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超声振动辅助端面磨削TC4数值模拟及机械实验研究

时间:2018-11-18 23:39来源:硕士论文作者:lgg 点击:
本文是一篇机械自动化论文,机械自动化的实现将机械生产 引领向了一个新的领域,通过自动控制系统,真正达到了大工业生产及减少劳动强度,提高了劳动效率,令整个世界的生产水平迈上
本文是一篇机械自动化论文,机械自动化的实现将机械生产 引领向了一个新的领域,通过自动控制系统,真正达到了大工业生产及减少劳动强度,提高了劳动效率,令整个世界的生产水平迈上了一个新的台阶,并由此延伸出了电气自动化。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇机械自动化论文,供大家参考。
 
第 1 章 绪论
 
1.1 选题目的及意义
随着航空工业的发展以及钛合金材料在航空领域的广泛应用,同时,为紧随、顺应航空钛合金产品先进的发展方向和进一步提高其在航空界的综合应用性能,当今对航空钛合金结构件的加工精度、表面质量、工作性能及使用寿命提出了更高的要求,使得对航空钛合金结构件的精加工已成为目前亟待解决的关键问题。钛合金不仅是减重效果良好的机体结构件材料,而且在抗腐蚀、耐高温、无磁性及强度比等方面拥有相别于其它传统材料独特的性能和优点,近些年来,钛合金材料在军用及民用飞机领域的用量占比呈稳步增长趋势,如作为航空强国的美国,其 3 代军机钛合金含量占整机总重量的 23%左右;第四代“鹰式”战斗机F-15 中钛合金结构件占整机结构重量的比重达 33%以上;B-1“枪骑兵”战略轰炸机中,诸如机身、蒙皮、机翼和承力类钛合金材料质量占比约 22%;第 5 代可垂直升降的 F-35B 战斗机用钛量已高达 27%;而钛合金在先进战斗机中的用量更是惊人,享有“猛禽”绰号的 F-22 战机钛合金材料质量分数竟高至 41%;其战略运输机结构件钛用量已由最早 C5 机型的 6%增至新型 C17 的 10.4%左右。俄罗斯伊尔 76 重型军民两用飞机钛合金用量已高至 12%以上。空客运输飞机方面,钛合金材料比重也在快速升高,如来自欧洲空客系列飞机的钛合金占比由早期 3代机 A320 的 4.5%增加到 4 代机 A340 的 6%,随后的 A380 也达到了 10%,而在 2013 年首次飞行的 A350 钛合金含量更是高达 14%[1];同样,产自美国的波音系列飞机用钛量也从最初不到 1%的 707 增至 14%左右的 787;还有 2017 年 5 月圆满完成首飞的国产大飞机 C919 中,仅单机 C919 中钛合金紧固件数量达 19 万件以上。纵观航空领域,伴随着人们对航空产品性价比越来越高的追求,钛合金材料在航空领域的应用广度和质量占比持续走高,尤其在当今这个多极化又充满竞争的世界里,众多航空产品在航空领域的形成的“百家争鸣”局面,若谁掌握了工业的先进生产技术,同时又运用了航空领域备受青睐的新型材料,他就将会是航空工业的领头羊。
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1.2 钛合金 TC4 磨削时的特征及难点
 
1.2.1 磨削加工时钛合金 TC4 的特点
微磨削与车削、铣削同属工业工程中常见的切削技术,磨削刀具通常也叫砂轮,相比车削与铣削的形貌特征,砂轮的磨削面是很多微磨削刃的结合体,在一次行程中所能切除的金属层极薄,加之磨粒的突出高度参差不齐,随机分布,对于典型的塑性材料 TC4 钛合金,可以实现对工件表面的精细加工。基于 TC4 钛合金材料的性能特点,结合钛合金磨削的研究现状来看,磨削和钛合金精加工的实现是相对困难的过程,对于精度要求极高的航空钛合金结构件,实现精加工航空钛合金结构件,更是难上加难。因此,钛合金也被成为航空难加工材料。TC4 钛合金在磨削过程中,主要有以下特征:1)因钛合金的弹性模量较小,已加工区域的钛合金回弹量将变大。无形中增加了磨粒与加工面的摩擦。2)普遍存在钛合金磨屑粘结砂轮的现象。3)磨削时钛合金工件受到的磨削力比较大,同时磨削区钛合金易产生高温,且难以散失。4)钛合金磨屑呈不规则卷曲挤裂状形态。
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第 2 章 超声振动辅助端面磨削理论分析
 
