大切深数控电解铣削加工阴极设计及试验研究

难加工材料整体叶轮广泛应用于航空领域,采用传统切削加工存在刀具磨损快、加工效率低等问题。本文针对某型号复杂整体叶轮,提出大切深五轴数控电解铣削预加工方法。通过设计锥形螺旋刃阴极,分析不同旋转角下单、双螺旋刃出口流场分布,得到旋转角720°的单螺旋刃阴极出口压力和流速分布均匀。同时开展大切深数控电解铣削加工试验,结果表明:在选取的工艺参数范围内,加工平衡间隙和进给速度随着加工电压升高而增大;较低的电解液温度有利于实现小间隙加工,可显著提高加工精度;主轴转速达到1 500 r/min后对加工速度影响较小。得到大切深数控电解铣削整体叶轮加工叶片,一次最大切深可达65 mm,余量误差控制在0.5 mm范围之内,提高了整体叶轮加工效率。     

微量润滑条件下铣削速度对油雾浓度的影响分析

微量润滑（Minimum quantity lubrication, MQL）切削是现代机加工领域一种先进的准干式切削技术,但微量润滑切削过程中产生的切削油雾仍会影响切削现场的环境空气质量,危害切削场所人员的健康。应用重量分析法对切削现场油雾浓度进行检测,分析了润滑油用量、供气压力、喷射靶距、射流温度等不同微量润滑系统参数下铣削速度对切削现场油雾浓度的影响规律。研究结果表明,随着铣削速度的增大,油雾颗粒与高转速刀具发生激烈碰撞形成二次雾化,造成切削现场油雾浓度PM10与PM2.5均相应增大,但微量润滑系统参数不同,PM10与PM2.5随铣削速度的变化规律亦不相同。     

低温磨料气射流加工装置的研制与实验验证

针对磨料气射流加工技术在常温下无法加工聚二甲基硅氧(Polydimethylsiloxane,PDMS)等聚合物材料的问题,提出了低温磨料气射流加工PDMS等聚合物材料的设想。设计了一套低温磨料气射流加工装置,通过改变浸没在液氮中的蛇形管长度,可以得到不同温度的低温磨料气射流。建立了蛇形管长度计算的数学模型,通过实验验证了该模型的可行性,为以后对低温磨料气射流加工进行更深入的研究奠定了基础。用不同温度的磨料气射流加工PDMS,发现常温下磨料气射流无法加工PDMS,而低温下可以进行加工。低温下加工PDMS可以提高孔的横截面质量,材料去除机理为塑性去除和脆性去除的结合。     

基于轮廓搜索的机匣铣削毛坯模型自动构建方法

针对发动机机匣零件铣削毛坯模型构建中,表面凸台回转轮廓获取困难,凸台轮廓之间以及凸台轮廓与回转体轮廓之间组合难处理,毛坯构建效率低且余量分布不均的问题,提出了基于轮廓搜索的机匣铣削毛坯模型自动构建方法。用离散的方法得到复杂形状凸台特征的回转轮廓,将凸台特征与回转体特征的回转轮廓旋转投影到草图平面,结合加工余量、车削刀具尺寸等工艺信息进行毛坯轮廓搜索,进而得到余量分布均匀且符合工艺要求的铣削毛坯。该方法对机匣回转体与表面凸台进行统一轮廓搜索,并充分考虑加工工艺,能处理具有复杂表面凸台的机匣零件,效率高、通用性好;所得毛坯余量分布均匀,减小铣削材料去除量,有助于提高铣削加工效率。     

移动机器人铣削制孔系统基准检测

结合航空大部件的数字化对接装配需求,设计了一套用于对接面铣削制孔的移动机器人加工系统,并提出具体的加工工艺流程。研究了基于激光轮廓扫描仪的大量散乱点云数据的预处理算法,提出基于栅格法和迭代拟合法的对接面特征提取算法。针对移动机器人加工系统在大场景下的高精度定位问题,提出基于扫描线法和最小二乘法原理的对接基准孔坐标找正算法。通过产品的加工实验验证,对接面铣削和制孔精度满足系统要求的各项技术指标,证明了本文提出的移动机器人铣削制孔系统的装配对接面加工方法能够精确地完成大部件数字化装配任务,对提高装配质量和效率具有重要意义。     

