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旋转超声铣削表面微结构成形机理仿真与试验研究

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南京理工大学学报 2023年第1期47卷 16-23页

作者：马鹏辉郑侃孙连军薛枫孙振文南京理工大学机械工程学院江苏南京210094

考虑到旋转超声铣削(Rotary ultrasonic milling,RUM)形成的规律性表面微结构在航空航天领域具有广泛的应用前景,开展了旋转超声铣削表面微结构仿真研究。首先建立旋转超声铣削刀尖运动学方程。其次,基于改进型Z-MAP法,利用MATLAB软件... 详细信息

考虑到旋转超声铣削(Rotary ultrasonic milling,RUM)形成的规律性表面微结构在航空航天领域具有广泛的应用前景,开展了旋转超声铣削表面微结构仿真研究。首先建立旋转超声铣削刀尖运动学方程。其次,基于改进型Z-MAP法,利用MATLAB软件进行表面微结构仿真分析,阐明了工艺参数以及主轴误差参数对表面微结构的影响规律。最后,开展旋转超声铣削试验,结果表明仿真模型能准确预测进给方向间距、周向间距等表面微结构特征,验证了仿真的有效性和合理性。

关键词：微结构仿真建模跳动误差旋转超声铣削端面铣削表面预测

旋转超声铣削碳/碳复合材料表面三维粗糙度研究

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南京理工大学学报 2023年第2期47卷 141-147页

作者：束静廖文和郑侃南京理工大学机械工程学院江苏南京210018

为了改善碳/碳复合材料铣削表面质量,提升其使役性能,开展了旋转超声铣削碳/碳复合材料表面粗糙度的研究。首先研究了端铣表面三维粗糙度Sa、Sq、Sku和Sdr随主轴转速、进给速度、切深和超声电流的变化规律。其次,分析了旋转超声侧铣对... 详细信息

为了改善碳/碳复合材料铣削表面质量,提升其使役性能,开展了旋转超声铣削碳/碳复合材料表面粗糙度的研究。首先研究了端铣表面三维粗糙度Sa、Sq、Sku和Sdr随主轴转速、进给速度、切深和超声电流的变化规律。其次,分析了旋转超声侧铣对不同纤维切角下三维粗糙度的影响特性。最后分别从端铣和侧铣的角度讨论分析了超声振动对表面质量的改善机理。试验结果表明:施加超声场能后端铣表面粗糙度幅度参数Sa和Sq不仅降低了约20%,而且随加工参数的增加,波动性减小,变化趋势更加明显。侧铣时超声振动使得碳/碳复合材料在不同纤维切削角下的Sa和Sq减小了10%~33%。此外,旋转超声铣削表面界面扩展比Sdr在端铣和侧铣中都有较大幅度的减少,最高可达65%,有效减少了碳/碳复合材料表面的空隙和裂纹。

关键词：碳/碳复合材料旋转超声铣削表面三维粗糙度纤维切角

旋转超声铣削TA15钛合金的疲劳寿命实验研究

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工具技术 2023年第7期57卷 57-60页

作者：杨巍王宇周元莉沈阳飞机工业(集团)有限公司沈阳市110034 空军装备部驻沈阳地区第一军事代表室

针对航空钛合金零件机加工后疲劳强度大幅降低的问题,提出基于旋转超声铣削的抗疲劳制造技术。基于变切削速度和变超声振幅的旋转超声铣削实验,探究传统工艺参数及超声振动参数对钛合金残余应力和疲劳寿命的影响规律。开展变疲劳加载频... 详细信息

针对航空钛合金零件机加工后疲劳强度大幅降低的问题,提出基于旋转超声铣削的抗疲劳制造技术。基于变切削速度和变超声振幅的旋转超声铣削实验,探究传统工艺参数及超声振动参数对钛合金残余应力和疲劳寿命的影响规律。开展变疲劳加载频率的有无超声对比实验,验证了超声振动对钛合金疲劳强化效应的普适性。实验结果表明,随着切削速度的提高和超声能量的摄入,钛合金残余压应力增加,疲劳强化效应显著;相较于传统铣削,不同加载频率条件下的超声铣削可提高钛合金疲劳寿命20.3%。

