钛合金固结磨粒旋转超声加中工具磨损的定量研究

Titanium and its alloy (Ti) is known as a strategic metal which brings human to space age. However, its poor machining quality results in severe tool wear, short tool life, low productivity and high cost. Rotary ultrasonic machining with metal-bonded diamond abrasive exhibits excellent characteristics at improving tool life and surface quality of workpiece, making it become a new machining method for titanium alloy. But, only qualitative investigation has been done for tool wear in rotary ultrasonic machining of titanium alloy. So this project aims to establish a constitutive model of workpiece material based on thermodynamics with orthogonal grinding experiments of Ti, and predict the effects of process parameters on temperature field with simulation technology; By analyzing the main wear forms (like diffusion wear, attrition wear and adhesion wear)of diamond abrasive observed in experiments with SEM and energy spectrum analyzer etc, the tool wear will be calculated and analylized for each wear form and temparature field based on thermodynamics to realize the quantitative research on the wear of diamond cutting tool; According to the results obtained during the study of tool wear mechanisms and the feasible ranges of process parameters of machine, each parameter is optimally designed respectively through experimental observation and theoretical analysis; finally diamond cutting tool is manufactured to verify the tool wear mechanisms. The completion of this project would improve and develop the new method for core drilling of titanium alloy, also promote the applications of titanium alloy and ultrasonic technology in practical engineering.

钛合金被誉为是一种使人类走向太空时代的战略性金属材料，但由于其难加工特性，导致工具磨损严重，寿命短，加工效率低且成本高。固结磨粒旋转超声加工技术在改善工具寿命和提高加工质量上表现出的优越性，使其成为适合钛合金零件加工的新方法，但目前对钛合金固结磨粒旋转超声加工的工具磨损还仅限于定性研究。本项目拟基于热力学建立材料本构方程，结合钛合金正交磨削试验获得热力耦合本构模型，并借助仿真技术预测工艺参数对温度场变化的影响；通过SEM和能谱分析仪等仪器观测固结金刚石磨粒的主要磨损形态（如扩散磨损、磨粒磨损和粘着磨损），分别对不同磨损形态和不同温度场下的工具磨损进行热力学计算和分析，实现对金刚石工具磨损的定量研究；根据磨损机理的研究结果，结合机床工艺参数可选范围，分别对金刚石工具各主要参数进行优化设计，并制备金刚石工具进行验证，以期完善和发展钛合金加工的新技术，推动钛合金材料和超声技术在工程实际中的应用。

钛合金以其优异的综合力学性能、低密度以及良好的耐热性和耐腐蚀性，被誉为是一种使人类走向太空时代的战略性金属材料。旋转超声加工技术在降低切削力和切削温度，改善断屑排屑效果及提高工具寿命和工件表面质量上表现出极好的优越性，使其成为适合钛合金零件加工的新方法。然而，钛合金磨削加工中有两个主要问题亟须解决，问题之一是工具的制造技术；问题之二是加工策略，如进给速度、转速、超声振动幅度和频率等的合理有效选择。本项目针对这两大方面分别进行了探索，研究了加工参数对加工性能和工具磨损的影响。本项目取得的主要进展包括：1）从工具-工件接触率角度对旋转超声加工磨削制孔机理进行了研究，从接触率角度对加工机理有了更进一步的了解，为全面理解超声加工机理提供了一个全新的角度；2）通过试验方法建立与切削机理密切相关的切削力预测模型，并验证了所建立预测模型的精确度，为钛合金旋超声加工的参数选择提供了一个精确的预测方法；3）从超声振动过程中刀具切削速度和位移变化角度，扩展研究了钛合金旋转超声车削的加工机理，基于切削力和切削温度对工具磨损的影响较大的现象，分别对切削力和切削温度的变化进行了机理分析，为钛合金旋转超声车削的机理研究提供了一种新颖的角度，并同时为车削加工中工具的磨损研究提供了一个新的方向；4) 建立了多颗磨粒随机形状和随机分布方式下的固结磨粒金刚石工具模型，首次实现了多颗磨粒随机状态下的旋转超声加工仿真模型，用于指导实际加工生产；5）试验观测了工具磨损包括金刚石磨损和工具基体磨损。6)采用量纲分析法和Buckingham定理针对钛合金旋转超声加工的金刚石工具磨损进行了理论研究，结合试验和理论实现了对工具磨损的定量计算; 7）设计了一套耐磨损的钛合金固结磨粒超声加工的工具并制造出部分工具用于实际加工研究。本项目的完成为指导钛合金的旋转超声加工的工艺参数选择提供了策略，并为工具设计参数的选择提供了理论基础和关键技术支持。