振动攻丝机理及典型难加工材料小孔振动攻丝试验研究

论文摘要

攻丝几乎是小螺孔加工唯一完全可行的工艺方法。由于攻丝是半封闭容屑的多刀齿切削过程,切削液不能有效进入切削区,排屑又困难,故切削条件十分恶劣。难加工材料小孔攻丝,由于攻丝扭矩大,丝锥易崩齿和折断导致攻丝无法进行。随着现代工业对零件性能要求的提高,高性能材料大量被采用,迫切需要解决难加工材料小孔攻丝难题。而振动攻丝具有攻丝扭矩小、螺纹精度高以及丝锥使用寿命长等特点,故在难加工材料攻丝领域得到了广泛应用。但对其机理及应用的研究还不够十分充分,因此对振动攻丝机理及实际应用进行深入系统研究,具有重要的理论意义和应用价值。首先,在综述国内外振动攻丝技术的基础上,对攻丝过程中切削扭矩在攻丝扭矩中所占的比率进行了试验研究,可以认为切削扭矩是影响加工难易的重要因素之一。基于动态断裂力学理论,分析了振动攻丝中丝锥刀齿对切削区中随机分布的微裂纹呈三维脉冲力的作用导致应力出现了跃动,这种跃动随作用时间的持续将趋于静载荷作用的效果,且还随作用距离的增大呈减弱趋势,从而给出了振动攻丝中切削扭矩的减小使攻丝扭矩减小的机理。通过对试验所获得振动攻丝扭矩波动的分析,验证了上述机理研究的合理性。并基于此机理研究的结论,理论分析了工艺参数对攻丝扭矩的影响规律。然后,为了进行振动攻丝试验,研制了单片机控制的步进电机式低频振动攻丝试验系统SZ48-HIT,它包括攻丝机的机械系统、控制系统及扭矩测量系统。控制系统采用单片机来控制步进电机,用汇编语言编制了振动攻丝需要的各功能子模块及其服务程序,对各子功能模块的控制模型进行了分析,并对软、硬件进行了综合测试。还设计了不同放大倍数、不同滤波频率的滤波放大电路,建立了可以同步存储并实时显示的扭矩测量系统。再后,在SZ48-HIT试验系统及原试验系统下对奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti、钛合金TC4、镍基高温合金GH4169及45钢（淬火50HRC）4种典型难加工材料,进行了大量的小孔（M3）振动攻丝试验。用单因素法的振动攻丝试验,研究了各工艺参数对攻丝扭矩的影响规律,所得结果与前述扭矩减小的机理分析是一致的。用正交设计法的振动攻丝试验,研究了各工艺参数对攻丝扭矩影响的显著性问题。还探讨了不同物理力学性能的典型难加工材料振动攻丝中,工艺参数对扭矩影响的差异。从而为振动攻丝技术在难加工材料小孔攻丝中的应用提供了依据。最后,对不同材料及螺孔尺寸参数进行了振动攻丝试验研究,尺寸范围M3～M8,材料为45钢（正火）、1Cr18Ni9Ti、TC4及GH4169。并基于神经网络技术,建立了多参数的振动攻丝扭矩模型,对其进行了数值计算,分析了工艺参数、螺孔尺寸和材料力学性能对振动攻丝效果的影响。还基于该扭矩模型,采用遗传算法,以扭矩最小为目标函数,进行了工艺参数优化。大量试验的结果表明,对于物理力学性能不同的难加工材料及尺寸不同的螺孔,振动攻丝均获得了良好效果,所攻螺纹齿形平直、完整且精度高。故振动攻丝是解决难加工材料小螺孔加工的有效手段。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 振动切削技术的发展现状
• 1.2.1 振动车削
• 1.2.2 振动钻削
• 1.2.3 振动磨削与研磨
• 1.3 振动攻丝技术的发展现状
• 1.3.1 振动攻丝系统的研究
• 1.3.2 振动攻丝机理的研究
• 1.3.3 振动攻丝扭矩的研究
• 1.3.4 振动攻丝试验用材料及螺孔尺寸的研究
• 1.3.5 振动攻丝螺孔质量的研究
• 1.3.6 振动攻丝中的扭矩信号处理
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 振动攻丝扭矩减小机理的研究
• 2.1 引言
• 2.2 攻丝过程的力学分析
• 2.3 振动攻丝中丝锥刀齿对切削区呈三维脉冲力的作用
• 2.3.1 圆周方向振动攻丝刀齿运动轨迹及脉冲力
• 2.3.2 晶体中的位错
• 2.3.3 第1 变形区中随机分布的微裂纹受到三维脉冲力作用
• 2.4 含有微裂纹的弹性体在阶跃力作用下应力强度因子的跃动
• 2.4.1 基本假设
• 2.4.2 线弹性断裂动力学基本方程
• 2.4.3 阶跃力作用下的I 型应力强度因子
• 2.4.4 阶跃力作用下的II、III 型应力强度因子
• 2.5 振动攻丝扭矩减小的机理
• 2.6 振动攻丝工艺参数对扭矩影响的理论研究
• 2.6.1 两种振动方式的工艺参数
• 2.6.2 理论分析振动攻丝工艺参数对攻丝扭矩的影响
• 2.7 本章小结
• 第3章 振动攻丝试验系统的研制
• 3.1 引言
• 3.2 振动攻丝试验系统组成
• 3.3 攻丝机的机械结构设计
• 3.3.1 主轴组件设计
• 3.3.2 丝锥夹头设计
• 3.3.3 浮动平台
• 3.3.4 关键零件的强度与刚度校核
• 3.3.5 主轴径向跳动综合检测
• 3.4 振动攻丝机的控制系统设计
• 3.4.1 硬件设计
• 3.4.2 软件设计
• 3.4.3 控制系统的测试
• 3.5 扭矩测量系统的建立
• 3.6 本章小结
• 第4章 典型难加工材料小孔振动攻丝的试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 典型难加工材料及其小孔攻丝的困难
• 4.3 试验系统及试验条件
• 4.4 扭矩信号的提取
• 4.5 单因素法的振动攻丝试验
• 4.5.1 单因素法的工艺参数
• 4.5.2 试验结果及讨论
• 4.6 正交设计法的振动攻丝试验
• 4.6.1 正交试验的因素与水平
• 4.6.2 试验结果
• 4.6.3 试验结果的分析与讨论
• 4.7 典型难加工材料小孔振动攻丝的特点
• 4.8 本章小结
• 第5章 振动攻丝扭矩模型及工艺参数优化的研究
• 5.1 引言
• 5.2 基于BP神经网络的振动攻丝扭矩模型
• 5.2.1 BP神经网络算法描述
• 5.2.2 振动攻丝的BP神经网络扭矩模型的建立
• 5.2.3 振动攻丝扭矩模型的讨论
• 5.3 基于遗传算法的振动攻丝工艺参数的优化
• 5.3.1 遗传算法描述
• 5.3.2 振动攻丝工艺参数的优化
• 5.3.3 振动攻丝工艺参数优化算例
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 1 SZ48-HIT振动攻丝系统资料
• 1.1 关键零件有限元计算结果
• 1.2 控制电路
• 1.3 测力仪的扭矩标定结果
• 附录 2 振动攻丝试验结果
• 2.1 振动攻丝（M3）单因素法试验结果
• 2.2 神经网络试验数据
• 攻读博士学位期间所发表的论文
• 致谢
• 个人简历