TC4钛合金二维超声振动车削性能研究

钛合金因其优越的物理和化学性能被广泛应用于航空航天、轮船船舶、武器制备等各类高精尖领域,但如何克服其高比热容、低热导率特性以实现高质高效加工也成为了机械加工领域的热点问题。二维超声振动车削加工工艺具有断续车削特性,能显著提升复合材料、脆性材料及陶瓷材料等难加工材料的车削效果。因此,采用二维超声振动车削工艺,对TC4钛合金进行车削加工,并从多种加工性能方面与传统车削进行对比。实验结果表明,二维超声振动车削工艺能够有效提高工件加工质量并降低切削过程中车削力,减小刀屑接触滑动区域与粘着区域的摩擦系数,延长刀具使用寿命的同时使其具有良好的断屑能力。另外,超声振动车削还会增大工件表面的加工硬化程度,细化表层晶粒,并增加工件表面残余应力。

二维超声振动车削6061铝合金圆筒表面粗糙度研究

目的研究分析二维超声振动车削加工中切削参数和声学参数对6061铝合金圆筒表面粗糙度的影响。方法结合二维超声振动特性,建立二维超声振动车削表面粗糙度理论模型,采用四因素四水平正交试验,获得二维超声振动车削6061铝合金圆筒过程中切削参数和声学参数对工件表面粗糙度的影响规律,选取其中4组进行二维超声振动车削与普通车削对比实验,并通过白光干涉仪和超景深显微镜对加工后的工件表面进行观测。结果正交试验结果表明,切深对加工表面粗糙度的影响不明显,超声振幅、转速、进给量对加工表面粗糙度的影响程度分别为84.35%、11.36%、4.29%。超声和无超声对比实验表明,二维超声振动车削相较于普通车削能显著降低车削表面的粗糙度,最大下降率为47.65%,最小下降率为11.27%;相比于普通车削加工,二维超声振动车削表面具有均匀分布的鱼鳞状微织构。结论加工参数对表面粗糙度影响的显著从高到低为超声振幅>转速>进给量>切深,最优加工参数为fr=0.15 mm/r、n=400 r/min、A=2μm、ap=0.2 mm。采用二维超声振动车削的加工方法,可以显著降低6061铝合金圆筒表面的粗糙度值,并且加工表面有均匀分布的鱼鳞状微织构。

二维超声振动磨削氧化锆陶瓷表面形貌及粗糙度试验研究

对氧化锆陶瓷进行了不同工艺参数下的普通磨削和二维超声振动磨削对比试验,讨论了不同工艺参数下影响工件表面粗糙度的主要因素及其影响规律,研究了二维超声振动磨削对工件表面形貌的影响。实验结果表明:在一定范围内,二维超声振动磨削的表面粗糙度均低于普通磨削,但当砂轮线速度过大时,二维超声振动作用将逐渐减弱;相比于普通磨削,二维超声振动磨削所得表面轮廓较平整,表面峰谷较均匀,二维超声振动磨削能够增加塑性去除的比例,获得更优的表面质量。

二维超声振动辅助磨削氧化铝陶瓷的磨削力对比研究

冲击力、材料硬度的变化以及超声振动的施加方式是磨削力降低的主要原因。在普通磨削的基础上加入二维超声振动,分析磨削力的影响机制,在相同的磨削参数条件下,对氧化铝陶瓷进行普通磨削和二维超声振动磨削对比实验研究,分析工件进给速度、砂轮线速度、磨削深度对磨削力的影响。结果表明:二维超声磨削的法向、切向磨削力均小于普通磨削,磨削力降幅随着工件进给速度和砂轮线速度的增大而减小,随着磨削深度的增大而增大;普通磨削和二维超声磨削的法向、切向磨削力均随着工件进给速度和磨削深度的增大而增大,随着砂轮线速度的增大而减小。

二维超声振动磨削陶瓷的表面质量试验研究

采用金刚石砂轮对陶瓷材料进行了不同参数下的普通磨削和二维超声振动磨削试验,对获得的不同表面质量特征及不同的加工参数对表面质量的影响进行了分析。实验结果表明,在同样的加工条件下,超声振动磨削表面的沟槽浅而宽,在超声振动下砂轮不易堵塞,利于使用细砂轮磨削,因此超声振动磨削可以提高陶瓷材料的表面质量。

