纵扭超声铣削残余应力三维有限元仿真与试验

针对钛合金等航空难加工材料,提出采用纵扭复合超声振动辅助铣削的加工方法以实现压应力抗疲劳制造。根据侧铣-顺铣加工特性,基于热力耦合作用建立了钛合金铣削等效三维有限元仿真模型,有效提高了计算效率,实现了刀具作为载体的纵扭超声振动仿真。根据铣削残余应力的形成机理,通过机械应力和热应力的加载-释放,完成了加工残余应力的仿真。利用所建立的有限元模型,从切削力、切削温度以及加工残余应力角度出发,对比分析了传统铣削和纵扭超声铣削的差异性,得出纵扭超声振动能够有效降低切削力和切削温度,增大表面压应力值和压应力层深度。通过试验对纵扭超声铣削等效模型进行了验证,结果表明所建立的三维有限元模型能够以较高的精度对切削力、切削温度和加工残余应力进行预测;进一步通过数值模拟研究了刀具几何参数以及超声表征参数对加工残余应力的影响规律,为实现钛合金的压应力制造奠定了基础。     

超声纵扭辅助铣削TiAl合金表面质量及刀具磨损研究

TiAl合金属于典型难加工材料,采用传统方式加工难以获得良好的表面质量,因此文章提出采用超声纵扭辅助铣削TiAl合金。试验采用单因素对照方法,研究了超声纵扭铣削（ULTM）与普通铣削（CM）加工TiAl合金时工艺参数对表面粗糙度、表面形貌及显微硬度的影响规律。研究结果表明,ULTM铣削可以改善TiAl合金的表面粗糙度,获得普遍较低的粗糙度值（Ra<0.6μm）;ULTM对TiAl合金表面硬化具有强化作用,能使表面硬度平均提升超过10%,并且采用ULTM加工得到的工件和切屑表面质量都较好。此外,铣削150 mm3的TiAl合金时发现ULTM的刀具底刃磨损量明显减小,刀具主要发生氧化磨损和扩散磨损。     

纵扭共振旋转超声端铣碳纤维复合材料的试验研究

碳纤维复合材料加工中易产生分层、毛刺、撕裂等缺陷,是难加工材料。通过建立超声端铣碳纤维复合材料模型,分析两种角度下端铣碳纤维复合材料机理。采用纵扭共振旋转超声端铣和普通端铣碳纤维复合材料进行试验研究。试验结果表明:纵扭共振旋转超声端铣下,碳纤维复合材料已加工表面平整,刀具磨损少;而普通端铣条件下的已加工表面沟槽、凹坑较多,刀具磨损较大;超声端铣效果优于普通端铣。     

铣削方式和磨损刀对钛合金的加工硬化实验

通过顺逆铣、新刀或磨损刀一次铣削和二次铣削实验,研究了钛合金Ti-1023(Ti-10V-2Fe-3Al)加工硬化和加工硬化层深度。研究结果表明:用硬质合金刀片铣削钛合金Ti-1023,顺铣比逆铣加工硬化和加工硬化层深度小,新刀比磨损刀加工硬化小,新刀加工硬化层深度小于25μm,刀具磨损量VB=0.3 mm时,磨损刀加工硬化层深度最高可达81μm,其二次铣削将导致已加工表面软化。     

机器人纵振与纵扭超声铣削稳定性对比研究

针对工业机器人铣削大型航天器舱体支架存在颤振严重导致铣削平面度较低的问题,提出了机器人纵扭超声铣削新方法.分析了纵扭超声铣削刀尖运动轨迹,对比分析了机器人一维纵向超声铣削与机器人纵扭超声铣削的稳定域,并开展了两者的铣削力和铣削表面接刀痕对比试验.计算和试验结果显示:机器人纵扭超声铣削稳定域较机器人一维纵向超声铣削提升了 46.7％,各种工况下的铣削力平均降幅达到了 24.7％.同时,高频扭转振动的摄入使得机器人一维纵向超声铣削表面接刀痕高度差降低了 48.7％.上述结论为大型航天器舱体支架的机器人高精高效加工提供了技术基础.     

