钛合金零件磨切加工工艺参数及表面质量研究

摘要

钛合金具有比强度高、耐高温、耐腐蚀等特点，已广泛应用于航空航天、舰船、能源等领域，其中铸钛件应用比例占90%以上。由于钛合金是一种难加工材料，目前我国铸钛件浇冒口去除主要采用―细分工序‖的手工方法，加工效率低，加工质量难以保证。砂轮磨切属于磨削加工，具有速度快、精度高、成本低等优点，且不产生烟尘和高温，比较容易实现浇冒口切除的机械化。鉴于此本文选用树脂立方氮化硼CBN薄片砂轮在加工中心上开展钛合金零件磨切试验及表面性能研究，以寻求最佳工艺参数。 针对以上研究目的，本文的具体工作主要包括以下几个方面： 1)首先，分析了砂轮磨切几何特性，确定了所研究磨切工艺参数。实验研究发现除砂轮线速度vs、工件进给速度vw外，工件位置H亦会影响砂轮与工件接触弧长和切断速率，对表面质量有较大影响，并根据磨切过程中接触弧长的变化规律将工件位置分为过渡磨切位、全态磨切中间位、无过渡磨切位及全态磨切边缘位四种。 2)其次，研究了磨削表面质量的影响因素。分析砂轮磨切机理发现砂轮圆周面磨粒是主要切削部位，起到成形的作用；推导了磨切区磨粒的当量切屑厚度aeq和接触弧长的理论公式，并分析了所研究工艺参数（砂轮线速度vs、工件进给速度vw，工件位置H）对当量切屑厚度aeq和接触弧长的影响规律。 3)进而，研究了钛合金零件磨切表面完整性的规律。采用单因素实验法研究工件位置H、砂轮线速度vs、工件进给速度vw这三个切削因素对表面完整性（表面粗糙度、表面形貌）的影响规律。试验发现：当砂轮线速度vs≤47.1m/s时，随vs增加，表面沟痕变浅变细，表面粗糙度值呈降低的趋势，当增加至58.88m/s时，表面涂覆现象严重，表面粗糙度值反而增大；当工件进给速度vw≤25mm/min时，随着vw的增大，工件表面涂覆层大大减小，呈现出沟槽表面，表面粗糙度减小，但增至vw=35mm/min时，表面沟槽变深且撕裂和涂覆现象变多，表面粗糙度增大；磨切过程中在过渡区因接触弧长较大工件表面容易发生烧伤变色；全态磨切边缘位表面粗糙度值最小，但中间出现一道较明显的分界线，分界线以下表面质量明显变差。 4)然后，分析全态磨切边缘位表面分界线形成机理。磨切表面的成形包括砂轮周棱的磨削及端面的摩擦挤压，理论分析发现：砂轮周棱单颗磨粒的切削厚度ag max决定工件材料的去除方式，分界线以下该值较小，材料可能由塑性去除转变为疲劳断裂去除，造成表面形貌的差异；此外砂轮端面的摩擦挤压时间影响表面粗糙度，该摩擦挤压时间在分界线处达到最大值，产生了凹谷。最后通过MATLAB仿真找到了可以消除分界线的工件最优位置H=59。 5)最后，研究了钛合金零件磨切表面分界线控制工艺。通过正交试验确定了工件位置H、砂轮线速度vs、工件进给速度vw的最优组合为H=59mm、/vs=47.1m s、/minvw=25mm，此时表面无烧伤、毛刺、分界线等损伤出现，表面粗糙度Ra=0.926μm；各因素对Ra的影响规律与单因素试验结果一致，主次顺序是H>vs>vw。 本文通过理论和实验，分析了各种加工参数对磨切表面粗糙度、表面形貌的影响，优化的参数加工表面质量较好，可以减小下一工序的加工余量或缩减工序，对提高钛合金加工生产效率，同时为实现自动化可控磨切有一定的借鉴意义。

目录

声明

第1章绪论

1.1 课题来源及研究背景

1.1.1 课题来源

1.1.2 研究背景

1.2 钛合金材料性能及加工特性

1.2.1 钛合金材料性能

1.2.2 钛合金砂轮磨切特性

1.3 钛合金砂轮磨切国内外研究现状

1.3.1 实验设计与数据分析方法

1.3.2 砂轮磨切研究现状

1.3.3 钛合金表面完整性研究现状

1.4 课题研究的主要内容

第2章 钛合金零件磨切实验研究

2.1 砂轮磨切几何特性分析

2.1.1 进刀过程

2.1.2 磨切过程

2.1.3 退刀过程

2.2 试验材料及设备

2.2.1 实验材料及其性能

2.2.2 数控加工中心

2.2.3 砂轮片的装配设计

2.2.4 试验用砂轮

2.3 试验检测设备

2.3.1 检测方案

2.3.2 检测设备

2.4 实验方案

2.4.1 单因素试验

2.4.2 正交试验

2.5 本章小结

第3章 钛合金零件磨切表面完整性研究

3.1 表面质量影响因素分析

3.1.1 砂轮磨切加工机理分析

3.1.2 当量切屑厚度

3.1.3 接触弧长

3.2 磨切参数对表面粗糙度的影响规律

3.2.1 表面粗糙度评定参数

3.2.2 采样条件对三维粗糙度参数的影响

3.2.3 磨切参数对表面粗糙度的影响规律

3.3 磨切参数对表面形貌的影响规律

3.3.1 砂轮线速度对表面形貌的影响

3.3.2 工件进给速度对表面形貌的影响

3.3.3 工件磨切位置对表面形貌的影响

3.4 表面缺陷研究

3.4.1 毛刺飞边

3.4.2 表面烧伤

3.5 本章小结

第4章钛合金零件磨切表面分界线控制工艺研究

4.1 分界线表面形貌及表征方法

4.1.1 分界线表面形貌

4.1.2 分界线的表征方法

4.1.3 分界线变化规律

4.2 分界线影响因素分析

4.2.1 单颗磨粒的最大未变形切削厚度

4.2.2 历经磨削次数

4.3 分界线控制工艺

4.3.1 正交试验结果分析

4.3.2 加工参数优化后结果分析

4.4 本章小结

第5章 总结和展望

5.1 本文总结

5.2 未来展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文