二维超声振动磨削机理与试验研究

基于单颗磨粒切削运动轨迹仿真模型，定义了单颗磨粒在工件表面的相对运动轨迹为“椭螺线”曲线轨迹．分析了二维超声振动磨削机理，进行了二维超声振动磨削与普通磨削对比试验．试验结果表明：同样磨削条件下，二维超声振动磨削法向力可以减少20％～30%，材料去除率增大近2倍；原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）表面微观特性分析表明：二维超声振动磨削表面明显优于普通磨削，具有优良的表面完整性．二维超声振动磨削是一种精密、高效的加工新工艺．

垂直平面内二维超声振动铣削系统稳定性研究

为研究垂直平面内二维超声振动铣削系统的稳定性,建立了垂直平面内二维超声振动铣削稳定性模型,采用全离散法对二维超声振动铣削稳定性进行了研究,利用Matlab软件进行了数值仿真,获得了系统的稳定性叶瓣图。铣削钛合金材料颤振实验结果表明,主轴转速在1 000~3 500r/min范围内,数值仿真结果与实验结果吻合较好,验证了垂直平面内二维超声振动铣削稳定性模型的正确性。在垂直平面内施加二维超声振动能提高系统的稳定性,轴向切深极限最大提高了约13.6%。

二维超声振动辅助化学机械磨削技术及单晶硅实验

为了提高材料去除率和加工通用性,本文提出了工具施加二维超声波振动辅助的化学机械磨削(CMG)复合加工方式,开发具有伸缩和弯曲两种模态的二维超声波振动子及实验装置.以单晶硅片为加工对象,进行单点切削加工轨迹特性分析,并比较不同加工模式以及加工参数对表面粗糙度和材料去除率的影响.实验结果表明,二维超声辅助下的单点切削轨迹存在更多延性加工趋势.在同样普通机床精度条件下,随着时间的增加,二维超声辅助CMG表面粗糙度明显改善,达到纳米级.较无超声情况下二维超声波辅助CMG复合加工材料去除率提高约1倍,可获得最优表面粗糙度5 nm,一维径向超声辅助加工结果次之.

基于二维超声振动的钛合金内孔镗削试验研究

针对钛合金材料内孔加工过程中镗杆形变与振动问题对加工质量的影响,提出了一种基于二维超声振动的钛合金辅助镗削工艺路线。首先,基于纵向压电陶瓷的弯曲振动模式设计了超声镗削装置,使刀尖实现了纵弯耦合的二维超声振动;其次,利用有限元软件ABAQUS对镗杆的仿真模型进行模态分析,从而确定超声振动的频率参数;最后,利用所设计的工艺开展了钛合金内孔镗削实验,以研究不同工艺参数对加工误差及精度的影响规律。结果表明,随着y方向和z方向超声振幅的增加,直径误差和表面粗糙度都呈逐渐降低的趋势。相比于普通镗削,当y方向和z方向振幅达到9μm时直径误差和表面粗糙度分别下降了77.4%和59.1%。可见,超声振动辅助加工能有效地提高钛合金内孔镗削精度,为钛合金镗削工艺设计提供参考。

利用导波传输实现二维高频超声振动

为简化二维超声椭圆振动结构,提高刀尖振动响应精度,利用导波具备单向动态刚度特性,研制了利用导波线传导超声振动的高频二维振动装置。该装置由101.96 kHz的纵振换能器和纵-弯复合振动工具头组成,用导波线将换能器和振动工具头连接起来,通过两路激励电源输出相位差的调节,能够获得相应的二维振动轨迹,并利用有限元仿真模态分析对该装置进行结构优化,确定最优结构。对整体二维振动装置振动特性检测结果表明,振动工具头前端的刀尖能产生一个0.4 mm振幅的纵-弯复合振动。该装置可以应用于超精密切削,如航空航天、军事、电子和光学等需要高精度或难加工零部件的加工。

二维超声磨削微纳米复相陶瓷表面变质层特性研究

利用二维超声振动磨削,对微纳米复相陶瓷磨削表面变质层的结构、晶粒度和晶格畸变等进行研究。在一定的磨削条件下,微纳米复相陶瓷二维超声振动磨削表层是以晶粒碎化的材料粉末化以及少量的材料压碎和晶粒脱落等方式为主的塑性变质层,亚表层是以晶格畸变、晶界滑移为主的塑性变形层,材料脆性碎裂去除方式极少,以塑性变形去除机理为主。为此提出了微纳米复相陶瓷二维超声振动磨削表面变质层结构模型。通过TEM,SEM观察发现:纳米材料微观变形机理为内晶型结构增强相的晶粒内位错,基体晶粒的晶界滑移、晶间第二相的变形为其变形协调机制。由于纳米粒子分散在晶界间,阻碍了裂纹的扩展,使得材料表现为穿晶断裂行为,从而获得良好的加工表面。

