难加工材料超声振动辅助车削加工机理及试验研究

摘要

从加工质量、金属去除量、生产率及设备使用率考虑，车削加工仍然是应用相对较广泛，且经济实用的一种机械加工方式。然而，随着各种精密仪器、零件等的广泛使用，其加工精度与加工质量的要求越来越高，与此同时，在机械制造领域，各种难加工材料被日益广泛地使用以及车削加工数量的增多，使得车削加工的难度不断提高。对于传统的车削工艺，由于在车削过程中通常伴随着切削力大、排屑困难、刀具磨损严重等问题，使得加工质量变差、加工效率降低、加工成本增高。传统车削存在着很大的局限性，超声振动车削加工技术作为一种新型特种加工方法为难加工材料的高质量、高效加工提供了新途径。 虽然国内外已经制造出用于超声振动加工的专用机床，但是这类专用机床存在着应用范围小，制造成本高以及通用性差等不足，在实际生产加工中不利于普及。鉴于以上原因，本研究将超声波振动装置安装到普通机床上来满足实际生产中的振动切削要求，同时还选用了三种应用较广泛的典型难加工材料进行试验研究，并从已加工表面质量、切削力、刀具磨损和切屑形态几个方面对超声振动车削的加工效果进行了详细的分析，可为难加工材料超声振动辅助车削加工的发展及现实应用提供理论支撑和试验基础。本文的研究内容主要包括以下几个方面: (1)分析了超声振动车削原理与超声振动车削加工系统的组成，针对难加工材料的难切削性，以及对加工质量和加工效率要求高等问题，从切削原理及加工工艺入手，采用超声振动方法设计了超声振动系统和专用夹具等，并将其安装到CA6140普通车床上，建立了振动频率为20kHz且超声振幅可调的超声振动车削加工系统，该加工系统可同时实现有无超声振动的车削加工。 (2)研究超声振动车削的已加工表面形成机理，并介绍了超声振动车削已加工表面质量的评定方法。利用所设计的超声振动车削加工系统对304奥氏体不锈钢做有无超声振动的车削试验，对比分析超声振动车削与普通车削的已加工工件表面形貌，同时还研究分析了超声振幅、切削速度、切削深度和进给量对三维表面粗糙度Sa和Sq以及三维表面形貌和表面微形貌的影响规律。 (3)探讨了超声振动车削的切削力产生机理以及切削力的组成与分解，并建立了超声振动车削的切削力模型。在所建立的超声振动车削加工系统的基础上设计了超声振动车削测力试验系统，并在不同工艺参数条件下对304奥氏体不锈钢做了系统的超声振动车削和普通车削对比试验，研究工艺参数对切削力的影响规律，同时利用回归分析方法得出工艺参数与切削力之间的关系模型，从而可有效控制各工艺参数之间的相互关系，最终实现优质高效加工。 (4)通过对刀具磨损的主要形式、原因及影响因素的分析揭示了超声振动车削刀具磨损机理，同时通过超声振动车削加工中刀具的后刀面与工件之间的摩擦力模型分析了超声振动对刀具磨损的抑制作用，并借助超声振动辅助车削304奥氏体不锈钢试验进行验证。另外，还研究了超声振动参数和切削参数对后刀面磨损量以及前后刀面磨损状态的影响，以利于提高刀具使用寿命。 (5)介绍了切屑的类型及变化，并分析了超声振动车削的切屑形成机理。收集不同工艺参数条件下车削304奥氏体不锈钢所得到的切屑，对比分析超声振动车削和普通车削切屑形态的区别，主要从切屑的宏观形貌和微观形貌角度进行分析，同时还分析了切削速度、切削深度及进给量增加时切屑形态的变化及相关原因，得出切屑形态与已加工表面质量、切削力和刀具磨损等的联系。 (6)为进一步验证超声振动车削具有普通车削难以达到的优良加工效果，而且不仅适合加工304奥氏体不锈钢同样适合加工其他难加工材料，因此对GH4169镍基高温合金和5A06铝镁合金做了有无超声振动的车削试验，并研究分析已加工工件的表面粗糙度、表面形貌和切屑形态情况，同时还对这三种难加工材料的试验结果进行了对比分析，得出超声振动车削对不同材料加工的影响规律。

