钛合金的高速粗加工——大进给铣削技术

<正>自旋转圆刀片和圆弧底刃铣刀是目前解决钛合金高速粗加工铣削的两种大进给铣削方式。自旋转圆刀片在刀具寿命和轴向铣削厚度上具有较好的适应性;圆弧底刃大进给铣刀可以适应更高的每齿进给量和铣削速度。随着航空制造业对钛合金零件需求量的增加,大进给铣削钛合金有望获得进一步的发展和应用。     

石英纤维增强聚酰亚胺复合材料超低温铣削实验

石英纤维增强聚酰亚胺复合材料是一种非均匀的各向异性材料,采用传统铣削方法对其进行加工时存在刀具磨损严重、切削力较大、加工效率低等问题。为此本文采用超低温冷却铣削方法对石英纤维增强聚酰亚胺复合材料进行铣削实验,并与传统干铣削方式进行了对比,分析了包括加工表面形貌、粗糙度、切削力和刀具磨损等切削性能。结果表明:两种工况下,表面粗糙度随主轴转速的提高而降低,随切深的增加呈先降低后增大趋势;相对于干铣削,不同切削速度下超低温冷却铣削有效抑制了低速干铣削纤维起毛、高速干铣削黏结剂烧蚀缺陷,表面质量都得到改善,刀具耐用度得到提高。超低温冷却引起的复合材料切削力增大,纤维断屑方式的改变以及切削热的有效降低是提高加工质量的主要原因。     

不同材质刀具在7075铝合金高速铣削中的磨损研究

为了研究7075铝合金高速铣削中不同材质刀具的磨损与选用,采用化学气相沉积法（（CVD）制备微米（MCD）/纳米（NCD）金刚石涂层刀具,利用场发射扫描电镜观察膜层的表面形貌,结合拉曼谱仪分析CVD金刚石涂层刀具薄膜的结构和成分;分别采用同规格尺寸的硬质合金刀具、MCD涂层刀具在无润滑干切条件下,进行粗加工高速铣削试验,观测两种刀具在加工一定距离后的磨损状况;分别采用同规格尺寸的硬质合金刀具、MCD涂层刀具、NCD涂层刀具在无润滑干切条件下,进行精加工高速铣削试验,观测和分析工件精加工铣削后的表面粗糙度值。结果表明：在大切深高速粗加工铣削7075铝合金时,MCD涂层刀具的寿命为硬质合金刀具的3倍;在小切削深度大进给的高速精加工7075铝合金中,三种刀具铣削后的工件表面粗糙度平均值分别为0.981、1.122和0.960 μm,NCD涂层刀具的加工效果要优于MCD涂层刀具;同时通过同一材质刀具的粗、精加工试验对比,发现同规格尺寸的刀具在小切深大进给高速精加工中的寿命是大切深大进给高速粗加工寿命的10倍。这说明7075铝合金的粗加工铣削优选MCD涂层刀具,精加工铣削优选NCD涂层刀具。     

基于响应曲面法的高速内冷铣削AISI304不锈钢铣削力

针对硬质合金刀具高速内冷铣削AISI304不锈钢时,切削力大、切削温度高及加工表面质量低的问题。基于响应曲面中心复合设计方法进行高速内冷铣削实验,建立了铣削力分量二阶回归预测模型,并进行了实验验证。对比了干式与内冷铣削后的加工表面质量,分析了铣削参数对铣削力分量的影响规律,以铣削力分量最小为目标优化了铣削参数。结果表明:进给力和径向力的预测值与实验值的误差分别为4. 77%和6. 16%;内冷铣削的Ra为0. 193～0. 327μm;对铣削力分量的影响是铣削深度转速进给量,随着铣削深度和转速的增加,进给力先升高后降低,径向力逐步增加,铣削深度与转速的交互作用对进给力和径向力的影响显著;转速11 643. 63 r/min、铣削深度1 mm、进给量0. 08 mm/r为最优铣削参数组合。     

铝合金薄壁整体构件的高速铣削试验研究

以铝合金雷达波导件的高速铣削加工为例,通过设计专用夹具、选用硬质合金刀具进行顺铣、遵循分面加工原则、优化走刀方式和路线、优化切削参数来控制并且减小变形,可以很好的实现铝合金薄壁整体构件结构件的高速铣削加工,并且加工时间缩减为普通铣削的1/3。     

钛合金BT20的立铣试验研究

传统的钛合金铣削工艺因其切削速度低 ,不能满足数控铣削的工艺要求。采用优化几何参数的硬质合金涂层刀具、大功率数控机床、大流量全冷式切削油进行冷却和润滑 ,可以实现高速铣削钛合金     

