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钛合金超声振动钻削工艺特性仿真及试验研究

赵甘霖 冯平法 张建富

赵甘霖, 冯平法, 张建富等 . 钛合金超声振动钻削工艺特性仿真及试验研究[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(8): 1597-1605. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0709
引用本文: 赵甘霖, 冯平法, 张建富等 . 钛合金超声振动钻削工艺特性仿真及试验研究[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(8): 1597-1605. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0709
ZHAO Ganlin, FENG Pingfa, ZHANG Jianfuet al. Simulation and experimental study on ultrasonic vibration drilling process characteristics of titanium alloy[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2019, 45(8): 1597-1605. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0709(in Chinese)
Citation: ZHAO Ganlin, FENG Pingfa, ZHANG Jianfuet al. Simulation and experimental study on ultrasonic vibration drilling process characteristics of titanium alloy[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2019, 45(8): 1597-1605. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0709(in Chinese)

钛合金超声振动钻削工艺特性仿真及试验研究

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0709
基金项目: 

国家自然科学基金 51875311

国家自然科学基金 51475260

详细信息
    作者简介:

    赵甘霖  男, 博士研究生。主要研究方向:钛合金超声辅助加工

    冯平法  男, 博士, 教授, 博士生导师。主要研究方向:高效精密制造工艺与装备

    张建富  男, 博士, 副教授, 博士生导师。主要研究方向:精密与特种加工技术

    通讯作者:

    冯平法, E-mail: fengpf@tsinghua.edu.cn

  • 中图分类号: V261

Simulation and experimental study on ultrasonic vibration drilling process characteristics of titanium alloy

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 51875311

National Natural Science Foundation of China 51475260

More Information
  • 摘要:

    针对钛合金传统钻削中存在的切削力大、切削温度高和加工质量差等问题,研究了钛合金超声振动钻削工艺特性。首先,通过超声振动钻削的运动方程,分析了其断续切削和高速切削的特性;然后,利用Deform-3D对钛合金超声振动力钻削的轴向力、扭矩和切削温度进行了仿真,并通过超声振动钻削试验研究了轴向力、扭矩和出口毛刺相对传统钻削的变化。结果表明:钛合金超声振动钻削可以降低平均轴向力约20%,降低平均扭矩约40%,降低平均切削温度50%以上,钛合金超声加工孔的加工质量明显优于传统加工。钛合金超声纵扭复合振动钻削相比超声一维纵振钻削可以进一步降低钻削轴向力、扭矩和切削温度,体现出更好的钻削工艺特性。

     

  • 图 1  典型超声纵扭复合振动钻削系统

    Figure 1.  Typical ultrasonic longitudinal-torsional composite drilling system

    图 2  钻头切削刃最外侧点运动轨迹

    Figure 2.  Track of outermost point of drill cutting edges

    图 3  超声振动钻削切削刃最外侧点运动速度曲线

    Figure 3.  Motion speed curve of outermost point of cutting edges in ultrasonic vibration drilling

    图 4  麻花钻及工件有限元模型

    Figure 4.  Finite element model of twist drill and workpiece

    图 5  钻削仿真速度函数

    Figure 5.  Speed function of drilling simulation

    图 6  不同加工方式的钛合金钻削轴向力曲线

    Figure 6.  Axial force curves of titanium alloy drilling with different processing methods

    图 7  不同加工方式的钛合金钻削扭矩曲线

    Figure 7.  Torque curves of titanium alloy drilling with different processing methods

    图 8  钛合金钻削仿真过程最高温时刻切削温度云图

    Figure 8.  Contour of the highest cutting temperature during titanium alloy drilling simulation process

    图 9  超声振动钻削试验装置

    Figure 9.  Experimental devices of ultrasonic vibration drilling

    图 10  轴向力数据采集结果

    Figure 10.  Axial force data acquisition results

    图 11  轴向力随纵振振幅变化

    Figure 11.  Variation of axial force with amplitude

    图 12  出口毛刺显微照片

    Figure 12.  Micrographs of exit burrs

    表  1  刀具与工件材料参数

    Table  1.   Material parameters of tool and workpiece

    材料 弹性模量/GPa 泊松比 密度/(g·cm-3) 热膨胀率/(10-6-1)
    Ti6Al4V 110 0.31 4.43 9.5
    钨钢(WC-Co) 524 0.23 15.7 6.3
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    表  2  仿真参数

    Table  2.   Simulation parameters

    钻削方式 进给速度/(mm·s-1) 主轴转速/(r·min-1) 振动频率/Hz 纵振振幅/mm 扭振角振幅/rad
    传统钻削 5 5 000 0 0 0
    超声纵振钻削 5 5 000 20 000 0.005 0
    超声纵扭复合振动钻削 5 5 000 20 000 0.005 0.01
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    表  3  麻花钻超声振动参数

    Table  3.   Ultrasonic vibration parameters of twist drill

    参数 数值
    直径/mm 1
    谐振频率/Hz 21 130
    纵振振幅/mm 0.025
    扭振角振幅/rad 0.01
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    表  4  超声钻削试验参数

    Table  4.   Experimental parameters of ultrasonic vibration drilling

    钻削方式 进给速度/(mm·s-1) 主轴转速/(r·min-1) 振动频率/Hz 钻削深度/mm
    传统钻削 0.05 5 000 0 3
    超声钻削 0.05 5 000 21 130 3
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    表  5  平均轴向力试验结果

    Table  5.   Experimental results of average axial force

    刀具编号 对比组数 超声振动 平均轴向力/N 轴向力减小比例/%
    1-1 第1组 15.07 20.72
    19.01
    第2组 16.19 19.81
    20.19
    1-2 第1组 12.48 23.01
    16.21
    第2组 13.80 17.66
    16.76
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    表  6  平均扭矩试验结果

    Table  6.   Experimental results of average torque

    刀具编号 对比组数 超声振动 平均扭矩/(N·mm) 扭矩减小比例/%
    1-1 第1组 11 35.29
    17
    第2组 9 40.00
    15
    1-2 第1组 6 45.45
    11
    第2组 7 36.36
    11
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    表  7  孔径和出口毛刺高度测量结果

    Table  7.   Measurement results of hole diameter and exit burrs height

    刀具编号 对比组数 超声振动 孔径/mm 出口毛刺高度/mm
    1-1 第1组 1.022~1.042 0.027
    1.020~1.061 0.061
    1-2 第1组 1.026~1.052 0.024
    1.023~1.075 0.073
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-12-02
  • 录用日期:  2019-03-29
  • 网络出版日期:  2019-08-20

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