钛合金工件表层材料切削过程的试验研究

钛合金工件表层材料切削过程的试验研究 单位代码类号七结号二；洛；硕士学位论文目紅么私料忉载研究生姓名般札（届专业）导师姓名论文完成日期漆，欠毒分类号密级编号工程硕士学位论文钛合金工件表层材料切削过程的试验研究硕士研宂生颜世品指导教师李金泉教授学科、专业机械工程沈阳理工大学年月分类号密级编号工程硕士学位论文钛合金工件表层材料切削过程的试验研究硕士研究生颜世晶指导教师李金泉教授学位级别工程硕士学科、专业机械工程所在单位机械工程学院论文提交口期年月口论文答辩口期年月学位授予单位沈阳理工人学，沈阳理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。 有关观点、方法、数据和文献的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。 除文中己注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者（签字）曰期沙丨年；月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权沈阳理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密适用本授权书）学位论文作賴名觀祕彳旨导禱签名曰期）曰期？呀摘要在切削加工过程中，很多因素都会影响到表面质量。 表面质量又对工件的使用性能有直接影响。 因此对表面质量的研宄是十分必要的。 本文以纯钛及钛合金为例，通过试验研宄、理论分析以及模型建立相结合的方法对车削加工时切削力、刀具振动和表面粗糙度进行研宄。 主要研究内容和结论如下（）采用单因素试验的方法，改变切削用量，对工业纯钛和钛合金、四种棒材进行车削试验。 制作金相试样，观察材料表层微观组织结构。 发现对于同种材料，当进给量变大时，表面微观组织结构变化越大，表面变质层厚度越大。 切削速度与切削深度的改变对表面微观组织结构的影响不明显。 当切削参数均相同时，与两种材料相比较，的表层微观组织变化较大。 （）以表面粗糙度作为表面质量的衡量标准，通过对纯钛和钛合金、四种棒材的表面粗糙度试验，研宂切削用量对表面质量的影响规律。 结果表明进给量对表面粗糙度影响最大，进给量越大，表面粗糙度越大，表面质量越差。 当切削参数均相同时，四种钛系金属材料中的表面粗糙度值最大，最小的为。 （）通过观察材料表层显微形貌，发现存在一道一道竖条沟纹，且每条沟纹的宽度约等于车刀进给量的大小。 观察三维轮廓波形图也可发现，材料表面轮廓波形随进给量的增大波动逐渐加剧，表面粗糙度随之增加，表面质量恶化。 （）建立工件刀具振动系统的动力学模型及振动方程，并对方程进行求解。 随着进给量的增大，刀具系统的振动随着增大，导致表面质量变差。 关键词纯钛与钛合金表面形貌表面质量；表层微观形貌，（），（），（），（），；目录第章绪论选题背景与意义切削机理研宄现状切削力研宄现状切削振动研宄现状表面粗糙度研宄现状研宄思路课题及主要研宄内容第章切削试验与数据测量车削试验试验材料车削试验参数表面粗糙度测量试验车削力测量试验振动加速度测量试验第章纯钛及钛合金材料表层特性分析切削用量对表层特性的影响己加表层微观特性切削参数对表层微观特性的影响切削用量对表面质量的影响规律切削速度对纯钛及钛合金表面质量的影响进给量对纯钛及钛合金表面质量的影响切削深度对纯钛及钛合金表面质量的影响材料属性对纯钛及钛合金表面质量的影响本章小结第章切削力对表面质量影响的试验研究切削力对纯钛及钛合金