系统夹具的设计
• 4.4 车削实验平台的安装及车削实验
• 4.4.1 超声振动系统的安装调试
• 4.4.2 车削时间的确定
• 4.4.3 车削实验的进行及注意事项
• 本章小结
• 第五章 实验结果及刀具磨损分析
• 5.1 刀具磨损测量
• 5.1.1 显微镜的选用
• 5.1.2 刀具后刀面磨损带宽度的测量
• 5.2 刀具磨损结果分析
• 5.2.1 正交实验的极差分析
• 5.2.2 正交实验的回归分析
• 5.2.3 线性回归的显著性检验
• 5.2.4 刀具振幅的单因素实验
• 5.2.5 不同刀具材料振动车削对比
• 5.2.6 振动车削与普通车削对比
• 5.3 振动车削效果分析
• 5.3.1 工件表面效果
• 5.3.2 切屑对比
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