高速超声振动铣削钛合金实验研究

针对钛合金在普通铣削（CM）时因切削速度低而面临的切削力大、薄壁工件变形大、加工效率低、刀具磨损严重等问题，采用高速超声振动铣削（HUVM）方法加工钛合金，实验研究其加工表面质量和切削力。从运动学角度出发对HUVM方法进行运动学分析。搭建包括超声振动系统、加工系统及测量系统在内的高速超声振动铣削实验平台。采用单因素实验对比CM和HUVM这2种方法对钛合金加工切削力和表面质量的影响规律。研究结果表明：与CM加工相比，HUVM加工可以使切削力降低32.6%～35.3%。并且HUVM加工表面粗糙度虽略有增加，但是表面结构可以更加均匀；此外，HUVM加工表面残余应力均为压应力，其绝对值随着每齿进给量和切削速度的增大而降低，而CM加工表面残余应力为拉应力。     

钛合金超声振动钻削工艺特性仿真及试验研究

针对钛合金传统钻削中存在的切削力大、切削温度高和加工质量差等问题,研究了钛合金超声振动钻削工艺特性。首先,通过超声振动钻削的运动方程,分析了其断续切削和高速切削的特性;然后,利用Deform-3D对钛合金超声振动力钻削的轴向力、扭矩和切削温度进行了仿真,并通过超声振动钻削试验研究了轴向力、扭矩和出口毛刺相对传统钻削的变化。结果表明:钛合金超声振动钻削可以降低平均轴向力约20%,降低平均扭矩约40%,降低平均切削温度50%以上,钛合金超声加工孔的加工质量明显优于传统加工。钛合金超声纵扭复合振动钻削相比超声一维纵振钻削可以进一步降低钻削轴向力、扭矩和切削温度,体现出更好的钻削工艺特性。      

钛合金旋转超声辅助钻削的出口毛刺

针对航空航天领域钛合金难加工材料采用普通麻花钻传统钻削过程中孔出口毛刺大、导致去毛刺困难及影响紧固件装配质量的问题,提出了一种基于新刃型刀具(八面钻)的钛合金旋转超声辅助钻削(RUAD)的新技术。分析了RUAD原理,采用文中所设计的RUAD主轴结合CA6140车床平台、测力系统、测温系统、高速摄影系统以及非接触激光测量系统进行了钛合金RUAD制孔试验和孔出口毛刺研究,对比普通钻削(CD)分析了RUAD降低孔出口毛刺的机理,并建立了基于八面钻的CD和RUAD的毛刺形成模型。试验结果表明:相比于CD,RUAD明显降低钻削力、孔出口最高切削温度和毛刺高度,分别降低了16.79%~20.2%,18.54%~21.68%和82.27%~89.18%,极大降低了钛合金孔出口去毛刺的困难和制造成本,提高了生产进度。     

基于有限元分析的椭圆振动切削换能器

通过分析纵向振动换能器的传统模型,设计出一种在结构不对称情况下,单向激励产生椭圆振动的理论等效模型,利用有限元分析工具对换能器的等效模型进行动力学和静力学分析,对换能器的尺寸进行优化设计,使换能器的谐振频率和振动模态达到较为理想的状态,在此基础上研制出一套单激励超声椭圆振动车削系统,并且利用人造多晶金刚石(PCD)刀具进行了超声椭圆振动切削试验,得到了比较好的加工质量,验证了有限元分析的方法对换能器设计在参数优化和振动形式分析方面有实际的指导意义,同时也说明椭圆振动切削能够有效的提高加工质量.     

