航空难加工材料超声振动辅助切削技术现状及发展趋势

综述了钛合金、镍基高温合金及碳纤维增强复合材料等典型航空难加工材料超声振动辅助加工现状,在刀具上施加一维或二维超声振动可以提高航空难加工材料的切削加工性,具体表现为切削力降低、表面粗糙度改善、刀具磨损降低等。试验发现二维超声振动在切削航空难加工材料时效果更加显著。试验表明,未来开展超声振动加工与其它方式的复合加工将是进一步提高航空难加工材料切削加工性的有效手段。     

刀具磨损对TB6钛合金车削表面残余应力影响的研究

表面残余应力是表面完整性的重要指标,基于此研究刀具磨损对TB6钛合金车削表面残余应力的影响。应用计算机软件建立磨损刀具与TB6钛合金的有限元模型,仿真分析不同后刀面磨损量的刀具在车削过程中对切削力、切削温度和表面残余应力的影响,得到切削力、切削温度的变化趋势,以及进给方向和切削方向的表面残余应力受影响规律。     

TC4钛合金在低温CO2冷却下的切削性能

TC4钛合金在高速车削时易出现刀具磨损快和缠屑等问题,难以保证表面加工质量。利用自行组建的强压液态CO2供给系统,将低温CO2混合物高速射流作为冷却润滑介质,研究了低温CO2射流下高速切削TC4钛合金时的切削温度、切削力、刀具磨损、表面粗糙度以及切屑的断屑情况,并将其与干切削状况进行了对比分析。结果表明,低温CO2射流可有效降低切削温度,减小切削力,减轻切屑缠绕,抑制刀具磨损并提高已加工表面质量。     

Inconel 718合金超声振动切削质量与刀具寿命控制研究

超声振动切削UVC是解决难加工材料精细加工问题的理想方法。在对Inconel718合金同时进行UVC和传统车削法CT加工中,研究了切削参数（切削速度、进给量、切削时间）对刀具切削性能的影响。通过对刀具磨损、切屑形态和工件表面粗糙度的研究,发现在进行低速硬态切削时,UVC在切削表面质量和刀具寿命方面均优于传统车削加工。同时随着刀具－工件表面接触率TWCR的降低,刀具磨损和切削力随之降低,而工件表面质量和刀具寿命得到提高。     

钛合金的高质高效超声振动切削加工

作为一种广泛应用于航空航天领域内的难加工材料,钛合金的高质高效切削一直是机械加工领域中的热点问题.针对其加工过程中的力热聚集问题,一种将高压冷却方式辅助于垂直于切削速度方向振动分离的超声振动切削加工方法被应用于其高质高效加工.首先,刀具和工件周期性的分离条件通过数学方法导出.随后基于此开展了钛合金的车削试验,通过设定不同的切削参数(切削速度、进给量和切深)和冷却参数(冷却液压力),研究了切削力、切削温度、刀具磨损过程、工件表面质量和刀具寿命与相关参数之间的关系.试验结果表明,在满足分离条件的情况下,高压冷却状态下的超声振动切削加工能有效降低切削力和切削温度、延缓刀具磨损速度、改善表面质量和提高刀具寿命.在冷却液压力20 MPa的条件下,钛合金的切削速度能提至400 m/min并保证工件表面质量Ra不超过0.4 μm,实现了刀具长寿命和工件高质高效的切削精加工.     

金刚石刀具精密切削钛合金薄壁件试验研究

为满足航空发动机的减重、提高零部件的加工质量和对性能的要求,采用试验的方法,对航空用钛合金薄壁件进行精密切削加工研究,主要以表面加工质量为研究对象,并以其为约束,以提高效率为目的对切削参数进行优化,得到了较为可行的加工参数,并对表面粗糙度的变化规律进行分析研究,同时分析了金刚石刀具在精密切削钛合金薄壁件加工中,刀具磨损初期、中期和后期的磨损形式和成因,研究为实际型号钛合金薄壁零件的加工提供了一种改进加工工艺技术的方法。     

