基于超聲振動的薄壁鈦合金缸套加工自動力學(xué)式加工裝置的研究

基于超聲振動的薄壁鈦合金缸套加工自動力學(xué)式加工裝置的研究

0復(fù)合超聲磨削加工技術(shù)為了降低高速航空發(fā)動機(jī)的水溫，雙薄鈦銅合金罐套筒已成為理想的設(shè)計選擇。眾所周知,鈦銅合金材料具有黏性大、切削性能差等特性,珩磨加工過程中存在著冷卻液不易進(jìn)入工作面、磨屑排出不暢、油石易堵塞等問題,當(dāng)磨削量稍大點時,經(jīng)常出現(xiàn)表面過燒以及劃痕現(xiàn)象,嚴(yán)重影響加工表面質(zhì)量和加工效率。因此,怎樣進(jìn)一步提高航空發(fā)動機(jī)薄壁鈦銅合金缸套珩磨加工效率問題一直是行業(yè)研究探索的難題。針對薄壁鈦銅合金缸套珩磨加工效率問題,本文提出一種高效超聲珩磨組合加工方法,利用超聲振動原理來改善磨削運(yùn)動過程。擬首先通過對超聲振動作用機(jī)理的研究,構(gòu)思設(shè)計一種縱向與橫向運(yùn)動可控的復(fù)合超聲振動珩磨裝置;然后針對所設(shè)計的裝置,構(gòu)建其運(yùn)動學(xué)模型;最后在理論研究的基礎(chǔ)上,再通過實驗研究來驗證和優(yōu)化該技術(shù)方法。1超聲波清洗機(jī)的設(shè)計1.1超聲教育機(jī)缸的結(jié)構(gòu)特點超聲珩磨是將超聲波能量通過超聲換能器傳輸?shù)界衲スぞ?從而提高加工質(zhì)量與效率的一種加工方法。針對航空發(fā)動機(jī)薄壁鈦銅合金缸套珩磨加工效率問題,本文設(shè)計思路如下。1)根據(jù)航空發(fā)動機(jī)缸套壁薄、易變形的特點,超聲珩磨裝置采用立式布局,以減小珩磨頭本身重量對磨削的影響。2)由于縱向振動超聲珩磨裝置主要是沿其軸向的振動運(yùn)動,珩磨油石始終與缸體表面接觸,再加上脹芯軸結(jié)構(gòu)上的限制,切削液不能充分注入珩磨區(qū),潤滑條件差。為了使冷卻液能及時沖洗珩磨頭上粘附的磨屑,減小摩擦因數(shù),增加磨粒清潔度,增設(shè)了徑向的振動,即裝置具有縱向振動與彎曲振動兩種形式。3)考慮到超聲珩磨粗磨、半精磨和精磨對磨削用量的要求,不同材料對超聲頻率和振幅的要求,裝置設(shè)計成超聲頻率和振幅可調(diào)形式。超聲變頻變幅珩磨裝置如圖1所示。1.2縱向振動節(jié)的參數(shù)變幅桿的形式有很多,本超聲珩磨裝置采用錐型線性變幅桿。假定變幅桿具有某一固有頻率,并以規(guī)則的振動形式產(chǎn)生簡諧振動,則以式(1)表示:式中:U1(x,t)為變幅桿中坐標(biāo)為x的截面在時刻t的位移;x為變幅桿軸向坐標(biāo);t為時間;U(x)為變幅桿中坐標(biāo)為x的截面振動幅值函數(shù);A、B均為待定系數(shù);ω為角頻率?？v向振動可以用貝塞爾函數(shù)表達(dá):所以:式中:U1為變幅桿的位移;U2為油石的位移;C、D均為待定系數(shù);c1為變幅桿材料的聲速;c2為油石材料的聲速;φ為初始相位角。將邊界條件代入式(3)、式(4),展開后得:式中:a為等效切削工具的長度;b為變幅桿錐頂?shù)阶兎鶙U小端面的距離;l為變幅桿錐頂?shù)阶兎鶙U大端面的距離;S1為變幅桿大端面的斷面面積;S2為變幅桿小端面的斷面面積;E1為變幅桿材料的彈性模量;E2為珩磨頭材料的彈性模量。設(shè),則代入式(5)~式(8),并展開后得:根據(jù)式(9)可以計算出與珩磨工具相對應(yīng)的錐型變幅桿的尺寸。當(dāng)不考慮珩磨頭的質(zhì)量時,取a=0。則得:而變幅桿的位移U1為:則振動節(jié)的位置xn為:將縱向振動部分的脹芯軸作為彎曲振動桿,在其最上端處,按圖1所示與彎曲振動變幅桿的左端連接起來,當(dāng)彎曲振動變幅桿振動時,就能使立式的脹芯軸產(chǎn)生一個彎曲振動。