本文關(guān)鍵詞：鈦合金超精切削金剛石刀具磨損及其超聲振動(dòng)抑制的研究

  更多相關(guān)文章： 鈦合金 超精密加工 單晶金剛石 刀具磨損 橢圓超聲振動(dòng)切削

【摘要】：鈦合金具有密度小、強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性和低溫性優(yōu)異及無(wú)磁等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。隨著我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展,對(duì)航天器中的一些關(guān)鍵構(gòu)件的加工精度和表面質(zhì)量的要求越來(lái)越高,超精密加工的應(yīng)用需求日益增加。天然單晶金剛石由于其優(yōu)異特性,被認(rèn)為是最理想的超精密切削用刀具材料,然而由于鈦合金具有導(dǎo)熱率低、彈性模量小、化學(xué)活性高等特性,采用單晶金剛石刀具切削時(shí)刀具磨損嚴(yán)重,導(dǎo)致加工精度和表面質(zhì)量難以保證,成為制約鈦合金超精密切削技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。本文針對(duì)鈦合金超精密切削加工中存在的刀具磨損嚴(yán)重的問(wèn)題,開(kāi)展減免金剛石刀具磨損的工藝方法和裝置的研究。通過(guò)對(duì)鈦合金金剛石超精密切削時(shí)刀具磨損機(jī)理和金剛石刀具磨損特征的分析,探索實(shí)現(xiàn)抑制金剛石刀具磨損的技術(shù)途徑,為提高鈦合金的加工精度和表面質(zhì)量提供基礎(chǔ)。單晶金剛石刀具磨損機(jī)理的研究是探索提高刀具耐用度、實(shí)現(xiàn)鈦合金超精密切削加工的基礎(chǔ)。本文基于化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)理論,分析了超精密切削鈦合金時(shí)單晶金剛石刀具產(chǎn)生擴(kuò)散磨損和氧化磨損的本質(zhì)原因;進(jìn)而通過(guò)單晶金剛石顆粒與鈦合金薄片的界面熱腐蝕實(shí)驗(yàn),獲得了單晶金剛石在鈦元素的催化作用下的石墨化起始溫度、擴(kuò)散規(guī)律和氧化磨損的化學(xué)反應(yīng)類(lèi)型及條件,為探索超精密切削鈦合金材料時(shí)單晶金剛石刀具磨損的抑制措施提供了理論依據(jù)。為研究鈦合金超精密切削時(shí)單晶金剛石刀具的磨損特征及磨損規(guī)律,以便為探索有效提高刀具壽命的技術(shù)措施提供實(shí)驗(yàn)依據(jù),本文進(jìn)行了普通切削條件下的鈦合金超精密切削金剛石刀具磨損實(shí)驗(yàn)。采用掃描電子顯微鏡對(duì)單晶金剛石刀具磨損區(qū)的微觀形貌進(jìn)行了觀測(cè),結(jié)合刀具磨損機(jī)理的熱力學(xué)分析結(jié)果,對(duì)金剛石刀具前、后刀面的磨損形態(tài)及磨損特征的形成機(jī)制進(jìn)行了研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn),獲得了切削參數(shù)、刀尖圓弧半徑和冷卻潤(rùn)滑條件對(duì)金剛石刀具磨損和已加工表面粗糙度的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明,采用常規(guī)的切削方法難以解決鈦合金超精密切削時(shí)金剛石刀具磨損嚴(yán)重的問(wèn)題。在以上研究的基礎(chǔ)上,本文進(jìn)行了超聲振動(dòng)切削裝置的研制,為后續(xù)采用超聲振動(dòng)切削技術(shù)抑制金剛石刀具磨損的實(shí)驗(yàn)研究提供基礎(chǔ)。基于一維縱向超聲振動(dòng)換能器設(shè)計(jì)理論和有限元技術(shù),完成了橢圓超聲振動(dòng)切削裝置的設(shè)計(jì),該裝置采用一階縱向振動(dòng)和三階彎曲振動(dòng)復(fù)合的工作模式及單節(jié)點(diǎn)固定支撐方式,具有便于激勵(lì)的特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)模態(tài)簡(jiǎn)并后的橢圓超聲振動(dòng)切削裝置進(jìn)行的諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)分析,初步驗(yàn)證了該裝置結(jié)構(gòu)的合理性。在對(duì)加工裝配后的橢圓超聲振動(dòng)切削裝置進(jìn)行了阻抗測(cè)試實(shí)驗(yàn)和振幅輸出測(cè)試實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了單晶金剛石刀具普通切削和橢圓超聲振動(dòng)切削對(duì)比實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該橢圓超聲振動(dòng)切削裝置設(shè)計(jì)的合理性。通過(guò)普通切削、一維超聲振動(dòng)切削和橢圓超聲振動(dòng)切削三種加工方式下的刀具磨損和表面質(zhì)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析,驗(yàn)證了橢圓超聲振動(dòng)切削技術(shù)在提高金剛石刀具壽命上的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了切削參數(shù)和橢圓超聲振動(dòng)參數(shù)對(duì)金剛石刀具后刀面磨損量、切削力和已加工表面粗糙度的影響規(guī)律。研究結(jié)果為鈦合金的橢圓超聲振動(dòng)超精密切削工藝參數(shù)的優(yōu)選提供了依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：鈦合金 超精密加工 單晶金剛石 刀具磨損 橢圓超聲振動(dòng)切削
