钛合金薄壁件超声椭圆振动铣削研究

针对航空领域中钛合金薄壁件在铣削过程中存在切削力大、加工精度低等问题,提出了超声椭圆振动铣削方法进行钛合金薄壁件的加工。超声椭圆振动铣削时,刀尖的特殊运动轨迹使刀尖具有高线速度特性和高频断续切削特性,平均切削力大为降低,从而增强了铣刀的切削能力,提高了切削加工精度。利用自制的超声铣削刀柄系统,对钛合金试件进行铣削实验,结果表明与普通铣削相比,超声椭圆振动铣削的切削力可降低达50%,零件的形位精度得到了显著提高。     

微细铣削振动信号非线性特征的试验研究

微细铣削具有很强的三维微细加工能力,是目前微细切削最主要的一种应用方式。与常规尺度铣削相比,微细铣削的工艺效果与工艺参数之间更容易失去确定性关系而表现出非线性特征。为此,利用压电式高阻抗三向加速度计分别采集了获得正常铣削表面和宏观振纹表面时的微细铣削振动信号。应用均方根值(RMS)和峭度K等时域特征参数,以及重心频率(FC)、均方根频率(RMSF)和频率标准差(RVF)等频域特征参数描述了振动信号能量、差异程度、功率谱主频带、能量分散程度的变化历程。研究表明:失稳是微细铣削过程中非线性现象的主要原因;振动信号主频带对于铣刀进给运动方向状态的变化最为敏感,其次是铣削深度方向,最后是铣刀安装轴向方向。     

超声振动辅助磨削技术的现状与新进展

如何实现硬脆性材料的高效率、高质量、高精度加工是现代精密制造领域的技术难题,为解决这一难题超声波振动磨削技术被引入到硬脆性材料的加工中。综述了超声振动磨削技术的现状,基于现有的一维振动磨削与二维振动磨削技术,着重分析了不同超声振动施加方式对磨削力、加工表面完整性、砂轮磨损等加工特性的影响。作为二维振动磨削技术的最新进展,对垂直型椭圆振动磨削技术的加工原理以及加工特性进行初步介绍。     

超声椭圆振动车削三维形貌形成研究

为研究椭圆振动车削表面三维几何形貌形成规律及影响因素,采用金属切削理论对椭圆振动切削过程和三维切削模型进行了分析。研究结果发现：切削过程中相邻两转之间不同的相位差特征值对最终表面形貌有着重要的影响;通过已有的试验结果表明,相位差特征值分别为0和0.5时所形成的表面形貌截然不同,与理论分析结果相吻合。     

深孔数控变径超声椭圆振动镗削加工方法研究

深孔镗削采用超声椭圆振动技术具有大幅降低切削力、抑制颤振和提高工件加工精度的优势。为充分发挥超声椭圆振动切削和数控加工优势,在研究固-固界面传振理论基础上,针对长径比大于20 的复杂内腔深孔件的加工难题,提出了一种新型数控变径超声椭圆双刃镗削加工方法,通过切削对比实验验证了超声变径双刃数控镗削比普通镗削更具有提高加工精度、表面质量、抑制颤振的优势。与普通切削相比,在相同加工参数下,加工孔直径16 mm,长径比23颐1,单边落差0. 5 mm 的深孔内腔轴类零件,超声镗削可达到表面粗糙度Ra 为0. 65 μm,表面质量和加工精度满足设计要求。数控变径超声椭圆振动镗削加工方法为深孔复杂内腔加工提供了一条有效途径。     

模具钢微流道沟槽的激光铣削试验研究

采用Nd∶YAG激光器对预硬高硬度镜面塑胶模具钢HPM75进行了微流道沟槽的铣削试验。通过铣削熔屑的排除量和排屑过程分析,研究了激光工艺参数及激光扫描方向对铣削沟槽质量的影响。结果表明,激光能量,辅助气压,激光扫描方向与排屑方向间的夹角α是影响铣削质量及铣削效率的重要因素。进一步分析了激光铣削圆弧形沟槽时,所遇到的加工方式与路径规划问题,通过路径规划,增大熔屑的排除量,提高铣削加工效率及质量。采用优化参数铣削出宽0.29mm、深0.28mm的微流道沟槽,侧壁表面平整,达到抛光前的要求。ZYGO表面轮廓仪对该沟槽的检测结果表明:不同位置处沟槽的宽度和深度保持很好的一致性。     

