钛合金超声椭圆振动辅助车削实验研究

设计钛合金超声椭圆振动辅助车削实验,获得不同超声波电源电压下刀具近似椭圆运动轨迹。分析超声椭圆振动辅助车削切削力变化规律,与普通车削相比超声椭圆振动辅助车削能在较大程度上降低切削力。研究超声椭圆振动辅助车削工件表面粗糙度变化规律,与普通车削相比超声椭圆振动辅助车削工件表面粗度Ra值略增大,Rz值明显降低。分析进给速度对切削力的影响规律,随进给速度增大,普通车削及超声椭圆振动辅助车削切削力均升高。对同一进给速度,与普通车削相比超声椭圆振动辅助车削切削力均降低,且随进给速度增加其降低幅度减小。对比超声椭圆振动辅助车削与普通车削工件表面形貌发现,施加超声椭圆振动后工件表面沿切削速度方向形成有规律振纹。

TA1钛合金自冲铆接与点焊连接抗拉剪性能的对比

采用自冲铆接(SPR)和电阻点焊对厚度为1.5 mm的钛合金板材进行了连接试验。通过剖面直观检测法分析了自冲铆接头成形质量并获得板材的最优铆接参数;利用超声波C扫描法对点焊接头进行了超声成像检测,获得其熔核直径;对试件进行拉伸-剪切试验并比较了两种接头的静力学性能。结果表明:自冲铆连接工艺可以在不预先热处理条件下对钛合金同种板材进行有效连接;在点焊接头的熔核直径与铆钉钉腿直径接近的条件下,点焊接头比自冲铆接头的静失效载荷高,点焊接头的能量吸收能力更强,适用于对缓冲吸震性能要求较高的结构。

钛合金超声振动钻削特性研究

为研究钛合金超声振动钻削的特性,分析工艺参数对切削力的影响,指导工艺参数的选择,进行了钛合金超声振动钻削的正交对比试验。试验表明:超声振动钻削的切削力随振幅增大而减小,随切削速度、钻头顶角和进给速度变化的规律与普通钻削相似,但是相应的变化幅度更大,而且切削力波动更大;一定切削速度范围内,采用较大振幅、较小钻头顶角及较大进给速度,能保证钻削钛合金的加工质量和钻头使用寿命,并提高加工效率,降低加工成本。

超声椭圆振动切削钛合金切削力特性研究

利用超声椭圆振动切削(UEVC)对TC4钛合金切削力特性进行了研究。基于ABAQUS力-热耦合模型分析了超声椭圆振动切削钛合金的瞬态切削过程,模拟在不同切深和切削速度下的瞬态切削情况,提取和对比普通切削(CC)和超声椭圆振动切削的主切削力,进而进行数据处理,分析两者主切削力对比情况和平均主切削力之差的变化。研究分析表明:在椭圆振动切削下,切削力减小比率随着切深的增加而减小,随着切削速度的增大而增大。最后进行试验验证,实验结论与仿真结果一致。对超声振动切削难加工材料钛合金时切削用量的选择提供了参考。

基于二维超声振动辅助的钛合金切削加工分析与试验研究

针对普通切削时钛合金表面质量较差的问题,将二维超声辅助切削用于钛合金的加工过程。对钛合金的超声振动切削理论进行分析,找出影响刀具运动轨迹及切削力的因素;设计基于二维超声振动的钛合金表面切削试验,研究超声振动对切削力、工件表面形貌以及刀具寿命的影响。结果表明:与普通切削相比,二维超声振动辅助切削可以有效降低加工中的切削力,减轻加工过程对刀具的冲击,提高刀具的耐用度;且在相同加工条件下,二维超声振动加工时的切削力下降了47.7%,工件表面轮廓平均高度减小了40.9%,刀具的使用寿命提高了近1倍。

TC4合金径向超声振动铣削切削力特征分析

在设计的径向超声振动铣削实验平台上,对TC4合金径向超声振动铣削的切削力特征进行了研究。建立了径向超声振动铣刀刀尖运动轨迹数学模型,并通过仿真分析发现,在主轴转速一定的情况下,每齿进给量是影响刀刃和工件周期性分离的主要因素,随着进给量的增大,刀具与工件分离程度变小,直至不能分离。设计了以每齿进给量为变量的单因素切削实验,发现在满足刀刃和工件发生周期性分离的条件下,超声振动辅助铣削的切削力明显降低,且其高频波动也比普通铣削小。通过对切削力随进给量的变化规律研究发现,在刀屑分离的范围之内,随着进给量的增加,超声振动辅助铣削时的切削力增加相对缓慢。当进给量超过两倍振幅后,切削力增加比较明显。但与普通切削相比,超声振动时的切削力仍然有一定的降低。

超声振动对钛合金铆钉压铆力的影响

针对钛合金和大直径铆钉铆接困难的问题,在压铆工艺上引入超声振动激励装置。以NAS1097U5-6钛合金铆钉为对象,采用试验与仿真结合的分析手段。研究表明:超声振动技术能有效降低铆钉材料变形抗力20%,并随着振幅的增加其降低效果更明显,且未改变材料性能;通过仿真与试验数据的对比,认定了仿真分析手段的有效性,为后续超声振动辅助铆接工艺参数仿真研究奠定基础。

