CN111843615B - 一种超声振动辅助加工中材料的断裂韧性的快速识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声振动辅助加工中材料的断裂韧性的快速识别方法，包括如下步骤：S1，进行超声振动辅助低速切削加工，以形成连续不断裂的切屑，并获得其切削参数和切削力；S2，根据能量守恒定律，计算获得材料的剪切强度τ与新表面形成所需的能量G；S3，进行超声振动辅助快速切削加工，获得其切削参数和切削力，并分析获得单位时间内切屑断裂次数N；S4，通过能量守恒定律，计算获得材料的断裂韧性G_fr。本发明通过分析切削中能量守恒，动量守恒及变形协调关系，以切削实验为基础，提供了一种快速准确识别超声振动辅助加工中的材料的断裂韧性的方法，为分析切削过程中的物理现象及切屑形成机理奠定了基础。

Description

一种超声振动辅助加工中材料的断裂韧性的快速识别方法

技术领域

本发明涉及机加工领域，特别是涉及一种超声振动辅助加工中材料的断裂韧性的快速识别方法。

背景技术

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能量分布及物理现象，需要准确获得超声振动辅助切削加工中材料的断裂韧性。但是由于超声振动辅助切削加工较为复杂且影响因素较多，很难准确获得超声振动辅助切削加工中材料的断裂韧性。

发明内容

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，本发明提出一种超声振动辅助加工中材料的断裂韧性的快速识别方法，能够准确地获得超声振动辅助切削加工中材料的断裂韧性。

根据本发明的第一方面实施例的一种超声振动辅助加工中材料的断裂韧性的快速识别方法，包括如下步骤：S1，进行超声振动辅助低速切削加工，以形成连续不断裂的切屑，并获得其切削参数和切削力；S2，根据能量守恒定律，计算获得材料的剪切强度τ与新表面形成所需的能量G；S3，进行超声振动辅助快速切削加工，获得其切削参数和切削力，并分析获得单位时间内切屑断裂次数N；S4，根据步骤S2获得的参数τ和G，并结合步骤S3获得的参数，通过能量守恒定律，计算获得材料的断裂韧性G_fr。

根据本发明实施例的一种超声振动辅助加工中材料的断裂韧性的快速识别方法，至少具有如下技术效果：通过分析切削中能量守恒，动量守恒及变形协调关系，以切削实验为基础，提供了一种快速准确识别超声振动辅助加工中的材料的断裂韧性的方法，为分析切削过程中的物理现象及切屑形成机理奠定了基础。

根据本发明的一些实施例，步骤S2和S4中，能量守恒关系式均为：η_v＝η_s+η_f+η_n+η_fr；其中η_v为切削输入能量、η_s为剪切区域变形的能量、η_f为刀具与切屑的摩擦能量、η_n为新表面成型需要的能量，η_fr为切屑断裂能量；当低速切削加工不产生断裂的切屑时，η_fr＝0。

根据本发明的一些实施例，其中η_v＝η_v1+η_v2；

η_v1为切削过程中切削力对应的能量，η_v2超声振动能量；

η_v1＝F_cv；

η_v2＝E_ubh；

E_u＝ρc(v₁)²；

其中F_c为切削水平方向的切削力，v为切削速度，E_u为超声能量密度，h为未变形切屑厚度，b为切削宽度，ρ为待加工材料的密度，c为声音在待加工材料的传播速度，v₁为剪切材料的移动速度。