7075铝合金二维超声挤压加工表面质量影响因素及其交互作用研究

进行二维超声挤压加工正交试验,研究静压力、挤压速度和进给量等工艺参数及其交互作用对7075铝合金表面质量的影响,并寻求最优工艺参数。通过极差分析和方差分析,确定工艺参数及其交互作用对表面粗糙度和表层硬度的影响主次顺序和影响显著性;基于数据驱动,采用回归分析方法构建表面粗糙度和表层硬度预测模型;基于响应曲面法,分析交互作用对表面粗糙度和表层硬度的影响;利用有约束多目标规划模型,确定最优工艺参数。研究发现:经过二维超声挤压加工后,7075铝合金试件表面粗糙度值明显降低,而表层硬度大幅度提高;表面粗糙度主要取决于挤压速度和进给量的交互作用,而表层硬度主要取决于静压力、挤压速度,以及挤压速度和进给量、静压力和挤压速度的交互作用。基于预测模型获得的表面粗糙度和表层硬度与实测结果基本吻合;基于最小表面粗糙度值和最高表层硬度值目标下的最优工艺参数也与试验结果较为吻合。研究结果表明,工艺参数之间的交互作用对表面质量的影响是不可忽略的,所构建的表面粗糙度模型和表层硬度模型是有效的。

纳米ZrO_2陶瓷二维超声磨削温度实验研究

磨削参数的选择对工件表层磨削温度有着重要影响。本文采用人工热电偶法,通过普通磨削和二维超声振动磨削的对比实验,重点分析了对纳米ZrO2陶瓷平面磨削温度影响最大的磨削参数——磨削深度的影响。实验表明当磨削深度超过临界磨削深度时,陶瓷材料的被去除机理将由塑性去除转变为脆性去除破坏,磨削温度也显著升高。此外,本文还从粒径角度对纳米ZrO2陶瓷材料的磨削温度进行了实验研究和分析。

纳米陶瓷材料超声振动磨削加工表面质量研究

研究纳米陶瓷材料磨削加工磨削力、磨削温度及表面粗糙度等表面特征,获取高质量的加工表面,是该工程材料得以广泛应用的重要前提。对纳米ZrO2陶瓷材料平板施加二维超声振动进行磨削,超声振动产生的空化作用、泵吸作用以及涡流作用,能一定程度上改善材料的加工性能、提高加工表面质量,实现纳米陶瓷材料的精密高效加工。结果表明:二维超声振动磨削与普通磨削相比,实际磨削力、磨削温度相对较低且随切削深度增加增长速度较慢;选取不同的磨粒粒度对纳米陶瓷材料进行磨削加工,超声振动加工的表面粗糙度值与普通磨削表面的粗糙度值相比相对较小。

硬脆材料超声辅助磨削技术研究现状及展望

硬脆材料具有高强度、高硬度、低密度等特点,用传统方式加工时损伤大、效率低,而超声辅助磨削具有磨削力小、加工质量优等优点,在硬脆材料加工领域具有独特优势。从不同振动维数及振动方向与磨削表面位置关系的角度出发,总结了不同类型超声辅助磨削加工的机理及特性,在此基础上探讨了硬脆材料超声辅助磨削的延性域加工机理、超声振动参数与磨削用量匹配性的研究现状,并对今后超声辅助磨削领域应重点关注的研究方向进行了展望。

纳米ZrO_2陶瓷二维超声磨削温度影响因素分析

本文采用人工热电偶法,通过普通磨削和二维超声振动磨削的对比实验,回归分析了磨削深度、砂轮速度、工作台速度等磨削参数对纳米ZrO_2陶瓷磨削温度的影响。别外对纳米ZrO_2陶瓷这种非线性材料的磨削加工进行有限元仿真,比较实验测量数据与仿真结果,确定仿真分析对实际情况的指导作用。

二维超声磨削纳米陶瓷的磨削温度特性研究

采用人工热电偶法,通过普通磨削和二维超声振动磨削对比实验,对纳米ZrO2陶瓷材料平面磨削温度进行了实验研究,并对磨削参数与磨削温度的关系,进行了理论分析及实验验证。