辅助超声振动车削金属基复合材料试验研究

选取金属基复合材料为加工对象,于刀具上加载超声振动进行车削试验。对比研究表明:辅助超声振动车削较常规方式车削的加工质量好且刀具磨损程度轻;试验参数不同程度地影响辅助超声振动车削试样的表面质量以及刀具磨损程度;随着切削深度增加和进给量增大,试样表面粗糙度和刀具后刀面磨损量均呈递增趋势;而随着转速加快,试样表面粗糙度呈递减趋势,刀具后刀面磨损量则呈递增趋势。     

SiC/GFRP叠层复合装甲旋转超声孔加工轴向力与制孔质量研究

SiC/GFRP叠层复合装甲成型后具有高强度、高硬度、高韧性、高黏性等特点,孔加工极为困难,易出现叠层界面失效、陶瓷崩边、纤维撕裂等损伤。采用新型烧结/钎焊复合工艺薄壁金刚石套料钻,结合旋转超声振动辅助孔加工技术,建立了单颗磨粒的运动学模型,超声振动套孔加工时套料钻与工件周期性地接触分离,其断续切削特性有利于减小轴向力。对SiC/GFRP叠层复合装甲进行制孔试验,分析常规加工和超声辅助加工轴向力的变化规律和制孔质量。研究结果表明,相比于常规套磨加工,超声辅助套磨加工轴向力显著减小,降幅最大达31.8%;超声加工入孔叠层界面处粘结紧密,未出现陶瓷崩碎严重的现象;有效避免了常规加工出孔处不规则隆起和隆起高度较大的缺陷,隆起高度降幅最大达61.03%,显著改善了钻削出孔表面质量,降低了出孔损伤程度,为SiC/GFRP叠层复合装甲的高效低损伤连续孔加工提供了理论参考。     

TC4铣削加工的刀具磨损与切削力和振动关系研究

采用AlCrN涂层整体硬质合金立铣刀铣削TC4钛合金,测量周刃磨损量、切削力和切削振动。使用扫描电镜（SEM）观察刀具磨损形貌,应用能谱分析的方法研究刀具失效表面元素的分布规律。在揭示磨损机理的基础上,进一步探讨刀具磨损对切削力、切削振动的影响规律,为实现钛合金加工刀具磨损状态的在线检查提供理论和技术支持。研究表明：前刀面主要出现机械裂纹、热裂纹、粘结磨损和氧化磨损,后刀面出现机械裂纹、粘结磨损和氧化磨损;整体上,切削力和振动随着磨损量的增大而增大,但不同磨损状态对切削力和振动的影响不同。     

圆环面铣刀高速铣削S50C模具钢的工艺参数研究

为了探究高速铣削过程中工艺参数对表面粗糙度的影响规律,采用多因素正交试验方法对常用模具钢S50C进行高速铣削试验,测量了使用圆环面铣刀铣削加工时不同主轴转速、进给速度、切削深度、切削行距、刀具倾角下加工工件的表面粗糙度,利用人工神经网络结合遗传算法建立了表面粗糙度预测与工艺参数优选模型,并且对模型的有效性进行了验证。结果表明,此方法可以用于切削加工前表面粗糙度的预测与工艺参数的优选,同时也为其他材料加工工艺参数的研究提供了方法。     

分离型纵-扭复合超声铣削的稳定性分析

基于运动合成原理,分析了分离型纵-扭复合超声铣削加工的运动特点,阐明了其具有降低切削力、促进切屑排出以及延长刀具使用寿命的实质;基于结构动力学原理,考虑纵-扭复合超声振动对铣削系统动态特性的影响,建立了分离型纵-扭复合超声铣削加工的动力学模型和稳定域的解析模型,在此基础上应用MATLAB 7.1软件进行数值分析获得了切削系统的稳定性预测图谱(即叶瓣图);利用碳纤维复合材料进行分离型纵-扭复合超声振动铣削试验研究,试验结果与数值计算结果基本一致,验证了理论模型与稳定性叶瓣图的正确性。     

超声横向激励下轴向运动金刚石线锯振动切割分析

金刚石线锯由于切缝窄、柔性好而广泛应用于Si、SiC等超硬脆材料的切割过程中,而超声振动在硬脆材料加工方面具有独特的优势。将超声振动应用于线锯切割过程中,在分析轴向运动弦线振动模型的基础上,利用变量分离求解出线锯在两种不同位置超声激励下横向受迫振动位移场的函数表达式以及线锯系统自然频率的函数表达式;研究讨论了线锯系统的参数对固有频率的影响;分析了线锯临界速度以及线锯往复切割时线锯中点振幅与超声激振线锯系统参数的关系;提出了工件进给速度是影响超声振动线锯切割模式的决定因素。用多普勒激光测振仪对线锯的固有频率、线锯超声激励频率和在振动切割SiC中线锯不同点处的频率进行测定,并对线锯施加超声和不施加超声切割SiC进行了对比实验。结果表明超声振动切割能减小23%～38%的切割力,能明显改善切割表面的质量。测定和实验结果与模型分析有较好的一致性。     

