基于振动特性钛合金腹板加工刀具设计与性能评价

作     者：贾兴民 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李剑峰

授予年度：2015年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：钛合金 腹板 工艺参数 磨损 刀具设计 切削力 振动 

摘      要：钛合金以其优异的综合物理力学性能备受航空航天领域青睐,然而,钛合金属于典型难加工材料其难加工性问题一直是加工领域研究重点。为降低飞机自重,提高结构强度,满足飞机机动性、负载能力及服役寿命不断提出的新要求,薄壁腹板结构在航空整体结构件中广泛应用。钛合金薄壁腹板切削力大,刚性差,极易产生切削振动,不仅直接降低加工精度与质量,而且大大降低刀具耐用度,增加加工成本,降低生产效率,急需有效抑制腹板切削振动的解决策略。基于铣削振动系统方程探究腹板切削振动机理,研究认为设计钛合金腹板切削专用刀具是目前最具可行性的研究手段。首先对钛合金切削机理进行深入研究,基于正交试验,从切削力、切削振动两个方面研究工艺参数对钛合金切削性能的影响规律,通过极差分析、方差分析得出工艺参数对钛合金切削性能的影响趋势、影响显著性以及贡献率大小,揭示了工艺参数对钛合金切削性能影响规律;通过不同刀具结构的对比试验,获得了周刃前、后角及螺旋角对钛合金切削性能的影响。通过钛合金整体刀具寿命试验,借助扫描电镜和能谱分析,获得钛合金整体刀具磨损形式,揭示了其磨损机理;对已有考虑刀具磨损的切削力模型进行了修正,分析了刀具磨损状态与切削力关系的内在机制;运用二自由度铣削振动系统模型及频谱分析,对工艺系统振动信号在时域和频域内随刀具磨损的变化规律进行了深入研究,揭示了刀具磨损与切削振动强度及振动信号频谱的内在关系规律。采用有限元仿真分析,基于正交设计法,以较小Z向切削力为优化目标,对底刃前角、后角和钝圆半径进行参数优化组合;应用斜角切削理论,对切削刃进行了刃倾角设计,提高底刃锋利程度并减缓刀尖所受冲击;建立Z方向切削力模型,借助Matlab对其进行数值仿真并进行傅里叶变换,以Z向切削力频谱最小标准偏差为目标函数,对底刃齿间角进行优化设计。以自行设计的抑制钛合金腹板振动的刀具结构与一把进口刀具进行腹板切削对比试验,以Z向切削力、Z向切削振动及表面粗糙度为评价指标,验证自行设计刀具对抑制腹板切削振动的有效性。