[绿色制造工艺和系统]高端金属零件微铸锻铣复合超短流程绿色制造方法及其能耗分析

基于绿色设计体系结构分析了绿色设计制造理念在增材制造技术中的体现,针对高端金属零件传统制造工艺流程长与能耗高这两个瓶颈问题,提出一种金属零件微铸锻铣复合超短流程绿色制造方法,并以一航空起落架外筒零件的制造过程为例,通过理论计算比较了新方法与传统方法的能源和材料消耗。研究结果表明：制造该外筒零件,传统制造方法与微铸锻铣复合制造方法相比,前者的能耗是后者的33.3倍,前者的材料消耗为后者的6.7倍,后者的生产周期由数月缩短为数天。该方法的提出,为我国大型复杂锻件的生产提供了一种超短流程、节能省材的绿色制造新模式。     

高端金属零件微铸锻铣复合超短流程绿色制造方法及其能耗分析

基于绿色设计体系结构分析了绿色设计制造理念在增材制造技术中的体现,针对高端金属零件传统制造工艺流程长与能耗高这两个瓶颈问题,提出一种金属零件微铸锻铣复合超短流程绿色制造方法,并以一航空起落架外筒零件的制造过程为例,通过理论计算比较了新方法与传统方法的能源和材料消耗。研究结果表明:制造该外筒零件,传统制造方法与微铸锻铣复合制造方法相比,前者的能耗是后者的33.3倍,前者的材料消耗为后者的6.7倍,后者的生产周期由数月缩短为数天。该方法的提出,为我国大型复杂锻件的生产提供了一种超短流程、节能省材的绿色制造新模式。     

非均匀介质超声铣削系统振动特性研究

采用纵扭复合超声振动铣削进行加工时,由于加工中心等空间受限场合对超声振动系统的尺寸限制,利用四分之一波长理论设计集换能器和复合变幅杆为一体的非均匀介质超声振动变幅系统,在变幅杆部分设计螺旋槽结构实现纵扭共振,并研究纵扭模态转换理论。对非均匀介质变幅系统进行有限元分析,仿真结果表明纵振系统固有频率理论值与仿真值接近,偏差仅为0.245%;对螺旋槽结构进行仿真发现槽深对其对超声变幅系统固有频率、扭纵幅值比例影响较大,螺旋角的影响次之,槽宽影响最小,振动系统测试实验表明固有频率和扭纵幅值比的仿真结果与实验结果变化趋势一致。分别对TC4钛合金和C/C碳纤维进行纵扭超声振动铣削和传统铣削实验对比,结果显示相对于传统铣削,在纵扭超声振动铣削加工中两组材料表面粗糙度值Ra分别下降78%和47%。纵扭复合非均匀介质超声振动铣削系统结构简单紧凑、振动幅值和方向可控性较好,采用纵扭超声振动铣削能有效提高工件表面加工质量。     

超声纵扭辅助铣削高强铝合金表面润湿性能研究

针对超声辅助加工在工件表面形成微刻划表面可以提高高强铝合金表面的微结构性能的现象,进行了单激励旋转超声纵扭复合铣削表面微观结构的试验,基于水接触角理论和纵扭铣削运动学理论分析了加工参数对水接触角的影响;搭建了单激励超声纵扭铣削试验平台,采用正交试验法研究了不同加工参数对表面粗糙度、铣削力以及表面润湿性能的影响。结果表明：超声振幅为4 μm时表面质量最佳,切削速度和进给量与表面粗糙度和水接触角呈正相关的关系;超声加工方式下的表面水接触角较普通方式更大,而在超声加工时低振幅加工比高振幅加工的表面水接触角大,当转速达到一定值时,高振幅和低振幅所加工的表面水接触角差别不大。合适的加工参数条件下超声纵扭加工方式可以降低加工表面的粗糙度,改变表面的润湿性。     

铣削减材工艺对激光熔覆增材Fe45合金表面质量的影响研究

针对激光熔覆增材再制造Fe45合金表面质量差,不能满足精密机械零部件的功能和装配要求,对激光熔覆层进行铣削减材加工。文章研究了铣削减材工艺对铣削力、表面粗糙度以及微观形貌的影响规律,采用正交试验方法进行了铣削减材试验。通过方差和极差分析方法,评价了主轴转速S、进给速度F、切削深度a_p对熔覆成型件铣削力和表面粗糙度的影响规律;从微观角度分析了铣削减材工艺对表面形貌和切屑的影响。结果表明,铣削减材工艺参数对成型表面质量影响较大,其中对铣削力影响最大的是铣削深度,对表面粗糙度影响最显著的是进给速度;Fe45激光增材成型件经过铣削加工后,表面粗糙度Ra由13.68μm最低可降至1.7μm,降低了87.6%。由实验可知,铣削减材工艺能够大幅提高激光熔覆增材再制造Fe45合金表面质量,对激光熔覆涂层机械加工具有指导意义。     

