难加工材料铣削残余应力研究进展

镍基高温合金、钛合金等材料具有良好的高温强度、耐热性和耐腐蚀性等优异性能,已广泛应用于航空航天领域,然而这些材料属于典型的难加工材料,其相对切削加工性能很差,且已加工表面易产生显著残余拉应力,严重影响零部件使用寿命及性能。通过适当的方法调整和控制已加工表面的残余压应力,可以明显提高零件疲劳强度和耐腐蚀性。压应力制造技术是指以获得残余压应力为目标的制造技术,是一种典型的抗疲劳方法。将超声技术与其他加工方法复合实现残余压应力的主动控制,是目前抗疲劳制造技术的主要方法之一。然而,由于受超声加工的临界速度限制,超声与高速复合加工的研究相对较少,但两者均是目前压应力制造领域高度关切的先进加工方法,如果两者能有效复合,必将使核心部件制造在保证更加优良的抗疲劳性能的同时,获取更高的效率。通过分析铣削加工、高速加工以及超声振动加工中残余应力的研究现状,提出可将高速加工和超声振动加工相结合,从而实现难加工材料的高效压应力制造。     

CFRP单向板超声振动辅助螺旋铣孔孔壁的质量试验

通过普通螺旋铣及超声振动辅助螺旋铣(Ultrasonic vibration helical milling,UVHM)加工CFRP单向板的单因素对比试验,分析了孔0°、45°、90°、135°处的纤维破坏形式及孔壁形貌不同的原因及切削力周期性变化及FX的幅值大于FY的幅值的原因,其中135.处的孔壁处受加工参数影响较大,且质量最差,基于此着重研究了 135.处孔壁质量随加工参数的变化规律.结果表明,与普通螺旋铣相比UVHM的切削力大幅降低,降幅达50％,且UVHM加工孔的孔壁质量更优;孔壁质量随着加工参数的变化均有一定的变化规律.     

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。     

切削法制备超细晶材料研究进展与展望

综述了切削法制备超细晶材料时加工参数和工艺条件对晶粒细化的影响,分析了切削法制备超细晶材料的力学性能、耐腐蚀性能和热稳定性等,探讨了超声振动复合切削法制备超细晶材料的可能性。在超声振动加工中,材料受低应力高速、高频撞击的影响,会发生严重的塑性变形,表面大尺寸的晶粒得到细化,同时超声振动还可以在材料表面形成表面微结构,进一步改善材料性能。因而提出将切削法和超声振动相复合,高效制备具有功能微结构的超细晶材料,为微型零件超细晶材料制备提供新的工艺选择以及理论和技术支撑。     

TC4钛合金纵扭超声磨削力热耦合模型及其试验研究

为探究TC4钛合金纵扭超声磨削过程中的力热耦合机理,基于TC4钛合金纵扭超声磨削的磨削力模型、工件表面平均温度模型、质量热容计算表达式建立了其力热耦合模型,并对力热耦合作用下TC4钛合金纵扭超声单颗磨粒去除过程进行有限元仿真,分析磨削力、磨削温度的相互影响特性。理论与仿真研究发现,磨削区剧烈的温升会降低钛合金抵抗塑性变形的能力,抑制磨削力的增长速率。最后通过TC4钛合金纵扭超声磨削试验进行验证,结果表明,纵扭超声的引入能明显降低磨削力和磨削温度,磨削力和磨削温度的降低幅度分别达到19.39%和12.41%;磨削温度随着磨削深度、砂轮转速和工件进给速度的增大而升高,且随着磨削温度的升高磨削力增长趋势变缓;磨削力和磨削热的减小使工件表面塑性变形和犁沟两侧的塑性隆起高度减小;与普通CBN磨削相比,纵扭超声的引入对表面粗糙度的降低幅度可达到31.21%,在一定范围内增大超声振幅能显著提高加工表面的质量。     

GCr15轴套纵扭超声磨削表面形貌预测及试验研究

目的 构建纵扭超声磨削(LTUG)表面形貌预测模型,分析工艺条件和参数对表面粗糙度Ra值的影响,揭示GCr15轴套LTUG内圆表面形成机理。方法 基于弹性变形对LTUG单颗磨粒运动轨迹的影响,根据切削厚度概率密度函数和相邻磨粒轨迹重叠效应,建立了多磨粒超声振动作用下的最大未变形切削厚度模型,利用表面残余材料高度公式建立了GCr15轴套内圆磨削形貌预测模型,以LTUG和普通磨削(OG)方式对GCr15轴套内圆进行试验,采用正交试验验证表面形貌模型的准确性,观察并分析LTUG和OG作用后的GCr15轴套内圆表面形貌,最后利用所建立的表面形貌模型,研究磨削参数和超声振幅对表面Ra值的影响。结果 结果表明,基于所建立的表面形貌模型计算而得的表面Ra值与试验结果间的误差在13.2%以内,与OG相比,LTUG作用下的表面沟槽磨痕更均匀;LTUG作用下的表面轮廓呈现规律的周期性波动,且随振幅的增大,表面轮廓顶峰之间的间距逐渐增大;LTUG作用下的表面Ra值均低于OG,表面Ra值的降低幅度最大达到20%,随振动幅值的增大,表面Ra值逐渐减小,当振幅增大到一定程度时,表面Ra值呈现增大趋势。结论 建立的LTUG形貌预测模型具有良好的准确性,在合适的工艺参数下,LTUG可明显降低表面Ra值,与OG相比,在相同时间内,LTUG作用下的磨粒运动轨迹长度更长,且LTUG区域的弹性变形对磨粒运动轨迹和最大未变形切削厚度均有不同程度的影响。     

