基于振动特性钛合金腹板加工刀具设计与性能评价

发布时间：2017-08-03 17:17

  本文关键词：基于振动特性钛合金腹板加工刀具设计与性能评价

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【摘要】：钛合金以其优异的综合物理力学性能备受航空航天领域青睐,然而,钛合金属于典型难加工材料其难加工性问题一直是加工领域研究重点。为降低飞机自重,提高结构强度,满足飞机机动性、负载能力及服役寿命不断提出的新要求,薄壁腹板结构在航空整体结构件中广泛应用。钛合金薄壁腹板切削力大,刚性差,极易产生切削振动,不仅直接降低加工精度与质量,而且大大降低刀具耐用度,增加加工成本,降低生产效率,急需有效抑制腹板切削振动的解决策略。基于铣削振动系统方程探究腹板切削振动机理,研究认为设计钛合金腹板切削专用刀具是目前最具可行性的研究手段。首先对钛合金切削机理进行深入研究,基于正交试验,从切削力、切削振动两个方面研究工艺参数对钛合金切削性能的影响规律,通过极差分析、方差分析得出工艺参数对钛合金切削性能的影响趋势、影响显著性以及贡献率大小,揭示了工艺参数对钛合金切削性能影响规律；通过不同刀具结构的对比试验,获得了周刃前、后角及螺旋角对钛合金切削性能的影响。通过钛合金整体刀具寿命试验,借助扫描电镜和能谱分析,获得钛合金整体刀具磨损形式,揭示了其磨损机理；对已有考虑刀具磨损的切削力模型进行了修正,分析了刀具磨损状态与切削力关系的内在机制；运用二自由度铣削振动系统模型及频谱分析,对工艺系统振动信号在时域和频域内随刀具磨损的变化规律进行了深入研究,揭示了刀具磨损与切削振动强度及振动信号频谱的内在关系规律。采用有限元仿真分析,基于正交设计法,以较小Z向切削力为优化目标,对底刃前角、后角和钝圆半径进行参数优化组合；应用斜角切削理论,对切削刃进行了刃倾角设计,提高底刃锋利程度并减缓刀尖所受冲击；建立Z方向切削力模型,借助Matlab对其进行数值仿真并进行傅里叶变换,以Z向切削力频谱最小标准偏差为目标函数,对底刃齿间角进行优化设计。以自行设计的抑制钛合金腹板振动的刀具结构与一把进口刀具进行腹板切削对比试验,以Z向切削力、Z向切削振动及表面粗糙度为评价指标,验证自行设计刀具对抑制腹板切削振动的有效性。
【关键词】：钛合金 腹板 工艺参数 磨损 刀具设计 切削力 振动
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG71
【目录】：

• 摘要12-14
• ABSTRACT14-16
• 第1章 绪论16-26
• 1.1 钛合金概述16
• 1.2 刀具状态与钛合金切削性能关系研究现状16-19
• 1.2.1 工艺参数与钛合金切削性能关系研究现状16-17
• 1.2.2 钛合金加工刀具磨损机理研究现状17-18
• 1.2.3 刀具磨损状态与钛合金切削性能关系研究现状18-19
• 1.3 刀具结构与钛合金切削性能关系研究现状19-21
• 1.3.1 前角对钛合金切削性能的影响19
• 1.3.2 刀具后角对钛合金切削性能的影响19-20
• 1.3.3 刃口钝化对钛合金切削性能的影响20-21
• 1.3.4 变齿距刀具对钛合金切削性能的影响21
• 1.4 有限元在刀具设计中的应用21-22
• 1.5 论文研究的目的和意义22-23
• 1.6 论文主要研究内容23-26
• 第2章 工艺参数与刀具结构对钛合金切削性能的影响26-44
• 2.1 钛合金铣削正交试验设计26-29
• 2.1.1 铣削过程信号测试系统设计26-28
• 2.1.2 工艺参数正交试验28-29
• 2.2 铣削工艺参数对钛合金切削力的影响29-33
• 2.2.1 正交试验切削力试验结果29-30
• 2.2.2 切削力试验结果极差分析30-31
• 2.2.3 切削力试验结果方差分析31-33
• 2.3 铣削工艺参数对钛合金切削振动的影响33-36
• 2.3.1 正交试验切削振动试验结果33-34
• 2.3.2 切削振动试验结果极差分析34-35
• 2.3.3 切削振动试验结果方差分析35-36
• 2.4 刀具结构对钛合金切削性能的影响36-41
• 2.4.1 刀具结构对钛合金切削力的影响36-39
• 2.4.2 刀具结构对钛合金切削振动的影响39-41
• 2.5 本章小结41-44
• 第3章 刀具磨损与钛合金切削性能关系研究44-58
• 3.1 钛合金整体硬质合金刀具磨损研究44-47
• 3.1.1 钛合金整体硬质合金刀具寿命试验44
• 3.1.2 钛合金整体刀具磨损机理研究44-47
• 3.2 刀具磨损对钛合金切削力的影响47-50
• 3.2.1 考虑刀具磨损的切削力模型47-49
• 3.2.2 刀具寿命历程内切削力变化规律49-50
• 3.3 刀具磨损对钛合金切削振动的影响50-56
• 3.3.1 铣削系统动力学模型51-52
• 3.3.2 时域范围内刀具磨损对切削振动的影响52-53
• 3.3.3 频域范围内刀具磨损对切削振动的影响53-56
• 3.4 本章小结56-58
• 第4章 抑制钛合金腹板切削振动的刀具结构设计58-70
• 4.1 钛合金腹板切削振动及抑制策略58-59
• 4.2 刀具底刃常规几何参数设计59-62
• 4.2.1 底刃常规几何参数正交设计59-60
• 4.2.2 仿真结果分析60-62
• 4.3 底刃斜角设计62-64
• 4.4 底刃不等齿间角优化64-69
• 4.4.1 钛合金腹板切削力建模64-67
• 4.4.2 底刃不等齿距优化67-69
• 4.5 本章小结69-70
• 第5章 抑制钛合金腹板振动刀具切削性能试验评价70-76
• 5.1 钛合金铣削刀具对比试验70-72
• 5.1.1 铣削试验系统设计70-71
• 5.1.2 铣削对比试验工艺参数71-72
• 5.2 试验结果与讨论72-75
• 5.2.1 切削振动试验结果对比72
• 5.2.2 切削力试验结果对比72-73
• 5.2.3 腹板表面粗糙度对比73-75
• 5.3 本章小结75-76
• 第6章 结论与展望76-78
• 6.1 结论76-77
• 6.2 展望77-78
• 参考文献78-82
• 攻读硕士学位期间发表的论文与参与课题82-84
• 发表论文82
• 参与课题82-84
• 致谢84-85
• 学位论文评阅及答辩情况表85

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 黄志刚,柯映林,王立涛;金属切削加工的热力耦合模型及有限元模拟研究[J];航空学报;2004年03期

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本文编号：615458