喷液式高速走丝电火花线切割高效切割研究

研究了高速走丝电火花线切割在浇注式与喷液式冷却条件下不同脉宽、放电峰值电流、脉间及喷液压力、喷距、运丝速度等因素对大能量高效放电切割的影响规律,分析认为大能量高效切割极间放电状况恶化的原因主要是极间工作液在巨大放电热量作用下产生汽化造成的,并验证了喷液式冷却方式是改善大能量条件下高效切割极间冷却状态恶化的有效手段,采用喷液方式突破了切割效率长期徘徊在200 mm2/m in的局面,最高切割效率可以提高20%,并且切割表面质量有很大改善。文中还针对喷液冷却体现出的高效切割工艺规律对今后喷液式高速走丝电火花线切割的设计提出了指导原则。     

高速立铣加工中切削温度的测量

介绍了一种用常规的自然热电偶和标准热电偶方法实现高速加工过程中切削温度的直接接触式测量的计算机辅助测温系统。它采用自然热电偶测量刀一工界面温度,采用夹丝热电偶测温技术对工件表面和体内温度分布进行直接接触式测量。该方法可以应用于刀具旋转的切削加工中(例如立钻、立铣)测量切削温度,并已在高速立铣淬硬钢研究中得到应用。     

电场中阳离子交换树脂对水解离作用的研究

针对传统电解加工存在的易造成环境污染等问题,本文提出使用纯水作为电解液的新思路,并将磺酸型阳离子交换树脂用金属离子改性后,在电解加工间隙进行填料。通过测量电流-电压特性曲线,研究了离子交换树脂对水解离的作用。实验结果表明:借助离子交换树脂用纯水作为电解加工的电解液具有可行性;树脂经与其亲和力较弱的阳离子改性后,强化了其催化解离纯水的能力,而用与其亲和力较强的阳离子改性后则表现较差。但进行负载修饰时,溶液中金属离子的浓度可能会影响到树脂上活性亲水位点的数量,而温度对树脂的催化性能具有一定的影响。     

绝缘层厚度对孔电解加工稳定性和精度的影响

通过对孔电解加工中加工间隙的电场和流场仿真,研究了电极绝缘层的涂覆尺寸特征对小孔加工性能的影响.进行了管电极电解小孔的试验,得到了理想的绝缘层厚度参数.试验和仿真均表明, 增大绝缘层厚度可以减小孔的侧面腐蚀面,并使孔圆度有所增加,同时提高了加工过程的稳定性,但过大的涂覆厚度易出现打火甚至加工短路.     

电火花诱导可控烧蚀放电铣削实验研究

提出了一种电火花诱导可控烧蚀放电铣削加工方法,在中空管状电极中间歇通入氧气,在氧气通入阶段电火花引燃金属,利用金属燃烧产生的化学能进行烧蚀加工,氧气关闭阶段进行常规电火花铣削修整,保证表面加工质量与精度。通过实验研究了极性、脉冲宽度、脉冲间隔、低压电流、氧气压力和供氧间隔等工艺规准对电火花诱导可控烧蚀放电铣削加工材料蚀除率和电极相对损耗率的影响。结果表明:该加工方式适合采用正极性加工;电极相对损耗率保持较低的水平;进行粗加工时,应适当增加氧气通入时间,以增加材料蚀除率;进行精整加工时,则应减少氧气通入时间,增加电火花放电时间,以提高表面质量与精度。     

超声速自由涡气动窗口剪切层光学性能的优化设计研究

在超声速自由旋涡气动窗口应用中,高能激光束实际上是透过超声速自由旋涡射流的剪切层输出的,激光束会受到剪切层的退化畸变。为了减少这种畸变,优化超声速剪切层光学性能,提出了超声速自由旋涡射流的压力匹配和折射率匹配剪切层的设计方法。提出了两种类型的折射率匹配剪切层的设计方法,讨论了其设计过程。这两种剪切层分别为按照某种比例混合的He/Ar混合气体作为自由旋涡射流的工作气体时的折射率匹配剪切层,以及选用加热到某个温度的干燥空气作为自由旋涡射流工作气体时的折射率匹配剪切层。     

自由曲面三轴粗加工刀具轨迹的计算方法

在复杂自由曲面类零件的加工过程中，粗加工往往要占去大部分的时间。本文从提高加工稳定性及加工效率的角度出发，提出了一个复杂多曲面数控粗加工的算法，即采用分层切削法，通过平面／曲在求交技术和交线环的等距，自交，集全等基本运算，按“端点 五最短距离优先剖面线算法”规划每一切削层的刀具轨迹。     

过程稳定性对纳秒脉冲电解加工精度的影响

采用纳秒脉冲电流进行微细电解加工时,极间加工间隙很小,因此加工过程的稳定性是影响加工精度的重要因素。根据加工精度和稳定性的关系,建立了试验系统,设计了电解液轴向正流供液的电极喷嘴,利用电流传感器检测加工过程状态,采用短路对刀法确定电极初始间隙,进行了加工参数对稳定性和加工精度的影响试验。试验结果表明:电解液的平缓流动更新比保持电解液静止的加工状态更加稳定。当脉冲宽度小于25 ns时,加工过程的稳定性会显著下降。脉冲宽度为40 ns,电压幅值为4 V,占空比为1∶10时,可以实现稳定的加工状态,并得到较高的加工精度。     

