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。     

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。     

超声振动铣削2A12表面粗糙度实验研究

利用小径立铣刀对铝合金进行超声振动铣削实验,重点探讨了超声振幅与每齿进给量对工件槽底表面粗糙度的影响.实验结果表明:槽底表面粗糙随着超声振幅的增大而增大,在每齿进给量fZ<4μm/z时槽超声振幅为主要影响因素;每齿进给量fZ>6μm/z时每齿进给量为主要影响因素.在超声振动铣削加工中应尽量选择小进给量可获得较小槽底表面粗糙度.通过扫面电镜对工件微观形貌观测证实了施加振动后脉冲切削和断续切削双重作用导致槽底表面粗糙度增大.     

纳米磁性流体与表面织构对钛合金的协同减摩作用机制

目的 提高钛合金表面的摩擦学性能。方法 采用纳秒激光器在钛合金表面构造沟槽型微织构图案,并以水基纳米磁流体和去离子水为润滑剂,利用UMT-3摩擦磨损试验机探究了织构与纳米磁流体的协同减摩作用机制。结果 分析了不同润滑条件下,沟槽型织构的分布间距对钛合金表面摩擦磨损性能的影响,在织构与纳米磁流体的协同作用下,钛合金表面的摩擦学性能得到改善,织构间距为250μm时的摩擦学性能最好,摩擦因数最大降低约51.5%,磨损率最大降低77.6%。当织构间距过小,织构化表面承载区减少,导致织构磨损较快,而织构间距过大会弱化织构效果。其次,以最优织构间距为基础,进一步探究了不同表面织构形貌和深度对钛合金表面摩擦学性能的影响。最后,研究了最优织构参数下,滑动速度和加载载荷对钛合金减摩性能的影响。结论 在润滑条件下,织构的表面形貌和深度影响钛合金表面的摩擦学性能,织构深度太浅或太深时,其流体动压效应都会减弱,从而导致摩擦因数和磨损量增大;当产生足够大的动压效应时,织构边缘的凸起结构能够对织构起到保护作用,延缓织构磨损。     

激光加工表面微织构对陶瓷刀具摩擦磨损性能的影响

目的优选陶瓷刀具表面微织构形貌,以获得减摩性能较好的微织构。方法采用摩擦磨损实验,单因素研究微织构对陶瓷刀具摩擦磨损性能的影响。测定不同形貌织构刀具的表面摩擦系数,对比其表面磨损形貌,并通过有限元分析软件ABAQUS对微织构表面摩擦过程进行有限元仿真分析,研究不同织构对刀具应力分布的影响。结果在载荷90 N、转速300 r/min、时间30 min的条件下进行摩擦磨损实验,无织构刀具表面摩擦系数约为0.42;放射状微织构刀具的微织构方向与对磨副运动方向垂直,其摩擦系数最低,约为0.35。有限元仿真分析表明,无织构刀具应力集中出现在对磨副与刀具接触的前沿,约16.68~18.19 MPa,应力集中容易引起局部磨损;微织构方向与速度方向垂直时,等效应力值约为21.96~31.37 MPa,应力分布更为均匀,应力较大值分布在微织构沟槽的两侧,刀具更耐磨。结论相比于无织构刀具,加工微织构会使得刀具表面摩擦系数降低,耐磨损性能提高,应力分布更为均匀。     

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。     

激光表面织构化对45钢摩擦磨损性能的影响

目的研究表面织构对45钢干摩擦和乏油状态下摩擦磨损性能的影响。方法用激光加工的方法在45钢表面加工出不同面密度的凹坑织构,在UMT-2型多功能摩擦磨损试验机上以球-盘副考察凹坑密度在干摩擦和乏油条件下对45钢摩擦磨损性能的影响。结果在干摩擦条件下,织构密度在4%时,摩擦配副的摩擦系数最小,稳定摩擦系数为0.56。随着织构密度的增大,摩擦系数也逐渐增大,当织构密度增大至16.2%时,配副摩擦系数最大,稳定摩擦系数为0.72。在乏油条件下,织构密度在4%时,摩擦系数为0.39,小于未织构试样摩擦配副。凹坑密度增大后,其摩擦系数大于未织构试样,但是均在0.43左右。在干摩擦和乏油条件下,织构化试样的磨损率都小于未织构试样,并且随着织构密度的增大,磨损率先减小后增加,织构密度在8.1%时,抗磨效果最好。结论表面织构能收集磨粒,储存润滑油,从而起到良好的减磨作用。     

硬质合金基体微织构对TiAlN涂层摩擦性能的影响

采用光纤激光在硬质合金表面进行了激光微织构工艺(不同微凹坑直径、深度及织构密度),利用PVD法对微织构后的硬质合金表面进行TiAlN涂层沉积。在不同速度下(0.02m/s和0.04m/s)进行了摩擦磨损实验,对比分析了不同织构的摩擦系数,利用扫描电镜研究了表面磨损形貌,电子天平测量磨损量,并进行了磨损机理分析。结果表明,基体微织构后涂层表面的摩擦系数比基体无织构的摩擦系数稳定,微织构直径对基体涂层的摩擦磨损性能影响较大。基体微织构后的涂层具有较好的减摩效果。     