钛合金超声振动钻削工艺特性仿真及试验研究

针对钛合金传统钻削中存在的切削力大、切削温度高和加工质量差等问题,研究了钛合金超声振动钻削工艺特性。首先,通过超声振动钻削的运动方程,分析了其断续切削和高速切削的特性;然后,利用Deform-3D对钛合金超声振动力钻削的轴向力、扭矩和切削温度进行了仿真,并通过超声振动钻削试验研究了轴向力、扭矩和出口毛刺相对传统钻削的变化。结果表明:钛合金超声振动钻削可以降低平均轴向力约20%,降低平均扭矩约40%,降低平均切削温度50%以上,钛合金超声加工孔的加工质量明显优于传统加工。钛合金超声纵扭复合振动钻削相比超声一维纵振钻削可以进一步降低钻削轴向力、扭矩和切削温度,体现出更好的钻削工艺特性。

钛合金超声振动车削数值模拟

钛合金作为一种轻型优质的结构材料,被广泛应用在航天航空等领域。同时,钛合金也是一种难加工材料,传统切削工艺难以实现钛合金高质高效加工。超声振动辅助加工是将超声信号转换为机械振动,使工件与刀具周期性分离,从而实现加工的方法。以TC4钛合金为研究对象,建立了Abaqus二维车削有限元模型,开展了普通车削与超声振动车削钛合金的数值模拟对比研究。仿真结果表明:超声振动车削钛合金可以有效减小加工过程中的平均切削力以及刀尖切削温度,且在设定的参数范围内,振幅越大,改善效果越明显。

基于电塑性-超声振动耦合作用的钛合金车削实验研究

基于电塑性-超声振动耦合作用的钛合金车削技术,分别设计了钛合金普通车削实验、超声振动辅助车削实验及电塑性-超声振动耦合辅助车削实验。结果表明:与普通车削相比,超声振动辅助车削切削力降低,表面质量改善不明显,电塑性-超声振动耦合辅助车削的切削力在超声振动辅助车削的基础上进一步降低,并且表面质量较前两种方式有了明显的改善。分析了放电电压及放电频率对电塑性-超声振动耦合辅助车削切削力及表面质量的影响,发现选取较大的放电电压及较高的放电频率,可降低切削力并获得较好的表面质量。

基于超声振动辅助铆接技术研究

针对无人机中铆钉连接难成形问题,提出超声振动辅助铆接技术。通过仿真与试验结合的分析方法,进行了超声振动对铆接压力和干涉量影响的研究。结果表明,超声振动技术能有效降低铆接压力约20%,随着铆接速率的增加,超声振动降低铆接压力的效果逐渐弱化;超声振动辅助铆接技术可以获得较大且分布更均匀的干涉量,提高了铆接件的疲劳寿命。

钛合金薄壁件高速超声椭圆振动铣削机理和试验

针对航空领域中钛合金薄壁件在铣削过程中存在加工精度差、加工效率低等问题,提出了钛合金薄壁件高速超声椭圆振动铣削的方法。首先,在铣削加工中引入高速超声振动切削理念,使切削刀具刀尖附加椭圆振动进行超声频断续切削,可改善加工质量且突破了超声振动加工对临界速度的限制。然后,分析了该方法的分离原理,采用独立研制的超声椭圆振动铣削刀柄装置针对钛合金薄壁件进行了切削试验。试验结果显示,高速超声椭圆振动铣削相较于普通铣削,切削力降低20%~30%,且已加工表面让刀量降幅20%~30%,表面缺陷减少,表面粗糙度降低。

钛合金超声椭圆振动铣削参数对切削力的影响

钛合金航空薄壁结构件在铣削过程中受力形式复杂,切削力较大。超声椭圆振动切削的特点是切削刀具的刀尖按椭圆轨迹运动,进行高频间歇性切削,有助于降低切削力。铣削时改变切削参数将对切削力产生不同影响。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,针对钛合金薄壁件进行实验,结果表明:相较于普通铣削,随着每齿进给量的增大,超声椭圆振动铣削均可减小钛合金薄壁件在铣削加工过程中的切削力,降幅可达35%以上。

钛合金轴向超声振动铣削切削力仿真研究

针对钛合金难加工问题,将超声振动引入到对钛合金的铣削加工中,实现刀具、工件周期性接触分离,从而降低切削力、改善加工质量。以TC4为研究对象,以切削力为研究切入点,通过ABAQUS建立三维铣削仿真模型。对比分析超声铣削和普通铣削在切削力曲线特征以及数值大小上的差别,并通过观察切屑特征分析切削力的波动及稳定性。结果表明:轴向振动铣削有利于降低铣削过程中的切削力,提高切削稳定性。