表面质量影响的试验研究纯钛及钛合金切削力试验结果阳理大学硕上学位论文切削速度不同时切削力对纯钛及钛合金表面质量的影响进给量不同时切削力对纯钛及钛合金表面质量的影响切削深度不同时切削力对纯钛及钛合金表面质量的影响材料特性对纯钛及钛合金切削力的影响本章小结第章刀具振动对表面质量影响的试验研究刀具振动测量试验刀具振动信号的采集与预处理空转与停机试验纯钛及钛合金刀具振动试验时域分析纯钛及钛合金振动信号的时域结果与分析切削速度不同时振动加速度对纯钛及钛合金表面质量的影响进给量不同时振动加速度对纯钛及钛合金表面质量的影响切削深度不同时振动加速度对纯钛及钛合金表面质量的影响材料特性对纯钛及钛合金振动加速度的影响切削速度对振动特性及切屑形态的影响本章小结第章刀具振动特性随进给量变化对表面质量影响规律的研究振动加速度随进给量变化频域分析表面形貌随进给量变化情况随进给量变化切削力对振动加速度的影响本章小结参考文献攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果第章绪论选题背景与意义金属切削加工在机械制造工业生产中的应用最广泛，创造的价值最多。 切削加工技术在切削力、切削热、刀具损耗及已加工表面质量等方面，均展现了其独有的特征。 精加工一般作为终加工工序，高精度的表面质量由零件使用性能的高低来保证。 随着工业技术的飞速发展，机器零件的使用要求（如疲劳强度、耐磨性、抗腐蚀性和配合质量等）越来越高，一些重要零件在高速、高压、高温等特殊环境下工作，表面层的任何缺陷不仅直接影响零件的工作性能，而且还可能引起应力集中、应力腐蚀等现象，将进一步加速零件的失效，尤其是影响可靠性和寿命，这一切都与己加工材料表面质量有很大关系。 但是各种切削过程产生的振动也是不可避免的。 通常情况下振动对切削加工材料表面质量的影响也是有害的。 而且随着切削参数的改变，切削系统（机床刀具工件）的振动也随之改变，所有的振动最终都将通过刀具反映出来，振动也会导致表面粗糙度的增加。 有研宄学者发现，对表面粗糙度影响最大的是刀具在径向即切深方向上的振动。 针对切削技术的研究主要包括切屑形成机理、加工表面完整性、切削力、切削温度、切削振动、刀具磨损与破损机理等几方面。 本课题通过对四种材料（纯钛、钛合金、和）的切削力、刀具振动以及表面粗糙度的研宄，总结出每一种材料相应的变化规律，并进行对比、分析不问材料之间的界冋，观察微观组织结构，并建立相应的振动模型，为实际切削加工提供相应的参考依据。 切削机理研究现状博士提出各种材料在进行切削加工时，随着切削速度的增大切削温度也随之增大，似一定都存在一个临界速度，使切削温度随着切削速度的增大而减小。 并，对不叫的材料进行相冋的试验时，不同的材料达到最高温度时的切削速度和切削过程中产生的最高切削温度都是不同的。 随后彳界各国对切削加技术的研究均陆续展开，年，美国的沈阳理大学硕上学位论文教授进行切削加工试验，得到结果在切削速度较高的条件下，会大大降低刀具磨损，而且切削效率也会增加。 德国、英国、本等国家相继也进行了大量的研宄工作。 与研切削速度在的区间内切削钛合金的切屑形态，当速度超过后切屑形状没有明显的变化发生。 针对切削加工难加工材料刀具寿命低这一问题，等人提出了一种在保证材料性能的前提下，通过液氮冷却延长刀具使用寿命的方法。 相比于其他国家，我国虽然对切削加工技术的起步较晚，但是一狴研宄所、高校以及相关企业也都进行了切削机理和切削加工的相应研宄工作。 例如我国切削加工主轴转速最高可以达到，切削速度可以达到。 曹自洋等人进行了切削中切削力有限元分析以及难加工材料切屑的形成过程的研宂。 