TC4钛合金纵扭超声磨削表面残余应力及其试验研究

目的 探究纵扭超声磨削工艺参数对TC4钛合金加工表面残余应力状态的影响规律,提高TC4钛合金的抗疲劳性能.方法 通过纵扭超声磨削力模型,对磨削过程中的机械应力和热应力展开理论分析,并进一步建立纵扭超声磨削表面残余应力模型,通过MATLAB仿真获取磨削加工残余应力分布状况.基于力-热耦合作用,建立纵扭超声单颗磨粒磨削有限元模型,分析磨削参数对残余应力的影响规律,并通过TC4钛合金纵扭超声磨削试验,对模型的合理性进行验证.结果 TC4钛合金超声磨削加工表面残余应力为残余压应力,且该应力沿工件深度方向的分布曲线与"对号"相似.工件表面残余压应力起初随磨削深度增加逐渐增大,当磨削深度增加到8μm时,残余压应力达到最大值,为-488 MPa,之后随磨削深度的增加,呈现减小趋势.随磨削线速度的增大,残余压应力整体呈现减小趋势,随纵扭超声振幅的增大,整体呈现增大趋势.加工表面残余应力仿真与试验结果的平均误差为9.8％,且变化趋势具有一致性.结论 纵扭超声辅助磨削加工可有效消除加工表面的残余拉应力,并获得较为理想的残余压应力,进而显著提高TC4钛合金的抗疲劳性能.     

超声纵振珩磨的切削模型及其临界速度研究

径向超声振动磨削与纵向超声振动磨削，其主要差别是磨粒与工件的接触状态不同，在径向超声振动磨削中，磨粒与工件的接触是间断性的，它的临界速度特征符合现有的振动切削理论，而在纵向超声振动磨削中，磨粒与工件是永久性接触，不存在磨粒与工件表面分离的特点。根据它们的差别作者建立了磨粒纵向超声振动切削模型，得到了纵向超声振动珩磨临界速度的新概念及其计算公式。     

超声振动辅助ELID磨削淬硬12Cr2Ni4A合金钢表面特性的研究

目的 提高淬硬12Cr2Ni4A钢的加工质量,消除工件表面残余应力.方法 采用普通磨削(OG)、超声振动辅助磨削(UVAG)以及超声振动辅助ELID磨削(UVAEG)3种磨削方式,分别对淬硬12Cr2Ni4A合金钢进行加工,分析3种加工方式下被加工工件的表面粗糙度以及残余应力.结果 在超声振动辅助磨削、超声振动辅助ELID磨削下,工件表面粗糙度都低于普通加工,而超声振动辅助ELID磨削后的工件表面质量最高,相对普通磨削加工,超声振动辅助ELID磨削后的表面粗糙度降低了66％,相对于超声振动辅助磨削,超声振动辅助ELID磨削后,表面粗糙度降低了约41％.对工件表面进行残余应力测定发现,普通磨削加工后工件表面为残余拉应力,而超声振动辅助磨削、超声振动辅助ELID磨削后的工件表面都产生了残余压应力,超声振动辅助ELID磨削后,工件表面的残余压应力高于超声振动辅助磨削约30％.普通磨削加工中,随磨削深度的增加,残余拉应力一直变大,而超声振动辅助磨削和超声振动辅助ELID磨削的残余压应力总体呈现减小的趋势.在磨削深度达到22.5μm后,超声振动辅助磨削加工表面的残余压应力转变为残余拉应力.在超声振动辅助磨削和超声振动辅助ELID磨削后,随超声振幅的增大,表面残余压应力增大,超声振动辅助ELID磨削表面的残余压应力随占空比的增大而增大.结论 超声振动辅助ELID磨削加工后,能得到更小的表面粗糙度及更大的表面残余压应力.     

超声振动磨削纳米氧化锆陶瓷材料的磨削力及表面残余应力的研究

纳米陶瓷由于其相对于工程陶瓷优越的力学性能及物理特性,在各行业都有广泛的应用前景。采用超声复式加工方法,针对不同的磨削参数对纳米ZrO2陶瓷进行了普通和超声磨削实验,研究了磨削参数对磨削力的影响,并通过X射线衍射分析了在普通和超声磨削状态下对工件表面残余应力及纳米ZrO2陶瓷各晶相的影响。研究结果表明:利用超声振动磨削能有效减少磨削力,不同的磨削方式对纳米ZrO2陶瓷表面残余应力影响较大,采用普通磨削工件表面残余应力为拉应力,当超声振动方向平行于砂轮速度方向时,工件表面残余应力为压应力,振动方向垂直于砂轮速度方向时工件表面残余应力绝对值较小。     

基于ALE方法的二维超声振动切削仿真

文章应用任意拉格朗日方法(ALE)建立超声椭圆振动切削有限元模型,模拟超声振动对切削加工的影响。同时还对钝圆半径对切削温度和残余应力的影响进行模拟研究。从结果可以看出:工件瞬时最高温度随着振动频率的增加先减小后增大,增大速率比减小速率快;振动频率只影响残余应力值大小,对应力层厚度影响较小;随着钝圆半径的增加,残余压应力层厚度基本不变,而拉应力层厚度减小,最大拉应力也随之减小。     

