激光超声复合加工硬质合金的切削特性研究

研究了激光加热与超声椭圆振动复合切削条件下,使用CBN(立方氮化硼)刀具对硬质合金材料进行精密加工的切削特性。利用有限元仿真,分析硬质合金材料在普通切削、一维超声振动切削、超声椭圆振动切削与激光超声复合切削4种切削方式下的切削力变化特征。采用超精密车床与YAG激光器、自主研发的超声振动装置等辅助设备,实验研究了激光超声复合精密加工硬质合金的切削特性。通过一系列的对比实验,分析切削参数,如切削速度、切削厚度,对切削力的影响规律。仿真与实验结果表明,由于加工材料的软化和断续切削,激光超声复合辅助加工显著地降低了切削力,硬质合金的切削加工性能得到显著改善,通过工艺参数的优化,可以实现硬质合金的精密加工。     

超声振动辅助电解加工成形规律研究及试验

超声振动辅助电解加工可以有效提高加工效率、改善加工精度。对超声振动辅助电解加工成形过程进行了分析,研究其加工成形机理,并根据加工成形质量对加工参数进行优选。设计了3种不同截面形状的柱状阴极工具进行超声振动辅助电解加工微孔的试验研究,分析了极间脉冲电压、占空比和振动加工方式等参数条件对加工效率、表面质量及微结构入口尺寸的影响规律。试验结果表明,超声振动改善了电解加工时的微孔边界成形作用环境,在加工阵列微孔时具有显著优势。当超声振动同步辅助电解加工的高频脉冲电压为4 V、占空比为40%时,加工深度、关键尺寸和表面粗糙度值达到了综合最优值。此外,加工工具的截面形状对工件的成形和表面质量也有一定的影响。     

辅助气氛的激光强化加工实验

以激光打孔为例，研究辅助气氛（可强化氮气和金属粉末等）对激光加工质量的影响，提出了激光加工与强化“一体化”的思想。实验表明，经过辅助气氛的激光强化，孔的加工质量与精度有所改善，孔壁得到了强化，推广应用于等离子涂层的熔覆强化加工，表面硬度平均达１２００ＨＶ以上。     

超声振动光整的EDEM数值模拟与实验研究

采用EDEM离散元分析软件对普通钝化光整实验及带有超声振动辅助光整实验进行数值模拟,仿真结果为超声振动光整加工系统的提出提供了依据。使用超声振动光整设备对平头铣刀进行钝化实验,进行了不同钝化条件下的实验研究。通过扫描电镜观察了钝化前后铣刀的表面形貌及钝圆半径的变化,分析了超声振动光整对钝化效率及效果的影响。实验结果表明,增加了超声振动钝化后的钝化效率提高了约26%,表面形貌得到较大改善。     

超声振动辅助钻削BK7的试验研究

针对BK7光学玻璃在传统制孔过程中出现的入孔边缘质量差和轴向力大的问题,提出了采用50kHz超声波辅助加工装置,开展超声振动辅助钻削BK7的对比实验和加工参数单因素实验。从普通加工和超声振动辅助加工基本运动学角度深入分析了加入超声振动后轴向力减小的原因,以及不同振幅、转速对轴向力减小幅度的影响。研究结果表明：与传统钻削相比,金刚石套料钻超声振动辅助钻削不仅可以获得更小的轴向力,还可以有效提高入孔边缘质量,当振幅增大、转速降低时,增大了轴向力的减小幅度。     

激光超声复合加工硬质合金的切削力理论与试验

为了实现硬质合金的延性域加工,研究激光加热与超声椭圆振动复合切削条件下,使用CBN(立方氮化硼)刀具对硬质合金进行精密加工的切削特性。分析硬质合金在普通切削、超声椭圆振动切削与激光超声复合切削三种切削方式下的切削力变化特征,建立激光超声复合切削的切削力理论模型,采用超精密车床与YAG激光器、自主研发的超声振动装置等辅助设备,试验研究激光超声复合精密加工硬质合金的切削特性。通过一系列的对比试验,分析切削参数,如切削速度、切削厚度对切削力的影响规律。理论模型与试验结果表明,由于硬质合金的软化和断续切削,使得激光超声复合辅助加工显著地降低了切削力,硬质合金的切削加工性能得到显著改善,通过工艺参数的优化,可以实现硬质合金的精密加工。     

