超声振动辅助铣削加工实验研究

通过实验研究了超声振动辅助铣削加工参数和振动参数对切削力与表面粗糙度的影响。在工件上施加沿进给方向的高频率、小振幅的超声振动。通过切削轨迹研究了超声振动切削的瞬时切削厚度,进而分析了切削力。以主轴转速、每齿进给量和振幅为参数,设计了一系列超声振动辅助铣削加工实验,并利用方差分析方法研究了各参数对切削力影响的显著性。研究结果表明:与未施加超声振动相比,施加超声振动后的切削力明显降低;超声振动铣削加工时对切削力的影响程度由大到小依次为振幅、主轴转速、每齿进给量;在特定的参数下,表面粗糙度也有所改善;表面形貌在同一振幅、不同进给量下存在明显差异。     

钛合金Ti-6Al-4V纵扭超声铣削残余应力试验研究

目的 提出将纵扭超声振动和铣削加工相复合,对钛合金Ti-6Al-4V进行试验研究,探索工艺参数对加工残余应力的影响规律,实现钛合金的压应力抗疲劳制造。方法 通过试验对比分析了纵扭超声铣削和传统铣削在切削力、切削温度和残余应力的差异性。采用正交试验和单因素试验相结合的方法,同时考虑因素交互作用,研究了加工参数、冷却润滑条件以及刀具磨损对加工残余应力的影响。结果 相较于传统铣削,纵扭超声铣削能够使平均切削力降低约16.3%,切削温度降低约25.6%,表面残余压应力值增加31.3%。在所选参数范围内,径向切深对表面残余应力的影响较大（贡献率为34.1%）,而振幅影响较小（贡献率为6.5%）。表面残余压应力值随着铣削速度、每齿进给量以及径向切深的增大有不同程度的降低,随着振幅的增大有一定程度的提高。采用乳化液作为切削液能够提高加工表面的残余压应力值,而干式切削能够获得和在水、油切削液条件下相当的加工表面残余压应力值。工件表面的残余压应力值随着刀具磨损的增加而逐渐减小。结论 纵扭超声铣削能够有效降低切削力和切削温度,提高加工残余压应力值,同时选择适当的工艺参数及润滑冷却条件可进一步增大表面压应力值,可作为一种可靠的压应力制造技术。     

纵扭复合超声螺旋铣孔系统的设计与试验

鉴于碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)的高铁构件上安装孔的制造质量差和加工效率低等问题,提出一种纵扭复合超声螺旋铣孔的加工工艺;基于运动合成原理,获得了刀尖点与端刃的空间运动轨迹,分析了纵扭复合超声螺旋铣削的椭圆振动加工特点;基于传输矩阵法及螺旋槽模态转换原理,推导了带刀具悬链过渡复合变幅杆的频率方程,实现了超声加工系统的纵扭复合振动,其间利用Ansys软件对设计的超声加工系统进行有限元计算,获得了不同结构参数对加工系统频率及扭纵振幅比的影响规律;对研制的超声加工系统进行切削性能测试,获得了较好的加工效果。     

微织构刀具超声铣削航空铝合金的研究

目的 为了提高7075航空铝合金的使用性能,将微织构刀具和纵扭复合超声铣削复合,形成一种微织构刀具超声复合铣削工艺.方法 通过微织构刀具铣削和微织构纵扭复合超声铣削两种加工方法,对7075-T6航空铝合金进行切削试验,分析主轴转速、每齿进给量以及铣削深度对工件表面粗糙度、残余应力、显微硬度和表面织构形貌的影响.结果 在切削参数相同的情况下,微织构纵扭复合超声铣削工艺所获工件表面粗糙度数值相较于微织构刀具铣削工艺加工工件降低了4.7％～13.2％,显微硬度增加了1.13％～2.35％,工件表面残余应力变为压应力,最大数值稳定在–10.84 MPa,加工工件表面形成了较为统一、规整的"鱼鳞网纹"织构形貌.其中,加工工件表面粗糙度数值与主轴转速成负相关关系,而与铣削深度、每齿进给量成正相关.加工工件表面显微硬度和残余应力则是随着主轴转速和每齿进给量的增大而增大,而铣削深度对加工工件的显微硬度和残余应力的影响不显著.结论 相比微织构刀具铣削,微织构纵扭复合超声铣削能有效地改善加工工件表面的完整性.     