关键词：旋转超声铣削超声振幅切削速度 TA15 疲劳寿命

旋转超声铣削C/SiC复合材料疲劳性能研究

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旋转超声铣削C/SiC复合材料疲劳性能研究

作者：李赛超南京理工大学

学位级别：硕士

C/SiC复合材料因其优异的热物理性能、耐高温性能和抗疲劳性能,在航空发动机热端结构件制造中具有巨大应用潜力。C/SiC零件虽然采用近似成型制备,但部分结构件仍需精加工以满足设计和装配要求。传统加工工艺总是难以避免的造成纤维撕裂... 详细信息

C/SiC复合材料因其优异的热物理性能、耐高温性能和抗疲劳性能,在航空发动机热端结构件制造中具有巨大应用潜力。C/SiC零件虽然采用近似成型制备,但部分结构件仍需精加工以满足设计和装配要求。传统加工工艺总是难以避免的造成纤维撕裂,基体开裂等加工损伤,从而降低C/SiC零件的使役寿命。为此,提出基于旋转超声铣削的C/SiC零件抗疲劳加工方法。基于剪切滞后理论,从残余应力、界面结合强度和氧化失重率三个角度出发,构建旋转超声铣削C/SiC疲劳强化理论模型。通过C/SiC旋转超声铣削实验,常温和高温条件下的残余应力检测以及疲劳寿命实验,揭示旋转超声铣削C/SiC的疲劳强化机理,主要内容如下:(1)旋转超声铣削C/SiC疲劳强化机理研究基于剪切滞后模型,构建超声振幅与C/SiC界面结合强度的理论模型,明确高频低幅的超声振动对界面结合强度的弱化机理。结果表明,超声铣削的冲击特性弱化了C/SiC纤维基体的界面结合强度,裂纹沿着弱化的界面偏折扩展,纤维基体脱粘,韧性得到增强,疲劳寿命得到提高。构建超声振幅与C/SiC氧化失重率的理论模型,阐明超声振动对C/SiC抗氧化性能的作用机制。结果表明,超声场能形成的残余压应力有效抑制了疲劳裂纹宽度,缩小了氧气扩散通道,降低了高温氧气对纤维的氧化速率,进而提高了C/SiC样件的高温疲劳寿命。(2)旋转超声铣削C/SiC残余应力研究考虑超声铣削的冲击特性对C/SiC表层纤维的作用机制,采用拉曼光谱检测不同超声振幅铣削后的C/SiC表面残余应力,探究超声振动对C/SiC残余应力的影响规律。针对高温条件下各相组分热膨胀效应导致的残余应力释放,开展旋转超声铣削C/SiC高温加载卸载实验。结果表明,有无超声铣削后的C/SiC表面均呈现残余压应力状态。相较传统铣削,超声铣削后的C/SiC表面残余应力最大可提高5.8倍。高温条件下,C/SiC残余压应力发生释放,但超声铣削后的C/SiC残余应力仍较传统铣削提高了34.8%。(3)旋转超声铣削C/SiC常温疲劳性能研究首先,开展了不同超声振幅铣削条件下的C/SiC样件常温静拉伸实验。结果表明,高频低幅的超声振动使得C/SiC界面脱粘应力降低,抗拉强度显著提高。其次,开展了不同超声振幅铣削条件下的C/SiC样件常温疲劳寿命实验。结果表明,超声能量的摄入有效提高了C/SiC样件的常温疲劳寿命。相较传统铣削,2μm和4μm振幅下超声铣削后的C/SiC样件疲劳寿命分别提高了8.0%和9.4%。最后,开展了常温疲劳断口观测实验。结果表明,超声铣削后的C/SiC样件断口为弱界面形貌,普通铣削为强界面形貌。界面的弱化使得疲劳裂纹偏折扩展,纤维基体脱粘现象显著,纤维增韧效应提高,C/SiC样件的常温疲劳性能增强。(4)旋转超声铣削C/SiC高温疲劳性能研究首先,开展了有无超声铣削条件下的C/SiC样件连续性高温疲劳寿命实验。结果表明,超声能量的摄入使得C/SiC样件高温抗疲劳性能显著增强。应力比取0.47时,相较传统铣削,超声铣削后的C/SiC样件高温疲劳寿命提高了32.6%。其次,通过间歇性高温疲劳寿命实验,明确了超声铣削引入的残余压应力显著抑制了疲劳裂纹的萌生与扩展,并降低了疲劳裂纹宽度,抑制了高温氧化性气体侵蚀纤维。疲劳循环5000次和10000次时,超声铣削后的C/SiC样件氧化失重率分别降低了26.5%和12.6%。最后,开展了高温疲劳断口观测实验,结果表明,C/SiC高温疲劳断口形貌主要为纤维氧化后呈现径向收缩现象,超声能量的摄入使得C/SiC纤维氧化损伤程度降低,高温抗疲劳性能增强。

