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。      

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。     

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。     

超声振动辅助车削SiCp/Al切屑形成机理及表面粗糙度研究

目的 研究切屑形成机理对加工过程的影响。方法 超声振动辅助车削技术通过刀具振动的拟间歇切削特征控制切屑尺寸和切屑形态,从而提高了加工表面质量。针对SiCp/Al复合材料的切屑形成机理,探究常规车削和超声振动辅助车削的切屑形成过程。研究了颗粒分布对第一变形区变形阶段的影响,以及不同加工方式下切削参数对切屑形态的影响。最后,描述了切屑自由表面和刀-屑接触界面的颗粒损伤形式,以直观地描述常规车削与超声振动辅助车削SiCp/Al复合材料加工中切屑的形成过程。结果 通过测试加工后工件表面形貌发现超声振动辅助车削的切屑更加连续、切屑尺寸较小的加工表面粗糙度更小,常规车削的表面粗糙度为0.805μm,超声振动辅助车削的表面粗糙度为0.404μm,超声振动辅助车削比常规车削的表面粗糙度降低了49.8%。结论 与常规车削相比,超声振动辅助车削有利于减小切屑厚度。超声振动辅助车削得到的切屑更加连续,避免了切屑碎裂,促进了切屑的顺利排出。通过对切屑形态进行研究,选择最优切削参数可以有效提高工件表面质量。     

切削SiCp/6005Al复合材料的PCD刀具磨损

为研究SiCp/6005Al切削时的刀具磨损机制及刀具磨损对切削力、切削温度、工件表面质量的影响，进行不同转速V和不同进给速度f下的切削试验，观察每组试验刀具切削后的磨损形貌，并通过监测动态切削力和切削温度来探究刀具的磨损机制。结果表明：工件转速提高使切削温度明显升高，但对切削力的影响很小；进给速度提高使切削力明显升高，而切削温度的变化范围较小。改变进给速度带来的力载荷变化是影响前刀面磨损的主要因素，改变工件转速带来的切削温度变化是影响后刀面磨损的主要因素。此外，刀具磨损是磨粒磨损、黏结磨损的综合作用结果，且刀具磨损会对切削力、切削温度和加工表面质量产生不利影响。     

钛合金轴向超声振动铣削切削力仿真研究

针对钛合金难加工问题,将超声振动引入到对钛合金的铣削加工中,实现刀具、工件周期性接触分离,从而降低切削力、改善加工质量。以TC4为研究对象,以切削力为研究切入点,通过ABAQUS建立三维铣削仿真模型。对比分析超声铣削和普通铣削在切削力曲线特征以及数值大小上的差别,并通过观察切屑特征分析切削力的波动及稳定性。结果表明:轴向振动铣削有利于降低铣削过程中的切削力,提高切削稳定性。     

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。     

钛合金超声椭圆振动铣削参数对切削力的影响

钛合金航空薄壁结构件在铣削过程中受力形式复杂,切削力较大。超声椭圆振动切削的特点是切削刀具的刀尖按椭圆轨迹运动,进行高频间歇性切削,有助于降低切削力。铣削时改变切削参数将对切削力产生不同影响。采用自行研制的螺纹式椭圆激励式超声振动铣削刀柄装置,针对钛合金薄壁件进行实验,结果表明:相较于普通铣削,随着每齿进给量的增大,超声椭圆振动铣削均可减小钛合金薄壁件在铣削加工过程中的切削力,降幅可达35%以上。     

钛合金腹板高速超声椭圆振动铣削力研究

高速超声椭圆振动切削是使切削刀具刀尖附加椭圆振动进行的超声频断续切削,突破了超声振动加工对临界速度的限制。采用自行研制的螺纹式椭圆激励式超声振动铣削刀柄装置对钛合金腹板进行铣削试验,结果表明:随着高速超声椭圆振动切削的速度增大,切削力增幅明显,且相比于普通铣削所受到的切削力约少20%。     

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。     

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。     

铝合金超声振动切削实验研究

利用自行设计的20 kHz超声振动切削系统,在不同的切削速度下,对航空硬铝(7075)进行非传统式的普通切削和振动切削对比试验。试验结果表明:振动切削的加工效果明显优于普通切削,振动切削存在一个最佳切削速度,振动切削加工的切削力明显小于普通切削加工,振动切削在加工过程中更加平稳。     

钛合金高速切削切屑形成机理的有限元分析

钛合金在切削加工时容易产生锯齿状切屑，周期性的锯齿状切屑会引起切削力高频波动，从而影响加工表面质量和刀具寿命。然而其切屑形成的机理尚无统一的结论。本研究采用刚塑性有限元模型以及正交化Cockroft—Latham断裂准则，对钛合金Ti6A14V高速正交切削进行了仿真。仿真结果显示，周期性断裂理论能很好地解释钛合金锯齿状切屑形成的机理，主剪切变形区应力状态的变化是裂纹萌生与扩展的主要原因。研究结论与相关试验切屑显微照片特征相吻合，可以为实现钛合金高速切削提供理论依据和技术支持。     

超声加工技术研究进展

超声加工技术依靠瞬时高频振动撞击对工件断续加工,具有极强切削能力的同时,具有较小的宏观切削力,主要用于硬脆材料的精密加工,能提高加工精度和表面质量。首先,阐明了超声加工技术的基本原理及其基本应用范围。其次,综述了超声辅助切削加工技术的研究进展,着重论述了超声辅助铣削净切削时间模型的建立以及模型正确性验证,总结了加工参数对刀具运动轨迹、工件表面质量的影响,阐明了椭圆振动切削能有效抑制切削颤振带来不利影响的原因;探讨了超声辅助磨削技术在加工非金属和金属材料时,对表面质量以及工件表面温度分布的影响;综述了超声辅助钻削技术的切削力和进给速度与普通钻削参数的比较。再者,介绍了超声波加工技术的新发展方向,包括三维椭圆超声振动切削技术、超声ELID复合磨削技术、超声EDM复合加工技术、超声辅助抛光的工作原理及最新研究趋势和能实现的试验效果。最后,总结了目前对超声加工技术及超声辅助或复合技术的研究。     

GH4169高温合金轴向超声振动钻削加工实验研究

针对GH4169高温合金材料钻削加工困难、表面质量和加工精度要求高等难题,基于在普通车床上实现超声振动钻削加工的思想,设计了一套轴向超声振动钻削加工系统。利用该系统对GH4169高温合金材料做了轴向超声振动钻削与普通钻削的对比实验。结果表明:在不同的转速和振幅下,轴向超声振动钻削相对于同一实验条件下的普通钻削,可明显提高孔的加工质量,且在切屑形态和孔表面形貌等方面均有较大改善。