摘 要
车削加工过程中，刀具与工件之间常常产生振动。这种对加工有害的振动不但会影响工件表面质量，更会损害车刀，影响加工效率，降低车刀及车床的使用寿命。金属切削加工过程中，切削力反映了切削过程中刀具和切屑、已加工表面的摩擦挤压程度，可以反映切削过程中刀具受力，为研究刀具磨损提供依据。并且切削力的大小直接影响到加工表面的残余应力及加工变形，在细长轴加工时，尤其需要控制切削力，研究刀具震动对切削力的影响具有十分重要的意义。
关键词： 刀具振动 切削力 有限元仿真
文献综述
1 研究背景及意义
车削振动是发生在机床闭环车削系统的一种动态不稳定现象,不但会造成零件表面加工精度降低、刀具磨损及崩刃等危害,也是引起车削噪声的主要原因。刀具在切削加工中将逐渐产生磨损.当刀具磨损达到一定程度后,可以明显地发现切削力加大,切削温度上升,产生振动.同时,工件尺寸也可能会超出公差范围,已加工表面也明显恶化.此时,必须对刀具进行重磨或更换新刀,刀具振动对切削力影响关系到切削加工的效率、质量和成本,因此它是切削加工中极为重要的问题之一 [1][1]。
普通切削时，由于车刀挤压高速回转的工件，使车刀产生一定的静位移，以及利用与该位移相重叠的车刀刀尖的振动以形成切屑，就需要大功率的电机。也就是说把工件加工成要求形状的动能和使刀尖产生振动的能量，都来源于远离刀架的电动机转子的能量来供给。普通切削的切削力的波形，如果用傅里叶级数来近似表示的话，虽说可以形成在 Pmean 的直流成分上用粗线表示的 Psinwt 的正弦波形，但是由于频率和振幅的变化范围较大，形成在 Pmean 的直流成分上叠加了以细线表示的复杂波形的交流成分。这种无规律而变化范围较大的振动频率所引起的工件，切削工件的线弹性振动现象，以及由高速旋转所产生的大量的切削热，都会给工件带来不良影响。
随着科学技术的不断进步，精密以及超精密加工在工业加工中所占比重越来越高，对于一些特殊材料及复杂形状的加工表面，很难用普通加工方法达到加工要求，或者加工效率低下，这就使得超声振动加工这种特种加工技术迅速成为材料加工领域的一种新技术。超声振动车削加工技术在材料的加工方面具有改善表面质量、降低切削热、减小切削力等工艺效果【2】。在金属材料的切削过程中，工件在高温、大应变下发生弹塑性变形，被切削材料在刀具的作用下变成切屑时的时间很短，而且被切削层中各处的应变、应变速率和温度并不均匀分布且梯度变化很大。因此能反映出应变、应变速率、温度对材料的流动应力影响的本构方程，在切削仿真中极其关键。
有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段【3】。
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