硅片纳秒激光附加电流打孔实验研究

针对硅片具有反射率高、吸收率低等缺点,为了提高纳秒激光(波长为355 nm)在硅片上打孔蚀除材料效率,设计附加电流场装置,建立单脉冲烧蚀阈值模型,经过实验计算得到硅片烧蚀阈值为1.885 J/cm²。采用电流场辅助激光环切式进行硅片打孔,分别在激光加工次数和附加电流不同时做实验研究,当激光加工次数较少而附加电流较大时,激光加工的微孔入口孔和出口孔直径均显著增加,锥度减小,蚀除材料效率增大;当激光加工次数较多时,施加电流后由于多脉冲的累积效应,微孔直径变化不明显,这是由于附加电流场导致硅片内自由电子增多,更多的自由电子与激光光子发生碰撞,增加硅片对激光能量的吸收。实验表明,附加电流增加了硅片对波长为355 nm纳秒激光光子的吸收率,提高了硅片蚀除材料效率,也为高效率的纳秒激光加工硅片提供一种新方法。     

径向超声振动辅助锯切光学玻璃

本文通过在锯切用超薄切割砂轮的径向上辅加超声振动的方法,对两种不同物理特性的光学玻璃进行锯切加工实验,探索了径向超声振动对光学玻璃锯切过程的影响。理论分析了超声振动锯切过程中的锯切力和锯切比能,给出了单颗磨粒在普通锯切与超声振动锯切时的切削路径。采用有无超声振动辅助锯切两种方式对K9玻璃和石英玻璃进行锯切实验,分析了超声振动对光学玻璃锯切力和锯切比能的影响。结果表明,相比于普通锯切方式,除了受到加工参数的影响外,超声振动辅助加工时K9玻璃和石英玻璃的锯切力减少幅度分别在30%~50%和50%~65%,锯切比能分别减少了30%~45%和50%~60%。径向超声振动辅助锯切使材料产生微破碎,具有减小锯切力和比能的作用,因此有利于提高光学玻璃材料锯切效率和改善加工质量。     

硬质合金激光超声辅助加工切削力特性

钨钴类硬质合金作为一种典型的难加工材料,具有良好的综合性能,在此类材料的加工中,采用传统的加工方式存在刀具极易磨损严重、加工精度低、效率低等缺点,难以满足实际生产的要求。文中将精密切削方法与特种加工理论相结合,提出了采用二维超声振动和激光加热复合辅助精密加工的方法。文中基于正交试验,对硬质合金激光超声辅助加工的切削力特性进行了研究,通过极差分析和趋势图分析,得到了切削用量和激光功率对切削力的影响规律和趋势,采用回归分析的方法 ,建立了三向切削力的经验模型,并对该模型进行显著性分析。研究表明:激光功率和背吃刀量对切削力有较显著的影响,而进给量和主切削速度对切削力的影响相对较小。随着激光功率的增加切削力逐渐降低,随着背吃刀量的增加切削力逐渐升高。运用回归分析方法获得的经验公式显著性强,为复合条件下切削力的控制提供有力的依据。     

激光超声复合切削硬质合金的刀具磨损及其对工件表面质量的影响

基于激光加热辅助切削和超声椭圆振动切削提出了激光超声复合切削加工工艺。采用聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具对YG10硬质合金进行了常规切削,超声椭圆振动切削,激光加热辅助切削和激光超声复合切削对比试验。检测了刀具磨损量、刀具磨损形貌、工件表面粗糙度以及工件表面形貌,并通过扫描电镜(SEM)对刀具磨损区域进行了能谱分析,同时研究了激光超声复合切削硬质合金时PCBN刀具的磨损及其对工件表面质量的影响。最后,与常规切削、超声振动切削及激光加热辅助切削进行了对比试验。结果表明:激光超声复合切削时刀具使用寿命显著增加,加工后的工件表面粗糙度平均值分别降低了79%、60%和64%,且工件表面更加平整光滑。激光超声复合切削硬质合金时,PCBN刀具的前刀面磨损表现为平滑且均匀的月牙洼磨损,后刀面磨损表现为较窄的三角形磨损带和较浅的凹坑和划痕;刀具的失效机理主要为黏接磨损、氧化磨损和磨粒磨损的综合作用。     

