發(fā)布時(shí)間：2016-04-20 13:03

第 1 章  緒   論

本文針對鈦合金 TC4 工件的切削進(jìn)行研究，鈦合金 TC4 材料因具有高強(qiáng)度、高耐腐蝕性等特點(diǎn)而被廣泛使用于國防工業(yè)、民用工業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。但是由于鈦合金變形系數(shù)比較小，使得切屑在前刀面上滑動摩擦的路程明顯增加，這將加速切削刀具的磨損；導(dǎo)熱系數(shù)小，，車削時(shí)產(chǎn)生的熱量難以擴(kuò)散而集中于切削部位以及切削刃附近的小范圍內(nèi)，導(dǎo)致切削溫度非常高；鈦的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，在高溫下會吸收空氣中的一些化學(xué)元素形成硬脆外皮，同時(shí)在加工過程中，鈦合金工件受切削力影響發(fā)生的塑性變形也會加劇這種冷硬現(xiàn)象，這樣不但會減弱工件的疲勞強(qiáng)度，而且會加速車刀的磨損；同時(shí)由于切削過程中產(chǎn)生的鈦合金切屑與刀具前刀面的接觸區(qū)域非常小，導(dǎo)致單位面積上的切削力增大，很容易造成崩刃事故。上述幾點(diǎn)都是鈦合金切削過程中不可忽視的缺陷，也使得對鈦合金精密切削的難度大大增加。 實(shí)現(xiàn)對鈦合金的精密和超精密切削不僅具有加工工藝簡單的優(yōu)點(diǎn)，還可以直接形成高質(zhì)量的加工表面，因此通過超聲波振動切削技術(shù)對切削環(huán)境的改善，使得金剛石刀具能夠直接對鈦合金材料進(jìn)行超精密加工具有非常重要的意義和實(shí)用價(jià)值。

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第 2 章  單激勵(lì)超聲波橢圓振動切削系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 

2.1  引言

超聲波振動切削系統(tǒng)通常由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、車刀及夾具等部分組成。在本次研究中，超聲波振動切削裝置的設(shè)計(jì)主要是針對變幅桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改良。變幅桿是超聲波振動切削系統(tǒng)中非常重要的一環(huán)，在本論文研究的超聲波振動切削系統(tǒng)中，所需要設(shè)計(jì)的變幅桿應(yīng)起到以下幾個(gè)方面的作用：（1）放大由超聲波換能器輸出振動的幅值，起到聚能的作用；（2）能夠?qū)φ駝硬ㄐ芜M(jìn)行一定的轉(zhuǎn)換，并以特定的形式輸出；（3）在變幅桿上需要加工出車刀的安裝槽，在換能器與刀具之間起連接作用；（4）在振動波的節(jié)點(diǎn)處加工出法蘭，對整個(gè)振動系統(tǒng)進(jìn)行固定。 因此，變幅桿的設(shè)計(jì)是整個(gè)研究過程中極為重要的部分，其性能的好壞將直接決定整個(gè)超聲波振動切削系統(tǒng)品質(zhì)的優(yōu)劣，本章將通過理論計(jì)算和仿真分析對變幅桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 

2.2  超聲波振動切削系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

一維超聲波振動切削過程中給刀具的切削運(yùn)動添加了一個(gè)小幅度、高頻率的刀具直線振動。在適當(dāng)?shù)那邢魉俣�、刀具振幅和振動頻率的聯(lián)合作用下，刀具周期性地與工件接觸和脫離，從而達(dá)到減少切削力的作用，并且得到比傳統(tǒng)機(jī)械加工方法更好的表面光潔度以及更好的形狀精度。超聲波振動切削系統(tǒng)的使用顯著延長了刀具的壽命，特別是切割有色金屬材料（例如鈦合金）時(shí)金剛石刀具的壽命。在超聲波振動切削過程中，滿足從傳統(tǒng)加工過程到刀具與工件間歇接觸加工過程的過渡條件是非常重要的，也就是說必須保證刀具最大振動速度要大于工件的給定速度（圖 2-1 點(diǎn) 2 和點(diǎn) 3 之間）。只有在該種條件下，工具才能在振動過程中脫離工件。振動方向在振動曲線底部改變后向上運(yùn)動的過程中，將再次發(fā)生接觸。因此，工件和切削刃之間的有效接觸時(shí)間由于刀具的高頻振動而顯著降低。

第 3 章  單激勵(lì)超聲波橢圓振動切削系統(tǒng)振動特性研究 .......... 35 

3.1  引言 .................. 35 

3.2  單激勵(lì)超聲波橢圓振動切削系統(tǒng)的搭建與調(diào)諧 ........... 35

3.3  單激勵(lì)超聲波橢圓振動切削系統(tǒng)的阻抗分析 ................ 37 

3.4  單激勵(lì)超聲波橢圓振動切削系統(tǒng)的振動測試 .......... 38

3.5  本章小結(jié) .......... 44 

第 4 章  單激勵(lì)超聲波橢圓振動切削系統(tǒng)的切削試驗(yàn) ........... 45 
4.1  引言 ............ 45 
4.2  試驗(yàn)裝置的搭建 .......... 45 
4.3  試驗(yàn)方案的制定 .......... 47 
4.4 檢測設(shè)備 ................ 48 

