超声振动辅助端面磨削TC4数值模拟及实验研究

发布时间：2020-05-14 09:52

【摘要】：随着航空工业的发展以及钛合金材料在航空领域的广泛应用,如何获得更加优质的钛合金加工表面是目前亟需解决的关键问题。常见的表面机加工工艺中,微磨削相较于切削和铣削,更易获得高质量的加工表面,但因钛合金材料加工性较差,普通磨削难以保证其质量要求。超声辅助微磨削作为新型精加工技术,在塑性等难加工材料加工方面具有突出的优势,不仅成本低、高质、高效,而且还有着普通磨削无法比拟的加工效果。与普通磨削相比,超声辅助磨削在降低磨削力、改善磨削环境、延缓砂轮磨损及提高工件表面质量等方面优势明显。本文针对钛合金TC4材料的超声辅助端面微磨削技术,开展了端面轴向磨削过程中磨粒的运动学和动力学特征理论分析,通过微观磨削有限元三维模拟以及建立实验平台,进行了有无超声磨削特征的对比分析,磨削特性随加工参数变化的实验研究。通过仿真和实验,得出以下结论:1)通过仿真可以看出,超声辅助磨削过程中,单颗磨粒受到了严重的冲击作用,材料塑性变形程度明显减小,并规律性地堆积于加工表面,磨削力显著降低,应力应变现象明显减弱。2)通过实验可以得知,同等磨削条件下,超声辅助磨削磨削力均小于普通磨削磨削力。在一定的磨削深度范围内,超声磨削磨削力随进给速度的增加而变大,反之,超过这个范围时,磨削力出现先减小后增大的变化趋势。其它磨削条件不变,磨削力随振幅的增大而减小,反之呈增大趋势。3)普通磨削TC4钛合金其表面有无序状形态各异的滑痕,滑痕间有明显的材料残留塑性隆起,并伴随对工件表面不同程度的滑伤。超声辅助磨削中,工件表面呈现出明显的等间隔跳跃式近似队列的冲击碾压滑痕,且滑痕具有短而宽的形态特征,滑痕间无明显塑性隆起。通过超声辅助磨削的工件更光滑。4)根据实验研究,在超声辅助磨削过程中,其它工艺参数已定的情况下,随着振幅的增加,表面粗糙度值逐渐增大,在振幅接近于磨削深度时,表面粗糙度值达到最大。
【图文】：

钛合金,航空,部件

起落架框结构发动机图 1-2 部分航空钛合金部件磨削通常用于零件表面后续的半精加工或精加工阶段，对于航空难加工材料钛合金，传统磨削加工已暴露出种种加工弊端。由于钛合金材料独特的性能特点，对其普通磨削时，易造成磨削刀具的损坏，工件表面质量较低，有明显的表面划伤和烧伤，砂轮磨削部位不规则磨屑粘结现象较严重，甚至在钛合金工件表面有裂纹出现。如上不利于磨削的因素将导致钛合金的磨削加工质量较差，砂轮容易堵塞，工件表面质量不易控制等等。随着钛合金用量在航空领域的需求日益增大，如何获得高精度、高质量、低成本的钛合金结构件，对精加工技术的优化和促进钛合金材料的应用发展有着重大的意义。基于钛合金上述精加工难的特点，国内外学者进行了大量切削技术研究，目前解决上述难题的一般方法，主要有超声振动车削[6]、超声振动铣削等特种加工手段，但仍然不能完全解决钛合金精加工中的问题。近年来随着对超声振动辅助微磨削技术的不断探究，其在科研教学方面已有了较大的进展和成果[7]，尤其对

形貌,磨粒,钛合金

a) 磨粒的破碎和脱落 b) 磨屑粘结图 1-3 磨粒的破碎、脱落和粘结2）磨削力较大，温度较高钛合金在磨削过程中，滑擦方式为主要的作用模式，由于主轴的高速旋转在此极短暂的时间内产生剧烈的摩擦、弹性和塑性变形，然后钛合金才被磨去成为磨屑，随之产生相当大的磨削热，加之钛合金的低导热性，几乎大部分热能难以散失，，研究表明在同等的磨削参数下，磨削钛合金达到的温度至少是 45 号钢的两倍[11]。在高温环境下，易导致钛合金表面磨削烧伤，甚至产生烧伤裂纹；同时伴随有害拉应力的出现[12]，致使钛合金表面质量变差；而钛合金的耐高温性能使得其在高温下拥有相当高的硬度，同样影响砂轮的使用寿命。3）磨削质量不易控制砂轮磨削时自身状况特征、磨削过程中的大磨削力及高磨削温度均会导致钛合金表面质量不易控制；除此之外，随着砂轮磨削参数的变化，工件表面加工形貌也随之而变化，如对于杯形砂轮端面加工钛合金而言，随着主轴转速的增大加之磨削过程中的系统误差，砂轮难免会产生微量振动，致使瞬时砂轮端面的有
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG580.6;TG663

【参考文献】