硬质合金二维超声车削过程及加工表面质量的试验研究
发布时间：2021-07-04 04:50
硬质合金具有强度高、耐磨性好等诸多优良的物理力学性能,成为航空航天、国防军工、仪器仪表等领域中不可或缺的结构材料。但因其脆性高、断裂韧性低等导致切削过程中切削力大、切削温度高、易在已加工表面形成残余拉应力,这已成为严重制约其高效精密切削技术发展的关键问题。本文以硬质合金的二维超声车削过程为研究对象,对二维超声车削过程的切削刃运动特性、切削力特性、切削温度特性及工件的表面粗糙度和表面残余应力特性展开研究:1、研究了二维超声车削加工原理,建立了切削刃的运动轨迹模型,建立了硬质合金二维超声车削条件下的切削力、切削热模型;根据加工残余应力的形成机理,通过应力加载和释放,建立了二维超声车削残余应力解析模型。2、基于热力耦合作用,建立了硬质合金二维超声车削有限元模型,采用有限元软件Abaqus,对切削力、切削温度和加工表面残余应力进行了仿真及分析;仿真分析了超声切削中刀具几何参数以及超声表征参数对切削力、切削温度以及加工残余应力的影响规律,结果表明超声车削能够有效提高工件表面的残余压应力和工件内部最大的残余压应力,同时在一定程度上增大了压应力层的深度。3、基于声学理论研制了二维超声振动系统,搭建了...
【文章来源】：河南理工大学河南省
【文章页数】：109 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
非球面光学零件Fig1-1.Asphericalopticalparts
2图1-1非球面光学零件图1-2光学零件的模压成型Fig1-1.AsphericalopticalpartsFig1-2.Modellingofopticalparts超精密加工技术是加工高精度非球面光学零件成型模具的必由之路，因此是国际尖端技术领域研究的重要内容[2-4]。特别是超硬材料非球面超光滑表面的超精密车削技术，由于精度要求极高及加工中涉及多领域尖端技术，目前在国内很少被应用于工业领域。除美国、德国、日本等少数国家外，实现高精度非球曲面的加工技术，主要还是采用超精密切削、磨削、研磨、抛光等技术。国内外相关研究机构对精密超精密磨削切削的研究均较为深入，但在高硬脆性非球面光学透镜模具的超精密加工领域还有待研究：（1）硬质合金模具的超精密制造方法多为磨削抛光或者电解加工，如日本理化学研究所[5-6]、湖南大学微纳制造研究所[7-8]和哈尔滨工业大学精密工程所[9-10]等均成功研制了超硬合金光学模具，但由于工艺复杂导致了高制造成本；（2）新加坡、日本等少数研究院所对金属材料的非球曲面的车削进行了研究，但针对硬脆材料尤其是目前普遍作为透镜模具材料的硬质合金的研究极少；（3）目前常常使用单晶金刚石刀具使用对硬质合金进行车削加工，普通切削方法都属于连续加工范畴，刀具的弱红硬性严重影响刀具使用寿命，进而在工件表面出现脆性裂纹，难以取得预期质量；（4）相较于传统切削方式，一维超声辅助切削在难加工材料的精密加工方面有其优势，然而针对高精度的光学玻璃模具制造，其加工质量和精度难以保证；（5）硬质合金的二维超声(椭圆超声)辅助切削在新加坡国立大学已经开展相关研究[11]，然而没有从机理上给出超声激励对材料本构特征和材料去除机理的影响。1.3硬质合金及其切削加工特性硬质合金是由元素周期表中难熔的金属过渡元素?