通過對縱向振動變幅桿和彎曲振動變幅桿的頻率和振幅的控制,可以進(jìn)一步提高珩磨表面質(zhì)量和加工效率。2試驗與研究2.1超聲磨削加工基于超聲珩磨理論研究,對航空發(fā)動機(jī)鈦銅合金薄壁缸套內(nèi)孔表面進(jìn)行珩磨加工對比試驗,將改進(jìn)后的縱向與彎曲綜合振動的超聲珩磨與縱向振動超聲珩磨加工方法進(jìn)行對比,研究振動頻率、振幅、磨粒和珩磨速度等工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響,以及復(fù)合超聲珩磨加工對加工效率的影響。1)被加工試件:為航空發(fā)動機(jī)YcuT-M(sh)鈦銅合金薄壁缸套;內(nèi)徑為ue788120mm;孔長為210mm;缸體內(nèi)孔珩磨余量為0.07~0.09mm;表面粗糙度Ra≤0.2μm。2)珩磨裝置:采用國產(chǎn)M4215型立式珩磨機(jī),主軸轉(zhuǎn)速為112r/min,主軸往復(fù)進(jìn)給速度為15~20m/min;徑向進(jìn)給速度為手動控制;珩磨切削液為專用珩磨油。YcuT-M(sh)鈦銅合金薄壁缸套安裝在珩磨夾具中。3)超聲裝置:采用中國科學(xué)院上海水聲研究所生產(chǎn)的GCB65-A型超聲波發(fā)生器,超聲頻率調(diào)節(jié)范圍為6~40kHz。4)珩磨油石:選擇立方氮化硼油石,粒度分別為180#B、280#B、W28B和W20B,濃度為100%。2.2表面粗糙度和加工效率試驗中縱向振動變幅桿與彎曲振動變幅桿均采用相同超聲頻率與振幅等參數(shù)。主要考察表面粗糙度和加工效率兩個指標(biāo)。各項試驗結(jié)果如表1、圖2~圖5所示,圖2~圖5中線1為縱向超聲珩磨振動的表面粗糙度曲線,線2為縱向與彎曲復(fù)合超聲珩磨振動的表面粗糙度曲線。2.3復(fù)合超聲賠償加工表面質(zhì)量與加工效率通過對航空發(fā)動機(jī)YcuT-M(sh)鈦銅合金薄壁缸套內(nèi)孔表面超聲珩磨加工方法對比試驗,得出以下結(jié)論。1)由表1所示可以看出,在同樣參數(shù)條件下,與縱向超聲珩磨相比,復(fù)合超聲珩磨加工在減小表面粗糙度值與提高加工效率上有較明顯的效果,對圓度與圓柱度的減小相對較小,主要是復(fù)合超聲珩磨裝置中彎曲振動變幅桿對珩磨頭的剛度影響很小。但總體上,復(fù)合超聲珩磨加工提高了加工表面質(zhì)量與加工效率。2)由圖2所示可以看出,隨著頻率的增加,復(fù)合超聲珩磨對表面粗糙度的影響越來越大,尤其是頻率較高時,改變了縱向超聲珩磨振動中隨頻率增高表面粗糙度數(shù)值反而上升的現(xiàn)象,有利于減小表面粗糙度值,提高表面質(zhì)量。這是由于復(fù)合超聲珩磨加工中增加了珩磨頭的徑向運(yùn)動,從而使高頻振動與切削液的高速沖刷組合作用,提高了加工效果。3)由圖3所示可以看出,振幅過大或過小,都不利于減小表面粗糙度值。相比縱向超聲珩磨加工,復(fù)合超聲珩磨加工中,振幅對進(jìn)一步減小表面粗糙度值有一定影響,但是,小振幅對表面粗糙度的影響較大,當(dāng)振幅較大后,復(fù)合超聲珩磨加工的效果就不太明顯了。4)由圖4所示可以看出,磨粒粒度對表面粗糙度影響較大,粒度越細(xì),越有利于提高表面質(zhì)量。但相比縱向超聲珩磨加工,復(fù)合超聲珩磨加工中,粒度對進(jìn)一步減小表面粗糙度值有較小影響,且粒度越細(xì),效果就越來越不明顯。5)由圖5所示可以看出,珩磨速度過大或過小時表面粗糙度數(shù)值均相對較高,不利于表面質(zhì)量的提高。復(fù)合超聲珩磨在速度較高時,相比縱向超聲珩磨而言,其能在一定程度上降低表面粗糙度