典型难加工材料振动辅助切削机理与可加工性实验研究

【摘要】：振动辅助加工技术是在刀具上辅助施加一定频率的微米级振幅,以实现刀具与工件的相对位置周期性地改变,从而获得某些方面性能优于普通加工的技术。其在难加工材料加工中表现出显著的优越性,受到越来越多学者的关注。由于难加工材料种类繁多、特性各异,振动辅助切削实验进展还不充分,相关切削机理尚不完善。本文以广泛应用的钛合金为代表,分析了振动辅助切削机理,并开展了实验验证;另一方面,论文针对三种典型难加工材料开展了可加工性实验研究,为进一步探索其加工机理提供了实验依据。本文主要创新研究工作如下:1)提出了一种改进的正交切削切屑形成模型,该模型可预测连续和锯齿形切屑形成与切削力。基于非等距剪切区模型和Calamaz改进型Johnson-Cook材料模型预测了主剪切区应变场、应变率场和温度场,提出了依托材料特性的剪切角计算方案。针对刀屑接触区的材料流动特征,建立了简化的刀屑接触区模型。并依托主剪切区与第二变形区的变量耦合关系,提出了一套改进的、精确的、高效的正交切削过程预测模型。建立了锯齿切屑几何形态与剪切区变量的关系,为锯齿切屑的形成机理研究提供了参考。2)提出了一维和椭圆振动辅助切削过程切屑形成与切削力预测模型。分析了一维振动辅助切削运动学原理,以及单周期内瞬态刀屑接触区长度和瞬态剪切角,利用实验验证了普通切削与一维振动辅助切削剪切角随加工参数的变化规律。分析了椭圆振动切削瞬态切削厚度和瞬态剪切角,并阐述了椭圆振动切削过程主切削力与背向力在单周期内各阶段切削力波动的原理,利用实验对单周期内切削力的预测进行了有效验证。3)建立了振动辅助切削已加工表面和切屑的微观组织演变模型,模型分析与实验结果表明高频振动辅助切削能实现低损伤加工。在分析和比较了三种材料本构方程的基础上,建立了振动辅助切削的有限元模型,通过导入材料动态再结晶模型,比较了振动辅助切削与普通切削后已加工表面与切屑动态再结晶晶粒尺寸与平均晶粒尺寸,利用实验分别验证了两种加工方式对已加工表面和切屑微观组织的影响。实验表明高频振动辅助切削(超声辅助切削)已加工表面平均晶粒尺寸大于普通切削的平均晶粒尺寸,且更接近于材料基体晶粒度,高频振动辅助切削已加工表面平均晶粒尺寸沿深度方向分布更均匀。4)开展了高频振动辅助车削镍基高温合金的可加工性实验,发现振动辅助车削可减小由普通加工过程产生的残余拉应力的净值。以镍基合金718和625为对象,分别测试了普通车削与高频振动辅助车削切削力、表面形貌和粗糙度、残余应力。当切削速度低于临界速度、较低的进给量与切削深度、较高的振动幅值时,高频振动辅助车削可显著降低切削力。表面轮廓的曲线显示振动辅助车削后表面相比于普通车削更平滑,且在不同的加工参数下高频振动辅助车削可显著地改善表面形貌。高频振动辅助车削对表面粗糙度的降低量随着进给量的增加而减小,并随着振动幅值的增大而增大。高频振动辅助车削镍基高温合金可产生更多的残余压应力。5)开展了高频振动辅助车削颗粒增强金属基复合材料的可加工性实验,发现普通的WC刀具采用高频振动辅助车削可获得PCD刀具近似的加工效果。针对碳化硅颗粒增强铝基复合材料进行普通车削与振动辅助车削实验,并对比了不同刀具和润滑条件下加工过程切削力、切削温度,分析了不同的切屑形态产生机理,比较了已加工表面粗糙度和形貌。高频振动辅助车削获得了明显的切削力降低量,使用WC刀具的干切条件主切削力降低了68%。振动辅助车削将碳化硅颗粒增强铝基复合材料的不连续的断裂C型切屑变为连续和半连续切屑。高频振动辅助车削减少了刀具积屑瘤产生并改善了已加工表面形貌。采用WC刀具时普通车削与振动辅助车削均出现磨粒磨损和粘结磨损。6)开展了皮质骨普通切削、一维高频振动辅助切削、二维低频振动辅助切削的机理分析与实验,发现振动辅助切削可改变骨材料裂纹扩展规律和降低切削力。分析了皮质骨普通切削在不同切削深度和切削方向下的切屑形成机理与裂纹扩展规律。皮质骨普通切削随着切削深度增加,切屑逐渐从连续切屑到锯齿形切屑再到断裂切屑,不同的切削方向裂纹的扩展规律也不同。开发了一维高频与二维低频振动辅助切削皮质骨装置,分析了振动切削与普通切削裂纹扩展的差异,且比较了不同加工方式的骨材料切削力。皮质骨一维高频振动辅助切削可将普通切削产生的大块断裂切屑转变为不连续或连续小块三角状切屑,裂纹的扩展也由不规律的方向变为主剪切方向,振动辅助切削切屑形态规律、已加工骨材料表面裂纹与缺陷减少。二维低频振动辅助切削改变了皮质骨普通切削切屑生成过程,造成了更小的切屑曲率和切屑断裂,同时二维低频振动辅助切削也在不同切削方向降低了切削力。