CN114137070A - 一种识别超声振动切削扬矿管螺纹中超声软化系数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种识别超声振动切削扬矿管螺纹中超声软化系数的方法，本发明能够区分超声造成的热软化，声软化及超声振动改变应变造成的材料软化或硬化，提供了一种快速准确识别声软化系数的方法，为分析切削过程中的物理现象奠定了基础。

Description

一种识别超声振动切削扬矿管螺纹中超声软化系数的方法

技术领域

本发明属于机械领域，尤其涉及一种识别超声振动切削扬矿管螺纹中超声软化系数的方法。

背景技术

超声振动能够显著降低切削力与切削温度，提高工件质量与刀具的寿命，其广泛用于各类高强度高硬度材料的加工。高强度高硬度材料广泛作为扬矿管材料，以满足扬矿管的周期交变大载荷工况的要求。但是超声振动对材料的声软化系数的识别方法比较复杂，且难以准确识别。传统的声软化系数识别方法是通过在拉伸压缩试验机上增加超声振动设备，通过试验测试获得材料在不同超声振动下的强度，从而获得应力，其设备复杂，需要多个拉伸试验，一个试验只能测的一组数据，成本较高。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种识别超声振动切削扬矿管螺纹中超声软化系数的方法。本发明能够区分超声造成的热软化，声软化及超声振动改变应变造成的材料软化或硬化，提供了一种快速准确识别声软化系数的方法，为分析切削过程中的物理现象奠定了基础。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种识别超声振动切削扬矿管螺纹中超声软化系数的方法，包括如下步骤：

步骤一、建立超声振动下的应力模型；

步骤二、开展超声振动直角切削试验，根据应力模型得到超声振动辅助切削中的超声软化系数D。

进一步的改进，所述步骤一包括如下步骤：

所述超声振动下的应力模型表示为：

σ＝ρcU (28)

其中ρ为材料的密度,U材料内某一点的速度，c为声音在介质中的传播速度，σ表示超声振动下材料的应力；

超声密度I表示为：

超声振动的角频率表示为：

ω＝2πf (30)

材料内某一点的速度表示为

U＝ωξ＝2πfξ (31)

其中ξ为变形位移，等同与超声振动的幅值，f为超声振动的频率；

在超声振动下，材料内部的应力σ表示为：

σ＝σ_n(1-DI)^e (32)

其中σ_n为无超声振动下的材料的应力，D表示超声软化系数，e为另外一个超声软化系数，e＝1；

然后，超声振动下的应力表示为：

σ＝σ_n(1-4π²f²ξ²Dρc)^e (33)

其中超声软化系数D和e为衡量超声振动对应力影响的系数；

式(33)表示为：

σ＝σ_n(1-4π²f²ξ²Dρc) (34)

材料的切应力为：

超声软化系数D通过比较超声软化下的应力与无超声软化下的应力材料的剪切流动应力表示为：

τ_s,v＝τ_s,1(1-4π²f²ξ²Dρc) (37)

则超声振动辅助切削中超声软化系数D为

进一步的改进，所述步骤二包括如下步骤：

开展超声振动直角切削试验，获得超声振动下的材料剪切流动应力τ_s,v；

开展超声振动直角切削试验，剪切带的应变ε_v，应变率

表示为

其中v_v为超声振动下的切削速度,Δd_v为超声振动下剪切厚度；α_v表示超声振动后的刀具有效前角，α表示无超声振动时刀具的前角，φ_v表示超声振动后的剪切角度；

超声振动辅助加工中的进给量f_z为：

f_z＝h+h_vsin(2πf_vt) (12)

其中h_v超声振动的振动幅值,f_v超声振动的振动频率,h为常规直角切削加工中进给量；t表示为初始时刻开始到目标时刻的时间；

在超声振动辅助切削加工中，未变形切屑厚度与进给量等同，h_z为：

h_z＝f_z＝h+h_vsin(2πf_vt) (13)

h_z表示超声振动后进给量，即超声振动后刀具的未变形切屑厚度；

在无超声震动直角切削过程中，切削速度v_t为

v_t＝πn₁D_r (14)

其中D_r与n₁分别为切削过程中材料工件的旋转半径及转速；

在超声振动辅助加工中，超声振动引起的在刀具进给方向的速度v_v表示为：

v_v＝2πh_vcos(2πf_vt) (15)

则，在超声振动切削中，刀具的运动速度为：

v＝((v_t)²+(v_v)²)^0.5 (16)

无超声震动直角切削中切削速度与超声切削中的合成速度间的角度θ₁为

在超声切削中，刀具的有效前角为：

α_v＝α+θ₁ (18)