C/SiC复合材料超声扭转振动铣削抑制损伤产生的机理

传统铣削加工碳纤维增强碳化硅(C/Si C)复合材料极易产生加工损伤,而超声振动加工技术是切削难加工材料的理想方法之一。为了分析超声扭转振动铣削C/Si C复合材料抑制损伤产生的机理,以传统铣削加工为参照,在分析超声扭转振动铣削刀具运动轨迹的基础上,利用两种刀具在超声扭转振动铣削与传统铣削状态下对C/Si C复合材料进行铣槽加工,并对试验中切削力、刀具磨损情况和铣槽质量进行检测与分析。结果表明,切削力是影响加工损伤产生的重要因素,而施加超声扭转振动后两种刀具的切削力均低于传统铣削切削力,两种刀具的切削状态也得到了改善,其中硬质合金铣刀底刃磨损面积降低了23.7%,有效避免了槽壁加工表面崩边及毛刺现象。     

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。     

切削参数对高速切削钛合金刀具磨损的影响

钛合金具有抗腐蚀性、高耐热性以及比强度高等特点,广泛用于医疗化工、航天工业,然而由于其导热系数小、高温化学活性高,切削过程中刀具磨损严重、加工表面质量差等成为加工制造的难题。以Ti6A14V钛合金为研究对象,建立了切削力解析模型,分别选取PCD和TiAlN涂层刀具,通过单因素实验对比研究切削参数对两种刀具高速铣削Ti6Al4V的切削力变化规律,对刀具的磨损形态进行了分析,探究切削参数对高速切削钛合金刀具使用寿命的影响,试验表明:在相同切削条件下硬质合金PCD涂层刀具可有效提高刀具切削Ti6Al4V的使用寿命,该研究对提高国产刀具性能,实现钛合金的高速高效切削有着重要的现实意义。     

钛合金结构件变进给工艺分析北大核心

采用理论分析与有限元仿真分析相结合的方法,研究得出切削线速度与切削深度对切削力、切削温度的影响以及影响刀具磨损的主要参数为刀齿切削时的最大切削层厚度。在此基础上,提出了铣削加工钛合金飞机结构件的变进给切削加工方法,并通过实验证明与传统加工方法相比,减小了刀具磨损、提高了表面加工质量,并且能提升加工效率25%左右。     

钛合金结构件变进给工艺分析

采用理论分析与有限元仿真分析相结合的方法,研究得出切削线速度与切削深度对切削力、切削温度的影响以及影响刀具磨损的主要参数为刀齿切削时的最大切削层厚度。在此基础上,提出了铣削加工钛合金飞机结构件的变进给切削加工方法,并通过实验证明与传统加工方法相比,减小了刀具磨损、提高了表面加工质量,并且能提升加工效率25%左右。     

液氮低温切削钛合金实验研究

针对钛合金难加工特点,将液氮作为冷却介质直接喷向切削区进行钛合金TC4低温车削加工,测量其切削力、表面粗糙度和刀具磨损,并与干切削在相同实验条件下对比,分析低温切削对钛合金的影响。实验结果表明:低温切削钛合金,主切削力有所增大,但进给方向力减小,刀具磨损状况与表面质量得到改善,断屑相对容易。     

表面微织构刀具切削加工技术

刀面微织构改变了刀具与切屑之间的摩擦状态,表面微织构刀具在切削中能够降低刀具磨损、提高刀具寿命和切削性能,研究表面微织构刀具的切削加工技术具有重要意义。通过对表面微织构刀具切削加工技术进行综述,介绍了表面微织构刀具制备方法以及表面微织构刀具在切削加工过程中的切削力、切削温度、刀具磨损、工件加工表面粗糙度的影响规律,梳理了表面微织构在不同刀具上的应用,对表面微织构刀具切削加工技术的未来发展趋势进行了展望。     

超声振动改善深孔镗削加工质量

深孔加工在航空发动机制造过程中广泛存在,由于其刚性弱,静态让刀量大,导致加工颤振和刀具磨损严重,使得其加工质量难以得到保证。超声振动切削作为一种特种切削加工手段,具有降低切削力,提高系统刚性和抑制加工颤振等优势。将超声振动应用于深孔镗削,进行了断屑条件验证,孔径误差测量,已加工表面粗糙度测量以及表面形貌观测等试验。试验结果表明,超声振动镗削能够有效缓解深孔镗削过程中的堵屑问题,减小孔径误差和表面粗糙度,抑制切削颤振,从而改善深孔镗削加工质量。     