旋转超声加工振幅与实际切削深度特性研究

旋转超声加工中金刚石砂轮超声振幅大小、实际切削深度的正确判定以及工艺参数对金刚石砂轮超声振动幅度影响规律的研究对旋转超声高效精密加工有着重要意义。结合旋转超声加工(RUM)时磨粒的运动及切削特性,分析了磨粒的实际切削深度特性,开展了实际切削深度与超声振幅关系的试验研究;通过改变主轴转速、进给速度、切削深度等工艺参数,讨论了工艺参数对加工时金刚石砂轮超声振幅特性的影响。研究表明:旋转超声面铣削加工时,超声振幅与轴向进给的有效叠加决定实际切削深度;金刚石砂轮的超声振幅具有一定的稳定性,可以有效确保旋转超声加工工件的尺寸精度。     

错齿内排屑刀具深孔加工中的刀具振动特性对孔圆度形貌的作用机制

依据错齿内排屑刀具深孔加工的实际特点,构建了受刀具横向振动特性影响的加工孔圆度形貌模型。运用动力学半解析法,在保证刀具系统动态分析精度的前提下,将复杂深孔刀具系统离散为多段具有局部特征的梁单元,其中相邻单元之间满足模态形函数传递矩阵的连续条件。结合Newton-Raphson迭代法,给出了深孔圆度形貌形成轨迹的数学描述,以及深孔刀具动态特性与加工孔圆度形貌之间的关联关系。通过数值算例验证了所提出方法的可行性,同时为实现深孔切削过程加工孔圆度误差的预测与控制奠定了基础。依据错齿内排屑刀具深孔加工的实际特点,构建了受刀具横向振动特性影响的加工孔圆度形貌模型。运用动力学半解析法,在保证刀具系统动态分析精度的前提下,将复杂深孔刀具系统离散为多段具有局部特征的梁单元,其中相邻单元之间满足模态形函数传递矩阵的连续条件。结合Newton-Raphson迭代法,给出了深孔圆度形貌形成轨迹的数学描述,以及深孔刀具动态特性与加工孔圆度形貌之间的关联关系。通过数值算例验证了所提出方法的可行性,同时为实现深孔切削过程加工孔圆度误差的预测与控制奠定了基础。     

导套式椭圆超声镗削模拟实验研究

椭圆超声振动切削技术的研究绝大多数针对非导套结构装置,针对导套结构对椭圆超声振动切削装置进行了研究。在分析椭圆超声振动切削机理的基础上,通过切削实验发现采用导套结构镗削装置椭圆超声振动切削仍然具有降低切削力、提高加工精度等优势。在相同实际背吃刀量时,吃刀抗力椭圆超声振动切削降为普通切削的19. 6%. 主切削力椭圆超声振动切削降为普通切削的31%. 在理论背吃刀量0. 050 mm 时,椭圆超声振动切削实际背吃刀量接近理论背吃刀量,实际背吃刀量0. 045 mm;普通切削实际背吃刀量和理论背吃刀量相差较大,实际背吃刀量 0. 032 mm.     

基于光滑粒子流体动力学法单颗磨粒超声辅助磨削陶瓷材料的磨削力仿真研究

为了揭示轴向超声振动对磨削SiC陶瓷、Al₂O₃陶瓷的磨削力影响机制,利用光滑粒子流体动力学（SPH）法对单颗金刚石磨粒磨削SiC陶瓷、Al₂O₃陶瓷的磨削力进行仿真,提出在单颗磨粒模拟磨削中应将平均未变形切屑厚度作为磨削深度。通过分析轴向超声振动振幅与磨粒速度对平均未变形切屑厚度的影响,发现平均未变形切屑厚度随着超声振动振幅的增加而减小、随着磨粒速度的降低而减小。仿真结果表明：与普通磨削（CG）相比,轴向超声振动能够有效降低磨削力;随着超声振动振幅的增加磨削力降低比率增大;在相同磨削参数下,磨粒切削SiC陶瓷时磨削力大于切削Al₂O₃陶瓷的磨削力。     

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。