超声干磨削对金属材料残余应力影响实验研究

采用电镀金刚石砂轮对45钢进行超声干磨削实验,研究了磨削深度、砂轮速度、工件速度和超声振幅对工件表面残余应力的影响。结果表明:在干磨削工况下,添加超声振动能增大表面残余压应力,磨削深度和工件速度的增加对增大残余压应力有益,而砂轮速度的增大将使残余压应力减小。     

超高速预应力磨削实验研究

基于一种预应力切削方法及理论,进行了GCr15轴承钢预应力磨削实验,对磨削力进行了测量,并分析了加工后的工件表面形貌。实验结果表明:磨削力随砂轮线速度的增大而减小,随工件速度、磨削深度的增大而增大,但基本不受预应力的影响;随着预应力的增大,加工表面的残余拉应力逐渐下降,逐渐产生残余压应力,磨削烧伤程度和凹痕深度略微加深,但预应力在某一区间时,工件表面质量较好,且存在残余压应力,从而验证了超高速预应力磨削的可行性。     

超声纵振珩磨表面微观特性的试验研究

在文献[1]中，作者对径向超声振动磨削和纵向（轴向）超声振动珩磨的磨削特点进行了对比研究，建立了磨粒径向超声振动珩磨的切削模型，推导了纵向超声振动珩磨临界速度的计算公式，为了验证所建模型的正确性及进一步研究超声纵振珩磨的磨削表面特征，本文对工程陶瓷ZrO2和高强度P钢进行了纵向超声振动珩磨试验，通过电镜SEM观察分析了表面磨削特征，研究表明：纵向超声振动珩磨具有比普通珩磨较大的材料去除率，并且磨削表面光滑，粗糙度低。     

双向复合振动辅助磁力研磨加工的试验研究

目的进一步提高研磨加工效率,并获得更好的工件表面质量。方法提出双向复合振动(磁极垂直于加工表面的法向超声振动和平行于加工表面的切向振动相结合)辅助磁力研磨法实现对工件表面的研磨抛光。以钛合金工件为研究对象,进行了四种不同工况的研磨加工试验,并对试验结果进行了对比和分析。结果采用双向复合振动辅助磁力研磨法研磨钛合金工件,研磨加工60 min后,工件表面粗糙度值Ra由研磨前的3.78μm降至0.36μm,有效去除了原始加工纹理,获得了较好的表面形貌。工件表面的残余应力由拉应力转化为压应力。结论双向复合振动辅助磁力研磨法既能增加磁性磨粒的瞬时研磨压力,提高研磨加工效率,又能促进磁性磨粒的翻滚与更替,随时改变磁性磨粒的切削刃和切削方向,使磁性磨粒的运动轨迹互相交织,去除工件表面材料更均匀,同时还能有效地改善工件表面的应力状态。     

硬质合金微坑车刀切削304不锈钢残余应力有限元仿真

为了研究硬质合金微坑车刀对304不锈钢表面残余应力的影响规律,采用有限元仿真平台建立二维切削模型,用不同切削参数车削304不锈钢,得到切削参数对切削力、切削温度及残余应力分布的影响规律。研究结果表明:表面残余拉应力和里层残余压应力随切削速度的增大均先增大后减小,而随着进给量的增大,表面残余拉应力逐渐减小,里层残余压应力逐渐增大。     

钢轨砂带打磨残余应力的试验与仿真研究

为直观了解钢轨砂带打磨后钢轨表面的残余应力状态，在磨削试验台上开展磨削工艺参数对残余应力影响的试验研究，采用便携式残余应力仪测量磨后轨面中线轨向残余应力。结果表明:打磨后轨面在磨削方向产生了拉伸残余应力，大小在100～300 MPa；而径向残余应力则主要以压应力形式存在，大小在0～-250 MPa。为研究残余应力形成过程中影响因素的作用机理，进行基于热力耦合的单磨粒划擦三维有限元仿真分析，揭示摩擦系数、切入深度和切削速度对钢轨表层残余应力分布的影响规律并分析其机理成因。最后，根据试验和仿真结果建议打磨列车的末端打磨单元采用开式打磨，砂带要求磨粒粒度小、自锐性强，磨削工艺优选低压、低速，并增设水介质冷却与润滑。      