复合涂层/织构化钛合金的摩擦学性能

为解决钛合金/不锈钢配副中,钛合金耐磨性差,摩擦系数高且不稳定的问题,结合表面织构技术和复合固体润滑涂层技术对TC4(Ti-6Al-4V)进行表面改性,利用扫描电镜、摩擦磨损试验机、三维形貌仪等仪器对材料的表面形貌、成分和摩擦磨损性能进行研究.试验结果表明,表面织构与复合固体润滑涂层的协同作用可以显著改善钛合金的摩擦学性能,摩擦系数最低可以降至0.08左右;对于同一孔径织构面,面积率在20％～30％区间表现出最佳的耐磨性能,对于同一织构面积率,织构孔径越大耐磨性能越差.     

三角表面微织构对304钢摩擦学性能的影响

目的 研究表面三角微织构对304钢减摩抗磨特性的影响,扩宽奥氏体不锈钢应用范围,为改善304钢的耐磨损性能提供理论依据.方法 采用激光加工技术在304钢表面制备三角形微织构,其底边长200μm,高200μm.利用有限元ANSYS软件对油膜压力等参数进行仿真分析,并在MRTR-1多功能摩擦磨损试验机上检测表面织构化304钢的摩擦学性能,探究不同旋转直径(15、25、35 mm)及不同转速(100、200、300 r/min)下三角微织构的摩擦磨损情况,并采用扫描电子显微镜(SEM)分析工件表面的显微结构及形貌.结果 有限元仿真结果表明,三角微织构的存在使油膜内部的压力增大,并且转速越大,油膜承受压力越大,摩擦系数明显降低.试验结果表明,三角织构与无织构化表面相比,平均摩擦系数显著降低,最大降幅达14.89％.结论 激光加工三角织构的304钢摩擦磨损性能优异,且在旋转直径35 mm、转速300 r/min的条件下,减摩抗磨性能更好.主要作用机理为,接触表面间润滑液的及时有效补充,提供了"二次润滑"效应,并建立了连续的摩擦接触界面间的油膜,起到减摩抗磨的作用.     

超声振动对TC1钛合金板材成形性能的影响

通过超声振动辅助拉伸试验,研究了超声振动的频率、振幅及间歇振动方式等参数对TC1钛合金板材应力与应变、屈服强度、抗拉强度及延伸率等拉伸性能指标的影响。通过拉伸试件的组织和性能分析,研究了超声振动参数对TC1板材金相组织、断口形貌及维氏硬度的影响。研究结果表明,TC1钛合金板材拉伸过程中叠加一定频率、振幅的超声振动可以明显降低材料的屈服强度和抗拉强度,并且在一定工艺参数条件下还可以较大幅度提高材料的延伸率,而且对其组织和性能影响较小。     

纵扭复合超声端面铣削表面微结构建模与试验研究

目的 对纵扭复合超声端面铣削加工表面微结构进行预测,以优化加工参数。方法 对纵扭复合超声端面铣削进行运动学分析,并在其基础上建立三维运动轨迹方程。对刀尖轨迹仿真,且研究该运动方式下的加工特性。通过对切削刃和工件离散化建立纵扭复合超声端面铣削表面微结构理论模型,并利用MATLAB进行三维表面仿真。对TC4钛合金进行超声振动切削试验。结果 理论仿真和切削试验结果均表明超声纵扭端面铣削时,随振幅的增加,由振动引起的表面微观结构特征愈加明显。扭纵幅值比增大时,加工表面微观结构凹坑效应弱化,At/Al=0.55时,加工表面呈条形片状微观结构。振动频率和主轴转速会影响表面微观结构单元的疏密程度。结论 加工表面微结构的生成与振动频率、振幅、扭纵复制比、切削速度等加工参数相关,铣削实验得到的加工表面变化趋势与表面理论模型吻合,该表面模型能够优化超声加工参数。     

基于二维超声振动辅助的钛合金切削加工分析与试验研究

针对普通切削时钛合金表面质量较差的问题，将二维超声辅助切削用于钛合金的加工过程。对钛合金的超声振动切削理论进行分析，找出影响刀具运动轨迹及切削力的因素；设计基于二维超声振动的钛合金表面切削试验，研究超声振动对切削力、工件表面形貌以及刀具寿命的影响。结果表明:与普通切削相比，二维超声振动辅助切削可以有效降低加工中的切削力，减轻加工过程对刀具的冲击，提高刀具的耐用度；且在相同加工条件下，二维超声振动加工时的切削力下降了47.7%，工件表面轮廓平均高度减小了40.9%，刀具的使用寿命提高了近1倍。      