南京航空航天大学陈燕等对切削加工过程的刀具磨损做了仿真分析，并且也预测了速度较高的条件下刀具的耐用度，研宄结果表明切削速度越高，刀具的磨损越快。 大连理工大学王敏杰通过正交车削试验，建立了绝热剪切局部化断裂发生的条件，分析绝热剪切带内能量随切削条件变化及对应的切屑形态，提出切削过程绝热剪切局部化断裂的判据及材料属性、加载条件对绝热剪切局部化断裂发生的影响规律（）。 山东大学苏国胜通过切削试验研宄了切削加工锯齿形切肩的形成过程以及切屑形态由带状向锯齿状改变的临界条件。 在切削技术的研宄方面，近几年我国虽然取得了很大的进步，但与一些发达国家相比仍存在一定的差距。 在切削机理方面仍然需要进行大量的试验与研究争取更大的进步。 切削力研究现状在切削加工中，切削力会使切削温度上升，工艺系统变形，加速刀具的磨损，影响工件的表面质量和加工精度。 因此，对切削力的研宂具有重要意义。 许多国内外学者都对切削力相关内容进行了相应的研宂，例如国外学者利用有限元软件研宄了切削速度对切削力的影响规律，模拟结果表明切削速度与相应切削力变化成反比关系，随着切削速度的增大，切削力具有减小的变化趋势，但具体变化规律未做进一步研究。 等利用陶瓷刀具对钢进行车削试验，研究表明，切削速度对切削力和表面粗糙度影响不明显，但进给量和切削深度对切削进给力的影响较大。 等采用陶瓷刀具对钢进行车削试验，证明进给量对切削力和表而粗糙度有一定第章绪论影响，但其影响规律不明显。 等通过车削试验，研宄了切削参数对切削力及表面粗糙度的影响，并根据正交试验对切削力和表面粗糙度模型进行预测与分析】。 国内学者边卫亮等进行铣削正交试验，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预测模型。 胡智特等人使用切削仿真软件，探宄超声振动车削中工件的进给速度、刀具的振频和振幅对切削力的影响规律，出最优的加工参数组合。 黄树涛等人用刀具进行了铣削试验，研宄了铣削条件和铣削参数对铣削力的影响关系，建立了铣削力的经验公式。 张巧娥等采用超声铣削进行试验，研宄了超声铣削参数对铣削力的影响和超声加工时刀具磨损情况及机理焦可如针对丨复合材料薄壁件的特点，提出了在切削过程中，进行试验的工件材料中间产生的铣削力要比工件材料两端产生的铣削力大的特征；对切削过程中逆铣与顺铣方式下的切削力大小进行了研宄，并得出结论，逆铣的切削力要比顺铣的切削力大；研宄了在切削过程中，切削用量、刀具几何参数和切削路径对铣削力的影响规律。 牟涛进行了铣削的正交试验和单因素试验，对试验结果进行了极差分析，总结出不同切削因素对切削力的影响，并使用线性回归方法建立了铣削力的经验公式。 韩文强等人使用种不同材料的刀具对进行干切削试验，得出结论对切削力的影响最大的因素是背吃刀量，其次是进给量和切削速度。 切削振动研究现状在切削加工过程中受到切削系统各种因素的综合作用会产生振动，其以多种振动形式存在，影响较大的是受迫振动和自激振动，这两种形式的振动成也比较复杂，预防和消除都非常困难，现在仍是学术界研究的难题。 切削加工过程中，振动会使工件和刀具的位置发生相对的改变，而随着切削条件的改变，镍基合金、钛合金等多数金属会形成绝热剪切带均匀间隔的锯齿形切屑，锯齿形切屑的形成能够使断屑更加容易，但由于切屑锯齿化而产生的切削力波动也会加剧刀具系统振动，使工件已加工表面质量恶化，同时还会加剧刀具的磨损？。 因此绝大多数的振动都是有害的，对切削振动进行研究也是十分必要的。 丨丨本学者土井静雄和加藤仁等认为是由于切削力水平方向分力突变滞后于切削厚度方向的突变导致的切削振颤，即切削力时滞理论。 