颗粒增强钛基复材缓进深切磨削加工研究

颗粒增强钛基复合材料(PTMCs)属于典型的难加工材料,在航空航天领域具有广阔应用前景.本文开展了PTMCs材料的缓进深切磨削研究,揭示了磨削用量和磨削方式(顺磨与逆磨)对磨削力与磨削温度的影响规律,同时利用有限元法分析了磨削温度场特征和材料去除机理.研究发现,缓进深切磨削PTMCs时,磨削力随工件进给速度和切深增加而增加,顺磨时的磨削力比逆磨大10％～20％,而顺磨的磨削温度要比逆磨约低10％.由于逆磨和顺磨工件的温度分布不同,当切深大于0.6mm、工件进给速度大于400mm/min时,顺磨比逆磨更易发生烧伤.在此基础上,提出了顺磨与逆磨条件下磨削温度场仿真计算的不同热源模型与边界条件,分别获得了两种磨削方式的温度分布特征,有限元仿真结果与试验结果相符.颗粒增强钛基复材磨削表面典型加工缺陷是表面涂覆和硬脆增强相破碎和拔出导致的孔洞,单颗磨粒切厚对硬脆增强相的去除行为有显著的影响.     

TC4钛合金高速外圆磨削表面完整性实验

为充分发挥钛合金的优良性能,以TC4为研究对象进行高速外圆磨削实验,分析外圆磨削工艺参数对工件表面完整性的影响规律。结果表明:工件亚表面未出现变质层;随着砂轮线速度提高,表面质量提高;随着工件转速提高,表面划痕明显;随着磨削深度增加,出现表面烧伤现象,并且磨削深度对表面完整性的影响程度最大;磨削力与磨削温度对表面硬度的影响是正相关的,且磨削力对表面硬度的影响程度较大。因此可以通过选择合理的工艺参数来保证较大的材料去除率与较好的工件表面质量,为TC4钛合金高速外圆磨削提供指导。     

TC4钛合金高效磨削加工用环形热管砂轮的研制

针对航空航天高强韧性难加工材料TC4钛合金在磨削加工中存在磨削温度高而导致工件表面烧伤的问题,提出利用热管换热技术冷却磨削弧区的新方法.分析了环形热管砂轮在加工中对磨削弧区的强化换热原理,并设计制作出能够用于磨削加工的环形热管砂轮,同时实现了对砂轮基体内环形管腔的密封、抽真空、精确注液与机械式真空封口.最后,在相同磨削工艺条件下,使用环形热管砂轮和无热管砂轮进行TC4钛合金缓进给深切磨削对比试验,验证了环形热管砂轮对磨削弧区温度的控制效果.试验结果表明:设计制作的环形热管砂轮在TC4钛合金高效磨削过程中可以有效降低磨削温度,避免工件表面出现烧伤.     

TC4-DT钛合金磨削表面特性及其摩擦磨损性能

钛合金是一种典型难磨削加工材料,磨削表面易出现烧伤、裂纹等热损伤。本文开展了TC4-DT钛合金磨削实验,通过扫描电镜（SEM）、能谱（EDS）、X射线衍射（XRD）、显微硬度仪、金相显微镜及球-盘摩擦磨损实验仪研究了其表面特性及摩擦磨损性能。结果表明：低速磨削表面质量好,摩擦磨损性能较基体略提高;当砂轮线速度为80 m/s时,磨削表面质量良好,摩擦系数为0.38,较基体降低40%;而砂轮线速度为100 m/s时,磨削表面出现严重烧伤、网状裂纹。因此选择合理的高速磨削工艺可避免烧伤、裂纹等热损伤缺陷,并可有效改善表面摩擦磨损性能;磨削表面干摩擦磨损机制为磨粒磨损、粘着磨损和剥层磨损。     

DD5镍基单晶高温合金缓进磨削力和温度实验研究

涡轮叶片榫齿缓进磨削过程热力载荷效应对成型表面质量具有重要影响。基于实验研究磨削参数对DD5 单晶高温合金磨削力和温度的影响规律,分析缓进磨削力和温度形成机理,构建 DD5 缓进磨削力、温度与磨削工艺参数的映射模型并进行验证。结果表明：DD5 缓进磨削深度对磨削力和磨削温度的影响最为显著,砂轮线速度次之,工件进给速度对其影响最小;随着砂轮线速度的增大,磨削力降低、磨削温度升高;随着工件进给速度和磨削深度的增大,磨削力和磨削温度均呈升高趋势;满足材料去除速率的前提下提高工件进给速度并降低磨削深度,可以避免 DD5 磨削表面出现较大的磨削热力耦合影响层。     