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：V261
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第1章 緒論12-27
• 1.1 課題背景及研究的目的和意義12-13
• 1.2 鈦合金切削加工時(shí)刀具磨損機(jī)理研究現(xiàn)狀13-17
• 1.3 超聲振動(dòng)切削裝置研究現(xiàn)狀17-25
• 1.3.1 一維超聲振動(dòng)切削裝置的研究現(xiàn)狀18-20
• 1.3.2 橢圓超聲振動(dòng)切削裝置的研究現(xiàn)狀20-25
• 1.4 課題的主要研究?jī)?nèi)容25-27
• 第2章 單晶金剛石切削鈦合金刀具磨損的熱力學(xué)分析27-46
• 2.1 引言27
• 2.2 金剛石刀具磨損過(guò)程的熱力學(xué)分析27-35
• 2.2.1 金剛石刀具擴(kuò)散磨損的熱力學(xué)計(jì)算30-32
• 2.2.2 金剛石刀具氧化磨損的熱力學(xué)計(jì)算32-35
• 2.3 金剛石與鈦合金界面熱腐蝕實(shí)驗(yàn)研究35-45
• 2.3.1 方案設(shè)計(jì)35-36
• 2.3.2 熱腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析36-45
• 2.4 本章小結(jié)45-46
• 第3章 單晶金剛石切削鈦合金刀具磨損的實(shí)驗(yàn)研究46-67
• 3.1 引言46
• 3.2 單晶金剛石刀具磨損特征分析46-52
• 3.3 鈦合金超精密切削加工參數(shù)對(duì)刀具磨損和表面質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)研究52-65
• 3.3.1 切削速度的影響52-55
• 3.3.2 進(jìn)給量的影響55-57
• 3.3.3 切削深度的影響57-59
• 3.3.4 刀尖圓弧半徑的影響59-61
• 3.3.5 冷卻液和冷卻溫度的影響61-65
• 3.4 本章小結(jié)65-67
• 第4章 橢圓超聲振動(dòng)切削裝置的研制67-87
• 4.1 引言67
• 4.2 橢圓超聲振動(dòng)切削裝置的設(shè)計(jì)與仿真67-78
• 4.2.1 橢圓超聲振動(dòng)切削裝置的設(shè)計(jì)與計(jì)算67-72
• 4.2.2 橢圓超聲振動(dòng)切削裝置的模態(tài)分析72-75
• 4.2.3 橢圓超聲振動(dòng)切削裝置的諧響應(yīng)分析75-77
• 4.2.4 橢圓超聲振動(dòng)切削裝置的振動(dòng)軌跡的瞬態(tài)分析77-78
• 4.3 橢圓超聲振動(dòng)切削裝置的制造與性能檢測(cè)78-81
• 4.3.1 橢圓超聲振動(dòng)切削裝置的阻抗特性測(cè)試78-79
• 4.3.2 橢圓超聲振動(dòng)切削裝置的振幅輸出特性檢測(cè)79-81
• 4.4 橢圓超聲振動(dòng)切削裝置的可行性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證81-85
• 4.5 本章小結(jié)85-87
• 第5章 鈦合金超精密切削刀具磨損超聲振動(dòng)抑制的實(shí)驗(yàn)研究87-109
• 5.1 引言87
• 5.2 超聲振動(dòng)作用對(duì)刀具磨損抑制效果的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證87-97
• 5.3 橢圓超聲振動(dòng)切削工藝參數(shù)對(duì)刀具磨損的實(shí)驗(yàn)研究97-105
• 5.4 橢圓超聲振動(dòng)切削工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度的實(shí)驗(yàn)研究105-108
• 5.5 本章小結(jié)108-109
• 結(jié)論109-112
• 參考文獻(xiàn)112-120
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果120-122
• 致謝122-123
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷123

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