高速超声振动铣削钛合金实验研究

针对钛合金在普通铣削(CM)时因切削速度低而面临的切削力大、薄壁工件变形大、加工效率低、刀具磨损严重等问题,采用高速超声振动铣削(HUVM)方法加工钛合金,实验研究其加工表面质量和切削力。从运动学角度出发对HUVM方法进行运动学分析。搭建包括超声振动系统、加工系统及测量系统在内的高速超声振动铣削实验平台。采用单因素实验对比CM和HUVM这2种方法对钛合金加工切削力和表面质量的影响规律。研究结果表明:与CM加工相比,HUVM加工可以使切削力降低32.6%~35.3%。并且HUVM加工表面粗糙度虽略有增加,但是表面结构可以更加均匀;此外,HUVM加工表面残余应力均为压应力,其绝对值随着每齿进给量和切削速度的增大而降低,而CM加工表面残余应力为拉应力。

线性摩擦焊顶锻端工件的微运动分析

在高速摄像机下观察钛合金试件的线性摩擦焊焊接过程,掌握了高频振动下该线性摩擦焊机顶锻端工件的微运动规律,分析其对焊接界面产热功率的影响,并且利用有限元方法分析了微运动产生的主要原因及降低的方法。结果表明,利用该线性摩擦焊机焊接钛合金试件的过程中,顶锻端工件的微运动对焊接界面产热功率的损耗达到无微运动理想状态的1/3,顶锻端的弹性变形是引起顶锻端工件微运动的主要原因,通过改进顶锻端工件的夹具结构可以有效地减小微运动的幅度,提高了焊接界面产热功率。

新型国产T800碳纤维复合材料制孔特性

针对新型国产T800复合材料(carbon fiber reinforced plastic, CFRP)在切削过程中因钻削力及扭矩较大易产生的分层撕裂、纤维损失等缺陷问题,搭建包含立式超声加工中心和测力系统的实验平台,采用硬质合金麻花钻、三尖钻、匕首钻对T800碳纤维复合材料进行制孔质量对比实验。在相同的工艺参数下,对比了三种刀具结构在普通钻削(conventional drilling, CD)下对T800复合材料制孔的切削力、孔出入口表面形貌、孔径偏差及孔表面粗糙度的影响规律。在优选刀具结构的基础上,采用超声振动辅助钻削(ultrasonic vibration assisted drilling, UVAD)方法开展可行性实验。结果表明:硬质合金匕首钻可以有效地抑制T800复合材料制孔时的表面缺陷,然而入口孔径精度较差;超声振动辅助匕首钻可以进一步提升制孔质量,特别是通过提高入钻稳定性显著改善孔径精度。

超声加工技术的研究进展

作为一种特种加工工艺,超声加工在工业界和学术领域得到越来越多的重视,故系统介绍了超声加工技术近年来在航空制造、3C制造、抗疲劳制造和生医制造等领域的研究现状,其中重点介绍了高速超声切削这一新兴超声加工技术在难加工合金的工艺优势及其应用前景,同时还对超声加工技术在这些领域的发展趋势进行了展望。

高效低损伤高速波动式超声加工技术进展

在航空制造领域,高温合金、钛合金、复合材料等难加工材料高效低损伤加工一直是制约行业产能的瓶颈问题。随着我国制造业的不断升级,智能制造、先进数控、先进刀具、先进冷却等前沿技术已在难加工材料加工方面得到了广泛应用,然而传统连续切削模式下难加工合金切削线速度仍未能得到实质性突破,限制了其产能的进一步提升。近年来,出现了高速波动式超声加工技术,该技术将传统连续切削模式升级为高速断续切削模式,不仅打破了传统振动切削技术的加工速度限,而且实现了难加工合金材料降力降热高速精细加工,大幅提升了其加工精度、表面完整性和加工效率。在简要概述高速波动式超声加工的提出背景和基本原理基础上,重点介绍了高速波动式超声加工技术在车削、铣削、制孔3方面的工艺原理、工艺效果和应用进展。最后,对高速波动式超声加工技术的工艺适应性优化和应用前景优势进行了展望。

CFRP旋转超声辅助钻削的缺陷抑制机理及实验研究

针对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)在普通切削(CD)过程中因切削力及扭矩较大而产生的分层撕裂、孔壁纤维损失等缺陷,采用了旋转超声辅助钻削(RUAD)制孔方法。首先,分析了CFRP CD的孔缺陷类型及产生机理,并结合超声振动加工的特性,给出了RUAD的孔缺陷抑制机理。然后,搭建了包含非接触式感应供电旋转超声振动系统、立式加工中心和测力系统的实验平台。最后,在相同的工艺参数下,对比了CD和RUAD两种工艺下的切削力和扭矩、孔缺陷及孔壁质量。实验结果表明:相对CD,RUAD的切削力和扭矩分别降低41. 46%~46. 32%和41. 61%~48. 94%,且CFRP孔出入口及孔壁分层撕裂、纤维损失等缺陷得到了有效抑制,极大地改善了CFRP的钻孔质量。实验结果有效地验证了CFRP钻孔缺陷产生机理及超声振动抑制机理的正确性,RUAD可以用于CFRP低损伤制孔。