超声振动辅助钻削技术综述

麻花钻钻孔是机械加工领域最为常用的孔加工方法。传统麻花钻钻孔加工中,特别是对一些难加工材料进行钻孔加工时,存在轴向力大、表面质量差等诸多问题。超声振动辅助钻削属于振动钻削技术的一种,即在钻孔过程中在麻花钻上施加大于15 kHz的高频振动,钻头的周期性振动改善了切削刃工作状况,可在一定程度上解决难加工材料制孔难题。介绍超声振动辅助钻削技术的分类、技术特点和系统组成的基础上,从动力学研究、振动断屑理论研究、切削力研究、精度及加工质量研究、在新材料上的应用和超声振动钻削装置六个方面论述了超声振动辅助钻削理论和技术的国内外研究进展。基于超声振动辅助钻削技术的发展现状,结合航空航天等领域难加工材料制孔技术的需求,从理论研究、超声振动系统开发完善、新材料工艺研究、专用超声辅助钻削机床开发以及超声振动辅助加工规范标准制定等方面指出了现有研究和应用中存在的问题并对未来发展趋势做以展望。     

实用化振动切削技术——超声振动钻削小深孔工艺及装备

在机械加工中，对孔的加工质量和加工效率要求不断地提高，若再加上在不断出现的难加工材料上进行孔的钻削加工，这就使采用传统的钻削工艺加工小深孔越加显出其局限性。本文研制一种超声轴向振动系统，并对合金铜进行试验。试验结果表明，超声振动钻削能很好解决小深孔加工的难题，有着广阔的应用前景。     

AZ91D压铸镁合金超声振动钻削实验

镁合金材料由于特殊的物理性能,传统的机械加工方法很难保证要求的精度和质量,具有一定的局限性。介绍了超声振动钻削镁合金材料的加工机理,通过改变切削速度、进给量、振幅等加工参数,对比分析了超声振动钻削与传统钻削加工工件的孔直线度、孔扩量、毛刺高度、粗糙度、切屑等试验结果,得出超声振动钻削具有较好的加工表面质量和加工效率,对研究镁合金的深加工具有重要的意义。     

SiC陶瓷旋转超声振动套磨制孔有限元仿真及实验研究

为解决SiC陶瓷加工时容易出现崩边、裂纹等问题,结合仿真与实验对其进行旋转超声振动套磨制孔技术研究。根据SiC陶瓷宏观力学本构模型,建立SiC陶瓷制孔仿真有限元模型并进行加工过程仿真分析,相比常规制孔,超声振动制孔的仿真轴向力最大可减小26.1%。常规加工和超声振动加工的对比实验研究表明,旋转超声振动加工可减小轴向力达32.9%,可大幅减少陶瓷材料脆性断裂,显著改善孔壁表面质量。有限元仿真与实验研究所得的轴向力在超声振动下最大相差7.5%,常规条件下两者最大相差14%,验证了有限元模型的正确性。仿真和实验研究结果表明：超声振动加工可显著减小轴向力和刀具磨损、提高刀具耐用度、改善制孔质量、降低加工成本。     

超声振动辅助三尖钻钻削皮质骨的研究

在临床中,使用医用麻花钻给骨钻孔是常见的治疗手段,但医用麻花钻通常存在定心能力差的问题,骨大多都是曲面,所以在骨钻削中极易造成孔位的偏离、孔形不圆、孔直径偏大等现象。针对这一问题,改用定心能力更好的三尖钻并施加超声振动对皮质骨进行钻削研究。通过研究发现三尖钻超声振动辅助(UAD)钻削不仅改善了给骨钻孔时定心能力差的问题,而且与三尖钻普通(CD)钻削对比发现,UAD三尖钻钻削在轴向力、钻削温度、孔内壁表面粗糙度均比CD钻削有大幅度减小,钻孔直径精度则有大幅提高。三尖钻UAD钻削大幅度提高了孔的表面质量。     

