基于尺寸效应的钛合金二维超声辅助精密切削特性研究

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在钛合金精密超精密切削加工中,由于受加工尺度与刀具特征参数的共同影响,刀具前刀面参与切削的面积减小,刀刃附近区域将承担主要的材料去除工作,切削机理会发生改变,导致单位切削力显著上升的尺寸效应现象是影响加工精度和表面质量的根本原因,也是制约现代航空材料精密制造发展的重大阻碍之一。在切削加工尺度不变的前提下,提高难加工材料的加工精度和表面质量的实质是改善精密切削加工中由于尺寸效应而产生的单位切削力非线性增长现象。本文采用二维超声辅助振动的精密车削方法,以钛合金的精密切削机理为研究对象,利用理论分析、有限元仿真及试验研究相结合的方法,对钛合金二维超声辅助精密切削特性进行研究,分析二维超声切削加工中尺寸效应的产生机理和影响因素。主要研究内容如下:通过研究二维超声切削刀尖的运动轨迹特征,分析二维超声振动切削运动学特性,阐明了二维超声切削对切削力的影响规律;以普通精密切削加工力学模型为基础,结合二维超声振动特性建立了考虑切削刃钝圆半径的力学模型,进行了二维超声切削力模型的推导与计算;以切削厚度相对刃口半径的变化为尺度,详细研究了普通精密加工与二维超声振动切削加工尺寸效应的产生机理。运用有限元切削仿真技术,建立有限元二维超声振动切削仿真模型,研究在不同的切削深度下,超声振动切削和普通精密切削对主切削力和切深抗力以及单位切削力的影响,并直观展示了切削过程中的应力变化和切屑的形成机制,详细阐述了切削过程中尺寸效应产生的原因和影响因素。进一步以超声振幅作为仿真变量,探究尺寸效应作用下的切削力和单位切削力的变化规律。搭建二维超声车削试验平台,采用单因素试验方案,以超声振幅和切削深度与刃口半径的比值(ap/rn)为因素,分析了尺寸效应作用下超声振动切削中切削力及单位切削力的变化情况。研究结果表明:二维超声振动切削能够改善尺寸效应中产生的负前角效应和耕犁现象,同时减小切削过程中的最小切削厚度。随着切削深度与刃口半径比值的减小,超声切削的主切削力与切深抗力的比值远远小于普通精密切削,提高了加工过程的稳定性;超声振动切削加工单位切削力远远小于普通精密切削,且随着振幅的增大,单位切削力的增长趋势越趋于平缓,也验证了理论分析和有限元切削仿真中获得的相关结论。最后,加工工件的表面特征检测结果也表明超声振动切削能够改善普通精密切削中的尺寸效应现象,从而提高小尺度加工的表面质量。
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