?穸?ㄖ?庸そ?欢ㄆ德实恼穸?郊釉诘毒呋?工件上，选择合适的参数，加工过程中刀具和工件的状态能实现周期性分离切割，当超声辅助加工被应用于硬质合金等硬脆性材料切削时，能够有效降低切削力和切削温度，提高刀具使用寿命，减少表面残余应力，改善工件表面质量。（4）激光超声振动辅助加工：将超声振动和激光加工同时应用到切削加工过程被称为激光超声复合切削加工方式，近年来激光超声振动辅助加工方式在超精密加工领域占据较为重要地位，国内外学者通过大量研究得出了激光与超声复合加工技术能提高加工精度的结论。图1-3水下激光与超声复合加工(a)单独激光烧蚀(b)无超声振动时(c)有超声振动时
【参考文献】：
期刊论文
[1]超声振动平面磨削的表面残余应力数值模拟[J]. 何玉辉,周剑杰,万荣桥,唐楚,唐进元. 现代制造工程. 2017(10)
[2]纵-扭复合振动超声深滚加工残余应力场数值分析[J]. 郑建新,段玉涛. 机械科学与技术. 2017(02)
[3]铝合金超声振动切削实验研究[J]. 刘金光,余德平,黄玮海. 机床与液压. 2016(19)
[4]薄壁盘类零件超声振动车削实验研究[J]. 王翀,隋翯,张翔宇,陈华伟,吴瑞彪,张德远. 电加工与模具. 2016(03)
[5]横向超声振动对金刚石线锯切割硬脆材料锯切力及临界切削深度的影响[J]. 李伦,李淑娟,汤奥斐,李言. 机械工程学报. 2016(03)
[6]基于Abaqus的A357铝合金正交切削加工有限元仿真及其实验研究[J]. 舒平生. 组合机床与自动化加工技术. 2015(08)
[7]超声波振动切削TC4钛合金的残余应力数值分析[J]. 杨万辉,陈雷,杨金发,杨惠欣. 航空制造技术. 2015(15)
[8]超声振动珩磨表面残余应力数值模拟研究[J]. 郑华林,张伟. 表面技术. 2015(07)
[9]表面超声滚压处理工艺对高速列车车轴钢表面状态的影响[J]. 陈利钦,项彬,任学冲,刘鑫贵,林国标. 中国表面工程. 2014(05)
[10]硬脆材料的旋转超声辅助加工[J]. 房丰洲,倪皓,宫虎. 纳米技术与精密工程. 2014(03)
博士论文
[1]氮化硅陶瓷超声振动铣磨加工表面完整性研究[D]. 乔国朝.哈尔滨工业大学 2013
[2]基于喷嘴电解的ELID磨削机理与实验研究[D]. 唐昆.湖南大学 2013
[3]陶瓷结合剂金刚石砂轮高速磨削硬质合金的机理研究[D]. 詹友基.华侨大学 2013
[4]超声振动微铣削系统的建立及铣削力和残余应力的研究[D]. 胡海军.哈尔滨工业大学 2012
[5]微纳米动态切削系统建模及表面形貌的预测分析研究[D]. 周磊.哈尔滨工业大学 2009
[6]采用多刃铣刀的航空铝合金高速加工过程的数值模拟与实验研究[D]. 袁平.浙江大学 2008
[7]钛合金航空整体结构件铣削加工变形的预测理论及方法研究[D]. 杨勇.浙江大学 2007
硕士论文
[1]铝合金超声冲击残余应力场数值分析研究[D]. 黄超.天津大学 2012
[2]基于超声深滚理论齿轮齿面光整强化研究[D]. 陈文蕊.大连理工大学 2012
[3]纵—扭复合振动超声深滚加工声学系统研究[D]. 韩杰.河南理工大学 2012
[4]超声振动辅助铣削LY12铝合金表面质量研究[D]. 赵云峰.山东大学 2011
[5]超声辅助硬态车削GCr15轴承钢物理机械性能的试验研究[D]. 刘向.河南理工大学 2011
[6]超声振动微细铣削残余应力的研究[D]. 孙青.哈尔滨工业大学 2010
本文编号：3264074
【文章来源】：河南理工大学河南省
【文章页数】：109 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
非球面光学零件Fig1-1.Asphericalopticalparts
2图1-1非球面光学零件图1-2光学零件的模压成型Fig1-1.AsphericalopticalpartsFig1-2.Modellingofopticalparts超精密加工技术是加工高精度非球面光学零件成型模具的必由之路，因此是国际尖端技术领域研究的重要内容[2-4]。特别是超硬材料非球面超光滑表面的超精密车削技术，由于精度要求极高及加工中涉及多领域尖端技术，目前在国内很少被应用于工业领域。除美国、德国、日本等少数国家外，实现高精度非球曲面的加工技术，主要还是采用超精密切削、磨削、研磨、抛光等技术。国内外相关研究机构对精密超精密磨削切削的研究均较为深入，但在高硬脆性非球面光学透镜模具的超精密加工领域还有待研究：（1）硬质合金模具的超精密制造方法多为磨削抛光或者电解加工，如日本理化学研究所[5-6]、湖南大学微纳制造研究所[7-8]和哈尔滨工业大学精密工程所[9-10]等均成功研制了超硬合金光学模具，但由于工艺复杂导致了高制造成本；（2）新加坡、日本等少数研究院所对金属材料的非球曲面的车削进行了研究，但针对硬脆材料尤其是目前普遍作为透镜模具材料的硬质合金的研究极少；（3）目前常常使用单晶金刚石刀具使用对硬质合金进行车削加工，普通切削方法都属于连续加工范畴，刀具的弱红硬性严重影响刀具使用寿命，进而在工件表面出现脆性裂纹，难以取得预期质量；（4）相较于传统切削方式，一维超声辅助切削在难加工材料的精密加工方面有其优势，然而针对高精度的光学玻璃模具制造，其加工质量和精度难以保证；（5）硬质合金的二维超声(椭圆超声)辅助切削在新加坡国立大学已经开展相关研究[11]，然而没有从机理上给出超声激励对材料本构特征和材料去除机理的影响。1.3硬质合金及其切削加工特性硬质合金是由元素周期表中难熔的金属过渡元素?
