难加工材料复杂曲面超声辅助磁性磨粒光整加工机理及工艺

The requirement background of this project is oriented to finish the integral impeller of difficult-to-machine alloy such as titanium alloy and high temperature alloy with high quality and efficiency. The purpose of this project is to further improve the surface quality and machining efficiency of complex surface of difficult-to-machine alloy after finishing. Aiming at the common scientific problems and key technologies in ultrasonic assisted magnetic abrasive finishing of complex surface, the motion law of magnetic abrasive, the deformation and flow characteristics of surface material under the action of impact with high frequency and scratching with shear force, the formed mechanism of surface material, the failure behavior and wear law of magnetic abrasive, the influence of the wear of magnetic abrasive during machining are researched, the control function during machining such as the functions of material removal, magnetic abrasive renewing and magnetic abrasive wear, and the optimization of machining parameters with the methods of theoretical analysis and experiment. The reasonable process parameters for ultrasonic assisted magnetic abrasive finishing of typical difficult-to-machine alloy are presented. The process planning method for ultrasonic assisted magnetic abrasive finishing of integral impeller is investigated. The optimization scheme of process planning for finishing the integral impeller is proposed. The support of the theories and technologies is provided to finish complex surface of difficult-to-machine alloy with high quality and efficiency in our country.

本项目面向钛合金和高温合金等难加工合金整体叶轮高质高率光整加工的需求背景，以进一步提高难加工合金材料复杂曲面光整加工的表面质量和加工效率为目标，针对复杂曲面超声辅助磁性磨粒光整加工中存在的共性科学问题和关键技术，采取理论分析和实验研究相结合的方法，系统地研究超声辅助磁性磨粒光整加工过程中磁性磨粒的运动规律、表面材料在磁性磨粒高频冲击和剪切划擦作用下的变形和流动规律、材料表面形成机制、磁性磨粒的失效行为和磨损规律、磁性磨粒磨损对加工过程的影响，建立不同空间约束条件下的材料去除函数、磁性磨粒更新函数、磁极补偿函数等加工过程控制函数，以及优化加工参数，提出典型难加工合金材料超声辅助磁性磨粒光整加工的合理工艺参数，并研究整体叶轮超声辅助磁性磨粒光整加工工艺规划方法，提出复杂曲面整体叶轮叶片加工工艺规划优化方案，为我国难加工合金复杂曲面高质高效光整加工提供理论和技术支持。

本项目针对钛合金复杂曲面整体叶轮高质高效光整加工的需求背景，提出难加工合金复杂曲面超声辅助磁性磨粒光整加工的新方法，系统研究难加工合金复杂曲面超声辅助磁性磨粒光整加工中的关键理论和技术问题，取得如下主要进展：. （1）分析了圆柱磁极作用下磁感线分布及磁性磨料间的空间几何关系，研究了磁场作用下磁性磨料的分布规律；统计分析了磁性磨料上金刚石磨粒密度，建立了金刚石磨粒在磁性磨料上的空间位置关系，研究了磁性磨料上金刚石磨粒的分布规律；建立了磁性磨料在加工运动和超声振动运动复合作用下的运动方程，研究了超声辅助磁性磨料光整加工中磁性磨料的运动规律。. （2）系统分析了超声能量在磁性磨料中的传递过程及钛合金材料在超声辅助磁性磨料光整加工中的弹塑性变形过程，建立了钛合金超声辅助磁性磨料光整加工切削力模型，分析了在超声力和磁场力联合作用下的钛合金材料的去除机理和表面形成机制。. （3）分析了钛合金材料超声辅助磁性磨料光整加工中磁性磨料对钛合金材料的塑性作用过程，建立了钛合金超声辅助磁性磨料光整加工材料去除模型，基于该模型分析了工艺参数对材料去除的影响规律，并分析了钛合金超声辅助磁性磨料光整加工中磁性磨料和磁极工具的磨损规律。. （4）通过三次均匀B样条曲线拟合法建立了叶片曲面的三维模型，基于复杂曲面材料去除高斯函数模型及其与加工参数的关系模型，根据均匀去除原则、最大残余高度原则和包络原理的刀轴与复杂曲面切触点法矢重合原则分别建立了复杂曲面超声辅助磁性磨料光整加工进给速度自适应模型、加工行距模型和加工刀轴矢量计算模型，通过网格点法对形成的刀具轨迹进行了验证，形成了叶轮叶片超声辅助磁性磨粒光整加工工艺规划方法。. 项目的研究成果可为我国难加工合金复杂曲面高质高效光整加工提供理论和技术支持。