纵扭超声辅助磨削氮化硅亚表面损伤及其试验研究

目的 探究纵扭超声辅助磨削工艺参数对氮化硅陶瓷亚表面损伤的影响规律。方法 首先,建立纵扭超声振动下单颗磨粒的切削轨迹及其切削弧长模型,分析纵扭超声辅助磨削独特的加工机理。其次,考虑砂轮表面磨粒的随机分布特性,并基于硬脆材料脆塑转变特性及其临界转角界定,给出纵扭超声辅助磨削单颗磨粒未变形切屑厚度的概率学模型,进而建立纵扭超声辅助磨削过程中单颗磨粒的平均法向磨削力模型。最后,建立纵扭超声辅助磨削氮化硅亚表面损伤深度模型,并进行试验验证。结果 纵扭超声振动的引入增大了纵扭超声辅助磨削过程中单颗磨粒的切削弧长,减小了单颗磨粒平均未变形切屑厚度,降低了单颗磨粒的法向磨削力,最终降低了氮化硅陶瓷亚表面损伤的深度,获得了较好的氮化硅陶瓷表面加工质量。氮化硅亚表面损伤深度随着超声振幅的增大而降低,当超声振幅为6μm时,亚表面损伤深度为5.65μm,相较于普通磨削亚表面损伤深度降低了33.6%。理论模型预测结果与试验结果趋势一致,预测结果与试验结果的最大误差为13.38%,平均误差为8.34%,因此该模型能够为氮化硅实际加工中亚表面损伤深度的预测提供一定参考。结论 纵扭超声辅助磨削能够有效降低氮化硅陶瓷...     

超声纵-扭复合铣削钛合金刀具磨损特性研究

目的采用超声纵-扭复合振动加工方法,获得较长的刀具使用寿命。方法采用理论建模与不同铣削振动方式,研究刀具磨损特性。通过超景深电子显微镜和粗糙度测试仪,分别对刀具微观形貌、工件表面粗糙度进行了分析;通过不同铣削方式加工钛合金材料,对刀具磨损特性进行了系统分析。结果与普通铣削和超声纵振铣削相比,超声纵-扭铣削方式下,刀具后刀面磨损减小,工件表面粗糙度降低。经测试,当去除面积为6356mm~2时,超声纵-扭复合加工刀具后刀面磨损量VB为103μm,分别比普通和超声纵振加工时降低了38μm和36μm。当去除面积为4530 mm~2时,Ra为1.2μm,普通铣削和超声纵振铣削的Ra则分别为1.62μm和1.38μm。由于超声纵振加工仅仅是在轴向方向实现了分离,后刀面时刻冲击着已加工表面,当去除面积为6356 mm~2时,刀具后刀面磨损量反有超出普通铣削的趋势。结论超声纵-扭复合加工从旋转方向内实现了刀-屑分离,在铣削过程中,极大地减少了刀具后刀面对已加工表面的冲击,从而使得刀具寿命有所延长,为高效加工、难加工材料提供了一种加工方法。     

6061-T6铝合金纵-扭复合振动超声深滚加工试验研究

基于纵-扭复合振动超声加工和超声深滚加工提出了纵-扭复合振动超声深滚加工工艺。采用普通深滚与纵-扭复合振动超声深滚2种加工方法对供应态6061-T6铝合金轴件进行表面强化处理,研究深滚工艺参数对加工表面质量的影响。结果表明:引入纵-扭复合振动后,超声深滚工艺参数对表面质量的影响规律与普通深滚不同,且在相同的工艺参数下,超声深滚所获得的表面粗糙度Ra值要小于普通深滚,最高降低约50%,而表面显微硬度和硬化率则有大幅提高,硬化率最高约为普通深滚的3倍,经纵-扭复合振动超声深滚处理后的表面更光滑,从而证明了纵-扭复合振动超声深滚加工工艺能更有效地实现6061-T6铝合金的强化处理。     

纵-扭复合振动超声深滚加工表面强化研究

目的基于纵-扭复合振动超声加工和超声深滚加工提出了纵-扭复合振动超声深滚加工工艺,研究各深滚工艺参数对工件表面强度的影响,以验证二维超声振动加工技术在表面强化技术领域的应用效果。方法采用单因素试验法对6061-T651铝合金轴件分别进行纵-扭复合振动超声深滚与常规深滚加工试验,然后用MH-5数显硬度计测试每组参数下的表面显微硬度,研究静压力、工件转速和进给量对工件表面显微硬度的影响,并将两种试验结果进行对比。结果在设定工艺参数内,纵-扭复合振动超声深滚工艺所获得的表面显微硬度均高于同等加工条件下常规深滚工艺。纵-扭复合振动超声深滚加工时,表面显微硬度随静压力和工件转速的增大先增大后减小,随进给量的增大先减小后增大再减小;常规深滚加工时,表面显微硬度与静压力近似呈线性关系,且随工件转速的增大先增大后减小,随进给量的增大一直减小。结论纵-扭复合振动超声深滚加工工艺能更有效地实现6061-T651铝合金的表面强化处理。     