杨泽青等人进行沈阳理大学硕丄学位论文振动测试试验，结果表明进给量、主轴转速和切削深度相比，进给量对切削振动的影响最大，与数值模拟结果一致。 姜振喜等人的研宄表明随着刀具磨损量的增大切削力和振动均有增大的趋势，且在不同的磨损状态下对切削力和振动的影响也是不同的。 皇攀凌等研宄了干式切削条件下硬质合金立铣刀切削钛合金时切削速度对切削稳定性的影响，得出结论认为颤振会急剧地增加切削力幅值，使己加工表面质量大大降低，使得加工后材料表面质量最佳的切削速度为。 库祥臣等人根据不同试验证明不同磨损程度的刀具产生的振动信号频谱之间存在较大的差异，并建立起频谱与刀具磨损量之间的映射关系。 杨新一等人通过研宄切削振动的产生机理，并采取加工试验与仿真模拟计算相结合的方式，介绍了金属切削过程中振动的产生与分类机理，并提出了抑制切削振动的工艺设计思路。 材料抗绝热剪切形成的能力用绝热剪切敏感性表示。 影响绝热剪切敏感性的主要因素是强度、热导率及切削速度，强度越大、热导率越低越容易产生绝热剪切带，形成锯齿形切屑；随着切削速度增加，切屑锯齿化程度加大，造成切削力高频振动，导致刀具振动加大。 在不同的切削条件下，切削力对振动有很大的影响，振动对切削力也具有很大的影响，两者之间是相互作用的关系。 切削用量对切削力和刀具振动均有影响，振动对切削力也具有很大的影响，两者之间是相互作用的关系叱研究人员对切削振动的分析方法有通过振动信号的时域统计特征分析切削振动，如方差，切削力信号的平均偏差比、时序信号的排列熵；通过频域分析方法分析切削振动，如加速度信号的幅值、切削力信号功率谱密度比通过时域分析方法分析切削振动，如趋势波动分析法、小波分析（）和小波包分解。 文献运用经验模态分解的方法对振动信号进行分析，构建了分段频率变化的振动仿真信号，再对其进行时频分析。 结果表明，经验模态分解法具有更高的时频分辨率，能较好的反映振动信号的时频变化规律，因此使用经验模态分解法对切削振动信号进行分析是适合的。 表面粗糙度研究现状表面粗糙度是衡量零件质量好坏最外表，最直观的评价标准之一，表面粗糙度也反映了已加工工件表面的微观不平整度。 等认为表面粗糙度的主要影响因素包括刀具几何形状、低频振第丨章绪论动和检测工具，通过金刚石车削工艺试验，以表面粗糙度方根值和表面功率谱密度为指标建立了表面形貌预测模型。 等采用单因素试验方法研宄了铣削速度在？之间干切削条件下的表面完整性，结果表明表面粗糙度都在之间。 等通过单因素试验方法证明进给速度越大表面粗糙度越大。 周培培等通过钛合金（）外圆车削加工得出改变进给量时，表面粗糙度的变化近似成线性正比关系。 李登万等人通过钛合金车削试验，研宄了切削参数对表面粗糙度的影响，试验结果表明进给量对表面粗糙度影响最为明显，切削速度影响最微小。 罗永新等采用数控机床车削铝合金的方式研宄了刀具几何角度对表面粗糙度的影响，试验结果表明刀具几何参数对表面粗糙度的影响不大。 等用田口直角表设计试验，研宄了切削液和切削用量对表面粗糙度和刀具磨损的作用，结果表明进给量对表面粗糙度的影响占主导作用，然后为冷却液。 等采用单因素试验方法研宄了铣削速度等于时涂层硬质合金刀具加工钛合金（）的表面完整性，结果表明表面粗糙度随切削速度的增大而增大（）。 等通过切削试验，将己加工表面和亚表面分成薄层、塑性变形区和基体材料三部分，指出白层厚度随着切削速度的增加而变厚，显微硬度随切削速度的增加具有先变大后减小的变化趋势。 耿国盛等人对钛合金材料工件进行铣削加工试验，研究表层微观组织结构变化，发现铣削钛合金工件时表层微观组织结构变化不明显。 