摘 要

以橡胶为代表的弹性材料具有熔点低、导热系数小、热膨胀系数大、强度小和弹性回复大等特点，使用传统的机械加工方法很容易产生让刀和粘刀等不利的加工现象，难以满足其工业生产的需求。实践证明，振动切削技术具有减小切削阻力、降低切削热、提高切削精度和效率等优点，非常适用于弹性材料的切削加工。但是现有超声波振动切削装置需要换能器、变幅杆和超声波发生器等装置，结构较为复杂，容易受到环境因素的影响导致工作状况不稳定，并且大多数都是针对金属等刚性材料所设计。总的来说，现有文献对于振动切削技术在弹性材料方面的应用缺乏系统的研究。

针对上述应用需求，结合弹性材料的加工特点和振动切削技术的优点，本文设计了一种基于板簧柔性机构的振动切削装置。其中主要研究了正交振动切削技术的切削机理以及其对于弹性材料切削加工的优越性，优化了振动切削装置中的柔性板簧振动机构，借助Soildworks三维设计软件和Ansys有限元分析软件对机构进行建模及仿真分析，并加工出振动切削装置的模型，测试了装置的固有频率、振幅和误差等参数，通过实验验证装置的性能及理论计算的准确性。

研究结果表明，本文设计的振动切削装置可以实现振幅在0~1.5mm范围内的连续可调，其中的振动机构相比于现有的机构拥有更加优越的直线运动特性，可以有效的控制非振动方向上的误差、提高切削表面质量。 最后，本文根据实验结果分析了装置误差产生的原因和对切削质量的影响，所得的结果对振动切削技术在弹性材料实际生产加工中的应用和振动切削装置的进一步优化具有重要的指导意义。

关键词：振动切削技术；柔性板簧机构；有效前角；位移误差；偏转误差；

Abstract

The elastic material represented by rubber has the characteristics of low melting point, small thermal conductivity, large thermal expansion coefficient, small strength and large elastic recovery. It is easy to produce unfavorable processing phenomena such as knives and sticking knives by using conventional mechanical processing methods, which is difficult to satisfy. Its industrial production needs. Practice has proved that the vibration cutting technology has the advantages of reducing cutting resistance, reducing cutting heat, improving cutting precision and efficiency, and is very suitable for cutting of elastic materials. However, the existing ultrasonic vibration cutting device requires a device such as a transducer, a horn, and an ultrasonic generator. The structure is complicated, and it is easily affected by environmental factors, resulting in unstable working conditions, and most of them are for rigid materials such as metal. design. In general, the existing literature lacks systematic research on the application of vibratory cutting technology in elastic materials.

Aiming at the above application requirements, combined with the processing characteristics of elastic materials and the advantages of vibration cutting technology, this paper designs a vibration cutting device based on flexible mechanism of leaf spring. Among them, the cutting mechanism of orthogonal vibration cutting technology and its superiority to the cutting process of elastic materials are studied, and the flexible leaf spring vibration mechanism in the vibration cutting device is optimized. The mechanism is carried out by using Soildworks three-dimensional design software and Ansys finite element analysis software. Modeling and simulation analysis, and machining the model of the vibration cutting device, testing the natural frequency, amplitude and error of the device, and verifying the performance of the device and the accuracy of theoretical calculation.

The characteristics of this paper: The research results show that the vibration cutting device designed in this paper can achieve continuous adjustable amplitude in the range of 0~1.5mm, and the vibration mechanism has better linear motion characteristics than the existing mechanism. Effectively control errors in non-vibration directions and improve the quality of the cutting surface. Finally, based on the experimental results, the paper analyzes the causes of the device error and the influence on the cutting quality. The obtained results have important guiding significance for the application of vibration cutting technology in the actual production and processing of elastic materials and the further optimization of the vibration cutting device.

Key Words：Vibration cutting technology；flexible leaf spring mechanism；effective rake angle；displacement error；deflection error;

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究的背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 弹性材料的加工现状 1

1.2.2 振动切削技术的发展现状 2

1.3 本文的研究内容 3

第2章 振动切削装置的构造 5

2.1 振动切削技术的原理 5

2.2 振动切削装置的组成 7

2.2.1 振动机构的优化 7

2.2.2 激励模块的选取 8

2.3 本章小结 10

第3章 振动机构的仿真分析 11

3.1 振动机构的对比分析 11

3.2 振动机构的刚度分析 13

3.3 振动机构的应力分析 15

3.4 本章小结 17

第4章 振动切削装置的性能测试 18

4.1 装置的加工 18

4.2 振幅和固有频率的测量 19

4.2.1 振幅的测量 19

4.2.2固有频率的测量 20

4.3 误差的测量 22

4.4 本章小结 25

第5章 总结与展望 26

5.1总结 26

5.2展望 26

参考文献 28

致 谢 29

第1章 绪论

1.1 研究的背景及意义

在物理学中，弹性是指一个物体在外部载荷的作用下抵抗扭曲变形的能力，当外部载荷消除时，弹性大的物体能够完全恢复到原来的大小和形状。故弹性材料是指在施加载荷后发生变形，而卸载后形变可以完全恢复的材料，与之对应的刚性材料指的是在外部载荷的作用下不发生变形（理想状态下）或者发生微量变形的材料。

在工程中，材料的弹性是由两种类型的参数来描述的，第一种参数称为弹性模量，它是通过测量达到给定变形量所需的单位面积的力来得到的。第二类参数称为弹性极限，即发生永久变形前材料中可能出现的最大应力。故在描述材料的弹性时，必须同时考虑弹性模量和弹性极限，杨氏模量是弹性模量的一种，是物体发生弹性形变难易程度的表征。由于弹性材料的定义十分广泛，与刚性材料之间没有一个确切的区分标准，故本文所描述的弹性材料以橡胶为界限，特指弹性材料中杨氏模量小于0.0078Gpa的各种低模量、高弹性极限的材料。

常见的弹性材料有橡胶、塑料和琼脂糖等，它们广泛应用于各个领域。如橡胶，一种具有可逆形变的高弹性聚合物材料，在船舶和飞行器上的应用日益广泛，除了可以制作油封水封橡胶圈、耐油耐水的胶管、轮胎、皮碗、皮垫外, 还越来越多地用作密封、阻尼、减震和降噪材料等，随着科学技术的发展，船舶工业及船舶设备系统中将混合使用各种弹性材料^[1]；琼脂糖，其具有特殊的胶凝性质，有着显著的稳固性、滞度和滞后性，并且易吸收水分，已经广泛使用于食用、医药、化工、纺织、国防等领域。