超声振动辅助加工，剪切角度为：

φ_v＝φ+θ₁ (19)

超声振动中剪切带厚度表示为：

h_z，v表示超声振动后的未变形切屑厚度；

超声切削中，剪切角度模型表示为：

τ_s，v表示超声振动后，材料的剪切强度，

超声切削中，剪切带的平均温度为：

T_r表示切削试验时的室内温度，

考虑到超声振动引起的应变，应变率，剪切角度，热软化，温度这些参数的耦合影响，超声振动下的剪切带的流动应力τ_s，1表示为：

T_v，v表示超声振动后剪切带的平均温度；

其中，f表示超声振动的频率，ξ表示超声振动的幅值，D表示超声软化系数，

在超声切削中的三个方向的平均切削力，切削速度F_tc,v,进给方向F_fc,v切削深度F_rc,v分别通过测试获得,切削合力F_c表示为

依据最大应力准则，超声切削中的剪切应力表示为：

F_s,v＝F_c,vcos45° (25)

依据公式(21)-(26),获得超声振动下的材料剪切流动应力τ_s,v，无超声软化下的流动剪切应力τ_s,1；

依据公式(27)计算超声振动辅助切削中超声软化系数D：

考虑超声的声软化对材料影响，依据超声振动下的应力模型，材料的剪切流动应力表示为：

τ_s,v＝τ_s,1(1-4π²f²ξ²Dρc) (27)

则计算得到超声振动辅助切削中超声软化系数D为:

进一步的改进，还包括步骤三、开展无超声振动下的直角车削试验，得到无超声下材料的流动剪切应力τ_s；然后根据无超声下材料的流动剪切应力τ_s和超声振动下的剪切带的流动应力τ_s，1：得到刀具振动运动材料影响系数k：

刀具振动运动材料影响系数k即超声振动辅助加工中，超声振动引起应变，应变率，剪切角度，热软化，温度参数对材料应力的影响系数。

进一步的改进，所述步骤三中，无超声下材料的流动剪切应力τ_s通过如下步骤获得：

无超声振动直角切削实验，

切削速度方向的切削力分量F_tc,进给方向的切削力分量F_fc，切削深度方向的切削力分量F_rc通过在直角车削中测试获得,则切削合力F_c表示为：

依据切削中最大剪切应力准则，剪切应力表示为：.

F_s＝F_ccos45° (8)

其中，b表示切屑宽度，与切削参数中的切削深度等效；h表示未变形切屑厚度，与切削参数中；

根据公式(1-9),获得在无超声下材料的流动剪切应力τ_s。

本发明优点为：

本发明能够区分超声造成的热软化，声软化及超声振动改变应变造成的材料软化或硬化，提供了一种快速准确识别声软化系数的方法，为分析切削过程中的物理现象奠定了基础。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明的技术方案作具体说明。

1.无超声下的材料剪切应力

开展无超声振动下的直角车削试验。

在传统切削直角切削过程中，剪切处的应变及应变率分别为：

其中v为切削速度,Δd为剪切区域的厚度.

根据已有的公开技术，可通过测试不同切削参数下的剪切角度，拟合获得剪切角度的数值模型，为：

其中c₂材料的比热容，ω为材料的传热系数。这是材料的性能参数，已知的。α刀具前角度，已知的,τ_s材料的强度,ρ材料的密度,ξ₁与ξ₂为通过切削试验拟合获得，一般为0.8,0.4。

剪切区域的厚度可表示为：

其中h_z为进给量，已知的。

切削过程中，剪切带的平均温度可表示为：

其中

为材料的泰勒-昆尼系数，一般取为0.85，ρ为材料的密码,τ_s为材料的流动应力.

依据材料的本构模型，剪切带的流动应力可表示为：

其中

剪切带的参考应变率,T_v,T_m,T_r为剪切带在切削中的温度,剪切带的熔点及室内温度.A,B,C,m与n是材料在J-C材料本构中的系数.均为已知的。

在三个方向的切削力分量为：切削速度方向F_tc,进给方向F_fc，切削深度方向F_rc可通过在直角车削中测试获得,则切削合力F_c表示为

依据切削中最大剪切应力准则，剪切应力可表示为：.