7050铝合金二维超声滚压加工残余应力场研究

目的研究二维超声滚压后7050铝合金残余应力场的形成过程和表层残余应力的分布规律。方法利用有限元软件模拟二维超声滚压加工,分析残余应力场的形成过程及表层残余应力的分布规律;采用正交试验方法进行7050铝合金二维超声滚压加工试验,研究工艺参数对表面残余应力的影响规律,并与有限元分析结果相对比,验证有限元模拟的合理性。结果在二维超声滚压加工过程中,7050铝合金表层材料应力随时间先减小后增大,最后趋于稳定,形成残余应力。残余压应力沿滚压深度方向先增大后减小,再转化为残余拉应力。残余压应力层厚度约为1.05 mm,最大残余压应力值约为285 MPa。在相同的工艺参数下,有限元分析结果与试验结果基本吻合。静压力对表面残余应力的形成影响最大,表面残余压应力随静压力的增大而增大。结论二维超声滚压加工使7050铝合金表面发生剧烈的塑性变形,并形成一定深度的残余压应力。铝合金表面残余压应力随静压力的增大而增大,而与转速和进给量无关。     

超声振动辅助滚压参数对钛合金表面残余应力的影响

结合有限元分析和实验研究,基于与普通滚压工艺的对比,对超声振动辅助滚压强化钛合金表面的残余应力场进行分析,获得了沿改性层深度方向的残余应力变化和瞬态应力分布云图。结果表明:与普通滚压相比,超声振动辅助滚压可改变滚压头和材料表面接触力的作用方式,使应力波沿着材料深度方向动态传播,从而产生更深的残余压应力影响层,并导致压应力层下移。在实验参数条件下,最大残余压应力值和表面残余应力值都随着静压力的增大而显著增大;随着主轴转速的增大,最大残余压应力值明显单调增加,而最大残余压应力层深度逐渐减小;振幅对残余应力场的影响不十分显著。     

钛合金Ti-6Al-4V纵扭超声铣削残余应力试验研究

目的 提出将纵扭超声振动和铣削加工相复合,对钛合金Ti-6Al-4V进行试验研究,探索工艺参数对加工残余应力的影响规律,实现钛合金的压应力抗疲劳制造。方法 通过试验对比分析了纵扭超声铣削和传统铣削在切削力、切削温度和残余应力的差异性。采用正交试验和单因素试验相结合的方法,同时考虑因素交互作用,研究了加工参数、冷却润滑条件以及刀具磨损对加工残余应力的影响。结果 相较于传统铣削,纵扭超声铣削能够使平均切削力降低约16.3%,切削温度降低约25.6%,表面残余压应力值增加31.3%。在所选参数范围内,径向切深对表面残余应力的影响较大（贡献率为34.1%）,而振幅影响较小（贡献率为6.5%）。表面残余压应力值随着铣削速度、每齿进给量以及径向切深的增大有不同程度的降低,随着振幅的增大有一定程度的提高。采用乳化液作为切削液能够提高加工表面的残余压应力值,而干式切削能够获得和在水、油切削液条件下相当的加工表面残余压应力值。工件表面的残余压应力值随着刀具磨损的增加而逐渐减小。结论 纵扭超声铣削能够有效降低切削力和切削温度,提高加工残余压应力值,同时选择适当的工艺参数及润滑冷却条件可进一步增大表面压应力值,可作为一种可靠的压应力制造技术。     

GH4169超声辅助磨削表面完整性研究

为研究超声辅助磨削对GH4169表面完整性的影响,开展GH4169超声辅助磨削与普通磨削加工试验,研究超声振动及磨削参数对其显微硬度、残余应力与微观组织的影响。结果表明:GH4169磨削表面层均产生加工硬化与残余压应力,并生成晶粒细化层;与普通磨削相比,超声辅助磨削增大其表面层显微硬度,同时增加其表面层残余压应力与晶粒细化层厚度。砂轮转速增加使显微硬度最大值先减小后增大,残余压应力与晶粒细化层厚度增加;磨削深度增加使显微硬度最大值、残余压应力与晶粒细化层厚度同时增加;且位错密度的变化趋势与显微硬度变化趋势一致。      

超声滚压加工对X80管线钢焊接残余应力的影响

建立超声表面滚压加工（ultrasonic surface rolling process,USRP）的三维有限元模型,开发了模拟焊接的移动双椭球热源子程序,利用有限元软件ABAQUS模拟了X80管线钢焊缝不同方向的焊接残余应力,在此基础上叠加USRP的超声振动与静载荷的综合作用,模拟了表面塑形变形、应力和应变,耦合后分析了USRP前后残余应力的变化规律.结果表明,经过USRP处理,X80管线钢表面焊缝区由三向残余拉应力变为三向残余压应力,随着USRP次数的增加,残余压应力数值不断增大,残余应力σ_x,σ_y,σ_z变化规律基本相同.     

基于功率超声珩磨的空化泡动力学模型的研究

功率超声珩磨是在普通珩磨的基础上施加了功率超声振动。当超声波的强度超过液体空化阈值的时候会发生空化效应,产生大量的空化泡。在对功率超声珩磨切削运动以及空化效应基本理论分析的基础上,以单个空化泡为研究对象,利用能量守恒定律,建立功率超声珩磨单个空化泡的动力学方程,为功率超声珩磨空化效应的进一步研究提供了理论支撑。