SiC_p/Al复合材料高速铣削切削力模型建立

使用聚晶金刚石(PCD)刀具并采用正交试验设计法,对含不同体分比的碳化硅颗粒增强铝基复合材料(SiCp/2009Al)进行高速铣削试验。在测量切削力和切屑厚度的基础上,建立了剪切角、剪切应力和摩擦角的预测模型,并结合金属切削基本理论公式建立了切削力的预测模型。该模型包含铣削速度、每齿进给量、径向切宽、增强颗粒体分比等重要参数,模型对进给方向最大铣削力预测值的平均误差为5.9%,对铣刀径向切深方向最大铣削力预测值的平均误差为9.2%,皆高于普通经验公式的预测精度,从而可对SiCp/2009Al复合材料高速铣削时的铣削力进行有效预测。     

GH4169高速铣削参数对表面粗糙度影响研究

采用正交试验法,使用整体硬质合金刀具进行GH4169高温合金的高速铣削试验,分析了各切削参数对表面粗糙度的影响规律,建立了表面粗糙度的预测模型,运用方差分析法,检验了模型的显著性。结果表明:每齿进给量对表面粗糙度的影响最大,其次是铣削深度,铣削速度的影响最小。较高的切削速度和较低的进给速度的交互作用对提高表面质量是有利的。     

起落架大型承力构件钛合金TC18高效粗加工铣削技术

在简要分析了钛合金TC18材料可加工性差、加工效率低下的基础上,结合飞机起落架大型承力构件的加工特点,对钛合金TC18高效粗加工技术进行了深入研究。通过对粗加工中铣削方式的探究——如何根据机床刚性合理采用强力铣削、大进给铣削的加工方式,大型锻件在编程时的注意事项,以及合理的刀具应用等,实现了TC18大型承力构件的高效铣削粗加工,达到了高的金属去除率。     

Cr12MoV钢电火花辅助铣削实验研究

以典型难切削金属材料Cr12MoV模具钢为研究对象，使用ABAQUS对其在电火花放电条件下温度场进行数值模拟，在不同进给率下对其进行传统铣削和电火花辅助铣削对比试验。借助高速摄像机、扫描电镜和测力计等设备，对其切削力特征、表面形貌和刀具磨损进行了对比分析研究。结果表明，电火花辅助铣削的切削力比传统铣削降低28.57%~51.47%，表面粗糙度降低2/3。与传统铣削相比，电火花辅助铣削在降低切削力、提高表面质量和减少刀具磨损方面具有显著优势。     

基于中轴变换的型腔高速铣削刀具轨迹生成方法

框、梁、壁板、蒙皮等飞机关键零部件中包含大量型腔特征,其加工效率直接影响零件的整体加工效率。高速铣削机床的发展为此类零件的高效加工奠定了很好的硬件基础,也给型腔铣削刀具轨迹生成带来了新的问题。例如蒙皮镜像铣由于其特殊的设计,对刀具轨迹提出平滑无抬刀、步距变化严格控制在一定范围内等更严苛的要求,从而保证蒙皮高质量加工。结构件高速加工中为了保持刀具的高进给和高转速,也要求刀具轨迹平滑且步距平稳变化。然而现有的型腔铣削刀轨生成方法大多基于局部优化解决加工残余和刀轨不平滑问题,难以生成同时满足多工艺约束尤其是步距约束的刀具轨迹,无法完全发挥高速机床的性能。针对此问题,本文提出基于中轴变换的型腔高速铣削刀具轨迹生成及优化方法。该方法首先基于中轴变换提取型腔骨架线,并进一步修正从而生成刀轨偏置基准和初始刀轨。其次利用图像变形算法对初始刀轨进行迭代变形优化,使最终优化刀轨与目标型腔区域吻合,且满足高速加工的工艺约束条件。该方法在离散的图像域内从整体角度优化刀具轨迹,不仅保证轨迹平滑无抬刀,还能保证步距在容许范围内平稳变化。实验证明本文提出的方法在保证轨迹平滑和步距平稳变化等方面的有效性,能够满足高性能加工的要求。     