超声振动辅助铣削加工钛合金表面摩擦磨损性能研究

目的研究超声振动辅助铣削加工钛合金表面形貌及摩擦磨损性能的优势。方法将0、6、12μm的超声振动振幅分别施加到铣削加工的进给方向加工TC4钛合金,得到不同加工参数条件下的表面形貌。用多功能扫描电子显微镜观察不同条件下的微观表面形貌,并且对不同表面的摩擦磨损性能进行了测试,分析了超声振动对表面摩擦磨损性能的影响。结果施加超声振动后,表面微观形貌与传统铣削加工存在较大区别。表面微观形貌不仅存在因进给速度产生的进给划痕,还存在一定规律的微观织构。摩擦磨损试验分析了干摩擦与润滑脂摩擦两种情况。干摩擦条件下,超声振动对摩擦系数的影响较明显,振幅为6μm时,摩擦系数有所减小;振幅为12μm时,摩擦系数有所增大。脂润滑条件下,摩擦系数变化较小。结论通过超声振动辅助铣削可以加工出具有一定微观形貌的表面织构,这些微织构的存在影响了加工表面的摩擦磨损性能,对于研究表面抗磨减阻性能有一定的作用。     

超声振动辅助加工表面微结构及其特性研究进展

针对超声振动复合加工方法种类繁多且表面微结构指征复杂等问题,阐述了表面微结构的内容和研究现状,论述了国内外超声切削、磨削、表面强化等方法的加工原理及超声振动加工表面微结构特性的试验研究方法,归纳了超声振动条件下表面粗糙度、表面微观形貌的建模方法及其特点,讨论了实验回归建模、数值解析建模和神经网络建模的研究进展,并预测了国内外超声振动表面加工的新技术领域和发展方向,对改善高性能难加工材料的表面微结构特性具有重要意义。     

激光选区熔化钛合金超声辅助铣削性能研究

目的 针对激光选区熔化钛合金开展超声振动辅助铣削性能和作用机理研究,提高增材制造钛合金表面加工质量、加工精度及加工效率,推动增材制造钛合金构件在高端装备业领域的广泛应用。方法 在传统铣削和超声振动辅助铣削下,采用聚晶金刚石刀具开展激光选区熔化钛合金铣削试验研究,分析不同条件下的表面硬度、切削力、表面形貌、表面粗糙度和切屑黏结的差异性。结果 激光选区熔化钛合金硬度单次测量及其平均值均高于传统钛合金。常规干铣削激光选区熔化钛合金时,切削力随着转速的增大而呈现下降趋势,随着进给速度和切削深度的增加表现出逐渐增大的趋势。在传统铣削下,传统钛合金表面形貌存在明显的刀具划痕,而超声振动铣削时,激光选区熔化钛合金表面形貌总体表现出更加的光滑和平整。激光选区熔化钛合金在常规铣削和超声辅助铣削过程中,刀具前后刀面都出现了严重的钛合金切屑黏结现象。结论 激光选区熔化钛合金常规干铣削时,增大转速或降低进给速度和切削深度能够降低切削力。在相同切削参数下,激光选区熔化钛合金超声铣削质量优于传统钛合金常规铣削表面质量。激光选区熔化钛合金表面质量改善的作用机理主要归因于激光选区熔化钛合金的金相组织特性及超声振动时断续切削特性的综合效应。相对于传统铣削方式,超声振动辅助铣削对改善激光选区熔化钛合金加工过程中的刀具抗黏结性效果有限。     

纵扭复合超声振动铣削SiCp/Al表面质量研究

SiCp/Al复合材料具有优异的性能,在航天航空、光学行业、汽车工业等高科技领域得到了广泛应用,但它在塑性和硬度之间差距巨大,使得超精密加工显得非常困难。建立超声铣削动力学模型,采用单因素法检测分析了SiCp/Al复合材料在不同主轴转速、铣削速度和铣削深度下的表面粗糙度与表面形貌,建模仿真了纵扭复合超声振动刀刃铣削轨迹,得到了影响加工表面质量规律及机制。研究发现主轴转速为3000 r/min、铣削速度为180 m/min时,表面粗糙度值最小;材料表面质量随铣削深度的增加而下降。为SiCp/Al复合材料铣削加工提供了合理工艺参数,提高了加工效率,降低了刀具磨损,延长了刀具使用寿命。     