根据本发明的一些实施例，步骤S2中，获得剪切强度τ与新表面形成所需的能量G的计算过程如下，

首先获得η_v的值，再根据能量守恒关系式和下列公式：

η_s＝τγ₁hbv；

η_n＝Gbv；

计算获得剪切强度τ与新表面形成所需的能量G；其中γ₁为剪切应变，β为刀具的摩擦角，γ为刀具前角，

为剪切角度。

根据本发明的一些实施例，其中γ₁、β、γ和

具有如下关系：

F_v＝F_ccosγ-F_fcsinγ；

F_u＝F_csinγ+F_fccosγ；

其中F_u为刀具前刀面的摩擦力，F_v为垂直刀具前刀面的法向力；F_fc为切削深度方向的切削力。

根据本发明的一些实施例，步骤S3中，单位时间内切屑断裂次数

其中Δt为切削力波动的上限值

与切削力波动的下限值

之间的时间差。

根据本发明的一些实施例，在步骤S4过程中，计算获得η_fr的数值，再依据下列公式，获得G_fr；

η_fr＝G_frA_frN；

为剪切角度。

根据本发明的一些实施例，其中

和

需要满足条件：

为总切削力的均值。

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。

具体实施方式

本发明实施例的一种超声振动辅助加工中材料的断裂韧性的快速识别方法，包括如下步骤：S1，进行超声振动辅助低速切削加工，以形成连续不断裂的切屑，并获得其切削参数和切削力；S2，根据能量守恒定律，计算获得材料的剪切强度τ与新表面形成所需的能量G；S3，进行超声振动辅助快速切削加工，获得其切削参数和切削力，并分析获得单位时间内切屑断裂次数N；S4，根据步骤S2获得的参数τ和G，并结合步骤S3获得的参数，通过能量守恒定律，计算获得材料的断裂韧性G_fr。

超声切削加工中的去除材料的断裂点是刀尖与第一剪切区域移除材料的接触点。作用在刀尖上的水平切削力是造成材料从工件上分离的主要因数。因此，作用在刀尖的单位面积的水平切削力等效为材料的断裂韧性，定义为G_fr，单位面积新表面能量形成需要的能量为G。

超声切削加工中，切屑形成过程中能量守恒，将切削输入能量设为η_v、剪切区域变形的能量设为η_s、刀具与切屑的摩擦能量设为η_f、新表面成型需要的能量设为η_n、切屑断裂能量设为η_fr，由能量守恒可得，各能量之间关系如下所示：