目录

声明

摘要

1．1研究背景及意义

1．2超声加工技术研究概况

1．3超声振动车削研究概况

1．3．1国外研究现状及发展动态分析

1．3．2国内研究现状及发展动态分析

1．4本文的研究内容及框架结构

1．4．1研究内容

1．4．2框架结构

第2章超声振动车削加工系统研究

2．1超声振动车削原理

2．1．1超声波的特性

2．1．2超声振动车削机理

2．2超声振动车削加工系统的组成

2．2．1超声振动系统

2．2．2机床及测量系统

2．3超声振动车削加工系统的建立

2．3．1超声振动系统的设计

2．3．2超声振动系统的夹具设计

2．3．3超声振动车削加工系统的整体安装

2．4本章小结

第3章超声振动车削的表面质量研究

3．1超声振动车削已加工表面的形成机理

3．2超声振动车削已加工表面质量的评定方法

3．2．1二维评定方法

3．2．2三维评定方法

3．3超声振动辅助车削304奥氏体不锈钢试验

3．3．1加工与测量设备

3．3．2工件与刀具分析

3．3．3试验方法分析

3．4超声振动车削和普通车削表面形貌对比分析

3．5工艺参数对已加工工件表面质量的影响

3．5．1超声振幅对已加工工件表面质量的影响

3．5．2切削速度对已加工工件表面质量的影响

3．5．3切削深度对已加工工件表面质量的影响

3．5．4进给量对已加工工件表面质量的影响

3．6本章小结

第4章超声振动车削的切削力研究

4．1超声振动车削的切削力来源与分解

4．1．1切削力的产生机理

4．1．2切削力的组成与分解

4．2超声振动车削的切削力模型

4．3．1超声振动车削测力试验装置

4．3．2试验条件与方法分析

4．4工艺参数对切削力的影响研究

4．4．1切削力的回归分析与方差分析

4．4．2单个工艺参数对切削力的影响分析

4．4．3工艺参数交互作用对切削力的影响

4．5本章小结

第5章超声振动车削的刀具磨损研究

5．1超声振动车削刀具磨损机理

5．1．1刀具磨损的主要形式

5．1．2刀具磨损的原因及影响因素

5．2超声振动对刀具磨损的抑制作用

5．3超声振动车削抑制刀具磨损的试验验证

5．3．1试验设备、材料与方法

5．3．2试验结果与分析

5．4工艺参数对刀具磨损的影响研究

5．4．1试验设计与试验结果

5．4．2超声振动参数对刀具磨损的影响分析

5．4．3切削参数对刀具磨损的影响分析

5．5本章小结

第6章超声振动车削的切屑形态研究

6．1超声振动车削切屑的形态及形成

6．1．1切屑的类型及变化

6．1．2超声振动车削切屑形成机理

6．2超声振动车削和普通车削切屑形态对比分析

6．2．1有无超声振动的切屑形态对比试验

6．2．2切屑的宏观形貌对比分析

6．2．3切屑的微观形貌对比分析

6．3超声振动车削切屑形态对加工效果的影响

6．4本章小结

第7章超声振动辅助车削高温合金和铝镁合金研究

7．1超声振动辅助车削GH4169镍基高温合金试验研究

7．1．1试验材料及条件

7．1．2试验方案设计

7．1．3结果与讨论

7．2超声振动辅助车削5A06铝镁合金试验研究

7．2．1试验材料及条件

7．2．2试验方案设计

7．2．3结果与讨论

7．3超声振动辅助车削不同工件材料试验结果对比分析

7．4本章小结

第8章结论与建议

8．1结论

8．2建议

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文及获奖情况

作者简介