纵扭复合超声振动切割铝蜂窝芯表面质量研究

铝蜂窝芯因具有特殊的薄壁网格状结构，传统加工方式往往伴随着变形和毛刺，这是限制铝蜂窝材料应用的关键因素。超声振动加工在减少加工缺陷方面具有很大的潜力。建立有限元模型并进行切削模拟，同时进行铝蜂窝芯切削实验，对铝蜂窝芯在不同振幅和不同主轴转速下切割的表面形貌进行探究，并对不同振幅下圆刀片的磨损程度进行对比。结果表明：与普通切削相比，纵扭复合超声振动切削能够获得更好的表面形貌，更有效地降低切削缺陷数目；随着振幅的增大，切削缺陷数目得到减少，刀具磨损程度得到降低，切削表面的均匀一致性也变得更好，但施加的超声振幅过高也会导致胞壁产生分离；主轴转速增大能够很好地改善胞壁变形和胞壁分离现象。同时，在1 350～2 700 r/min之内存在一个最佳转速，使得切削缺陷数目可以达到最少。     

超声振动辅助铣削研究进展

超声振动辅助铣削是一种将超声振动以不同方式施加到刀具或者工件上从而实现振动切削的加工方式,相比传统铣削,可有效降低切削力和切削温度,改善加工表面质量,提高零件的使用性能。通过系统地介绍超声振动辅助铣削在工艺参数选择、加工材料匹配等方面的研究进展,总结了现有研究和应用中存在的问题及解决方案。综合了近年来对不同振动方式的超声振动辅助铣削的研究进展,并对未来研究和应用的发展趋势进行了展望。     

氧化锆陶瓷旋转超声加工脆塑转变特性研究

目的揭示旋转超声振动对硬脆材料脆塑转变特性及工艺参数对材料脆塑转变临界切削深度的影响规律。方法以氧化锆陶瓷为研究对象,在硬脆材料压痕断裂试验基础上,从理论上分析了超声振动加工硬脆材料脆塑转变的临界条件,并进行了纵向振动及纵扭共振形式的旋转超声振动划痕与普通划痕对比试验。结果在相同试验条件下,超声振动划痕较普通划痕有较高的材料脆塑转变临界切削深度。适当地增大超声能量,纵扭共振比纵向振动具有更大的脆塑转变临界切削深度值;而随着进给速度的增大,纵向振动比纵扭共振具有更大的材料脆塑转变临界切削深度。结论通过不同划痕条件的对比,超声振动能有效提高氧化锆陶瓷的脆塑转变临界切削深度,增大塑性域加工范围,提高材料表面加工质量,验证了理论分析的正确性。     

超声椭圆振动切削技术及装置应用研究现状及进展

首先,阐述了超声椭圆振动切削技术、原理及其装置特点,着重论述了装置各构成部分的特点及其主要应用类型与材料。其次,分析了国内外学者在双激励、单激励方式下实现纵弯、纵扭、双弯曲和弯扭等复合超声振动装置结构设计及其优化方面的研究成果与进展,并且比较了超声椭圆振动切削与传统加工在加工性能、工件表面质量和加工精度等方面的加工优势与适用范围,以及不同超声振动装置在各切削加工中所能获得的加工效果。最后,对超声椭圆振动切削装置的发展趋势进行了总结和展望,指出该装置发展将朝着结合能场的方向发展。     

碳纤维/树脂基复合材料铣削表面粗糙度及表面形貌研究

目的研究了CFRP材料铣削加工过程中,部分主要工艺对CFRP材料加工表面质量的影响规律,为工艺参数优化,提高此类零件的表面质量提供依据。方法设计了CFRP材料铣削中的切削参数、刀具结构、加工方法与加工表面粗糙度及表面形貌之间的单因素试验。通过单调改变一个切削参数而其余切削参数不变,得到了工件表面粗糙度和表面形貌随切削参数、刀具结构、加工方法的变化规律。结果当铣削速度增大时,工件的表面粗糙度变化不大,表面微坑缺陷的数量却有所增加,但变小、变浅。当进给速度增大时,工件表面粗糙度呈上升趋势,表面缺陷也随之增加。无涂层多齿刀具铣削后的工件表面粗糙度最大,其次是金刚石涂层多齿刀具铣削的工件,最小的是金刚石涂层交错齿刀具铣削的工件。多齿刀具加工后的表面有较多的微坑缺陷,但普遍深度较浅且面积较小。交错齿刀具对分层缺陷的抑制作用最明显,但在左旋和右旋刀齿交错处容易出现较严重的加工缺陷。与普通机械加工方法相比,超声振动加工方法得到的工件表面质量较好,可以有效减少表面微坑缺陷,改善CFRP铣削加工表面质量。结论 CFRP材料铣削加工时,为了获得较好的加工表面质量,切削参数应选用较高的切削速度和较低的进给速度,切削刀具宜选用多齿带涂层刀具。和普通机械加工方法相比,超声振动铣削加工方法更为有利于获得好的表面质量。