4.5  試驗(yàn)結(jié)果分析 ....... 50

4.6  本章小結(jié) ....... 56 

結(jié)   論 ............... 57

第 4 章  單激勵(lì)超聲波橢圓振動切削系統(tǒng)的切削試驗(yàn) 

4.1  引言

在搭建好振動系統(tǒng)并且對其振動特性進(jìn)行測試后，需要將搭建好的單激勵(lì)超聲波橢圓振動切削系統(tǒng)應(yīng)用到對鈦合金 TC4 工件的車削試驗(yàn)中，研究該系統(tǒng)的切削性能。在切削參數(shù)相同的條件下，分別采用超聲波振動切削和常規(guī)切削的方法加工鈦合金 TC4 工件，檢測切削后已加工工件表面質(zhì)量，通過比較工件表面質(zhì)量來判斷常規(guī)切削和超聲波振動切削方式加工效果的優(yōu)劣，以此來驗(yàn)證該系統(tǒng)改善對鈦合金 TC4 材料加工質(zhì)量的能力。其中，使用表面粗糙度作為評價(jià)加工表面質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。 

4.2  試驗(yàn)裝置的搭建

所使用的工件材料為鈦合金 TC4。鈦合金 TC4 有著非常好的耐腐蝕性和焊接性,并且具有韌性好、密度小、比強(qiáng)度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國防、民用工業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。但是由于導(dǎo)熱系數(shù)小，車削時(shí)產(chǎn)生的熱量難以擴(kuò)散而集中于切削部位以及切削刃附近的小范圍內(nèi)，導(dǎo)致切削溫度非常高；冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重，會加速車刀的磨損；同時(shí)由于切削過程中產(chǎn)生的鈦合金切屑與刀具前刀面的接觸區(qū)域非常小，導(dǎo)致單位面積上的切削力增大，很容易造成崩刃事故，因此給鈦合金的超精密切削加工帶來了困難。本文的目的是通過超聲波橢圓振動系統(tǒng)的使用來改善鈦合金 TC4 工件的加工質(zhì)量。TC4 鈦合金的化學(xué)成分如表 4-2 所示，其部分機(jī)械性能如表 4-3 所示，其它性能見表 3-1。鈦合金工件的結(jié)構(gòu)尺寸如圖 4-2 所示，其中心攻出螺紋孔的目的是便于與卡具的連接。
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結(jié)   論 

本文基于超聲波振動切削系統(tǒng)的加工原理和獨(dú)特優(yōu)勢，根據(jù)鈦合金材料的加工特點(diǎn)和實(shí)際切削條件，設(shè)計(jì)了一種帶斜槽的單激勵(lì)超聲波橢圓振動切削系統(tǒng)。著重對振動系統(tǒng)中的變幅桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和改良，通過仿真分析和切削試驗(yàn)證明了研究方法的正確性。主要的研究成果如下：（1）針對鈦合金 TC4 材料的超聲波橢圓振動切削技術(shù)展開了一系列研究。研制了一種帶斜槽的單激勵(lì)超聲波橢圓振動切削系統(tǒng)，其諧振頻率可達(dá) 43.4kHz，在軸向和豎直方向的振幅都能達(dá)到 10μm 以上。（2）基于變幅桿的振動理論設(shè)計(jì)了帶斜槽的階梯型變幅桿。利用有限元分析平臺 ANSYS Workbench，對變幅桿進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化及動力學(xué)仿真，仿真結(jié)果顯示刀尖點(diǎn)的振動軌跡為橢圓形，滿足單激勵(lì)超聲波橢圓振動切削系統(tǒng)對變幅桿結(jié)構(gòu)的要求。（3）對超聲波橢圓振動系統(tǒng)的性能進(jìn)行阻抗特性分析與高頻位移獲取，驗(yàn)證了系統(tǒng)工作時(shí),刀尖點(diǎn)的振動軌跡為橢圓，符合單激勵(lì)超聲波橢圓振動切削系統(tǒng)的振動特性。（4）開展了該系統(tǒng)對鈦合金 TC4 的車削加工試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明本文所設(shè)計(jì)的振動切削系統(tǒng)能夠獲得高的加工表面質(zhì)量，并有效延長金剛石刀具的壽命。針對本文的研究內(nèi)容還有以下方面可以繼續(xù)探究：（1）繼續(xù)提高振動切削系統(tǒng)的工作頻率，但與此同時(shí)也要注意保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且解決高頻率下振動系統(tǒng)發(fā)熱嚴(yán)重的問題。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號：38627