刀具前角对超声复合加工成形切屑组织与性能的影响

超细晶纯铜作为重要的基础材料和功能材料成为当前金属材料的研究热点,本工作在大应变挤压-切削法(Large strain extrusion machining, LSEM)的基础上提出超声复合切削法(Ultrasonic compound cutting, UCC)来制备超细晶纯铜。超声复合切削中刀具前角是影响切屑应变、晶粒尺寸、位错密度及性能的关键要素,为了研究刀具前角对纯铜切屑组织和性能的影响,基于ABAQUS软件建立超声复合切削三维有限元模型,分析切削变形区等效应变、等效应变率和切削温度的变化;设计单因素试验,分析刀具前角和超声振动对切屑微观组织、位错密度和显微硬度的影响。结果表明：随着刀具前角的增加,等效应变和切削温度逐渐减小,等效应变率会先增大后减小。与LSEM切屑相比,加入超声振动后切屑晶粒细化程度和位错密度均提高,硬度增加5%。当刀具前角为30°时,切屑晶粒由粗晶细化至亚微米级拉长晶,宏观硬度从基体的92.5HV提高至131.8HV;当刀具前角为15°时,晶粒进一步细化为等轴细晶,位错密度为1.14×10¹³m^-2,硬度提高至1...     

CFRP单向板超声振动辅助螺旋铣孔孔壁的质量试验

通过普通螺旋铣及超声振动辅助螺旋铣(Ultrasonic vibration helical milling,UVHM)加工CFRP单向板的单因素对比试验,分析了孔0°、45°、90°、135°处的纤维破坏形式及孔壁形貌不同的原因及切削力周期性变化及FX的幅值大于FY的幅值的原因,其中135.处的孔壁处受加工参数影响较大,且质量最差,基于此着重研究了 135.处孔壁质量随加工参数的变化规律.结果表明,与普通螺旋铣相比UVHM的切削力大幅降低,降幅达50％,且UVHM加工孔的孔壁质量更优;孔壁质量随着加工参数的变化均有一定的变化规律.     

表面纳米化对材料性能影响的研究进展与展望

工程零部件失效常源于表面,微组织结构显著影响甚至决定工程零部件使役性能,表面纳米化技术可诱导材料微组织结构变化产生纳米晶结构表面层,增大表层残余压应力,对材料性能有极其重要的影响。首先综述了表面纳米化诱导微组织结构变化的过程及机理,诱导材料产生晶粒细化、位错运动、残余压应力增大、相变等微观变化,诱因有塑性变形、温度变化、元素渗入等。其次归纳了表面纳米化对材料性能的影响及其机理,上述微观变化对材料疲劳强度、耐腐蚀性、摩擦磨损性能、生物学性能等产生显著影响。总结了各个典型表面纳米化工艺的特点,相比于其他表面纳米化技术,超声振动辅助加工具有不需引入其他元素、不污染环境、原理简单、高速高质量、成本低廉、可依托于各种传统加工工艺等优势,对材料摩擦磨损性能、疲劳性能、生物学性能、表面浸润性和耐腐蚀性等具有积极作用。最后对表面纳米化工艺的未来发展做了展望,其中针对性分析了超声振动辅助加工。针对纳米晶结构表面层的数字化仿真模拟极其匮乏这一现状,将模拟仿真与试验相结合,分析微组织结构与加工参数、微组织结构与材料性能的映射关系并建立模型直观反映尚需更全面系统的研究。材料的某些性能可能不会同时达到最优值,依...     

淬硬模具钢超声辅助铣削力的试验研究

淬硬模具钢是一种典型的难加工材料,随着航空航天科技的发展,淬硬模具钢的应用领域越来越广泛。近年来,随着大功率超声振动技术的应用及其研究的不断进展,大量的试验研究表明,超声加工在淬硬材料加工方面,与传统的磨削加工和高速加工相比具有独特的优越性。主要对淬硬模具钢SKD61在进给方向一维超声振动铣削过程中的铣削力进行试验研究,研究结果表明:在机床转速、进给量、切深、步距和振幅这5个工艺参数中,振幅对铣削力的影响较为显著,这充分证明了超声振动加工在淬硬材料加工方面的优势。同时,通过单因素试验,获得了机床转速、进给量和切深对不同方向铣削力的影响规律。