基于单颗金刚石磨粒磨削的SiCp/Al复合材料仿真与试验研究

本文主要开展了单颗金刚石磨粒磨削碳化硅颗粒增强铝基(SiC_p/Al)复合材料的试验及三维有限元仿真研究。分析了SiC_p/Al复合材料磨削过程中磨削工艺参数对磨削力及表面形貌等的影响。分析结果表明,随着磨粒转速的增加,磨削力减小,SiC颗粒破碎现象有所缓解,铝基体的涂覆作用增强,表面形貌完整性好;随着磨削深度的增加,磨削力增大,SiC颗粒破碎明显增强,表面形成较多凹坑与孔洞,表面质量差。仿真结果与试验结果较吻合,说明该仿真模型可用于磨削工艺参数的优化分析。     

超声振动磨削C/SiC复合材料的试验研究

采用电镀金刚石砂轮对CVI+PIP综合工艺制备的2.5D正交编织C/SiC陶瓷基复合材料进行了轴向超声振动平面磨削加工试验.通过对超声振动磨削与普通磨削的磨削力、磨削表面三维形貌及粗糙度的分析与测量,对C/SiC复合材料的加工工艺进行了研究.结果表明,磨削过程中材料去除方式以脆性去除为主,碳纤维损伤形式以纤维拉断、剥离...     

切向超声辅助氧化锆陶瓷镜面磨削试验研究

氧化锆陶瓷具有高脆性、低断裂韧性等特点,精密加工难度大,一直限制着其应用.针对这一难题,提出了切向超声辅助镜面磨削的精密加工方法,研究了超声振幅对工件表面粗糙度、磨削力和磨削温度的影响,以及有/无超声作用下砂轮的磨损状况等基础加工特性.结果表明,切向超声辅助磨削可以实现氧化锆陶瓷镜面加工,在振幅Ap–p=4.66μm时...     

复合纳米自润滑金刚石砂轮磨削SiC陶瓷的试验研究

提出一种复合纳米自润滑金刚石砂轮的制备方法,并对制备的砂轮进行SiC陶瓷的磨削试验,分析砂轮表面不同质量分数的复合纳米颗粒对磨削性能的影响。使用MoS₂、TiO₂纳米颗粒作为自润滑砂轮基底的填充材料,采用复合纳米自润滑金刚石砂轮和传统金刚石砂轮进行磨削对比试验,研究复合纳米自润滑金刚石砂轮的润滑机制。研究结果表明,复合纳米自润滑金刚石砂轮自释放的纳米颗粒有效地参与了磨削区间的润滑,砂轮的法相力、切向力降低,提升了工件表面质量。在磨削深度为2～8μm内,复合纳米自润滑金刚石砂轮的具体表现为法向磨削力降低18.6%～38.7%、切向磨削力降低11.2%～28.6%,工件表面粗糙度降低13.9%～41.5%。根据本试验所得数据,当砂轮表面复合纳米颗粒质量分数为8%时,润滑性能和工件表面质量最佳。     

基于单颗粒模型的航发叶片砂带磨削微观仿生锯齿状表面形成及实验

基于鲨鱼皮衍生出来的微观仿生表面被广泛应用于机翼等航空零部件的设计中，对于提高航空零部件的疲劳寿命、气流动力性等服役性能具有重要作用。砂带磨削能实现零部件表面的高完整性要求的加工，故常用于叶片、整体叶盘等复杂曲面的精密磨削，且能实现微观表面形状，但目前缺乏砂带磨削微观表面的系统研究从而难以实现其精确控制。首先，分析了微观仿生锯齿状表面的典型结构特征，基于单颗粒砂带磨削模型，研究了单颗粒砂带磨削去除机理；然后，建立了砂带磨削多颗粒参数化数学模型，提出了微观仿生锯齿状表面砂带磨削方法；最后，以钛合金叶片型面为对象，搭建以钛合金为典型材料的微观仿生锯齿状表面砂带磨削基础实验平台，进行仿生表面的实验验证。通过对磨削后叶片的表面微观形状参数进行检测，结果表明通过砂带磨削方法实现的微观仿生锯齿状表面以锯齿形沟槽为主，其中沟槽的宽度在2.5~8 μm之间、平均值为4.91 μm，沟槽的高度在3.5~9 μm之间、平均值为5.91 μm，沟槽的夹角在28°~68°之间、平均值为42.3°，验证了微观仿生锯齿状表面砂带磨削的可行性。     

