超声振动辅助铣削LY12铝合金表面质量研究

论文摘要

随着航空航天、国防、现代医学以及生物工程技术的发展,对小型化设备和微小尺寸零件的需求越来越多,并且形状精度、尺寸精度和表面质量要求极高,对现有制造技术带来严峻的挑战。为解决上述问题,相关研究人员从加工工艺、材料选择、刀具参数等方面进行了大量研究。其中,在铣削中引入超声振动被认为是一种行之有效的方法。购置了超声振子与电源,设计制作了工件与夹具,搭建了超声振动工作台,系统研究了超声振动辅助铣削LY12铝合金加工机理与表面质量。对振动切削切削刃进行运动学分析,并通过仿真得出超声振动辅助铣削刀具-切屑周期性分离条件：超声振动振幅大于每齿进给量的一半,并且振动频率与主轴回转频率的比值不为整数。结合试验数据通过方差分析法和响应曲面法,系统分析了工艺参数及其交互作用对表面粗糙度的影响。对槽底表面粗糙度影响的主次顺序是超声振幅、每齿进给量和铣削速度；对侧壁表面粗糙度影响的主次顺序是铣削速度、超声振幅和每齿进给量。此外,工艺参数的交互作用对加工表面粗糙度影响作用也比较明显。采用指数回归方法和多项式回归方法建立了表面粗糙度经验模型,对经验模型以及模型系数进行了显著性检验。验证实验表明：多项式回归经验公式可以预测表面粗糙度,并以此为依据对工艺参数进行了优化。通过单因素试验研究了工艺参数对切削力和切削温度的影响规律。研究表明,施加超声振动后切削力和切削温度都会减小,超声振幅越大其减小幅值越大。工件在超声波激励作用下高频振动,切屑容易断裂,切削剪切角的增大降低了切削力,工件与刀具的周期性分离降低了切削温度。但过大的超声振幅会增大刀具磨损,导致切削力增大、切削温度升高,并缩短刀具使用寿命,降低加工表面质量。通过单因素试验研究了工艺参数对表面残余应力的影响规律,研究表明：铣削速度和超声振幅对表面残余应力的影响比较明显,而进给量的影响不明显。从热-力耦合的角度探讨了超声振动辅助铣削加工表面残余应力的产生机理。铣削速度vc<56.52m/min时切削力较大,机械“挤光”效应引起的残余压应力占主导地位；铣削速度vc>56.52m/min时切削力下降,切削温度升高,以热载荷引起的残余拉应力为主。此外,超声振动可以实现对表面残余应力的释放,降低加工表面残余应力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 超声振动辅助切削技术研究现状
• 1.1.1 超声振动辅助车削技术
• 1.1.2 超声振动辅助磨削技术
• 1.1.3 超声振动辅助钻削技术
• 1.1.4 超声振动辅助铣削技术
• 1.2 表面质量研究现状
• 1.2.1 表面粗糙度研究现状
• 1.2.2 表面残余应力研究现状
• 1.3 课题研究背景及意义
• 1.4 课题研究内容及结构
• 1.5 本章小结
• 第2章 振动切削机理分析及试验平台搭建
• 2.1 振动切削切削刃运动学分析
• 2.2 超声振动铣削刀-屑分离准则
• 2.3 超声振动铣削试验平台搭建
• 2.3.1 超声振子与超声电源的选用
• 2.3.2 超声振子的固定
• 2.4 本章小结
• 第3章 超声振动辅助铣削LY12铝合金表面粗糙度研究
• 3.1 试验设计与试验条件
• 3.1.1 表面粗糙度试验设计
• 3.1.2 表面粗糙度试验条件
• 3.2 表面粗糙度试验结果分析
• 3.2.1 方差分析法
• 3.2.2 响应曲面法
• 3.3 铣削参数对表面粗糙度的影响
• 3.3.1 铣削速度对表面粗糙度的影响
• 3.3.2 进给量对表面粗糙度的影响
• 3.4 表面粗糙度经验模型
• 3.4.1 表面粗糙度指数回归模型
• 3.4.2 表面粗糙度多项式回归模型
• 3.4.3 表面粗糙度经验模型的验证
• 3.5 本章小结
• 第4章 超声振动辅助铣削LY12铝合金表面残余应力研究
• 4.1 切削力与切削温度试验研究
• 4.1.1 切削力与切削温度实验方案
• 4.1.2 工艺参数对切削力的影响
• 4.1.3 工艺参数对切削温度的影响
• 4.2 表面残余应力的试验研究
• 4.2.1 测量仪器及原理简介
• 4.2.2 残余应力试验方案
• 4.2.3 工艺参数对残余应力的影响
• 4.3 表面残余应力产生机理分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文与获奖情况
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表