基于超声椭圆振动辅助的钛合金超精密切削技术基础研究

摘要

钛合金因其优异的综合性能，在国防和民用工业得到广泛应用。然而，在钛合金的超精密加工过程中存在严重的塑性侧流和弹性回复、容易出现粘刀、刀具磨损严重、难以实现高质量加工等问题，这极大地制约了钛合金的进一步发展。超声椭圆振动辅助切削具有减小切削力、增强散热、延长刀具寿命、改善加工质量的技术优势。因此，本文的研究目标是将超声椭圆振动辅助切削技术引入到钛合金的超精密切削中，开发钛合金的超声椭圆振动辅助超精密切削加工工艺。　　超声椭圆振动切削装置是实现超声椭圆振动辅助超精密切削的重要基础。因此，本文首先提出了一种基于对称、夹心式结构的新型超声椭圆振动切削装置，该装置工作在第三阶纵向共振和第六阶弯曲共振的复合模式下，并且纵向共振和弯曲共振的节点在法兰中心完全重合。因此，将法兰中心设置为装置的唯一固定点，具有对装置共振干扰小，易操作的优点。采用有限元进行了超声椭圆振动切削装置的参数优化，实现了装置纵向和弯曲共振模态的简并。开展了装置样机的阻抗测试和振动输出测试，结果表明装置的三阶纵向共振和六阶弯曲共振能够同时被激发，并且得到椭圆振动轨迹。利用快速制造微凹坑阵列实验验证了装置的切削性能，结果表明本文研制的超声椭圆振动切削装置具备良好的输出稳定性。　　基于超声椭圆振动辅助切削加工机理，分析了椭圆振动辅助切削加工表面进给方向和切削方向的残留高度。在此基础上，建立了椭圆振动辅助切削表面形貌模型，并开展了切削验证实验。利用本文建立的表面形貌模型，阐明了振动幅值、切削参数以及刀具圆弧半径对表面粗糙度几何分量的作用规律。通过微凹槽加工实验，研究了超声椭圆振动对钛合金超精密加工过程中材料弹性回复和塑性侧流的抑制机制。通过切削实验，开展了振动参数和切削参数对超声椭圆振动辅助超精密切削钛合金表面粗糙度的影响研究。结果表明基于优选的工艺参数，加工表面粗糙度值小于30nm。　　在以上研究的基础上，采用优选工艺参数开展了钛合金的超声椭圆振动辅助超精密切削实验，研究了超声椭圆振动辅助超精密切削加工过程中的刀具磨损、切肩形态以及加工表面质量，并与传统超精密切削实验进行了对比分析，由此探讨了超声椭圆振动辅助切削技术对钛合金超精密加工性能的影响机制。实验结果表明，在超声椭圆振动辅助超精密切削方式下，同时实现了刀具磨损的减小、加工表面质量的改善和更好的切肩控制，完成了钛合金的超精密加工。因此，超声椭圆振动辅助切削技术能够显著地改善钛合金的超精密加工性能。　　最后，本文开展了超声椭圆振动辅助超精密切削钛合金加工表层特征的实验研究，并与传统超精密切削加工表层进行对比分析。利用剖面法、划线法、图像处理和显微硬度测试等技术手段对加工表层的微观组织进行了测试分析，揭示了超声椭圆振动对加工表层的塑性变形、晶粒细化、材料相变以及显微硬度的作用机制。实验结果表明，相对于传统超精密切削，在超声椭圆振动辅助超精密切削方式下，加工表层的塑性变形深度明显减小，变形区域呈现明显的压缩形变且随速度比的减小而更加明显；晶粒细化层深度减小；切削表层材料无明显相变；加工硬化层深度减小；加工表面的硬化程度明显增大且随速度比的减小呈增大趋势。

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