钛合金超声磨削表面微网纹形貌主动制造

In order to improve the lubrication and attrition reduction performance of titanium alloy, this project presents a novel active manufacturing method that combine the ultrasonic assisted grinding with ordered grinding wheel. The cutting trace of ultrasonic assisted grinding titanium alloy considering the chip deformation will be established after study the chip formation process by FEM and experimental method. By analyzing the motion tracks of adjacent abrasive grains intersect, the formation mechanism of micro cross hatch under ultrasonic assisted grinding condition will be disclosed and the relationship between the parameters of micro cross hatch and ultrasonic assisted grinding parameters and ordered grinding wheel parameters will be presented. Taking the design parameters of micro cross hatch as optimize goal, the solution sets of ultrasonic assisted grinding parameters and ordered grinding wheel parameters will be obtain by using multi-objective optimization method. A model for prediction of surface micro-topography in ultrasonic assisted grinding will be established by combined all grain tracks which involved in cutting process with Boolean operation. Based on the model, each solution set will be assessed to determine the optimal parameters. The research achievements and application is of great significance to enhance the lubrication and attrition reduction performance of titanium alloy and extend its applied range.

本项目针对钛合金零件的润滑减磨性能要求，提出一种将超声磨削与有序化砂轮相结合实现面向摩擦润滑性能的表面微网纹形貌主动制造新方法。采用有限元与实验相结合的方法对钛合金超声磨削成屑过程进行研究，建立考虑切屑物理变形的磨粒切削轨迹；对多颗磨粒切削轨迹的相互干涉关系进行理论分析，揭示超声磨削表面微网纹形貌的形成机理，并建立微网纹形貌表征参数与超声磨削工艺参数、砂轮排布参数的关联规律；以表面微网纹形貌设计参数为优化目标，通过多目标优化求解得到超声磨削工艺参数与砂轮排布参数的解集；结合砂轮表面磨粒分布情况，对所有参与切削的磨粒轨迹进行布尔运算，建立超声磨削表面微观形貌预测模型，基于该模型，对超声磨削工艺参数、砂轮排布参数解集的加工效果进行校核与评估，以确定最优的超声磨削工艺参数与砂轮排布参数。此项研究及其成果的应用，对提高钛合金零件的摩擦润滑性能和推动钛合金零件的使用范围具有一定的作用。

钛合金作为典型的高强度合金材料，在航空航天领域得到了广泛的应用，但是，钛合金摩擦系数高、耐磨性低等特点严重影响了钛合金零件的使用性能，因此，提高钛合金关键零部件的摩擦润滑性能成为先进航空航天关键零部件研制过程中必须攻克的重要课题。因此，本项目针对钛合金零件的润滑减磨性能，提出一种将超声磨削与有序化砂轮相结合实现面向摩擦润滑性能的表面微网纹形貌主动制造新方法。以钛合金超声磨削表面微网纹形貌的形成机理为研究对象，针对有序化砂轮的建模，提出磨粒周向间距、磨粒轴向间距、磨粒排布角度和相邻行磨粒轴向间距四个参数对有序化砂轮进行定义，建立了砂轮表面模型。对考虑切屑物理变形的磨粒切削轨迹建模方法进行了研究，利用有限元软件对超声振动作用下单颗磨粒的切削过程进行三维切削仿真，根据仿真结果，提出了一种新的耕犁截面形状的假设，建立钛合金超声磨削单颗磨粒切削轨迹的三维模型。结合砂轮表面形貌和单颗磨粒切削轨迹，建立了适用于普通磨削和超声磨削的表面微观形貌预测模型，通过选取对工件形貌有实际影响的有效磨粒和利用并行算法对不同出刃高度点求解并计算包络轨迹，有效减小了计算量和提高了运算效率，并通过磨削实验验证了模型的正确性。基于工件的摩擦润滑性能，提出了表面微网纹形貌的表征参数，并建立了表面微网纹形貌表征参数与加工参数的关联规律，基于摩擦润滑性能对加工参数进行反求，并通过表面微观形貌预测模型进行模拟，验证了本项目的可行性。基于上述研究成果，本项目发表SCI论文6篇，EI论文1篇，授权国家发明专利1项，以该项目为依托培养硕士在读研究生3名，完成项目的计划内容和预期研究目标。