次摆线走刀在高速铣削窄槽结构中的应用

在阐述次摆线参数方程的基础上,基于CAM/HSM技术,将次摆线走刀方式应用于窄槽结构的高速铣削试验中,研究了次摆线走刀的铣削力变化规律、窄槽结构的表面粗糙度及其局部形貌,并建立了次摆线走刀高速铣削窄槽结构的铣削力模型。研究表明:次摆线走刀高速铣削窄槽结构有效可行,加工出了高质量的窄槽型腔表面(Ra=0.142μm);次摆线走刀的铣削力呈周期变化,在走刀平面内,次摆线切削宽度方向上的铣削力是进刀宽度方向上的4倍;采用次摆线走刀加环切走刀策略加工窄槽结构,既改善了窄槽的铣削加工条件,又满足了高速铣削粗精加工的要求和原则。     

高韧性芳纶纤维铣削表面质量和铣削力

文摘芳纶纤维复合材料(AFRP)在铣削过程中会产生毛边、起毛、撕裂等缺陷,严重影响材料的装配使用。为解决上述问题对刀具结构、主轴转速、进给速度进行正交实验,从铣削力、铣削表面粗糙度以及铣削表面缺陷等方面研究铣削参数和刀具结构对芳纶纤维复合材料铣削表面质量的影响规律。实验结果表明:主轴转速和进给速度对铣削表面粗糙度和铣削力有显著影响,使用鱼鳞铣刀铣削的表面粗糙度比普通四刃立铣刀的表面粗糙度降低28%,并且毛边宽度较小,铣削表面质量最好,更适合于AFRP的铣削加工。     

型腔铣削加工光滑螺旋刀轨生成算法

 针对传统行切、环切刀轨存在方向突变的拐角,不适用于型腔快速铣削的问题,提出一种新的刀轨生成算法。首先通过线性插值型腔边界的等距多边形生成螺旋状折线,然后以指数函数分布规律插入控制顶点,以这些控制顶点所定义的B样条曲线为基础规划最终刀轨。所生成刀轨不需要离散成大量小直线段即可直接用于具有NURBS插补功能的高速数控系统;另外,刀轨可以任意阶连续,从而减小切削力的变化幅度,避免方向突变,提高加工效率和加工精度。     

基于微小型机床的微细铣削力实验研究

在自行开发的三轴联动微小型铣床上,对铝合金材料2A12进行了微细铣削力实验.采用单因素方法,研究了微细槽铣时主轴转速、轴向切削深度、每齿进给量对切削力的影响,以及微细顺铣和逆铣时径向切削深度对切削力的影响,并对切削力信号进行频谱分析.     

含孤岛型腔铣削加工的螺旋刀轨生成算法

当型腔含有孤岛时,使用传统环切铣削方法加工往往难以避免拐角方向存在突变的问题,故提出一种螺旋刀轨生成算法,实现含凸边界孤岛型腔的快速铣削加工。首先在孤岛和型腔的加工轮廓上设置放样点,将放样点连接成放样线,线性插值放样线生成螺旋折线;接着插入以指数函数规律分布的控制顶点,并以其所定义的任意阶B样条曲线规划最终刀轨。所生成的刀轨能适应孤岛偏心的情况。实验结果显示,与传统环切相比,高阶连续的B样条曲线刀轨可直接用于具有NURBS插补功能的加工中心,孤岛轮廓的加工精度高,可有效避免刀轨方向突变,降低切削力的变化幅度,提高加工效率。     

钛合金TB6刀具磨损铣削实验研究

使用硬质合金刀具对钛合金TB6进行正交铣削实验,对比分析不同切削参数下的刀具磨损情况,并用实验结果进行回归分析得到刀具磨损的回归公式。结果表明:刀具主要磨损在后刀面,其磨损大都呈现一条带状磨损带,在速度增大时大磨损带变长,刀具易发生脆性破损,且在刀具表面会出现钛合金粘连;对刀具耐用度的影响大小依次为切削速度、进给量、切削宽度和切削深度;刀具磨损回归方程具有良好的回归方差,能够很好的对刀具寿命进行预测。     

透波性Si3N4陶瓷铣削加工表面边缘破损实验研究

针对透波性Si_3N_4陶瓷铣削加工过程中易出现边缘破损现象,通过不同铣削深度实验研究了边缘破损类型、产生位置以及切深对边缘破损影响,并分析了边缘破损产生机理,最后提出了边缘破损控制方法。结果表明:当切深为0.4~0.8 mm时,边缘破损主要集中于出口棱边和入刀侧边;且脆性域加工过程中随着切深的增加,边缘破损程度呈现增大趋势;降低切深至≤0.3 mm且采用跟随周边走刀方式,并保证入刀处刀尖线速度方向与进给方向夹角不小于90°,可以有效控制边缘破损。研究为提高透波性Si_3N_4陶瓷铣削加工表面质量提供了技术支撑。