F_s＝F_ccos45° (8)

根据公式(1-9),可以获得在无超声下材料的流动剪切应力τ_s

2.超声软化下的应力

开展超声振动直角切削试验，剪切带的应变，应变率可表示为

其中v_v超声振动下的切削速度,Δd_v为超声振动下剪切厚度。

超声振动辅助加工中的进给量f_z为：

f_z＝h+h_vsin(2πf_vt) (1)

其中h_v超声振动的振动幅值,f_v超声振动的振动频率,h为常规直角切削加工中进给量。

在超声振动辅助切削加工中，未变形切屑厚度与进给量等同，h_z为：

h_z＝f_z＝h+h_vsin(2πf_vt) (2)

在直角车削过程中，切削速度v_t为

v_t＝πnD_r (3)

其中D_r与n分别为切削过程中材料工件的旋转半径及转速。

在超声振动辅助加工中，超声振动引起的在刀具进给方向的速度表示为：

v_v＝2πh_vcos(2πf_vt) (4)

则，在超声振动切削中，刀具的运动速度为：

v＝((v_t)²+(v_v)²)^0.5 (5)

传统切削加工中切削速度与超声切削中的合成速度间的角度θ₁为

在超声中，刀具的有效前角为：

α_v＝α+θ₁ (7)

其中α刀具的前角，与刀具结构相关，已知。

超声振动辅助加工，剪切角度为：

φ_v＝φ+θ₁ (8)

其中φ为常规直角切削中的角度

超声振动中剪切带厚度可表示为：

超声切削中，剪切角度模型可表示为：

超声切削中，剪切带的平均温度为：

考虑到超声振动引起的应变，应变率，剪切角度，热软化，温度及这些参数的耦合影响，剪切带的流动应力可表示为：

考虑超声的声软化对材料影响时，依据(3.声软化系数模型)材料的剪切流动应力可表示为：

τ_s,v＝τ_s,1(1-4π²f²ξ²Dρc) (16)

在超声切削中的三个方向的平均切削力，切削速度F_tc,v,进给方向F_fc,v切削深度F_rc,v可通过测试获得,切削合力F_c表示为

依据最大应力准则，剪切应力可表示为：

F_s,v＝F_c,vcos45° (18)

依据公式(13)和(19),可获得超声振动下的材料剪切流动应力τ_s,v；

依据公式(15-16),可以计算超声振动辅助切削中声软化系数；

1.声软化系数模型

超声振动下的应力模型可表示为：

σ＝ρcU (1)

其中ρ为材料的密度,U材料内某一点的速度，c为声音在介质中的传播速度.

超声密度可表示为：

超声振动的角频率可表示为：

ω＝2πf (3)

材料内某一点的速度可表示为

U＝ωξ＝2πfξ (4)

其中ξ为变形位移，等同与超声振动的幅值，f为超声振动的频率.

在超声振动下，材料内部的应力可表示为：

σ＝σ_n(1-DI)^e (5)

其中σ_n为无超声振动下的材料的应力.

然后，超声振动下的应力表示为：

σ＝σ_n(1-4π²f²ξ²Dρc)^e (6)

其中D和e为衡量超声振动对应力影响的系数.常数e设定为1.

上式可表示为：

σ＝σ_n(1-4π²f²ξ²Dρc) (7)

超声软化系数D可通过比较超声声软化下的应力与无声软化下的应力获得。

超声振动声软化下的应力可表示为：

其中σ_n为无超声振动下的材料的剪切应力。

得到刀具振动运动材料影响系数k：

刀具振动运动材料影响系数k即超声振动辅助加工中，超声振动引起应变，应变率，剪切角度，热软化，温度参数对材料应力的影响系数。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但并不仅仅限于说明书和实施方案中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (5)

1.一种识别超声振动切削扬矿管螺纹中超声软化系数的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、建立超声振动下的应力模型；

步骤二、开展超声振动直角切削试验，根据应力模型得到超声振动辅助切削中的超声软化系数D。

2.如权利要求1所述的种识别超声振动切削扬矿管螺纹中超声软化系数的方法，其特征在于，所述步骤一包括如下步骤：

所述超声振动下的应力模型表示为：

σ＝ρcU (28)

其中ρ为材料的密度,U材料内某一点的速度，c为声音在介质中的传播速度，σ表示超声振动下材料的应力；

超声密度I表示为：

超声振动的角频率表示为：

ω＝2πf (30)

材料内某一点的速度表示为

U＝ωξ＝2πfξ (31)

其中ξ为变形位移，等同与超声振动的幅值，f为超声振动的频率；

在超声振动下，材料内部的应力σ表示为：

σ＝σ_n(1-DI)^e (32)

其中σ_n为无超声振动下的材料的应力，D表示超声软化系数，e为另外一个超声软化系数，e＝1；

然后，超声振动下的应力表示为：

σ＝σ_n(1-4π²f²ξ²Dρc)^e (33)

其中超声软化系数D和e为衡量超声振动对应力影响的系数；

式(33)表示为：

σ＝σ_n(1-4π²f²ξ²Dρc) (34)