η_v＝η_s+η_f+η_n+η_fr……(1)；

其中，切削过程中的输入能量η_v为切削过程中切削力对应的能量η_v1及超声振动能量η_v2之和，即：η_v＝η_v1+η_v2。

其中超声振动能量η_v2为超声能量密度E_u与超声加工中切削面积的乘积，即η_v2＝E_ubh，其中b为切削宽度，h为未变形切屑厚度(切削深度)。

超声振动能量密度E_u的关系式如下：

E_u＝ρc(v₁)²。

其中ρ为待加工材料的密度，c为声音在待加工材料的传播速度，v₁为剪切材料的移动速度，即剪切速度(切屑相对工件的移动速度)v₁，v₁可通过如下关系式获得：

其中γ为刀具前角，

为剪切角度。

能量为功率与时间的乘积，即可定义单位时间的能量为功率。为了表述简单，将以上能量均定义为单位时间的能量，即功率。

切削过程中的单位时间的切削力输入能量的η_v1为切削水平方向(切削速度方向)的切削力F_c与切削速度v的乘积，即η_v1＝F_cv。

最终获得

剪切区域变形单位时间内的能量η_s为单位体积的应变能与单位时间内剪切的体积的乘积。

η_s＝τγ₁hbv

其中τ为剪切强度，γ₁为剪切应变，h为未变形切屑厚度(切削深度)，b为切削宽度，v为切削速度。

其中

其中γ为刀具前角，

为剪切角度

依据最小能量原则，即切削材料的能量对剪切角度求导应该为0，剪切角度为：

β为刀具的摩擦角；

其中摩擦角可以通过以下获得：

F_u为刀具前刀面的摩擦力，F_v为垂直刀具前刀面的法向力；

F_v＝F_ccosγ-F_fcsinγ；

F_u＝F_csinγ+F_fccosγ；

其中F_fc为垂直切削速度方向即切削深度方向的切削力。

切削过程中刀具与切屑的摩擦能量η_f为刀具与切屑的摩擦力F_f与切屑与刀具相对滑移速度v_s的乘积，即

η_f＝F_fv_s；

在切削过程中，水平方向的真实的切削力能量为原水平方向切削力形成的能量与新表面需要的能量之差获得。即

F′_cv＝F_fcv-Gbv

简化可得：F′_c＝F_c-Gb；F′_c为水平方向真实的切削力。

依据水平方向真实的切削力及其分力间的关系，刀具与切屑的摩擦力F_f为：

切屑与刀具的相对滑移速度v_s为：

则切屑与刀具的摩擦能量为：

切削过程中新表面形成需要的能量η_n为单位面积新表面形成需要的能量与单位时间内形成面积的乘积，即

η_n＝Gbv。

当进行超声振动辅助低速切削加工，会形成连续不断裂的切屑，由于不产生断裂的切屑，故η_fr＝0，

故公式(1)可简化为

η_v＝η_s+η_f+η_n……(2)。

当进行超声振动辅助快速切削加工时，锯齿状切屑形成过程中，材料断裂需要能量，即η_fr不为0，公式(1)为

η_v＝η_s+η_f+η_n+η_fr……(3)。

其中材料断裂需要的能量η_fr为材料的断裂韧性G_fr，断裂面积A_fr，单位时间内断裂的次数N决定，即

η_fr＝G_frA_frN。

A_fr为锯齿状切屑的截面积，即

单位面积内断裂的次数可以按照以下方式确定：

由于锯齿状切屑形成过程为切削过程中能量积累与释放过程，能量的积累与释放与切削力的波动一致，即切屑每形成一次，切削力波动一次，因此可以通过测试在锯齿状切屑形成过程中的切削力的波动来确定单位时间内切屑断裂次数N。定义总切削力F_R的均值为

可以通过在一定时间内采集了多少点的切削力，将所有点的切削力求和，再与点数相除，在采集切削力后，在测试切削力的软件中可以直接获得。

切削力波动的上限值为

切削力波动的下限值为

当满足条件：

即可采集相邻

和

之间的时间差，将该时间差设为Δt，则

下面具体介绍获得剪切强度τ与新表面形成所需的能量G的过程：

第一步，开展超声振动辅助低速切削加工(即形成连续切屑的切削速度)，其中不同加工条件(工件材料，刀具，冷却条件等)的切削速度不一样，约为0.03—0.07m/s，如0.03m/s、0.05m/s或0.07m/s均可。设定切削参数为切削速度v，切削深度为h,切削宽度为b,刀具前角为γ，加工形成连续切屑，通过力传感器采集切削速度方向的切削力F_c，垂直切削速度方向(切削深度方向)的切削力F_fc，总切削力F_R。

计算超声振动辅助加工中的平均摩擦角β和剪切角度

在连续切屑形成过程中，不存在切屑断裂，即不存在切屑断裂的能量，采用公式(2)。考虑到存在两个超声振动辅助加工材料的新表面形成能量G和超声振动辅助加工中材料的剪切强度τ的2个未知数，与超声振动速度相比，切削速度引起的材料的强度的改变可以忽略不计，即不同切削速度下超声振动辅助加工中材料的剪切强度不变，则我们至少开展两组不同速度的切削力实验，获得至少两组方程，以计算出材料的剪切强度τ与新表面形成能量G。

步骤S4的过程如下：

开展相对较快速度下的超声振动辅助加工切削力试验，其中切削速度以形成锯齿状切屑的临界速度，约为0.3m/s至0.7m/s，如0.5m/s。设定切削参数为切削速度v，切削深度为h,切削宽度为b,刀具前角为γ，采集切削速度方向的切削力F_c，垂直切削速度方向的切削F_fc，总切削力F_R和总切削力均值

然后分析总切削力的时域图，获得单位时间内的切屑断裂的次数N，计算超声振动辅助加工中的平均摩擦角度β，剪切角度

考虑到与超声振动速度相比，切削速度非常小，其引起的材料的剪切强度的改变非常小，忽略不计，故在形成锯齿状切屑下的材料剪切强度τ和新表面形成需要的能量G与形成连续切屑加工中一致，故为已知量，