钛合金高速旋转超声椭圆振动侧铣削切屑特征和刀具磨损研究

难加工材料钛合金在采用传统铣削方式时,随着切削速度的增加,切削力和切削温度都迅速增加,使得切削条件恶化并加速刀具磨损,从而导致刀具过早失效。将超声椭圆振动加工技术引入到高速铣削中,进行了钛合金高速旋转超声椭圆振动侧铣削试验。从切屑特征以及刀具后刀面磨损两个方面研究了高速超声椭圆振动铣削参数匹配对钛合金加工的影响。首先基于高速超声椭圆振动铣削过程中刀具-工件的运动学特点推导出高速超声椭圆振动铣削加工参数与振动参数间的匹配关系,然后利用本实验室自行研制的超声椭圆振动铣削装置进行了不同参数匹配关系下的验证性切削试验。试验结果表明：合理的参数匹配使得超声椭圆振动铣削在高速条件下依然能够实现分离型断续切削加工。相比普通铣削加工,分离型的高速超声椭圆振动铣削能够获得更加微细的切屑,切削热能够被及时地带走;良好的切削条件使得刀具的后刀面磨损均匀而缓慢,从而延长刀具的使用寿命;高速超声椭圆振动铣削能够有效地提高生产效率。     

铣削钛合金加工表面形貌特征参数的预测

钛合金在铣削过程中受迫振动明显,刀—工接触关系不断变化,加工表面形貌特征参数难以预测,已成为制约加工表面质量进一步提高的瓶颈。针对铣削振动与加工表面形貌的非线性随机变化特性进行了切削钛合金试验,采用高斯过程回归法构建铣削振动作用下的加工表面形貌高斯过程模型。分析刀齿误差和铣削振动对加工表面形貌特征参数的影响规律,为以加工表面质量分布一致性为前提的铣削钛合金工艺设计提供参考依据。     

Tool wear rate prediction in ultrasonic vibration-assisted milling

Abstract

In the current study, a predictive model on tool flank wear rate during ultrasonic vibration-assisted milling is proposed. One benefit of ultrasonic vibration is the frequent separation between tool and workpiece as the cutting time is reduced. In order to account for this effect, three types of tool–workpiece separation criteria are checked based on the tool center instantaneous position and velocity. Type I criterion examines the instantaneous velocity of tool center under feed movement and vibration. If the tool is moving away from workpiece, there is no contact. Type II criterion examines the position of tool center. If the tool center is far from the uncut workpiece surface, there is no contact even though the tool is getting closer. Type III criterion describes the smaller chip size due to the overlaps between current and previous tool paths as a result of vibration. If any criterion is satisfied, the tool flank wear rate is zero. Otherwise, the flank wear rate is predicted considering abrasion, adhesion and diffusion. The proposed predictive tool flank wear rate model is validated through comparison to experimental measurements on SKD 61 steel with uncoated carbide tool. The proposed predictive model is able to match the measured tool flank wear rate with high accuracy of 10.9% average percentage error. In addition, based on the sensitivity analysis, smaller axial depth of milling, larger feed per tooth or higher cutting speed will result in higher flank wear rate. And the effect of vibration parameters is less significant.     

Ultrasonic vibration-assisted milling of aluminum alloy

The objective of this paper is to investigate the effects of assisted ultrasonic vibration in the operation of micro end milling. Based upon numerical analysis for the trajectory of a tool tip of a two-flute end mill, it was found that the assisted feed direction ultrasonic vibration can achieve separate-type milling that is different from conventional operation by reasonable parameter matching. To validate theoretical analysis and investigate the influence of ultrasonic vibration on milling process, a slot-milling experiment was conducted on an aluminum alloy work piece. The desired ultrasonic vibration was applied in the feed direction by an ultrasonic vibrator. Through investigating and comparing some experimental results involving cutting force, chip formation, surface topography, surface roughness, and machining dimensional accuracy, the authors found that micro end milling with ultrasonic vibration in the feed direction leads to a pulse-like cutting force and produces uniform small chips. Assisted ultrasonic vibration in the feed direction has a negative effect on the surface roughness of the slot bottom, but a positive effect on the dimensional accuracy of the slot width.     