关键词： C/SiC复合材料旋转超声铣削残余应力常温疲劳寿命高温疲劳寿命

旋转超声铣削表面微结构建模仿真及其性能研究

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旋转超声铣削表面微结构建模仿真及其性能研究

作者：马鹏辉南京理工大学

学位级别：硕士

目前,面向使役性能的表面微结构设计制造成为了研究热点。其中,高效率、低成本、大批量制备各向同性微结构是重点发展方向。本文采用旋转超声铣削技术快速制备表面微结构,通过建立表面微结构仿真预测模型探究微结构单元形成机理和排布规... 详细信息

目前,面向使役性能的表面微结构设计制造成为了研究热点。其中,高效率、低成本、大批量制备各向同性微结构是重点发展方向。本文采用旋转超声铣削技术快速制备表面微结构,通过建立表面微结构仿真预测模型探究微结构单元形成机理和排布规律,并针对润湿性能和减光学反射特性进行了表面微结构设计与实验验证。主要内容如下:(1)开展了旋转超声铣削表面微结构建模和仿真实验研究。根据旋转超声铣削运动学特点,建立了包含不同刀尖模型的表面微结构仿真预测模型,并确定了微结构表征参数。实施刀尖运动轨迹仿真,探讨了局部轨迹随着超声频率、超声振幅和主轴转速的变化趋势,发现相同的频转比下具有一致的刀尖运动轨迹。开展微结构仿真试验,分析了刀尖几何形状、加工参数、超声参数以及运动干涉对微结构的影响规律,提出了断续铣削现象及其发生条件。结果表明:刀尖圆弧和副偏角对微结构单元形貌影响较大,主轴转速和进给速度综合影响每齿进给量进而改变微结构沿着进给方向的长度和间距,超声频率和主轴转速综合影响微凹坑周向间距、宽度以及排列倾角。(2)开展了旋转超声铣削表面微结构仿真模型验证实验及模型改进。首先对旋转超声铣削表面微结构仿真模型开展实验验证,并结合主轴误差因素改进表面微结构仿真模型。通过仿真实验分析了工艺参数对微结构单元和分布的影响规律,同时更新了工艺参数与微结构的进给方向间距、排列倾角两者之间的函数关系。最后对改进后的仿真模型进行实验验证。结果表明仿真与实验结果吻合较好,间距误差不超过3%,粗糙度误差在13%以内。(3)开展了面向润湿性能和减光学反射特性的旋转超声铣削微结构仿真设计研究。一方面,针对润湿性能对旋转超声铣削表面微结构进行仿真设计,通过降低主轴转速、增加超声振幅和进给速度提升微结构的深度和侧壁倾角,设计出具有改善接触角的表面微结构。另一方面,基于减光学反射特性进行旋转超声铣削表面微结构仿真设计,提出通过提高超声振幅增加微结构深度,减小主轴转速与进给速度增大微结构密度,从而得到具有低光学反射率的表面微结构。

关键词：旋转超声铣削表面微结构设计表面建模润湿性减光学反射

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旋转超声铣削钛合金表面性能研究

旋转超声铣削钛合金表面性能研究

作者：董琦南京理工大学

学位级别：硕士

钛合金由于密度小,比强度高,具有良好的耐蚀性、疲劳抗力,在航空航天、船舶、汽车、化工和能源等领域得到了广泛的应用。然而钛合金摩擦系数高、对粘着磨损和微动磨损非常敏感、耐磨性差及高温抗氧化性差等缺点,一定程度上限制了它的应... 详细信息