聚晶金刚石刀具振动切削不锈钢技术研究

使用聚晶金刚石刀具进行了超声波振动切削不锈钢的实验研究,研究了切削方式对切削力及已加工表面粗糙度的影响规律。通过对刀具磨损区微观形貌的观测,分析了PCD刀具切削不锈钢时的磨损机理。结果表明,化学磨损在金刚石刀具切削黑色金属时占主导地位。超声振动切削可明显减小切削变形、切削力及刀具磨损。     

切削介质对微细铣刀磨损影响的试验研究

在微细铣削加工中,尚缺乏切削介质对刀具磨损影响的研究.在干切削、浇灌切削液、微量切削液和低温冷风介质下,对6061铝合金进行了微细铣削试验,研究了刀具的磨损形式和机理、不同切削介质对刀具磨损、切削力和表面粗糙度Ra的影响规律.同时,确定出能减小刀具磨损和切削力,提高加工质量的最佳切削介质.结果表明:四种切削介质下刀具磨损的形式不完全相同,粘结磨损与磨粒磨损是造成刀具磨损的主要机理;切削力和表面粗糙度Ra的变化趋势可以辅助判断刀具磨损情况;相比于其它切削介质,微量切削液介质下刀具磨损小,切削力低,工件表面质量好,是微细铣削6061铝合金的最佳切削介质.为深入研究微细铣削刀具磨损和实际加工中选择切削介质有一定的参考价值.     

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。     

切削介质对微细铣刀磨损影响的试验研究

在微细铣削加工中,尚缺乏切削介质对刀具磨损影响的研究.在干切削、浇灌切削液、微量切削液和低温冷风介质下,对6061铝合金进行了微细铣削试验,研究了刀具的磨损形式和机理、不同切削介质对刀具磨损、切削力和表面粗糙度Ra的影响规律.同时,确定出能减小刀具磨损和切削力,提高加工质量的最佳切削介质.结果表明:四种切削介质下刀具磨损的形式不完全相同,粘结磨损与磨粒磨损是造成刀具磨损的主要机理;切削力和表面粗糙度Ra的变化趋势可以辅助判断刀具磨损情况;相比于其它切削介质,微量切削液介质下刀具磨损小,切削力低,工件表面质量好,是微细铣削6061铝合金的最佳切削介质.为深入研究微细铣削刀具磨损和实际加工中选择切削介质有一定的参考价值.     

TA15钛合金铣削试验及磨损分析

针对刀具磨损、切削力、粗糙度和铣削长度的关系,在切削液的条件下铣削TA15钛合金,研究硬质合金刀具整个加工过程中的刀具磨损、切削力、表面粗糙度和加工长度的关系,同时研究了刀具磨损对切削力和粗糙度的变化关系。结果表明:切削力随着铣削长度的增加而增加,涂层刀具的初期磨损阶段刀具磨损量及切削力上升缓慢;钛合金工件粗糙度随着铣削长度的增加先显著降低,再平稳上升,后显著上升;切削力随着刀具磨损增加而增加,粗糙度随刀具的磨损先显著降低,再逐渐增加。     

超声雾化辅助切削钛合金的表面质量和刀具磨损

为了减轻钛合金干式切削时的刀具磨损,提高试件表面质量,提出了一种水基切削液超声雾化辅助切削的方法.首先,以TC4钛合金为切削对象,进行了钛合金干式切削试验.然后,以纳米级水溶性油基切削液与去离子水混合后形成的乳化液为雾化介质,由超声雾化器转化为微小液滴并作用于刀工界面,进行了超声雾化辅助切削试验.最后,对比分析了超声雾化辅助前后,TC4工件表面粗糙度、刀具磨损、元素扩散和切屑形貌等情况.实验结果表明:与干式切削相比,超声雾化辅助切削后的钛合金表面粗糙度降低47.6％、后刀面刀具磨损值最大降低36μm、刀具表面Ti、O元素含量分别从78.72％、6.32％减少到75.49％、1.85％.