高速铣削时钛合金刀具的磨损及对工件表面粗糙度的影响

观察高速铣削钛合金刀具时后刀面及被加工表面的形貌,通过对刀具后刀面磨损量和被加工表面粗糙度值的测量研究了刀具磨损对被加工表面粗糙度的影响,揭示了钛合金铣削加工时提高表面质量的规律。     

氧化锆生物陶瓷铣削的刀具磨损

为了研究完全烧结氧化锆陶瓷铣削过程中金刚石刀具的磨损及其对切削过程的影响,进行了氧化锆铣削实验。分析了刀具磨损带的扩展过程以及切削力随刀具磨损过程的变化规律。通过观测切削表面微观形貌随刀具磨损过程的演变,对刀具磨损与切削模式之间的关系进行了探讨,最后揭示了刀具磨损机理。研究结果表明：铣削氧化锆陶瓷时刀具磨损随切削过程从刃口扩展到后刀面,同时切削模式从延脆混合去除转变为完全脆性去除,刀具磨损模式是崩刃、剥落及石墨化磨损。     

曲面铣削过程加工路径对切削力和磨损的影响研究

针对不同走刀路径下的复杂曲面加工过程进行球头铣刀铣削Cr12MoV加工复杂曲面研究,分析不同走刀路径下铣削力和刀具磨损的变化趋势。试验结果表明:通过对比分析直线铣削和曲面铣削过程中的最大未变形切屑厚度,可以得出单周期内曲面铣削的力大于直线铣削过程的力,铣削相同铣削层时环形走刀测得的切削力普遍大于往复走刀测得的切削力;以最小刀具磨损为优化目标,运用方差分析法分析得出不同走刀路径的影响刀具磨损的主次因素,同时利用残差分析方法建立球头铣刀加工复杂曲面刀具磨损预测模型,并通过试验进行验证。     

覆盖件模具拼接特征对球头刀铣削振动的影响

为了分析曲面拼接特征对振动的影响,建立了考虑拼接特征、曲面特征的未变形切屑厚度模型;基于曲面拼接区的未变形切屑厚度建立了考虑时滞变化的铣削动力学模型,通过数值计算综合分析了过拼接缝时冲击振动、刀具轴向位置角、拼接缝宽度对铣削振动的影响;最后基于淬硬钢曲面拼接铣削实验验证了考虑曲面拼接特征的铣削振动预测模型的准确性,并基于不同拼接特征下的铣削振动计算出了相应的加速度信号幅值和分形维数。研究结果表明:淬硬钢曲面拼接特征使铣削振动的非线性特征减弱,某一频段的振动能量集聚,据此情况可分析出不同拼接特征下的最佳加工工艺参数。     

钛合金零件高速铣削刀具磨损的试验研究

高速铣削钛合金时,由于切削区内的切削温度高,加剧了刀具的磨损。通过对钛合金TC4的高速铣削实验,得出带TiA lN涂层的硬质合金刀具切削钛合金TC4时的刀具磨损的变化规律和刀具耐用度公式。通过对刀具磨损特性的分析,研究结果主要是刀具表面层的粘结相Co在高温下丧失对WC颗粒的结合强度,磨损机理以高温下的粘结层撕裂磨损为主。     

Surface generation modeling of micro milling process with stochastic tool wear

Micro milling is widely used to manufacture miniature parts and features at high quality with low set-up cost. To achieve a higher quality of existing micro products and improve the milling performance, a reliable analytical model of surface generation is the prerequisite as it offers the foundation for surface topography and surface roughness optimization. In the micro milling process, the stochastic tool wear is inevitable, but the deep influence of tool wear hasn't been considered in the micro milling process operation and modeling. Therefore, an improved analytical surface generation model with stochastic tool wear is presented for the micro milling process. A probabilistic approach based on the particle filter algorithm is used to predict the stochastic tool wear progression, linking online measurement data of cutting forces and tool vibrations with the state of tool wear. Meanwhile, the influence of tool run-out is also considered since the uncut chip thickness can be comparable to feed per tooth compared with that in conventional milling. Based on the process kinematics, tool run-out and stochastic tool wear, the cutting edge trajectory for micro milling can be determined by a theoretical and empirical coupled method. At last, the analytical surface generation model is employed to predict the surface topography and surface roughness, along with the concept of the minimum chip thickness and elastic recovery. The micro milling experiment results validate the effectiveness of the presented analytical surface generation model under different machining conditions. The model can be a significant supplement for predicting machined surface prior to the costly micro milling operations, and provide a basis for machining parameters optimization.