王兴盛等人通过正交试验回归分析法研宂结果表明，刀具圆弧半径和进给量对表面粗糙度影响比较显著，背吃刀对表面粗糙度的影响较小。 旧荣鑫等人通过端面铣削正交试验，表明钛合金进行铣削时，对表面粗糙度变化影响最为敏感的因素是铣削速度，进给量次之，对表面粗糙度变化影响最不敏感的因素是铣削深度和铣削宽度。 弯艳玲等人通过正交试验表明，在中线区附近表面粗糙度值最大，顺铣其次，逆铣丨最小。 对表面粗糙度影响最大的因素是主轴转速，其他因素随着表面质量的要求不同而有所变化。 并得出表面粗糙度最小的最优组合刀具悬伸量为，轴向切深为，进给量为，主轴转速为。 研究思路丨月前在实际生产过程中仍存在一丼问题，为了达到所要求的表面质量，对工沈阳理工大学硕士学位论文件表层进行系统的研究是必不可少的。 因此本论文选择单因素方法对金属切削表层进行试验，并测量表面粗糙度，以及切削过程中产生的切削力和刀具振动加速度。 进行车削试验的同时，要对纯钛及钛合金材料进行切削力和刀具振动的数据进行收集，对切削后的表面粗糙度进行测量，测量后首先对同一种材料的切削参数、切削力及刀具振动对表面质量的影响进行分析；其次对相同切削参数的不同材料进行表面质量的分析；最后通过经验建立模型分析振动特性对表面质量的影响。 分析结果有助于寻找工件表层的影响规律，为实际生产实践提供理论指导。 课题及主要研究内容本课题国家自然科学基金基于正电子谱学分析的高速切削表面白层形成机理（基金号）本文以工业纯钛、钛合金、和四种材料进行车削实验，研究切削力、刀具振动和表面粗糙度的变化规律。 本课题研宄的具体内容如下（）纯钛及钛合金四种材料进行车削加工，对同种材料设置不同的切削用量（切削速度、进给量、背吃刀量）进行单因素试验，分析各单一因素对切削力、刀具振动以及表面粗糙度的影响规律，并进行切削力和刀具振动对表层质量影响的分析。 （）不同材料设置相同的切削用量进行单因素试验，分析总结四种同一体系不同材料的切削力、刀具振动及表面粗糙度随材料变化所呈现出来的规律。 （）将车削后工件的表层材料，制作金相试样，从微观角度分析己加工工件表层特性，并对表层厚度进一步研宄。 （）建立刀具振动系统模型，分析当其他条件均相同，只改变进给量大小时切削力和刀具振动加速度的变化情况，并归纳总结出相应的经验公式。 第章切削试验与数据测量本章利用单因素试验对纯钛及钛合金材料进行切削研宄，并对表面粗糙度、切削力、振动加速度以及三位形貌进行测量，为实际切削加工提供参考。 车削试验车削试验是在沈阳第一机床厂生产的机床上进行的，试验刀具选用的是山特维克公司（）生产的涂层硬质合金刀具。 刀片牌号为，刀杆牌号为丨，刀片几何角度如表所示，刀具及刀片形状如图所示。 表刀片几何角度前角后角。 刀尖圆弧半径，主偏角刃倾角（。 ）（）（圓）（。 ）（）；图车削试验刀具和刀片试验材料本试验选用纯钛棒材和钛合金、棒材退火态为试验材料进行实验。 、和叫种试验材料，棒材的总长度均为，直径均为。 、四种棒材的化学成分及材料性能参数如表和表所示。 ？沈理丁大学硕丄学位论文表纯钛及钛合金材料化学成分（）（）材料余里余？量余？量余？量表纯钛及钛合金材料性能参数屈服强度抗拉强度仍伸长率密度收缩率热导率欠材料（）（）（）（）（）（）车削试验参数切削参数对表面粗糙度具苻比较复杂的影响，因此现采用单因素试验进行探讨。 单因素试验即为只改变其中一个影响因素，其他的影响因素不做出改变的试验。 同时单因素试验也可较为直观的反应出某一个切削参数对表面质量产生的影响及规律。 本实验采用外圆连续切削，每一切削变量段的长度