CFRP超声振动套磨钻孔高效排屑机理和实验

针对碳纤维增强复合材料（CFRP）在普通套磨钻孔（CCD）过程中，切屑粉尘粘刀和料芯堵刀导致的排屑效果较差而影响套磨加工效率和加工质量的问题，采用超声振动套磨钻孔（UVCD）新技术进行了CFRP高效套磨钻孔的基础理论和实验研究。从理论上分析了CFRP超声振动套磨钻孔原理和高效排屑机理，同时结合所设计的超声振动气钻和车床平台实验验证了CFRP超声振动套磨钻孔的高效排屑钻孔效果。结果表明:相比于CFRP普通套磨钻孔，超声振动套磨钻孔极大提高了切屑粉尘和料芯的排屑效果，有效防止了切屑粉尘粘刀和料芯堵刀现象，明显降低了12%~20%的钻削力、16%~24%的切削温度和33%~39%的孔表面粗糙度，明显改善了CFRP孔加工质量并且延长了套磨刀具使用寿命。      

超声振动切削中的自动调谐技术研究

在超声振动切削中,由于系统的发热及加工负载的变化,机械谐振系统的谐振频率会在较大范围内发生变化.若超声波电源的工作频率不能自动跟踪机械系统的谐振频率,超声振动切削就无法持续稳定地进行.为了解决上述问题,分析了超声振动切削系统的组成,剖析了系统中超声换能器的电阻抗特性,提出了根据换能器中电压和电流的相位差来调整超声波电源工作频率的自动调谐方法,并设计了相应的自动调谐系统.试验结果表明:该自动调谐方法在加工条件变化的情况下能使切削系统始终工作在谐振状态,实现连续稳定的振动切削.      

CFRP旋转超声辅助钻削的缺陷抑制 机理及实验研究

针对碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在普通切削（CD）过程中因切削力及扭矩较大而产生的分层撕裂、孔壁纤维损失等缺陷,采用了旋转超声辅助钻削（RUAD）制孔方法。首先,分析了CFRP CD的孔缺陷类型及产生机理,并结合超声振动加工的特性,给出了RUAD的孔缺陷抑制机理。然后,搭建了包含非接触式感应供电旋转超声振动系统、立式加工中心和测力系统的实验平台。最后,在相同的工艺参数下,对比了CD和RUAD两种工艺下的切削力和扭矩、孔缺陷及孔壁质量。实验结果表明:相对CD,RUAD的切削力和扭矩分别降低41.46%~46.32%和41.61%~48.94%,且CFRP孔出入口及孔壁分层撕裂、纤维损失等缺陷得到了有效抑制,极大地改善了CFRP的钻孔质量。实验结果有效地验证了CFRP钻孔缺陷产生机理及超声振动抑制机理的正确性,RUAD可以用于CFRP低损伤制孔。      

钛合金TB6铣削加工硬化实验

研究了使用涂层硬质合金刀具对钛合金TB6进行端铣加工时,铣削参数以及刀具后刀面磨损量对加工硬化（表面硬化率、硬化层深度以及硬化层硬度分布）的影响,以弄清TB6铣削硬化现象及机理.结果表明,在实验参数范围内,刀具无磨损的情况下,硬化率基本保持在107%~112%范围内,硬化层深度范围为18~36 μm;铣削速度增加时,加工硬化程度会有较为明显的降低现象,而进给量与切深对加工硬化的影响并不明显;刀具磨损对加工硬化的影响较为显著,后刀面磨损量低于0.2 mm时,硬化层深度随着磨损增加从30 μm增加至55 μm,而后刀面磨损量为0.35 mm时,硬化层深度达到了130 μm.刀具磨损后在加工表面下较浅位置出现软化区域,而且随着磨损量的增加,软化越来越明显.      

铣削过程中残余应力仿真分析

在铣削加工零件时,零件各部分的残余应力分布不均匀,会使工件发生变形,影响工件的形状和尺寸精度.采用有限元分析方法,利用有限元增量理论建立了加工材料的弹塑性本构关系.针对立铣刀的铣削加工,建立了二维金属铣削仿真模型,分析中采用网格自适应准则,通过对典型钢件的加工模拟,得到了加工后已加工表面的残余应力的分布情况和整个加工过程中工件的受力情况,对于工程中的实际应用具有重要的意义.     