2.1 引言
基于运动学与磨削过程的加工特点,磨粒的不规则性及在刀具表面的不规则分布,本章对超声振动辅助磨削(Ultrasonic Vibration Assisted Grinding,简称UVAG)的过程进行研究及相关理论分析。完整的超声振动磨削装置主要由四大部分组成:超声信号发生器、换能器、变幅杆及刀具系统。根据添加超声对象的不同,可分为磨削刀具的振动和磨削工件的振动;在一个完整的磨削系统中,超声振动的起振方式取决于引入超声信号的维数和振动方向;二维超声振动即椭圆加工式路径,相比二维超声振动,一维超声振动更为常见,发展较为成熟。本课题中,采用一维轴向磨削工具振动,对 TC4 钛合金材料进行超声振动端面磨削。图 2-1 为超声振动磨削原理图示。TC4 钛合金的超声辅助磨削原理,与金属材料的普通磨削相似,其磨削过程主要包括划擦、犁耕、磨削三个阶段,材料主要发生塑性剪切破坏;由于超声频的振动作用,材料更易发生疲劳破坏而去除。
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2.2 超声轴向振动磨削理论分析
本文开展的是 CBN 砂轮端面超声辅助磨削 TC4 钛合金,运用传统磨削的基本原理,由先进磨削设备同新型超声信号发生器结合而来。将 CBN 微磨削砂轮与超声振动信号相复合,相比于传统磨削,具有加工面质量好、精度高、磨削力降低明显和刀具磨损明显改善等优点。在超声振动加工过程中,超声振动信号使磨削工具以一定的频率与振幅锤击工件的表面,同时刀具高速旋转磨削工件,即超声频振动与高速旋转相结合,砂轮在进给的同时高频振动和高速旋转。端面超声加工原理如图 2-2 所示。基于磨削工具刀面磨粒的不规则形态和分布,超声振动磨削加工的复杂性与不确定性,钛合金 TC4 加工面材料的去除存在多种模式;根据目前国内外学者在超声振动磨削加工去除模式的研究,主要有 4 大类材料去除模式:1)冲击模式,刀头端部的磨粒在超声频的作用下,对加工面产生微量振动冲击,致使材料表面出现局部破损。2)磨削模式,因磨削刀头的旋转性,磨粒高速滑过材料表面时,实现材料的去除。3)冲击-磨削模式,由于磨头的超声频振动与高速旋转的复合作用,使磨粒在加工面发生滑擦、犁耕和往复磨削而产生的磨入磨出。4)其它去除模式,主要包括脱落的磨粒和磨削产生的磨屑在砂轮超声频及旋转作用下对加工面进行去除,以及未知的其它去除模式。第四类去除模式相对复杂,难以判别。在超声振动磨削中,通常对前三种材料的去除模式进行分析研究。超声振动端面微磨削磨削区域划分如图 2-3[33]。
..........
 
第 3 章 钛合金 TC4 单颗粒滑擦仿真及实验验证......25
3.1 引言.............25
3.2ABAQUS 有限元建模基本原理及求解步骤...............25
3.2.1ABAQUS 有限元建模基本原理..............25
3.2.2ABAQUS 求解步骤............27
3.3 钛合金 TC4 的材料模型.............28
3.4 三维滑擦模型有限元条件..........31
3.5 实验滑擦条件........34
3.6 单点滑擦仿真与实验磨削力验证.........40
3.7 单点滑擦仿真结果分析..............44
3.8 单点滑擦试验总结...........49
3.9 本章小结................49
第 4 章 钛合金 TC4 端面磨削实验研究...........51
4.1 引言.............51
4.2 实验条件................51
4.3 实验方案................52
4.4 端面磨削 TC4 磨削力实验研究............53
4.5 表面微观形貌特征...........57
4.6 表面粗糙度特征...............60
4.7 本章小结................64
第 5 章 总结与展望............65
5.1 工作总结................65
5.2 工作展望................66
 
第 4 章 钛合金 TC4 端面磨削实验研究
 
4.1 引言
为更全面的分析说明 CBN砂轮微磨削TC4钛合金磨削过程及加工参数的影响规律,本章通过 CBN 砂轮端面磨削钛合金 TC4,在超声主轴转速一定的前提下,对有、无超声振动磨削 TC4 钛合金的磨削力和表面粗糙度展开分析研究。
 
4.2 实验条件
实现该实验操作所涉及的相关实验设备主要包括:XKA715A 立式数控铣床、HR-FP3405 型测力仪、超声旋转工具系统、40kHz 超声波主轴 URT40-F41 单元、三相稳压变压设备和三联动气体干燥器等,相关实验设备的详细介绍如前章所述。实验选用的刀具为日本岳将公司生产的 FSK 系列砂轮(磨头),砂轮粒度为 100#;其端面和外圆面区域粘结有微米级 CBN 颗粒,组成砂轮磨削面,端面开有深度为 1mm 柱状圆槽,以改善磨削环境。刀杆材料为 304 钢,长度 86mm,主体刀杆直径 6mm。本实验是在主轴转速一定的条件下,开展单一变量对磨削力和表面粗糙度影响规律的分析研究。1)在有、无超声振动两种加工方式下,对比分析磨削深度、进给量和振幅对轴向磨削力的影响。2)通过对表面粗糙度的多次检测(检测 3 次,取平均),分析磨削参数对表面粗糙度的影响规律。3)通过有、无超声加工对工件形貌的观测,对比分析两种加工方式的作用模式及形貌特征。
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总结
 
本文选材为航空难加工材料 TC4 钛合金,紧紧围绕航空强国和工业 2025 的时代大背景,通过有、无超声振动的实验平台分析、对比、研究了不同磨削参数下的磨削力、表面形貌和表面粗糙度以及完成了对仿真滑擦磨削力的实验验证。1、通过 CBN 单磨粒滑擦仿真与实验的验证,表明:1)本研究建立的单颗粒三维仿真模型是合理、可行的。2)单颗 CBN 磨粒超声磨削时,TC4 工件受到的磨削力小于同条件下普通滑擦产生的磨削力。3)可以更加直观地观察和了解 CBN 砂轮微磨削 TC4 钛合金时单颗磨粒对金属表面的滑擦作用,超声振动的引入,对改善加工面质量、缓解应力应变现象、降低磨削力等方面具有显著的效果。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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