TC1钛合金板材的超声振动辅助V型弯曲工艺

针对钛合金板材弯曲过程中的质量问题,尤其是回弹问题,提出了在弯曲过程中对凹模叠加一定方向、一定频率和振幅的超声振动辅助弯曲方法,选择受回弹影响较大的TC1钛合金板材进行了V型弯曲过程的研究。分析了超声振动频率、振幅、振动时间等对TC1钛合金板材弯曲力、弯曲回弹量的影响规律。研究结果表明,TC1钛合金板材在V型弯曲过程中叠加一定频率、振幅及振动时间的超声振动,可以有效降低板材的弯曲力,减小弯曲后的试件回弹量,从而有效地提高了钛合金板材的弯曲性能,同时验证了超声振动对于提高TC1钛合金板材弯曲成形性能的可行性。     

TC4合金在不同环境介质中微动磨损行为研究

采用SRV-IV微动磨损试验台,研究TC4钛合金在空气和纯水介质中不同位移幅值下的微动磨损行为及其在模拟海水中的微动腐蚀特性,利用扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜分别对磨痕表面形貌、磨损体积及磨痕轮廓进行表征,分析了钛合金在不同环境介质中的微动磨损机制。结果表明:摩擦系数随位移幅值的增大呈现出先增大后减小的趋势,磨损体积随位移幅值的增大而增大;干摩擦条件下,摩擦系数较高且波动剧烈,磨损体积较小,磨损机制主要为磨粒磨损、粘着磨损并伴有氧化磨损;与干摩擦相比,水介质中的摩擦系数较低,磨损体积显著增大,且模拟海水中的摩擦系数更低更稳定,磨损轮廓更深,说明腐蚀与磨损之间存在"正"交互作用;TC4合金在纯水介质中的微动磨损机制主要为疲劳磨损和磨粒磨损,而在模拟海水中的微动磨损机制主要为磨粒磨损和腐蚀磨损。     

磁流体极性对钛合金表面织构的摩擦学性能研究

目的 研究磁流体的极性对钛合金光滑表面和织构表面摩擦学性能的影响。方法 以水基磁流体、煤油基磁流体、去离子水和煤油为润滑剂,在UMT?3摩擦磨损试验机上分别进行钛合金光滑表面和织构表面的摩擦磨损实验,得到极性不同的磁性颗粒对不同表面的摩擦因数、磨损量和磨损形貌的影响规律。结果 在光滑钛合金表面,极性磁性颗粒使得摩擦因数下降了8.42%,磨痕宽度下降了8.47%,磨损方式由严重的磨粒磨损和黏着磨损转变为轻微的磨粒磨损。非极性磁性颗粒使得摩擦因数上升了33.94%,磨痕宽度上升了42.20%,磨损方式由轻微的黏着磨损转变为严重的磨粒磨损。在织构表面,极性磁性颗粒的减摩作用进一步增强,而非极性磁性颗粒并没有明显的减摩作用。结论 采用不同极性磁流体润滑时,极性磁性颗粒更容易吸附在钛合金表面,从而增加油膜的厚度和刚度,减小其摩擦因数。     

TD3钛合金离子渗氮层的摩擦磨损性能

采用等离子表面渗氮技术对TD3合金进行渗氮处理,并对渗氮层显微组织、相组成及硬度进行检测。对渗氮前后TD3合金分别进行常温(25 ℃)及600 ℃的摩擦磨损试验,分析摩擦温度对其摩擦因数、磨痕形貌及磨损率的影响;结果表明,离子渗氮处理后TD3合金表面形成一定厚度的氮化物层,氮化物层在降低摩擦因数的同时,显著降低了TD3合金的磨损率,温度由25 ℃升至600 ℃时,磨痕形貌变化较大,摩擦因数及磨损率也有一定幅度的增加。     

含双氧水磨液对铝合金滚磨光整加工的影响

目的探索含双氧水磨液对铝合金试件滚磨光整加工后表面质量的影响及作用机理。方法在相同条件下,配制含不同浓度双氧水的磨液作为液体介质,对铝合金试件进行滚磨光整加工实验及摩擦磨损实验,测量铝合金试件滚磨光整加工前后的表面粗糙度值,并表征铝合金试件滚磨光整加工前后的表面形貌以及摩擦磨损实验后的磨痕形貌。分析摩擦磨损实验后,铝合金试件表面元素的变化情况,以及滚磨光整加工后,铝合金试件硬度随表面深度的变化情况。结果含双氧水磨液作用下的试件的表面粗糙度值下降率大于去离子水条件下的值,且其摩擦系数和磨损量明显小于去离子水及干式摩擦磨损作用下的值。试件表面初始粗糙度值较小时,含双氧水磨液对滚磨光整加工铝合金试件的作用明显,其中双氧水体积分数为0.3%的磨液作用下Ra从未加工时的0.220μm减小到0.055μm,表面粗糙度值下降率为74%。结论含双氧水的磨液对较低初始表面粗糙度值的铝合金试件经滚磨光整加工后的表面质量具有重要作用。由于磨液对铝合金的吸附、润湿作用,使得其在滚磨光整加工中具有一定的润滑性、清洗性,并且摩擦作用下会使铝合金表面发生一定的摩擦化学反应。磨液中的双氧水加快了铝合金表面的腐蚀氧化反应,并将氧化产物以颗粒的形式拔出表面。滚磨光整加工作用硬化了铝合金表面,提高了其机械性能。