高强度弹性合金的微孔铣削实验研究

使用超高精度加工中心进行了多组铣削3J33B高强度弹性合金微孔的铣削实验，使用Kistler 9119AA2型高精度测力仪测量铣削力，使用Keyence 3D激光显微镜测量已加工孔的尺寸，使用扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）测量刀具磨损。实验结果表明，在不同的切削速度条件下，主铣削力的Y方向分力（Y方向力）总是大于X方向分力（X方向力）。在铣削微孔过程中，使用高切削速度进行微细铣削成孔时，已加工孔的孔口直径尺寸误差会增大，严重影响尺寸精度。刀具磨损最严重的区域在刀尖处，并且发生磨损的区域基本集中在整个切削刃的钝圆和接近钝圆的后刀面处。当在低速切削时，磨粒磨损是刀具的主要磨损形式，然而，随着切削速度的提高，氧化磨损所占比例逐渐增大。已加工表面的弹性回复加剧了后刀面磨损，并影响切削稳定性。      

CFRP/钛合金叠层构件陀螺铣孔方法

陀螺铣孔方法在普通螺旋铣孔的基础上，通过将铣刀倾斜一定的角度，使其在自转的同时围绕孔中心轴线做圆锥摆动式公转，以减少轴向力、提高制孔质量。利用陀螺铣孔方法对碳纤维增强复合材料（CFRP）/钛合金叠层构件进行制孔，分析了陀螺铣孔方法下制孔入口和出口阶段的材料去除速率、刀具侧刃和底刃的切削比例、底刃速度零点等。与普通螺旋铣孔相比，陀螺铣孔方法不会引起制孔入口和出口阶段材料去除速率的突变、其侧刃和底刃切削比例变大、底刃速度零点不进行切削。通过试验研究了制孔轴向力、切削温度的变化情况，发现陀螺铣孔方法可显著减小轴向力和切削温度。利用扫描电镜（SEM）对孔壁的表面质量进行了观测，发现陀螺铣孔方法可以消除CFRP孔入口部位的分层现象，且CFRP和钛合金材料的过渡部位也未产生明显的损伤。研究结果表明，陀螺铣孔方法有助于提高CFRP/钛合金叠层构件的制孔质量，具有潜在的工业应用价值。      

C/E复合材料螺旋铣孔切屑形状与切削温度研究

碳纤维增强环氧树脂基体(C/E)复合材料具有优异的性能,广泛用于制造飞行器结构件。在加工C/E复合材料连接孔过程中容易出现分层、撕裂等加工缺陷,而切削温度过高是导致加工缺陷的主要原因之一。螺旋铣孔作为新的制孔技术,加工C/E复合材料时表现出许多优于传统钻孔的特点,受到广泛关注。本文采用专用加工装备开展了C/E复合材料制孔试验,利用红外热像仪实时监测切削温度,分析了螺旋铣孔加工参数对切削温度的影响规律。根据螺旋铣孔运动学规律和切削原理,从未变形切屑形状特点入手分析了螺旋铣孔切削温度的来源和影响因素。研究结果可对深入理解螺旋铣孔加工机理、制定合理的螺旋铣孔加工工艺提供依据。     

附件化超声振动工作台设计及有限元优化分析

超声振动辅助加工为合金材料、硬脆材料和复合材料等难加工材料提供了有效的机械制造解决方案,超声振动辅助加工装置结构复杂、专业化程度高、使用可靠性差等因素制约了超声加工技术的推广及民用化历程。为了推广超声振动辅助加工的应用范围,基于超声能量传播原理,设计了一种机床附件化的超声振动工作台,能够方便地安装于加工中心上为工件提供超声振动辅助加工。首先,选用2种材料对工作台进行整体结构设计,通过模态分析确定工作台的工作频率及振动形式,使用谐响应分析揭示工作台工作时的稳定情况。其次,采用多目标优化方法对工作台进行结构优化,在保证总模态变形量不变的情况下降低振动台的质量,以减小超声能量损耗的同时提高振动状态的可靠性。最后,对比优化前后的有限元分析结果确定工作台材料并进行尺寸调整,使其更加符合实际加工需要。分析结果表明,45#钢工作台在工作时的振动稳定性要好于Cr12Mov钢工作台,但Cr12Mov钢工作台具有较大振幅。通过多目标优化使得振动台的总体质量降低27%,其工作频率同时降低11%,优化后2种工作台的共振频率带宽相差较小。      

