钛合金薄壁件超声振动辅助铣削稳定性研究

发布时间：2020-09-25 15:29

　　随着航空航天事业的飞速发展,钛合金薄壁零件的应用比例迅速增加,并且结构越来越复杂,壁厚越来越薄。钛合金材料的难加工特性与薄壁结构件的低刚度特性使得钛合金薄壁零件在加工过程中极易发生颤振,加工质量、加工精度和加工效率难以得到保证,制约了钛合金薄壁件在航空航天领域的拓展应用。因此提高钛合金薄壁件在加工过程中的稳定性具有重要意义。本文对钛合金薄壁件的超声辅助铣削稳定性特性进行理论和实验研究。通过对纵向、扭转以及纵扭复合的超声振动辅助铣削过程中的刀尖运动轨迹(侧铣)研究,探究了在超声振动铣削加工中切削刃与切屑的接触状态。通过对刀尖运动轨迹与切削刃螺旋角的对比,建立了切削刃与切屑接触点和分离点的求解方法,进而求解出在单次超声振动切削过程中切削的净切削时间和占空比,并进一步研究了各个工艺参数对净切削时间及占空比的影响。结合超声振动铣削切削刃的运动分析,在普通铣削切削力模型基础上,引入反映切削刃与切屑接触状态的表征函数,建立了超声振动辅助铣削的切削力模型。并通过实验求解出了四刃和两刃立铣刀与钛合金之间的切削力系数,对切削力实验值与预测值进行对比,验证了该模型的可行性。本文基于全离散法建立了纵向,扭转和纵扭复合超声振动辅助铣削(侧铣)系统的稳定性预测模型,研究了各工艺参数对超声振动铣削系统稳定性的影响。通过对比发现,超声振动辅助铣削系统的稳定性叶瓣图比普通铣削系统稳定性叶瓣图高,由此得出超声振动辅助铣削系统的稳定性更好。在理论分析的基础上,设计特定结构的钛合金薄壁件,通过模态试验测出薄壁件的模态特性,对薄壁件进行变切深切削,证实所建薄壁件超声振动铣削系统稳定性预测模型的可行性。
【学位单位】：河南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG54;TG663
【部分图文】：

钛合金薄壁件超声振动辅助铣削稳定性研究

研究内容图

超声振动装置,刀柄,超声振动

102.2 超声振动系统振动性能测试本节测试纵振和扭振两种超声振动系统的振动特性。如图2-2所示，图（a）是扭转超声振动刀柄，图（b）是纵向超声振动刀柄，图（c）是超声波发生器。超声波发生器型号为：ZJS-500N，输出功率大于250W，频率可调范围30KHz～36KHz。(a) 扭转超声振动刀柄 (b) 纵向超声振动刀柄（a）Torsional ultrasonic vibration device （b）Longitudinal ultrasonic vibration device(c)超声波电源（c）Ultrasonic power supply图 2-2 超声振动装置Fig.2-2 Ultrasonic vibration device将超声电源与刀柄，变幅杆，刀具共同组成的超声振动刀柄连接，调试正常后，采用 Keyence 激光位移传感器收集变幅杆小端面振动位移数据

现场照片,超声振动,超声振动系统

11图2-3 测试现场照片Fig.2-3 Field photos of test（a）纵向超声振动测试（b）扭转超声振动测试（a）Torsional ultrasonic vibration device （b）Longitudinal ultrasonic vibration device图2-4 纵振和扭振测试图Fig.2-4 Test chart of longitudinal and torsional vibration2.2.1 纵向超声振动测试结果纵向超声振动系统选用四刃刀具，刀具伸长量35mm。图2-5为频率匀速从33.1kHz到34.4kHz，电流从0.1A到最大0.7A再回到0.1A的纵向振幅变化情况。从图中可以看出来频率从33.1kHz变化到33.8kHz时候振幅变化近似于指数形式增大。超声振动系统在频率在33.8kHz处电流达到最大0.7A，振幅为5.7um。而从33.8kHz向34.4kHz变化时近似线性减小，变化比较平缓，为了在实验中实现更加平稳超声振动效果，故超声振幅频率应选在33.8kHz至34.4kHz之间。考虑到超声振动系统电流不易过大，避免系统发热严重，故测试频率33.9kHz至33.4kHz之间，振动测试结果如表2-1所示

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