超声纵扭辅助铣削TiAl合金表面质量及刀具磨损研究

TiAl合金属于典型难加工材料,采用传统方式加工难以获得良好的表面质量,因此文章提出采用超声纵扭辅助铣削TiAl合金。试验采用单因素对照方法,研究了超声纵扭铣削(ULTM)与普通铣削(CM)加工TiAl合金时工艺参数对表面粗糙度、表面形貌及显微硬度的影响规律。研究结果表明,ULTM铣削可以改善TiAl合金的表面粗糙度,获得普遍较低的粗糙度值(Ra<0.6μm);ULTM对TiAl合金表面硬化具有强化作用,能使表面硬度平均提升超过10%,并且采用ULTM加工得到的工件和切屑表面质量都较好。此外,铣削150 mm3的TiAl合金时发现ULTM的刀具底刃磨损量明显减小,刀具主要发生氧化磨损和扩散磨损。

基于NSGA-Ⅱ的钛合金纵扭超声铣削多目标参数优化

针对钛合金等航空难加工材料加工成本高、效率低、质量差等问题,提出了将纵扭超声振动复合到铣削加工中,采用带精英策略的快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对加工和超声参数进行多目标优化。基于正交试验,分别建立加工残余应力、表面粗糙度、表面硬度、刀具寿命预测模型,并对预测模型进行验证;在此基础上,为获取较大的残余压应力和较高的加工效率,建立多目标优化模型Ⅰ;为获得较大的残余压应力和表面硬度,建立模型Ⅱ;为获得较低表面粗糙度和较大的表面残余压应力,建立模型Ⅲ;为获得较小的表面粗糙度和较高的加工效率,建立模型IV;为获得较低表面粗糙度和较高的刀具使用寿命,建立模型Ⅴ;为获得较低的表面粗糙度和表面硬度,建立模型Ⅵ;通过试验对优化模型和结果进行验证,结果表明,所建立的优化模型能够以较高的精度为不同的工程应用场合提供多种参数优化方案。

纵扭复合超声振动铣削K9玻璃表面质量的研究

K9玻璃由于具有优异的性能,在航空航天、汽车、光学精密仪器、电子信息等现代高科技领域得到了广泛应用,但其在塑性和硬度之间差距巨大,使得传统机械加工容易出现亚表面损伤等现象,表面质量难以满足要求。建立超声铣削动力学模型,采用多因素法检测并分析了不同主轴转速、铣削速度和铣削深度时纵扭复合超声铣削与普通铣削加工K9玻璃表面粗糙度与表面形貌,得到了影响加工表面质量的规律及机制。研究发现:主轴转速为3 000 r/min、铣削深度为0.2 mm时,表面质量最好;K9玻璃的表面质量随铣削速度的加快而下降。采用纵扭复合超声振动铣削提高了K9玻璃的表面质量和加工效率,并为K9玻璃纵扭超声铣削加工提供了优化的工艺参数。

纵扭复合超声振动铣削SiCp/Al表面质量研究

SiCp/Al复合材料具有优异的性能,在航天航空、光学行业、汽车工业等高科技领域得到了广泛应用,但它在塑性和硬度之间差距巨大,使得超精密加工显得非常困难。建立超声铣削动力学模型,采用单因素法检测分析了SiCp/Al复合材料在不同主轴转速、铣削速度和铣削深度下的表面粗糙度与表面形貌,建模仿真了纵扭复合超声振动刀刃铣削轨迹,得到了影响加工表面质量规律及机制。研究发现主轴转速为3000 r/min、铣削速度为180 m/min时,表面粗糙度值最小;材料表面质量随铣削深度的增加而下降。为SiCp/Al复合材料铣削加工提供了合理工艺参数,提高了加工效率,降低了刀具磨损,延长了刀具使用寿命。

微织构刀具超声铣削航空铝合金的研究

目的为了提高7075航空铝合金的使用性能,将微织构刀具和纵扭复合超声铣削复合,形成一种微织构刀具超声复合铣削工艺。方法通过微织构刀具铣削和微织构纵扭复合超声铣削两种加工方法,对7075-T6航空铝合金进行切削试验,分析主轴转速、每齿进给量以及铣削深度对工件表面粗糙度、残余应力、显微硬度和表面织构形貌的影响。结果在切削参数相同的情况下,微织构纵扭复合超声铣削工艺所获工件表面粗糙度数值相较于微织构刀具铣削工艺加工工件降低了4.7%~13.2%,显微硬度增加了1.13%~2.35%,工件表面残余应力变为压应力,最大数值稳定在–10.84 MPa,加工工件表面形成了较为统一、规整的"鱼鳞网纹"织构形貌。其中,加工工件表面粗糙度数值与主轴转速成负相关关系,而与铣削深度、每齿进给量成正相关。加工工件表面显微硬度和残余应力则是随着主轴转速和每齿进给量的增大而增大,而铣削深度对加工工件的显微硬度和残余应力的影响不显著。结论相比微织构刀具铣削,微织构纵扭复合超声铣削能有效地改善加工工件表面的完整性。

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。

机器人纵振与纵扭超声铣削稳定性对比研究

针对工业机器人铣削大型航天器舱体支架存在颤振严重导致铣削平面度较低的问题,提出了机器人纵扭超声铣削新方法。分析了纵扭超声铣削刀尖运动轨迹,对比分析了机器人一维纵向超声铣削与机器人纵扭超声铣削的稳定域,并开展了两者的铣削力和铣削表面接刀痕对比试验。计算和试验结果显示:机器人纵扭超声铣削稳定域较机器人一维纵向超声铣削提升了46.7%,各种工况下的铣削力平均降幅达到了24.7%。同时,高频扭转振动的摄入使得机器人一维纵向超声铣削表面接刀痕高度差降低了48.7%。上述结论为大型航天器舱体支架的机器人高精高效加工提供了技术基础。