钛合金由于密度小,比强度高,具有良好的耐蚀性、疲劳抗力,在航空航天、船舶、汽车、化工和能源等领域得到了广泛的应用。然而钛合金摩擦系数高、对粘着磨损和微动磨损非常敏感、耐磨性差及高温抗氧化性差等缺点,一定程度上限制了它的应用。目前,随着航空航天工业的迅速发展,钛合金材料的需求日益提高,对其表面摩擦学性能的要求也越来越高。由于旋转超声铣削加工工艺可以加工出具有一定纹理的微凹坑表面织构,与鱼鳞结构具有极强的相似性,能够改善材料的摩擦性能。因此,本文以Ti-6Al-4V钛合金为对象,开展了旋转超声铣削实验。并重点对比分析了普通铣削和旋转超声铣削两种方式下的钛合金试件的摩擦磨损性能以及PVD涂层性能。首先,设计了旋转超声铣削钛合金实验,并分析了主轴转速、进给速度和超声电流三个加工参数对钛合金表面三维粗糙度以及表面微凹坑结构的影响。实验结果显示,旋转超声加工下,超声电流为100mA时能够得到较好的三维粗糙度参数,其表面微凹坑结构最为明显。而较大或较小的超声电流加工得到的表面与传统铣削方式下的表面形貌更为接近。此外,单个微凹坑的尺寸均随主轴转速和进给速度的增加而增加,且主轴转速对三维粗糙度的影响比进给速度更为显著。其次,在旋转超声铣削钛合金表面的基础上开展了摩擦磨损试验。分析了不同加工参数以及不同摩擦磨损试验参数对钛合金表面摩擦系数、磨损体积以及磨痕形貌的影响。实验结果表明,旋转超声表面能够降低摩擦系数及磨损体积,且主轴转速对摩擦系数及磨损体积的影响较进给速度更为明显。此外,当超声电流为100mA时,钛合金表面的磨痕形貌最好,边缘整齐,划痕较窄,磨粒磨屑等堆积物较少,犁沟呈均匀连续分布。最后,在旋转超声铣削钛合金表面的基础上开展了PVD涂层实验。从截面微观形貌和涂-基结合力两个角度分析了不同铣削参数下钛合金试件表面的涂层性能。结果表明,TiAlN涂层能够较好地沉积在旋转超声铣削钛合金表面的微凹坑处,旋转超声铣削工艺更有利于钛合金基体表面与TiAlN涂层的结合,且进给速度对结合性能的提升比主轴转速更为显著。

关键词： TC4钛合金旋转超声铣削三维粗糙度摩擦磨损 PVD涂层

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石英玻璃旋转超声铣削表面质量研究

制造技术与机床 2017年第6期 91-96页

作者：田传鑫陈晓晓张文武关世玺王浩黄亿辉中国科学院宁波材料技术与工程研究所浙江宁波315201 中北大学机电工程学院山西太原030051

探索了高频旋转超声铣削石英玻璃的工艺规律与材料去除机理,检测分析了加工表面粗糙度与表面形貌,借助Matlab平台建模仿真了进给速度和主轴转速对磨粒运动轨迹的影响规律,研究了进给速度、主轴转速、切削宽度以及切削深度对加工表面质... 详细信息

探索了高频旋转超声铣削石英玻璃的工艺规律与材料去除机理,检测分析了加工表面粗糙度与表面形貌,借助Matlab平台建模仿真了进给速度和主轴转速对磨粒运动轨迹的影响规律,研究了进给速度、主轴转速、切削宽度以及切削深度对加工表面质量的影响规律与机理。进给速度增大会导致刀具上的单颗金刚石磨粒的切削速度增大,参与切削的摆线平面投影运动轨迹变长,使表面粗糙度随进给速度增加先增大后减小;表面粗糙度值随主轴转速的增大总体上呈现出先减小后增大的趋势,主轴转速为3 000 r/min时铣削表面粗糙度最小;表面粗糙度值随切削宽度增大先增大后减小,切削宽度直接决定相邻刀具路径对应加工区域重叠范围,进而产生不同的磨粒划刻加工叠加效果;随切削深度增大,表面粗糙度值呈现出先增大后减小再增大的趋势,铣削过程中超声振动与切削深度配合产生的近成形表面材料去除模式对表面质量具有关键性作用。研究工作可为石英玻璃旋转超声铣削加工提供一定的工艺基础。

