钛合金TC4的单激励超声波椭圆振动切削系统的研究

发布时间：2016-04-20 13:03

第 1 章  绪   论

本文针对钛合金 TC4 工件的切削进行研究，钛合金 TC4 材料因具有高强度、高耐腐蚀性等特点而被广泛使用于国防工业、民用工业、医学等领域。但是由于钛合金变形系数比较小，使得切屑在前刀面上滑动摩擦的路程明显增加，这将加速切削刀具的磨损；导热系数小，，车削时产生的热量难以扩散而集中于切削部位以及切削刃附近的小范围内，导致切削温度非常高；钛的化学性质比较活泼，在高温下会吸收空气中的一些化学元素形成硬脆外皮，同时在加工过程中，钛合金工件受切削力影响发生的塑性变形也会加剧这种冷硬现象，这样不但会减弱工件的疲劳强度，而且会加速车刀的磨损；同时由于切削过程中产生的钛合金切屑与刀具前刀面的接触区域非常小，导致单位面积上的切削力增大，很容易造成崩刃事故。上述几点都是钛合金切削过程中不可忽视的缺陷，也使得对钛合金精密切削的难度大大增加。 实现对钛合金的精密和超精密切削不仅具有加工工艺简单的优点，还可以直接形成高质量的加工表面，因此通过超声波振动切削技术对切削环境的改善，使得金刚石刀具能够直接对钛合金材料进行超精密加工具有非常重要的意义和实用价值。

........

第 2 章  单激励超声波椭圆振动切削系统的设计 

2.1  引言

超声波振动切削系统通常由超声波发生器、换能器、变幅杆、车刀及夹具等部分组成。在本次研究中，超声波振动切削装置的设计主要是针对变幅杆的结构设计与改良。变幅杆是超声波振动切削系统中非常重要的一环，在本论文研究的超声波振动切削系统中，所需要设计的变幅杆应起到以下几个方面的作用：（1）放大由超声波换能器输出振动的幅值，起到聚能的作用；（2）能够对振动波形进行一定的转换，并以特定的形式输出；（3）在变幅杆上需要加工出车刀的安装槽，在换能器与刀具之间起连接作用；（4）在振动波的节点处加工出法兰，对整个振动系统进行固定。 因此，变幅杆的设计是整个研究过程中极为重要的部分，其性能的好坏将直接决定整个超声波振动切削系统品质的优劣，本章将通过理论计算和仿真分析对变幅杆的结构进行设计。 

2.2  超声波振动切削系统的设计

一维超声波振动切削过程中给刀具的切削运动添加了一个小幅度、高频率的刀具直线振动。在适当的切削速度、刀具振幅和振动频率的联合作用下，刀具周期性地与工件接触和脱离，从而达到减少切削力的作用，并且得到比传统机械加工方法更好的表面光洁度以及更好的形状精度。超声波振动切削系统的使用显著延长了刀具的寿命，特别是切割有色金属材料（例如钛合金）时金刚石刀具的寿命。在超声波振动切削过程中，满足从传统加工过程到刀具与工件间歇接触加工过程的过渡条件是非常重要的，也就是说必须保证刀具最大振动速度要大于工件的给定速度（图 2-1 点 2 和点 3 之间）。只有在该种条件下，工具才能在振动过程中脱离工件。振动方向在振动曲线底部改变后向上运动的过程中，将再次发生接触。因此，工件和切削刃之间的有效接触时间由于刀具的高频振动而显著降低。

第 3 章  单激励超声波椭圆振动切削系统振动特性研究 .......... 35 

3.1  引言 .................. 35 

3.2  单激励超声波椭圆振动切削系统的搭建与调谐 ........... 35

3.3  单激励超声波椭圆振动切削系统的阻抗分析 ................ 37 

3.4  单激励超声波椭圆振动切削系统的振动测试 .......... 38

3.5  本章小结 .......... 44 

第 4 章  单激励超声波椭圆振动切削系统的切削试验 ........... 45 
4.1  引言 ............ 45 
4.2  试验装置的搭建 .......... 45 
4.3  试验方案的制定 .......... 47 
4.4 检测设备 ................ 48 

4.5  试验结果分析 ....... 50

4.6  本章小结 ....... 56 

结   论 ............... 57

第 4 章  单激励超声波椭圆振动切削系统的切削试验 

4.1  引言

在搭建好振动系统并且对其振动特性进行测试后，需要将搭建好的单激励超声波椭圆振动切削系统应用到对钛合金 TC4 工件的车削试验中，研究该系统的切削性能。在切削参数相同的条件下，分别采用超声波振动切削和常规切削的方法加工钛合金 TC4 工件，检测切削后已加工工件表面质量，通过比较工件表面质量来判断常规切削和超声波振动切削方式加工效果的优劣，以此来验证该系统改善对钛合金 TC4 材料加工质量的能力。其中，使用表面粗糙度作为评价加工表面质量的标准。 

4.2  试验装置的搭建

所使用的工件材料为钛合金 TC4。钛合金 TC4 有着非常好的耐腐蚀性和焊接性,并且具有韧性好、密度小、比强度高等一系列优点，广泛应用于国防、民用工业、医学等领域。但是由于导热系数小，车削时产生的热量难以扩散而集中于切削部位以及切削刃附近的小范围内，导致切削温度非常高；冷硬现象严重，会加速车刀的磨损；同时由于切削过程中产生的钛合金切屑与刀具前刀面的接触区域非常小，导致单位面积上的切削力增大，很容易造成崩刃事故，因此给钛合金的超精密切削加工带来了困难。本文的目的是通过超声波椭圆振动系统的使用来改善钛合金 TC4 工件的加工质量。TC4 钛合金的化学成分如表 4-2 所示，其部分机械性能如表 4-3 所示，其它性能见表 3-1。钛合金工件的结构尺寸如图 4-2 所示，其中心攻出螺纹孔的目的是便于与卡具的连接。
......

结   论 

本文基于超声波振动切削系统的加工原理和独特优势，根据钛合金材料的加工特点和实际切削条件，设计了一种带斜槽的单激励超声波椭圆振动切削系统。着重对振动系统中的变幅杆结构进行了设计和改良，通过仿真分析和切削试验证明了研究方法的正确性。主要的研究成果如下：（1）针对钛合金 TC4 材料的超声波椭圆振动切削技术展开了一系列研究。研制了一种带斜槽的单激励超声波椭圆振动切削系统，其谐振频率可达 43.4kHz，在轴向和竖直方向的振幅都能达到 10μm 以上。（2）基于变幅杆的振动理论设计了带斜槽的阶梯型变幅杆。利用有限元分析平台 ANSYS Workbench，对变幅杆进行了结构优化及动力学仿真，仿真结果显示刀尖点的振动轨迹为椭圆形，满足单激励超声波椭圆振动切削系统对变幅杆结构的要求。（3）对超声波椭圆振动系统的性能进行阻抗特性分析与高频位移获取，验证了系统工作时,刀尖点的振动轨迹为椭圆，符合单激励超声波椭圆振动切削系统的振动特性。（4）开展了该系统对钛合金 TC4 的车削加工试验，试验结果表明本文所设计的振动切削系统能够获得高的加工表面质量，并有效延长金刚石刀具的寿命。针对本文的研究内容还有以下方面可以继续探究：（1）继续提高振动切削系统的工作频率，但与此同时也要注意保证系统的稳定性，并且解决高频率下振动系统发热严重的问题。

.........

参考文献（略）

本文编号：38627