CFRP/TC4叠层材料低频振动钻削试验研究

低频振动辅助切削技术是基于传统切削给刀具加上有规律并可控的振动,从而达到减小切削力、提高加工精度和延长刀具寿命的目的。将低频振动辅助切削技术应用到CFRP/钛合金叠层材料制孔中,在孔径、孔壁粗糙度和入口质量等制孔质量方面与传统钻削进行对比试验研究。结果表明,振动钻削在制孔质量上具有明显的优势。     

A study on combined vibration drilling by ultrasonic and low-frequency vibrations for hard and brittle materials

This research aims to improve machining accuracy concerning the method of drilling ceramics and other hard and brittle materials as well as to establish a drilling technology that would ensure high efficiency and longer life of tools. Specifically, the authors contrived a new drilling method that combines ultrasonic vibrations of a diamond core drill and low-frequency vibrations of the workpiece and produced a combined vibration drilling apparatus experimentally. In this paper, the combined vibration drilling apparatus is used for a series of experiments under different vibration conditions to examine the behavior of drilling force, drilled hole accuracy, and edge chipping on the drilled hole surface. In addition, the behavior of tools during combined vibration drilling are theoretically examined. As a result of these considerations, the authors found that combining ultrasonic and low-frequency vibrations is one of the most effective methods for drilling hard and brittle materials.     

一维斜向超声振动辅助磨削滚动轴承钢工艺及试验研究

针对目前只有一维轴向、一维切向等振动方向不变的一维超声振动辅助磨削的情况,首次提出了一维斜向超声振动辅助磨削工艺方法。利用MATLAB对一维斜向超声振动辅助磨削磨粒的运动轨迹进行了模拟分析。建立了超声振动试验系统的动力学模型。通过对超声振动工作台的模态分析,研制了一维斜向超声振动辅助磨削试验系统,对不同角度下超声振动辅助磨削滚动轴承钢的磨削力及表面粗糙度值进行了研究,探究了磨削力及表面粗糙度值随超声振动方向的变化规律。多次试验结果表明,超声振动角度为67.5°附近的表面粗糙度值明显优于其他角度的表面粗糙度值,磨削力也有减小。对正交试验结果的极差分析得出：当超声振动角度为67.5°、砂轮速度为20m/s、工件速度为0.5m/min以及磨削深度为4μm时,加工后的工件表面粗糙度达到最低值,其中工件速度是影响表面粗糙度的最重要工艺参数。     

光学玻璃亚表面损伤深度预测及实验研究

为了进一步揭示超声振动辅助磨削加工机理,建立了超声振动辅助磨削亚表面损伤深度与断裂韧性的预测模型,设计几何形状随机的单颗磨粒超声振动压痕实验和超声振动辅助磨削实验,调查两种情况下K9光学玻璃压痕变形区域形貌特征,提出一种适用于超声振动和非超声振动两种加载条件的等效断裂韧性计算方法,并通过超声振动辅助磨削实验来验证预测模型的可靠性。实验结果表明,超声振动可以有效增加K9光学玻璃抵抗断裂的能力,降低亚表面损伤程度,且预测模型与实验结果具有良好的一致性。     

红外菲涅尔透镜的注射超声辅助成型优化

为了提升聚合物红外菲涅尔透镜的光学性能,以其表面微沟槽的成型质量为目标,提出了一种高效的注射超声辅助成型方法,并对工艺参数进行了综合质量优化。首先分析了超声振动对聚合物的加热和加压效应,设计了一套一模两腔的对比试验模具;接着以红外菲涅尔透镜的调制传递函数MTF和齿形平均高度h为优化质量目标,设计了四步骤的多目标优化流程,通过试验设计、基于BP神经网络的质量目标与注射工艺参数关系建模、基于NSGA-Ⅱ的多目标优化和试验验证进行工艺参数的综合优化。实验结果表明:该多目标优化流程具有很高的精度,MTF和h的平均预测误差MPE分别为4.16%和3.32%;注射超声辅助成型的菲涅尔透镜微沟槽具有更高的复制质量,其齿沟槽平均高度h增加了15.6%,且h值的波动量随着h值的增大而增大,MTF值受齿高h均匀性的影响大于齿高h对其的影响。