基于刀具-工件接触率的钛合金超声振动切削研究
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随着科技的发展,新型材料的需求与性能要求日益提高。高性能材料有着普通材料无法比拟的优秀物理力学性能,同时还给制造加工提出新的难题,在科学技术发展与应用的前沿阵地军事航空领域尤为突出。各种航空材料的加工性能都有待改善,为了提高新型材料生产的效率和质量,新的技术不断被提出。日本的科学工作者最先提出了超声波振动加工技术。经过不断地开发与完善将超声振动切削技术应用于实际切削加工中,取得让人意想不到的切削效果和经济效益。超声振动加工是于传统切削加工的基础上让刀具做超高速的来回往复简谐运动。按照刀具被施加的超高频率振动方式的不同,超声振动加工可以分为单向超声振动加工和双向椭圆超声振动加工。两种振动加工方式有各自的优势与不足:单向超声振动加工中当刀具的振动速度大于工件的速度时两者之间将出现脱离运动,但是在分离后的加工过程中刀具的后刀面始终与工件表面接触。这不仅加剧了刀具的磨损,同时还对工件表面反复碾压破坏加工质量。椭圆超声振动加工中的运动为椭圆轨迹,这种特殊的运动轨迹可使刀具与工件之间实现完全分离的效果,同时切削制造中的切削厚度随时间不断变化,这些变化对减小切削力与延长刀具使用时间作用十分显著,但是刀具的椭圆运动轨迹导致振动切削过后在工件表面将残留一定高度的材料余量。本文借助有限元理论对超声振动切削数字化建模,利用有限元软件ADVANTEDGE对切削模型进行仿真分析。分别对单向超声振动加工和椭圆超声振动加工的加工机理研究,并且利用接触率理论综合分析切削过程中不同切削参数的影响,得到主要结论有:1)通过有限元理论结合刀-屑摩擦模型以及Power-law材料模型,建立基于自适应ALE方法网格技术的超声振动加工仿真模型。对有限元分析计算数据与实验加工测量数据对比发现误差小于7%,验证了振动切削模型的可行性。2)引入接触率的概念对单向超声振动切削过程进行理论研究,总结不同切削参数对接触率的改变效果。指出接触率是引起加工过程中力和热变化的主要原因,大多数人研究各个不同切削参数分别对切削过程的影响,可以转为通过接触率理论对振动切削中不同切削参数的影响进行综合分析。3)使用计算机软件仿真模拟椭圆超声振动加工,研究椭圆振动加工的加工机理,得到刀具相对于工件的运动路线是光滑的抛物线曲线。对已加工表面残余高度进行理论分析,总结切削参数对残余高度的变化规律。对椭圆振动加工过程中的接触率进行深入探讨,分析加工参数对接触率的影响规律,仿真模拟计算与接触率对应的不同加工参数下椭圆超声振动加工模型,对接触率的作用进行验证。
摘要 | 第3-5页 |
Abstract | 第5-6页 |
第1章 绪论 | 第10-20页 |
1.1 选题目的及意义 | 第10-11页 |
1.2 国内外研究现状 | 第11-16页 |
1.2.1 超声振动辅助加工系统研究 | 第11-12页 |
1.2.2 超声振动辅助加工过程研究 | 第12-15页 |
1.2.3 超声振动辅助加工有限元仿真研究 | 第15-16页 |
1.3 存在的主要问题 | 第16-17页 |
1.4 论文的主要工作 | 第17-20页 |
1.4.1 超声振动切削模型的建立 | 第17页 |
1.4.2 单向超声振动切削有限元研究分析 | 第17-18页 |
1.4.3 椭圆超声振动切削有限元研究分析 | 第18-20页 |
第2章 超声振动辅助切削有限元理论及其建模过程 | 第20-30页 |
2.1 引言 | 第20页 |
2.2 有限元仿真技术在切削加工中的应用 | 第20-21页 |
2.3 超声振动切削有限元模型建立 | 第21-26页 |
2.3.1 仿真切削参数 | 第24页 |
2.3.2 工件材料本构模型 | 第24-25页 |
2.3.3 刀-屑摩擦模型 | 第25-26页 |
2.3.4 基于 ALE 方法的自适应网格划分技术 | 第26页 |
2.4 超声振动切削仿真结果分析 | 第26-27页 |
2.5 超声振动切削与普通切削结果分析 | 第27-29页 |
2.6 本章小结 | 第29-30页 |
第3章 单向超声振动切削过程有限元仿真研究 | 第30-46页 |
3.1 引言 | 第30页 |
3.2 超声振动切削加工过程的运动分析 | 第30-31页 |
3.3 单向超声振动切削加工过程中接触率分析 | 第31-32页 |
3.4 振动频率 f 对超声振动切削过程的影响 | 第32-36页 |
3.4.1 振动频率 f 对接触率的影响 | 第32-34页 |
3.4.2 振动频率 f 对切削力和切削温度的影响 | 第34-36页 |
3.5 振幅 A 对超声振动切削过程的影响 | 第36-38页 |
3.5.1 振幅 A 对接触率的影响 | 第36-37页 |
3.5.2 振幅 A 对切削力和切削温度的影响 | 第37-38页 |
3.6 切削速度 V_c对超声振动切削过程的影响 | 第38-40页 |
3.6.1 切削速度 V_c对接触率的影响 | 第38-39页 |
3.6.2 切削速度 V_c对切削力和切削温度的影响 | 第39-40页 |
3.7 接触率 r 对切削力和切削温度的影响 | 第40-42页 |
3.8 刀尖圆弧半径对超声振动切削的影响 | 第42-43页 |
3.9 本章小结 | 第43-46页 |
第4章 椭圆超声振动切削研究及其影响因素分析 | 第46-66页 |
4.1 引言 | 第46页 |
4.2 椭圆超声振动切削过程分析 | 第46-47页 |
4.3 椭圆超声振动切削刀具与工件相对运动状态分析 | 第47-50页 |
4.4 椭圆超声振动残余高度研究 | 第50-54页 |
4.4.1 椭圆超声振动切削已加工工件表面残余高度 R_(th)的影响因素分析 | 第52-54页 |
4.5 椭圆超声振动切削加工接触率研究 | 第54-57页 |
4.5.1 椭圆超声振动切削过程接触率 r 的影响因素分析 | 第55-57页 |
4.6 振动频率 f 对椭圆超声振动切削过程的影响 | 第57-59页 |
4.7 振幅 A 对椭圆超声振动切削的影响 | 第59-61页 |
4.8 切削速度 V_c对椭圆超声振动切削的影响 | 第61-62页 |
4.9 接触率对切削力和切削温度的影响 | 第62-63页 |
4.10 本章小结 | 第63-66页 |
第5章 总结与展望 | 第66-70页 |
5.1 工作总结 | 第66-67页 |
5.2 工作展望 | 第67-70页 |
参考文献 | 第70-75页 |
攻读硕士学位论文期间发表的学术论文 | 第75-76页 |
参与的科研项目 | 第76-77页 |
致谢 | 第77-78页 |
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