材料的切应力为：

超声软化系数D通过比较超声软化下的应力与无超声软化下的应力材料的剪切流动应力表示为：

τ_s,v＝τ_s,1(1-4π²f²ξ²Dρc) (37)

则超声振动辅助切削中超声软化系数D为

3.如权利要求1所述的种识别超声振动切削扬矿管螺纹中超声软化系数的方法，其特征在于，所述步骤二包括如下步骤：

开展超声振动直角切削试验，获得超声振动下的材料剪切流动应力τ_s,v；

开展超声振动直角切削试验，剪切带的应变ε_v，应变率

表示为

其中v_v为超声振动下的切削速度,Δd_v为超声振动下剪切厚度；α_v表示超声振动后的刀具有效前角，α表示无超声振动时刀具的前角，φ_v表示超声振动后的剪切角度；

超声振动辅助加工中的进给量f_z为：

f_z＝h+h_vsin(2πf_vt) (12)

其中h_v超声振动的振动幅值,f_v超声振动的振动频率,h为常规直角切削加工中进给量；t表示为初始时刻开始到目标时刻的时间；

在超声振动辅助切削加工中，未变形切屑厚度与进给量等同，h_z为：

h_z＝f_z＝h+h_vsin(2πf_vt) (13)

h_z表示超声振动后进给量，即超声振动后刀具的未变形切屑厚度；

在无超声震动直角切削过程中，切削速度v_t为

v_t＝πn₁D_r (14)

其中D_r与n₁分别为切削过程中材料工件的旋转半径及转速；

在超声振动辅助加工中，超声振动引起的在刀具进给方向的速度v_v表示为：

v_v＝2πh_vcos(2πf_vt) (15)

则，在超声振动切削中，刀具的运动速度为：

v＝((v_t)²+(v_v)²)^0.5 (16)

无超声震动直角切削中切削速度与超声切削中的合成速度间的角度θ₁为

在超声切削中，刀具的有效前角为：

α_v＝α+θ₁ (18)

超声振动辅助加工，剪切角度为：

φ_v＝φ+θ₁ (19)

超声振动中剪切带厚度表示为：

h_z，v表示超声振动后的未变形切屑厚度；

超声切削中，剪切角度模型表示为：

τ_s，v表示超声振动后，材料的剪切强度，

超声切削中，剪切带的平均温度为：

T_r表示切削试验时的室内温度，

考虑到超声振动引起的应变，应变率，剪切角度，热软化，温度这些参数的耦合影响，超声振动下的剪切带的流动应力τ_s，1表示为：

T_v，v表示超声振动后剪切带的平均温度；

其中，f表示超声振动的频率，ξ表示超声振动的幅值，D表示超声软化系数，

在超声切削中的三个方向的平均切削力，切削速度F_tc,v,进给方向F_fc,v切削深度F_rc,v分别通过测试获得,切削合力F_c表示为

依据最大应力准则，超声切削中的剪切应力表示为：

F_s,v＝F_c,vcos45° (25)

依据公式(21)-(26),获得超声振动下的材料剪切流动应力τ_s,v，无超声软化下的流动剪切应力τ_s,1；

依据公式(27)计算超声振动辅助切削中超声软化系数D：

考虑超声的声软化对材料影响，依据超声振动下的应力模型，材料的剪切流动应力表示为：

τ_s,v＝τ_s,1(1-4π²f²ξ²Dρc) (27)

则计算得到超声振动辅助切削中超声软化系数D为:

4.如权利要求3所述的识别超声振动切削扬矿管螺纹中超声软化系数的方法，其特征在于，还包括步骤三、开展无超声振动下的直角车削试验，得到无超声下材料的流动剪切应力τ_s；然后根据无超声下材料的流动剪切应力τ_s和超声振动下的剪切带的流动应力τ_s，1得到刀具振动运动材料影响系数k：

刀具振动运动材料影响系数k即超声振动辅助加工中，超声振动引起应变，应变率，剪切角度，热软化，温度参数对材料应力的影响系数。

5.如权利要求4所述的种识别超声振动切削扬矿管螺纹中超声软化系数的方法，其特征在于，所述步骤三中，无超声下材料的流动剪切应力τ_s通过如下步骤获得：：

无超声振动直角切削实验，

切削速度方向的切削力分量F_tc,进给方向的切削力分量F_fc，切削深度方向的切削力分量F_rc通过在直角车削中测试获得,则切削合力F_c表示为：

依据切削中最大剪切应力准则，剪切应力表示为：.

F_s＝F_ccos45° (8)

其中，b表示切屑宽度，与切削参数中的切削深度等效；h表示未变形切屑厚度，与切削参数中；

根据公式(1-9),获得在无超声下材料的流动剪切应力τ_s。