钛合金旋转超声加工中固结磨粒工具的扭矩与磨损研究

摘要

钛合金因拥有优良的物理化学性能而被大量用于各个行业，尤其是航空航天工业。由于它的导热系数低、高温化学活性高以及弹性模量小，所以钛合金是典型的难加工材料。目前，钛合金旋转超声加工已经逐渐发展起来，许多学者在加工机理、去除材料方式和受力理论方面都得到了很多有意义的成果，考虑到工具磨损对加工成本和加工质量有很大影响，而在钛合金的旋转超声中，对于工具的磨损情况尚未出现完整而系统的研究，所以钛合金旋转超声中的工具磨损研究就显示出了重要的工程意义。
　　本文将对钛合金旋转超声加工中的金刚石工具磨损展开研究。主要工作包括三个方面:理论模型的建立，仿真模拟的实现和试验观测的验证。
　　一、鉴于旋转超声加工中工具的磨损与工具的切向力有着明显的正向相关性，故建立了适用于钛合金旋转超声加工的球形单颗粒切向力模型，最后推导出扭矩模型，并利用理论模型分析进给速度、主轴转速、振动功率和颗粒大小这四个参数对扭矩大小变化的影响趋势，以此来预测出实际加工中工具的磨损情况。
　　二、利用DEFORM有限元软件建立球形单颗金刚石模型，对球形单颗金刚石磨粒旋转超声加工钛合金的过程进行仿真模拟，获得单颗金刚石所受的扭矩值，分析工具磨损结果，仿真结果较好地验证了理论模型的合理性。
　　三、展开钛合金旋转超声加工试验研究，观测加工中工具的扭矩情况，以及加工后工具的质量损失，并利用数学方法建立工具磨损模型，分析单因素对工具磨损规律的影响，最后验证了理论模型和试验结果的一致性。并通过显微镜观测固结磨粒工具加工钛合金后工具的表面形貌，总结出金刚石的主要磨损类型和工具基体的磨损特征，并分析了产生这些磨损现象的机理。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 国内外现状分析

1．2．1 钛合金加工相关进展

1．2．2 旋转超声加工研究相关进展

1．2．3 工具磨损及磨损理论的发展

1．2．4 旋转超声工具磨损研究进展

1．3 目前研究中存在的问题

1．4 论文研究的主要内容

第2章 工具的扭矩模型

2．1 引言

2．2 工具扭矩模型建立

2．2．1 普通磨削中单颗金刚石切向力模型

2．2．2 旋转超声加工中金刚石颗粒的扭矩模型

2．2．3 单颗磨粒去除韧性材料体积模型

2．2．4 固结磨粒金刚石工具扭矩模型

2．3 各工艺参数对扭矩的影响分析

2．3．1 进给速度对扭矩的影响

2．3．2 金刚石半径对扭矩的影响

2．3．3 振幅对扭矩的影响

2．3．4 转速对扭矩的影响

2．4 本章小结

第3章 TC4单颗粒旋转超声加工有限元仿真

3．1 引言

3．2 DEFORM软件的介绍

3．3 旋转超声加工仿真有限元建模

3．3．1 金刚石几何模型

3．3．2 TC4工件几何模型

3．3．3 金刚石颗粒运动设置

3．3．4 摩擦模型的建立

3．3．5 磨损模型设定

3．4 仿真参数方案设定

3．5 仿真结果

3．6 本章小结

第4章 工具磨损特征

4．1 引言

4．2 金刚石磨损形态

4．2．1 初期完整金刚石

4．2．2 金刚石碳化

4．2．3 破碎磨损

4．4．4 磨耗磨损

4．4．5 金刚石整体脱落

4．3 刀具基体磨损形态

4．3．1 金刚石犁划

4．3．2 工件材料反切削

4．3．3 基体破碎

4．4 磨损机理讨论

4．4．1 机械磨损

4．4．2 化学磨损

4．4．3 粘结磨损

4．5 本章小结

第5章 旋转超声加工工具磨损试验研究

5．1 引言

5．2 试验方案

5．3 试验结果

5．4 理论模型、仿真与试验结果对比

5．5 多影响因素分析

5．5．1 建立多因素影响模型

5．5．2 模型显著性检验

5．6 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文