TC4钛合金微磨削表面质量影响因素研究

摘要

随着科技的进步，各行业对于产品的微型化提出越来越高的要求，如航空航天、汽车、医疗等领域加工的高科技产品能在狭小空间作用的同时保证微系统技术的质量，微尺度加工技术正是在这样的科技背景下逐渐兴起。由于微磨削相较于微铣削和微切削能获得更好的表面质量，因此国内外对微磨削加工技术的研究越来越多。钛合金以其耐磨性好、比强度高、热稳定性好等特点在关系国防科技和国家经济命脉的重要领域得到越来越广泛的应用。但是这种难加工金属材料的加工成本高，精度要求高，所以针对钛合金进行精密加工技术的研究是现代科技攻关的重点之一。
　　本论文针对TC4钛合金的微尺度磨削加工进行了一系列研究，从温度、应力、切削力这几个参数以及温度场和应力场方面，来分析TC4材料的微磨削表面质量影响因素，主要内容有以下几个方面:
　　(1)叙述了微尺度磨削的国内外发展现状、特点和应用，结合钛合金材料的实际应用情况，提出了本课题的研究意义和主要内容。
　　(2)探讨微尺度磨削的加工机理，根据微磨削的加工特点确立了理论分析模型，分析了加工过程中磨屑的形成机理，介绍了金刚石磨棒的加工特点、TC4钛合金的磨削特点以及微磨削表面粗糙度的理论模型和计算公式等。
　　(3)使用ABAQUS有限元分析软件建立热力耦合分析模型来分析单颗磨粒切削工件材料的过程，分析已加工表面上和距已加工表面不同深度结点的温度、应力的变化范围和变化规律，以及温度、应力、切削力与主轴转速和切削深度的关系，同时将加工过程中温度场和应力场划分成6个区域，对切削过程中各场的变化以及各场随加工参数的变化规律进行了分析。
　　(4)在实验研究中，用350＃金刚石微磨棒对TC4材料进行微磨削加工，其磨削方式为侧磨加工，测量在不同机床主轴转速和进给率的条件下表面粗糙度的大小，同时对各加工表面的表面形貌进行对比分析，得出最优的加工工艺参数，对结果分析发现主轴转速对工件的表面质量影响最大。
　　(5)总结了论文的主要结论，对后续的相关课题研究提出了几点建议。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 微尺度磨削加工国内外研究现状

1．2．1 微尺度磨削国外研究情况

1．2．2 微尺度磨削国内研究情况

1．3 本论文主要研究内容

1．3．1 微磨削加工的机理研究

1．3．2 单颗磨粒切削工件材料的仿真研究

1．3．3 难加工金属材料的微磨削实验研究

1．4 论文研究的来源、目的、意义和总体框架

1．4．1 课题来源

1．4．2 课题研究的目的

1．4．3 课题研究的意义

1．4．4 论文的总体框架

第2章 TC4钛合金微磨削的加工机理研究

2．1 微尺度磨削理论分析模型的确立

2．2 微尺度磨削过程中磨粒的切削理论分析

2．3 使用金刚石磨棒进行磨削加工的特点

2．4 难加工金属材料的磨削特点

2．4．1 难加工金属材料的特性

2．4．2 钛合金的磨削特点

2．5 影响难加工金属材料表面质量和磨削加工性能的因素

2．6 表面粗糙度值的重要性

2．6．1 表面粗糙度对产品使用性能的影响

2．6．2 微磨削表面粗糙度计算模型

2．7 本章小结

第3章 微尺度磨削有限元仿真研究

3．1 有限元仿真软件ABAQUS的介绍

3．2 有限元分析模型的确定

3．2．1 切削模型的确定

3．2．2 钛合金材料的本构模型

3．2．3 磨粒与切屑的摩擦模型

3．3 有限元仿真的原理

3．3．1 ABAQUS瞬态动力学分析的基本原理

3．3．2 钛合金有限元失效准则

3．3．3 有限元热力耦合分析的基本原理

3．4 仿真模型的设置步骤

3．5 工件温度有限元模拟结果分析

3．5．1 已加工表面结点最高温度的变化规律分析

3．5．2 距磨削表面不同深度的结点最高温度变化规律分析

3．5．3 同一位置结点最高温度随切削深度的变化规律分析

3．5．4 同一位置结点最高温度随主轴转速的变化规律分析

3．6 工件应力有限元模拟结果分析

3．6．1 已加工表面结点平均应力的变化规律分析

3．6．2 距磨削表面不同深度的结点平均应力变化规律分析

3．6．3 同一位置结点平均应力随切削深度的变化规律分析

3．6．4 同一位置结点平均应力随主轴转速的变化规律分析

3．7 磨粒的切削力有限元模拟结果分析

3．7．1 磨粒的切向力随转速的变化规律分析

3．7．2 磨粒的径向力随转速的变化规律分析

3．7．3 磨粒的切向力随切削深度的变化规律分析

3．7．4 磨粒的径向力随切削深度的变化规律分析

3．8．温度场变化分析

3．9 应力场变化分析

3．10 本章小结

第4章 实验设备与材料

4．1 实验与检测设备介绍

4．2 实验材料介绍

4．3 实验设计

4．4 微加工实验方案

4．5 本章小结

第5章 TC4钛合金微磨削表面粗糙度研究

5．1 引言

5．2 微磨棒磨削工件的表面粗糙度理论分析

5．3 实验数据

5．4 实验数据分析

5．4．1 主轴转速对表面粗糙度的影响

5．4．2 进给率对表面粗糙度的影响

5．5 钛合金的表面形貌分析

5．5．1 三维轮廓仪测量出的三维轮廓

5．5．2 超景深显微镜下的表面形貌

5．6 本章小结

第6章 结论和建议

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

致谢