关键词：旋转超声铣削石英玻璃表面粗糙度表面形貌

基于LS-DYNA的石英玻璃旋转超声铣削仿真研究

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工具技术 2017年第1期51卷 44-47页

作者：田传鑫陈晓晓关世玺黄亿辉王浩张文武中北大学中国科学院宁波材料技术与工程研究所

基于LS-DYNA有限元仿真平台对石英玻璃旋转超声铣削过程进行了建模仿真,分析了材料去除过程中刀—工作用区应力场分布特性,研究了金刚石刀具高频往复冲击时复合作用导致的裂纹萌生与扩展以及材料去除机理。对比超声辅助端面铣削试验结果... 详细信息

基于LS-DYNA有限元仿真平台对石英玻璃旋转超声铣削过程进行了建模仿真,分析了材料去除过程中刀—工作用区应力场分布特性,研究了金刚石刀具高频往复冲击时复合作用导致的裂纹萌生与扩展以及材料去除机理。对比超声辅助端面铣削试验结果,在一定程度上验证了有限元仿真模型的有效性。

关键词：石英玻璃旋转超声铣削 JH-2本构模型应力场

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机器人旋转超声铣削铝合金工艺实验研究

机器人旋转超声铣削铝合金工艺实验研究

作者：郭伟华南京理工大学

学位级别：硕士

随着航天产品的尺寸不断增大,传统机床已无法满足其外部支架的加工精度和加工效率需求。近年来,采用机器人对大型舱体进行加工成为了研究热点。然而,由于工业机器人刚性较差,加工过程中极易发生振动,导致机器人加工质量和效率难以提升... 详细信息

随着航天产品的尺寸不断增大,传统机床已无法满足其外部支架的加工精度和加工效率需求。近年来,采用机器人对大型舱体进行加工成为了研究热点。然而,由于工业机器人刚性较差,加工过程中极易发生振动,导致机器人加工质量和效率难以提升。在此背景下,本文提出采用旋转超声加工技术与机器人铣削相结合的方法,实现大型航天器舱体支架的高精高效加工。主要研究内容如下:(1)开展了机器人旋转超声铣削力研究。首先建立了旋转超声铣削与普通铣削刀尖点运动方程,分析了二者的区别与联系。其次设计了机器人旋转超声铣削铝合金的铣削力实验,分析了超声振动对铣削力的影响规律以及随着铣削参数变化超声振动对铣削力的影响规律。实验结果表明,超声振动可以使铣削力明显降低,最高降幅达57.4%,平均降幅约30%以上。且不同铣削参数下,超声振动降低铣削力效果存在差异。最后,利用偏最小二乘法建立了机器人旋转超声铣削力模型,通过对比实测值与预测值可知,该模型最大相对误差为17%,平均相对误差不超过13%,表明该模型具有较高的预测精度。(2)开展了机器人旋转超声铣削振幅研究。首先,设计了机器人旋转超声铣削铝合金振幅实验。其次,研究了超声振动与铣削参数对机器人铣削振幅的影响。实验结果表明,超声振动引入后铣削振幅大幅降低,最高降幅达60%以上。同时,超声电流与铣削参数的匹配性对超声效果影响较大,不同铣削参数下超声振动降低铣削振幅的效果不同。最后,利用指数模型法建立了铣削振幅经验模型,其平均相对误差仅为8%。(3)开展了机器人旋转超声铣削铝合金表面质量研究。首先,开展了超声电流对铝合金表面形貌影响实验,实验结果表明超声振动引入后,工件表面产生均匀、细致的鱼鳞状特征。其次,开展机器人旋转超声铣削铝合金三维粗糙度实验,重点分析超声振动对三维粗糙度的影响规律。实验结果表明,超声振动引入后工件表面粗糙度与面积扩展比明显增大,且表面纹理更加趋于一致。最后,通过开展机器人旋转超声铣削平面实验,可得超声振动可以显著降低平面接刀痕和平面度,提高机器人铣削质量与精度。(4)进行了机器人旋转超声铣削铝合金参数优化。以机器人铣削力、铣削振幅、铣削参数范围等为约束条件,铣削效率为目标函数,对机器人旋转超声铣削进行铣削参数优化,并以铝合金支架为实例进行了验证。实验结果表明,超声振动可显著改善支架表面的接刀痕和平面度,验证了优化结果的可行性。

关键词：铝合金支架旋转超声铣削铣削力铣削振幅接刀痕平面度