那么在公式：

η_v＝η_s+η_f+η_n+η_fr……(3)中，

在求解过程中，依据公式(3)，只存在一个未知数，即材料的断裂韧性G_fr，开展一组切削力试验即可获得η_v、η_s、η_f、η_n，以此可获得η_fr的数值，再依据下列公式，

η_fr＝G_frA_frN；

可得关系式：

最后将数值代入即可获得材料的断裂韧性G_fr。

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。

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。

Claims (8)

1.一种超声振动辅助加工中材料的断裂韧性的快速识别方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，进行超声振动辅助低速切削加工，以形成连续不断裂的切屑，并获得其切削参数和切削力；

S2，根据能量守恒定律，计算获得材料的剪切强度τ与新表面形成所需的能量G，其中η_n＝Gbv，η_s＝τγ₁hbv，η_s为剪切区域变形的能量，η_n为新表面成型需要的能量，γ₁为剪切应变，h为切削深度，b为切削宽度，v为切削速度；

S3，进行超声振动辅助快速切削加工，获得其切削参数和切削力，并分析获得单位时间内切屑断裂次数N；

S4，根据步骤S2获得的参数τ和G，并结合步骤S3获得的参数，通过能量守恒定律，计算获得材料的断裂韧性G_fr，

η_fr为切屑断裂能量，

为剪切角度。

2.根据权利要求1所述的超声振动辅助加工中材料的断裂韧性的快速识别方法，其特征在于，步骤S2和S4中，能量守恒关系式均为：η_v＝η_s+η_f+η_n+η_fr；

其中η_v为切削输入能量、η_s为剪切区域变形的能量、η_f为刀具与切屑的摩擦能量、η_n为新表面成型需要的能量，η_fr为切屑断裂能量；当低速切削加工不产生断裂的切屑时，η_fr＝0。

3.根据权利要求2所述的超声振动辅助加工中材料的断裂韧性的快速识别方法，其特征在于，其中η_v＝η_v1+η_v2；

η_v1为切削过程中切削力对应的能量，η_v2超声振动能量；

η_v1＝F_cv；

η_v2＝E_ubh；

E_u＝ρc(v₁)²；

其中F_c为切削水平方向的切削力，v为切削速度，E_u为超声能量密度，h为未变形切屑厚度，b为切削宽度，ρ为待加工材料的密度，c为声音在待加工材料的传播速度，v₁为剪切材料的移动速度。

4.根据权利要求3所述的超声振动辅助加工中材料的断裂韧性的快速识别方法，其特征在于，步骤S2中，获得剪切强度τ与新表面形成所需的能量G的计算过程如下，

首先获得η_v的值，再根据能量守恒关系式和下列公式：

η_s＝τγ₁hbv；

η_n＝Gbv；

计算获得剪切强度τ与新表面形成所需的能量G；

其中γ₁为剪切应变，β为刀具的摩擦角，γ为刀具前角，

为剪切角度。

5.根据权利要求4所述的超声振动辅助加工中材料的断裂韧性的快速识别方法，其特征在于，其中γ₁、β、γ和

具有如下关系：

F_v＝F_ccosγ-F_fcsinγ；

F_u＝F_csinγ+F_fccosγ；

其中F_u为刀具前刀面的摩擦力，F_v为垂直刀具前刀面的法向力；F_fc为切削深度方向的切削力。

6.根据权利要求1所述的超声振动辅助加工中材料的断裂韧性的快速识别方法，其特征在于，步骤S3中，单位时间内切屑断裂次数

其中Δt为切削力波动的上限值

与切削力波动的下限值

之间的时间差。

7.根据权利要求6所述的超声振动辅助加工中材料的断裂韧性的快速识别方法，其特征在于：在步骤S4过程中，计算获得η_fr的数值，再依据下列公式，获得G_fr；

η_fr＝G_frA_frN；

为剪切角度，A_fr为锯齿状切屑的截面积。

8.根据权利要求6所述的超声振动辅助加工中材料的断裂韧性的快速识别方法，其特征在于，其中

和

需要满足条件：

为总切削力的均值。