钛合金超精切削金刚石刀具磨损及其超声振动抑制的研究

摘要

钛合金具有密度小、强度高、耐蚀性好、耐热性和低温性优异及无磁等特点，广泛应用于航空航天领域。随着我国航天事业的发展，对航天器中的一些关键构件的加工精度和表面质量的要求越来越高，超精密加工的应用需求日益增加。天然单晶金刚石由于其优异特性，被认为是最理想的超精密切削用刀具材料，然而由于钛合金具有导热率低、弹性模量小、化学活性高等特性，采用单晶金刚石刀具切削时刀具磨损严重，导致加工精度和表面质量难以保证，成为制约钛合金超精密切削技术实际应用的技术瓶颈。
　　本文针对钛合金超精密切削加工中存在的刀具磨损严重的问题，开展减免金刚石刀具磨损的工艺方法和装置的研究。通过对钛合金金刚石超精密切削时刀具磨损机理和金刚石刀具磨损特征的分析，探索实现抑制金刚石刀具磨损的技术途径，为提高钛合金的加工精度和表面质量提供基础。
　　单晶金刚石刀具磨损机理的研究是探索提高刀具耐用度、实现钛合金超精密切削加工的基础。本文基于化学反应的热力学理论，分析了超精密切削钛合金时单晶金刚石刀具产生扩散磨损和氧化磨损的本质原因；进而通过单晶金刚石颗粒与钛合金薄片的界面热腐蚀实验，获得了单晶金刚石在钛元素的催化作用下的石墨化起始温度、扩散规律和氧化磨损的化学反应类型及条件，为探索超精密切削钛合金材料时单晶金刚石刀具磨损的抑制措施提供了理论依据。
　　为研究钛合金超精密切削时单晶金刚石刀具的磨损特征及磨损规律，以便为探索有效提高刀具寿命的技术措施提供实验依据，本文进行了普通切削条件下的钛合金超精密切削金刚石刀具磨损实验。采用扫描电子显微镜对单晶金刚石刀具磨损区的微观形貌进行了观测，结合刀具磨损机理的热力学分析结果，对金刚石刀具前、后刀面的磨损形态及磨损特征的形成机制进行了研究。通过实验，获得了切削参数、刀尖圆弧半径和冷却润滑条件对金刚石刀具磨损和已加工表面粗糙度的影响规律。研究结果表明，采用常规的切削方法难以解决钛合金超精密切削时金刚石刀具磨损严重的问题。
　　在以上研究的基础上，本文进行了超声振动切削装置的研制，为后续采用超声振动切削技术抑制金刚石刀具磨损的实验研究提供基础。基于一维纵向超声振动换能器设计理论和有限元技术，完成了椭圆超声振动切削装置的设计，该装置采用一阶纵向振动和三阶弯曲振动复合的工作模式及单节点固定支撑方式，具有便于激励的特点。通过对模态简并后的椭圆超声振动切削装置进行的谐响应分析和瞬态分析，初步验证了该装置结构的合理性。在对加工装配后的椭圆超声振动切削装置进行了阻抗测试实验和振幅输出测试实验的基础上，进行了单晶金刚石刀具普通切削和椭圆超声振动切削对比实验，验证了该椭圆超声振动切削装置设计的合理性。
　　通过普通切削、一维超声振动切削和椭圆超声振动切削三种加工方式下的刀具磨损和表面质量实验结果的对比分析，验证了椭圆超声振动切削技术在提高金刚石刀具寿命上的技术优势。通过实验获得了切削参数和椭圆超声振动参数对金刚石刀具后刀面磨损量、切削力和已加工表面粗糙度的影响规律。研究结果为钛合金的椭圆超声振动超精密切削工艺参数的优选提供了依据。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 钛合金切削加工时刀具磨损机理研究现状

1.3 超声振动切削装置研究现状

1.4 课题的主要研究内容

第2章 单晶金刚石切削钛合金刀具磨损的热力学分析

2.1 引言

2.2 金刚石刀具磨损过程的热力学分析

2.3 金刚石与钛合金界面热腐蚀实验研究

2.4 本章小结

第3章 单晶金刚石切削钛合金刀具磨损的实验研究

3.1 引言

3.2 单晶金刚石刀具磨损特征分析

3.3 钛合金超精密切削加工参数对刀具磨损和表面质量的实验研究

3.4 本章小结

第4章 椭圆超声振动切削装置的研制

4.1 引言

4.2 椭圆超声振动切削装置的设计与仿真

4.3 椭圆超声振动切削装置的制造与性能检测

4.4 椭圆超声振动切削装置的可行性实验验证

4.5 本章小结

第5章 钛合金超精密切削刀具磨损超声振动抑制的实验研究

5.1 引言

5.2 超声振动作用对刀具磨损抑制效果的实验验证

5.3椭圆超声振动切削工艺参数对刀具磨损的实验研究

5.4 椭圆超声振动切削工艺参数对表面粗糙度的实验研究

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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