TC4钛合金深孔钻削试验研究与机理分析

TC4钛合金深孔钻削过程中钻削温度高、排屑路径长,加剧刀具磨损,影响深孔加工质量和精度。为制定可用于实际生产的钛合金深孔钻削加工参数,开展TC4钛合金深孔枪钻加工试验。试验结果表明,钻削温度受钻削速度影响较大,进给量的影响不显著;孔径和圆度随着钻削速度的增加而增大,同轴度随着切削速度增加而先增大后减小;孔的表面粗糙度随着钻削参数的增加而增大,且大参数下深孔表面质量进一步恶化;各组试验加工硬化层在30μm左右,且随着钻削速度增加,切屑挤压变形严重。综合分析后制定的干切削条件下TC4钛合金深孔枪钻的钻削速度为20m/min,进给量为0.08mm/r。     

ELID沟道成形磨削氧化膜特性及影响作用实验

针对ELID沟道成形磨削特点,研究了磨削过程中氧化膜的特性及其影响作用。探讨分析了氧化膜的电流表征、氧化膜在沟道成形磨削中的状态变化以及氧化膜状态对磨削力和表面粗糙度的影响。实验过程中,电解电流从1 A增长到4 A,氧化膜厚度从35.33!m减小到11.07!m,法向磨削力从7.06 N增长到36.12 N,切向磨削力从1.62 N增长到4.47 N;垂直于磨削方向的表面粗糙度由0.256!m增长到0.355!m,平行于磨削方向的表面粗糙度由8 nm增长到13 nm。结果表明,氧化膜越厚,磨削力和表面粗糙度越小;氧化膜越薄,磨削力和表面粗糙度越大。     

钛合金TC4电火花诱导可控烧蚀高效磨削技术研究

利用大部分金属尤其是难加工金属的可燃特性,开发一种针对难加工金属材料的新加工工艺——电火花(EDM)诱导可控烧蚀高效磨削技术。采用开槽导电砂轮进行磨削加工,首先利用导电区域与加工材料产生电火花诱导放电并通入助燃氧气,使材料表面产生电火花引燃烧蚀并软化,然后将已烧蚀和软化的材料磨除,对钛合金TC4进行烧蚀磨削试验,并与常规电火花磨削和机械磨削进行对比,分析了材料去除率(RMM)、表面质量和机床主轴电机功率变化等指标。结果表明,在试验条件下,烧蚀磨削在放电利用率提高的同时可获得表面粗糙度为0.59 μm的加工表面,与机械磨削的表面粗糙度值相近,而相同条件下电火花磨削的表面粗糙度为1.29 μm。由于烧蚀后产生了软化层,在切深小于软化层厚度的条件下,相对于电火花磨削和机械磨削状况,烧蚀磨削主轴电机功率相比空载时的增加值分别降低了95.2%和96.8%。此工艺方法可大大提高难加工材料的可磨削性能。     

基于不同磨粒的氮化硅陶瓷磨削特性研究

采用多颗磨粒磨削仿真和实验相结合的方式研究磨削过程的磨削力、磨削温度和已加表面形貌。对比分析了多颗磨粒和传统单颗磨粒磨削模型在磨削特性上的差异性,并对多颗磨粒磨削仿真模型进行了验证。结果表明：当磨削速度减小、磨削深度增大时,多颗/单颗磨粒仿真与实验的磨削力均增大;当磨削速度和磨削深度增大,多颗/单颗磨粒仿真与实验的磨削温度均增大;当进给速度增大时,单颗磨粒仿真的磨削力减小、磨削温度先减小后增大,多颗磨粒仿真和实验的磨削力增大、磨削温度减小;多颗磨粒磨削时的磨削力和磨削温度大于单颗磨粒磨削时的力和温度;多颗磨粒仿真后工件表面形貌与实际加工后表面形貌相符。基于多颗磨粒磨削工程陶瓷的有限元仿真模型相比于单颗磨粒模型可更好的模拟实际加工情况。     

GH4169叶片悬臂插磨表面完整性及参数优化研究

利用超硬磨料砂轮进行GH4169叶片型面的精密磨削加工是提高其几何精度的有效手段.通过对GH4169材料进行悬臂插磨试验发现在精磨参数下磨削表面硬度在44～47HRC之间,叶片表面双方向均获得较大的残余压应力,进给方向上的残余压应力大于线速度方向上的残余压应力,且磨削参数对磨削表面硬度和残余压应力的影响不显著.在此基础上,基于磨削表面粗糙度小于Ra0.5μm的要求,提出叶片插磨的参数优化原则,为了降低磨削粗糙度推荐插磨参数:砂轮线速度26.8m/s,进给速度1000mm/min,型面磨削残高2μm;为了减小磨削力引起叶片的弹性变形所造成的加工误差,推荐磨削深度为0.005mm.在推荐参数下所加工叶片的形状精度可达到20μm以内,磨削表面以下没有明显的拉应力层,压应力层深度约为70μm,最大残余压应力位于表面下5μm处.以上研究为GH4169叶片的悬臂插磨工艺提供了一种基于表面完整性的参数优化方法和一组经过优化的精磨参数.     