复钛叠层超声椭圆振动钻削实验研究

将超声椭圆振动切削技术应用到飞机叠层材料紧固孔的加工中,针对引起叠层材料紧固孔加工时的复材分层和撕裂、钛合金切削温度高、刀具磨损严重等问题的主要因素钻削轴向力及扭矩进行研究与实验。结果表明:与普通钻削相比,超声椭圆振动钻削复材时的轴向力及扭矩均明显下降,降幅分别为16%～25%和36%～44%,且超声椭圆振动钻削的平均轴向力曲线和扭矩曲线均较为平稳,超声钻削过程更加稳定;钻削钛合金时的轴向力比普通钻削下降约40%,且振动钻削过程平稳,切屑厚度均匀,呈节状,振动钻削的孔径精度和表面粗糙度均明显优于普通钻削,有效改善了普通钻削钛合金制孔的难加工问题。

复合材料小孔超声铣磨质量研究

小直径碳纤维复合材料孔在航空航天结构、康复医疗设备等领域已有广泛应用,但在其加工过程中存在严重的分层、圆度误差、粗糙度高等问题,迫切需要高质量的加工技术。对此,提出了一种超声铣磨制孔方法,对超声铣磨中的切削刃轨迹进行了建模,并对超声铣磨和普通铣磨进行对比实验,还分析了超声铣磨中切削力降低、孔径精度提高及表面粗糙度改善的机理。结果表明:超声铣磨相较于普通铣磨相,轴向力和切向力均显着降低,降幅范围分别为48.4%~71.3%和25.5%~61.5%,同时超声铣磨的孔表面粗糙度值降低了51.9%~53.2%,超声铣磨可高质量加工小直径复合材料孔。

医疗高频电刀切割快速止血仿真研究

医疗高频电刀切割组织时可以快速止血,达到方便医师操作,提高手术效率的效果,但同时会造成不必要的组织热损伤,目前热损伤的控制依赖医师的个人经验,缺乏系统的理论指导。为了研究电刀切割过程中热损伤区域的影响因素,采用多物理场仿真软件COMSOL进行建模仿真。首先建立电刀切割模型,然后推导电场、热场之间耦合公式,分析切割过程中的各类影响因素,最后针对各个因素对切割热损伤区域的影响进行分析。仿真结果表明:加载电压、加载时间、组织电导率、电极倾斜角度增大,热损伤区域也增大,电极插入深度、组织比热越大,热损伤区域越小,组织导热系数对于热损伤区域的影响不大。为高频电刀切割精准化提供了模型支撑和理论依据。

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%。

波动式超声铣削方法与钛合金后处理工艺的相容性研究

在航空航天难加工合金加工领域,波动式超声铣削已被证明是一种可以在切削过程中同时提升加工精度和表面强化效果的新型精加工方法。在实际工程应用中,为了消除表面残余拉应力、便于缺陷检测,航空钛合金构件往往需要进行热处理和酸洗后处理工艺。然而,这些后处理工艺对波动式超声铣削强化效果的影响尚未被揭示。为了理解波动式超声铣削与其后处理工艺的相容关系,开展了不同工艺流程下的波动式超声侧铣与普通侧铣钛合金试验,并表征与对比残余应力、亚表面形貌、显微硬度等表面完整性参数。结果表明,与传统铣削-热处理-酸洗工艺流程相比,热处理-铣削-酸洗下波动式超声侧铣的工件表面仍保留了数值为252.01 MPa的残余压应力。为此,所提出了对航空钛合金构件的热处理-波动式超声铣削-酸洗工艺流程,既可与现有后处理工艺相容,又可一定程度保留波动式超声铣削的强化效果。

超声辅助高频电刀组织切割性能研究

高频电刀因其优良的切割效率和止血性能在微创手术中得到了广泛的应用,但组织粘刀和创面碳化,不利于术后愈合引发手术事故。如何解决高频电刀的粘刀和创面碳化损伤是载能手术器械面临的重要技术难题,超声振动优异的减粘降附性能为本研究提供了创新灵感。首先通过分析超声振动对高频电刀与切割组织极间电场和多能场组织去除机制的影响,提出超声振动的机械作用会加速组织去除。通过软组织载能切削试验测试了超声振动辅助高频电刀的防粘性能以及组织热损伤,试验结果证实了超声振动辅助高频电刀的组织粘附量减少了约80%,无黑色焦痂组织,切割伤口齐整,热损伤面积减小了约50%,满足了微创载能器械的手术技术要求。