机器人旋转超声钻削铝合金叠层构件毛刺特性

针对铝合金叠层构件机器人制孔容易产生钻削毛刺，严重影响飞机装配精度和效率等问题，提出基于弱刚度环境下机器人旋转超声制孔毛刺高度的计算方法。首先，通过实验验证了高频的振动冲击对毛刺高度的影响规律，建立了机器人旋转超声钻削铝合金叠层构件的钻削力经验公式。然后，结合经典薄板弯曲理论和能量法，分析了超声振动及钻削位置刚性对机器人钻削铝合金叠层板毛刺形成的影响机制。实验结果显示:所提计算方法的相对误差在13%以内，具有较高的精度。      

Mechanical behavior of the metal parts welded with extraterrestrial regolith simulant by the solar concentrator in ISRU & ISRF application

The use of in-situ resources plays an important role on future extraterrestrial human activities for the facility repair and habitat construction, especially in sustainable space exploration of Moon and Mars. A method of the metal welded with extraterrestrial regolith simulant using solar processing under ambient conditions is presented. Metal parts are made of Q235B ferroalloy and TA2 titanium alloy into standard tensile members according to the ASTM code. They are disconnected from the middle in advance, and then welded together with lunar and Martian regolith simulant under ambient conditions, respectively. The entire welding process and precautions are detailed. Additionally, the mechanical behavior of weldments is characterized regarding their tensile strength. Furthermore, the fusion zone of weldments is studied by Scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and X-ray diffraction (XRD) measurements. The results show that it is possible to weld metal parts together with extraterrestrial regolith simulant by the solar concentrator. The average ultimate tensile strength of ferroalloy specimens welded with lunar and Martian regolith simulant is 2.94 MPa and 1.66 MPa; The average ultimate tensile strength of titanium alloy specimens welded with lunar and Martian regolith simulant is 4.95 MPa and 2.59 MPa. Moreover, the failure mode of all weldments was brittle failure. The welding joints strength derives from the phases that the regolith as the solder fusing into ferroalloys in a homogeneous way and titanium alloys in an inhomogeneous way. The presented method may provide a new thought for astronaut assistance associating with repairing and fabricating in subsequent Moon and Mars missions.     

A longitudinal & longitudinal-torsional vibration actuator for rotary-percussive ultrasonic planetary drills

Ultrasonic drills, which can sample rocks using a lower weight on bit and lower power, are more suitable for sampling on a minor planet than conventional drills. To remove cutting chips and improve drilling efficiency, rotary-percussive ultrasonic drills (RPUD) drive drill tools for rotary-percussive motion. This paper proposes a novel longitudinal & longitudinal-torsional (L-LT) actuator, which is composed of a stepped horn, a piezoelectric stack, and a longitudinal-torsional (LT) coupler, for the RPUD. The horn magnifies the longitudinal vibration on the front surface of the piezoelectric stack, which is clamped between the horn and the LT coupler, and impacts the drill tool. The LT coupler transforms the longitudinal vibration on the back surface into longitudinal-torsional vibration, which generates elliptical movements that drive the rotor to rotate. Then, the rotor drives the drill tool to rotate. A method of adjusting the displacement amplitudes of the horn and the driving tips is discussed. The prototype achieved a maximum speed and torque of 193?r/min and 0.065?N$·$m, respectively. The maximum drilling speed through sandstone under a weight on bit of 5?N was 13?mm/min.