超声磨料对TC4钛合金电火花加工表面质量的影响

为改善TC4钛合金电火花加工表面质量,减少表面微裂纹、重熔层等表面缺陷,提出了基于电极振动的超声磨料电火花复合加工方法。在煤油工作液中混入12g/L的SiC磨料粉,进行了有无超声磨料作用的窄脉冲(脉宽小于1μs)电火花加工的表面粗糙度对比实验研究。实验结果表明:SiC磨料的超声振动作用使零件表面粗糙度Ra由0.5μm降到0.2μm左右;重熔层厚度、表面裂纹的扫描电子显微镜(SEM)照片显示,超声磨料作用使重熔层厚度减薄20～30μm,表面微裂纹得到有效控制;机理分析认为工作液高频振动及磨料对工件的冲击作用,是改善TC4钛合金电火花加工表面质量的主要原因。研究表明磨料的超声振动作用可显著改善TC4钛合金电火花加工的表面质量。     

磨削烧伤机理及其改善措施的研究

磨削接触区温度过高是引起磨削烧伤的主要因素。本文应用SEM,EPMA、XPS及金相显微分析等技术研究了表面硬化钢和钛合金的烧伤机理。结果表明,有可能采用磨削过程特征参量来监测和预报磨削烧伤的发生。固体润滑剂渗渍涂层砂轮可以改善钛合金的磨削性能。     

新型刚玉砂轮磨削GH4169镍基高温合金的性能评价研究

镍基高温合金是航空发动机部件的常用材料,其磨削加工存在工具损耗严重、寿命短等难题。针对3种新研制的刚玉砂轮(分别为粒度60#的微晶和单晶混合磨料砂轮、粒度60#的单晶刚玉砂轮,以及粒度70#的单晶刚玉砂轮),开展了GH4169镍基高温合金材料的磨削试验,从磨削力、磨削温度、砂轮磨损以及表面粗糙度等方面对3种砂轮的磨削性能进行了评价。结果表明,3种砂轮磨削GH4169材料在砂轮磨损和表面粗糙度方面未表现出明显差异,而通过对磨削力和磨削温度的综合评价发现粒度60#的单晶刚玉砂轮的磨削性能更优。3种砂轮磨削GH4169材料的磨削比在0.5~3之间。在正常磨削条件下,3种砂轮的磨削表面粗糙度Ra小于0.4μm。同时发现,砂轮磨损(主要包括磨粒的破碎和脱落)是造成磨削表面缺陷形成的重要原因。     

GH4169磨削表面粗糙度影响参数的敏感性研究

通过GH4169高温合金平面切入磨削实验,建立了表面粗糙度的经验公式,分析了表面粗糙度对磨削参数的灵敏度,获得了磨削参数稳定域和非稳定域。结合正交试验法中的极差分析方法获得了不同磨削参数对表面粗糙度的影响曲线,进行了磨削参数区间的优选。研究结果表明:表面粗糙度对磨削深度的变化最为敏感,对工件速度的变化敏感次之,对砂轮速度的变化最不敏感;磨削深度优选范围为0.01～0.015mm,工件速度优选范围为10～15m/min,砂轮速度优选范围为20～30m/s,可控制表面粗糙度在0.7μm以内。为高温合金材料磨削表面粗糙度控制提供理论方法和试验依据。     

IC10定向凝固高温合金缓进给磨削表面完整性研究

通过设计不同磨削工艺参数组合,研究了定向凝固高温合金IC10在缓进给磨削过程中表面完整性的变化,分析了IC10合金在缓进磨削过程中工艺参数对磨削表面粗糙度、显微硬度、三维形貌、显微组织的影响规律。研究表明:IC10合金在缓进给磨削过程中,当砂轮线速度V_s在15～20m/s之间变化,工件进给速度V_w不大于200mm/min,磨削深度a_p不超过0.5mm时,可以获得较好的表面质量。另外,IC10在缓进给磨削过程中会产生较严重的加工硬化现象,硬化程度最大可达26.9%,最大硬化层深度可以达到230μm。同时,IC10在缓进磨削过程中沿磨削深度方向上会产生表面白层和塑性变形层,其深度分别在0.24～3.2μm和0.48～3.8μm之间变化。