纵向超声振动钻削CFRP/钛合金叠层材料的动态冲击效应分析

为了研究纵向超声振动钻削CFRP/钛合金叠层板的动态冲击效应,将钻头视为一端固定、一端自由的等直径弹性直杆,把刀具-工件系统简化为以超声振动为激励的基础振动系统,建立动力学模型,并通过钻削试验验证了模型的可靠性和实用性。研究结果表明,超声振动产生的动态冲击力幅值,取决于钻头的几何参数和悬伸长度、超声振动的振幅和频率,以及被加工材料的力学特性,与钻削用量(每转进给量和主轴转速)无关;动态冲击力幅值的大小与超声振动的振幅成线性关系,超声振动频率的影响较为微弱;动态冲击力幅值的大小与钻头直径近似为线性关系,与钻头的悬伸长度成非线性关系;超声振动的振幅增大,或钻头直径和悬伸长度增大,都会使动态冲击力幅值增加;加工中的实际动态冲击力的大小与被加工材料的弹性模量和刚性有关,弹性模量和刚性高时,实际动态冲击力也大。这种研究方法和结论对超声振动钻削冲击效应的定量分析和超声振动钻削技术的推广应用提供了参考。

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%。

热振耦合环境TC4钛合金铆接结构振动疲劳对比试验研究

钛合金材料在飞机结构设计中有着广泛的应用,在恶劣的振动和热耦合环境中容易发生热振耦合疲劳破坏,振动疲劳破坏严重影响飞机的飞行安全。为了获得热振耦合环境下较优的钛合金结构设计细节形式,设计了热振耦合振动疲劳试验件和试验系统,在150℃温度条件下进行了TC4钛合金材料蒙皮+不同结构形式支撑和不同铆钉形式(半圆头铆钉和平头抽芯铆钉)铆接试验件进行振动疲劳试验。对试验结果数据统计归纳、对比,得出:同结构类型试验件,宽度相同、铆钉(抽钉)数量相同,平头抽钉连接试验件固有频率相对较高;而试验件宽度相同、铆钉类型相同、铆钉数量不同,铆钉数较多的试验件固有频率较高;半圆头铆钉连接件破坏多数表现为铆钉脱落,抽芯铆钉连接件破坏表现为蒙皮裂纹;抽芯铆钉相比半圆头铆钉连接件,其振动疲劳寿命较长;试验分别用6倍铆钉直径间距和4倍铆钉直径间距抽芯铆钉连接结构作对比,6倍铆钉直径间距试验件振动疲劳寿命较长。这些试验结论可以作为飞机结构设计中薄壁结构设计的重要参考。

铝钛轻合金多种连接工艺力学性能对比

选用5A06铝合金与TA1钛合金进行热熔钻铆、超声压铆和超声自冲铆连接试验。通过静拉伸试验研究了板材搭接方式对各组接头力学性能的影响。结果表明,铆接时软板在上时,热熔钻铆接头与超声自冲铆接头的力学性能显著提高,板材搭接方式对超声压铆接头影响较小。热熔钻铆接头具有最佳的缓冲吸震性能,但是稳定性较差,应用于车身结构时较为局限。超声压铆接头成本低且工艺简单,但其抗剪切性能差,不适用于承受大应力的车身结构。与其他两种连接方式相比,超声自冲铆连接稳定性最佳,具有最佳的抗拉伸能力与剪切刚度,适用于车身轻量化领域的大部分结构。

CFRP叠层横向超声振动辅助铆接技术

针对碳纤维增强复合材料叠层钛合金铆钉铆接时出现的钛合金铆钉难变形、铆接干涉量不均匀等问题,提出了一种横向超声振动辅助铆接技术,以改善钛合金铆钉塑性、促进接头干涉量均匀分布。通过建立不同振幅和表面粗糙度的铆接实验,定量分析了铆接相对干涉量、镦头尺寸偏差与形貌及力学性能。研究结果表明,振幅越大,相对干涉量越大,在振幅为21μm时可实现较为理想的相对干涉量配合,其相对干涉量范围在1.72%~1.54%之间;粗糙度对相对干涉量的影响较小,但粗糙度越大,塑性改善越显著,镦头尺寸偏差越大。此外,拉伸实验结果表明,普通铆接的最大拉伸载荷为4166.21 N,在振幅为26μm时横向超声振动辅助铆接的最大拉伸载荷为4562.32 N,提高了9.51%。

超声振动对TA2钛合金板材与其接触面摩擦系数的影响

基于平板滑动摩擦实验和超声振动辅助成形原理,设计超声振动平板滑动摩擦实验装置,以TA2钛合金板材为研究对象,45号钢为接触目标,分析了超声振幅、频率、接触面粗糙度及接触力等工艺参数对TA2/45号钢之间的摩擦力及摩擦系数的影响规律,得到了不同工艺参数条件下的摩擦系数以及摩擦力与滑动距离之间的变化关系。研究结果表明:施加超声振动可以降低TA2/45号钢之间的摩擦力及摩擦系数,相较于超声振幅,超声频率对摩擦系数的影响更大;同时,摩擦系数随着接触面粗糙度的减小而减小,加入一定润滑剂后效果更为显著;而在一定接触力范围内,接触力的大小对摩擦系数的影响较小。