面向绿色制造的高效冷却技术及其试验

绿色制造和高效加工是21世纪先进制造业的必然趋势,为实现绿色高效加工,本文提出了一种新型的绿色高效冷却技术——低温气动喷雾射流冲击冷却技术,通过低温气流运载少量冷却液以喷雾射流冲击的形式到达加工区实现强化换热,将加工区的换热水平提高到一个全新的水平.瞬态实验结果表明,在射流速度40 m/s、靶距10 mm的射流条件下,这种冷却方式可提供的临界热流密度高达60W/mm^2,相对于磨削发生烧伤的临界热流密度提高了6倍以上.     

同步双主轴精密加工系统

介绍了自行研制的小型同步双主轴五轴联动精密加工系统,主体尺寸为680mm×620mm×400mm,主轴最高转速80 000r/min,跳动量小于2μm。利用激光干涉仪测得定位精度为5μm;对直线运动轴伺服系统进行设计,经伺服环调节及性能试验,获得优良的动、静态控制性能。采用直径0.2μm的端铣刀进行平面微铣削加工,获得表面粗糙度值为215nm。结果表明该系统充分具备微小零件的高效加工能力。     

永磁直线电机微铣削系统的设计和性能研究

介绍了自行研制的小型超精密数控微铣削系统构成。针对该系统着重讲述采用永磁直线电机作为驱动源的精密滑台部分的结构及数控系统设计。经伺服环调节及性能实验验证,系统具有优良的动、静态控制性能,通过测定并利用统计方法计算确定系统水平进给工作台的定位精度达到亚微米级。通过微薄壁结构工件铣削试验结果表明,系统具备微细铣削加工能力,并可实现大深宽比三维微小零件的加工。最后分析了工件尺寸误差的成因。     

给定装夹下走刀路径对铣削精度的影响

为有效解决腔薄壁件的加工变形问题,本文采用三维有限元分析方法,模拟了在给定的装夹条件下,不同的铣削走刀路径对航空薄壁框类零件加工变形精度的影响.仿真结果表明,在保证其他加工条件不变,只改变走刀路径的情况下,零件加工变形存在较大的不同.其中,采用从外向内的加工路径进行铣削加工时产生的变形较其他3种情况要小.最后通过铣削加工实验验证了模拟结果的正确性.     

刀具变形引起的球头铣刀加工误差建模

针对数控加工中刀具变形引起的加工误差问题,以球头刀具为研究对象,通过建立球头刀具铣削力模型和刀具受力引起的变形模型.对球头刀具变形引起的加工误差进行研究,建立球头铣刀刀具变形引起的加工误差仿真预测模型;在数控加工几何仿真和铣削力仿真的基础上开发了球头铣刀刀具变形引起的加工误差仿真预测功能,并集成到数控加工仿真系统中用于刀具变形引起的加工误差预测.加工验证实验表明所提出的球头铣刀刀具变形引起的加工误差模型预测的可靠性.     

自识别加工残区的高速铣削刀轨生成算法研究

针对高速铣削的特点和工艺要求，提出了适合高速铣削的粗加工环切刀轨生成算法。该算法不仅能自动识别加工残留区域，而且能保证刀具在加工过程中以恒速进给。这对延长刀具寿命、降低主轴振动、精简工序提高型腔加工生产率都有很大益处。该算法已应用于Superman 2000高速铣加工模块，实践表明，此算法计算速度快，健壮性好。     

氮气油雾介质下Ti-6Al-4V钛合金高速铣削试验研究

通过以氮气油雾作为切削介质的切削方法,应用硬质合金刀具对T i-6A l-4V钛合金材料进行了高速铣削试验,分析了铣削过程中的切屑形成、刀具磨损、已加工表面粗糙度等因素的变化。对氮气油雾介质下的钛合金高速铣削机理进行了探讨,同时通过氮气油雾介质、空气油雾介质以及干切削状况下的钛合金高速铣削对比试验,证明了以氮气油雾为切削介质进行钛合金高速铣削的可行性。研究结果表明,与空气油雾介质及干切削相比,氮气油雾介质下的钛合金切屑表面较为平整,刀具磨损与已加工表面粗糙度均相对较低。利用氮气油雾作为切削介质,是实现钛合金绿色高速切削加工的有效方法。