?穸?ㄖ?庸そ?欢ㄆ德实恼穸?郊釉诘毒呋?工件上，选择合适的参数，加工过程中刀具和工件的状态能实现周期性分离切割，当超声辅助加工被应用于硬质合金等硬脆性材料切削时，能够有效降低切削力和切削温度，提高刀具使用寿命，减少表面残余应力，改善工件表面质量。（4）激光超声振动辅助加工：将超声振动和激光加工同时应用到切削加工过程被称为激光超声复合切削加工方式，近年来激光超声振动辅助加工方式在超精密加工领域占据较为重要地位，国内外学者通过大量研究得出了激光与超声复合加工技术能提高加工精度的结论。图1-3水下激光与超声复合加工(a)单独激光烧蚀(b)无超声振动时(c)有超声振动时
【参考文献】：
期刊论文
[1]超声振动平面磨削的表面残余应力数值模拟[J]. 何玉辉,周剑杰,万荣桥,唐楚,唐进元. 现代制造工程. 2017(10)
[2]纵-扭复合振动超声深滚加工残余应力场数值分析[J]. 郑建新,段玉涛. 机械科学与技术. 2017(02)
[3]铝合金超声振动切削实验研究[J]. 刘金光,余德平,黄玮海. 机床与液压. 2016(19)
[4]薄壁盘类零件超声振动车削实验研究[J]. 王翀,隋翯,张翔宇,陈华伟,吴瑞彪,张德远. 电加工与模具. 2016(03)
[5]横向超声振动对金刚石线锯切割硬脆材料锯切力及临界切削深度的影响[J]. 李伦,李淑娟,汤奥斐,李言. 机械工程学报. 2016(03)
[6]基于Abaqus的A357铝合金正交切削加工有限元仿真及其实验研究[J]. 舒平生. 组合机床与自动化加工技术. 2015(08)
[7]超声波振动切削TC4钛合金的残余应力数值分析[J]. 杨万辉,陈雷,杨金发,杨惠欣. 航空制造技术. 2015(15)
[8]超声振动珩磨表面残余应力数值模拟研究[J]. 郑华林,张伟. 表面技术. 2015(07)
[9]表面超声滚压处理工艺对高速列车车轴钢表面状态的影响[J]. 陈利钦,项彬,任学冲,刘鑫贵,林国标. 中国表面工程. 2014(05)
[10]硬脆材料的旋转超声辅助加工[J]. 房丰洲,倪皓,宫虎. 纳米技术与精密工程. 2014(03)
博士论文
[1]氮化硅陶瓷超声振动铣磨加工表面完整性研究[D]. 乔国朝.哈尔滨工业大学 2013
[2]基于喷嘴电解的ELID磨削机理与实验研究[D]. 唐昆.湖南大学 2013
[3]陶瓷结合剂金刚石砂轮高速磨削硬质合金的机理研究[D]. 詹友基.华侨大学 2013
[4]超声振动微铣削系统的建立及铣削力和残余应力的研究[D]. 胡海军.哈尔滨工业大学 2012
[5]微纳米动态切削系统建模及表面形貌的预测分析研究[D]. 周磊.哈尔滨工业大学 2009
[6]采用多刃铣刀的航空铝合金高速加工过程的数值模拟与实验研究[D]. 袁平.浙江大学 2008
[7]钛合金航空整体结构件铣削加工变形的预测理论及方法研究[D]. 杨勇.浙江大学 2007
硕士论文
[1]铝合金超声冲击残余应力场数值分析研究[D]. 黄超.天津大学 2012
[2]基于超声深滚理论齿轮齿面光整强化研究[D]. 陈文蕊.大连理工大学 2012
[3]纵—扭复合振动超声深滚加工声学系统研究[D]. 韩杰.河南理工大学 2012
[4]超声振动辅助铣削LY12铝合金表面质量研究[D]. 赵云峰.山东大学 2011
[5]超声辅助硬态车削GCr15轴承钢物理机械性能的试验研究[D]. 刘向.河南理工大学 2011
[6]超声振动微细铣削残余应力的研究[D]. 孙青.哈尔滨工业大学 2010
本文编号：3264074
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jiagonggongyi/3264074.html
