TC4钛合金高效深磨工艺试验研究及其磨削质量预测

湖南大学硕士学位论文TC4钛合金高效深磨工艺试验研究及其磨削质量预测姓名：唐昆申请学位级别：硕士专业：机械设计与理论指导教师：黄红武;盛晓敏20070401硕士学位论文I摘要钛合金以其比强度高，抗腐蚀性能优异，无磁性、耐热性能好、疲劳强度高等诸多优良特性，在各领域的应用越来越广泛。然而钛合金优良的材料性能，也给其磨削加工造成了很大困难。采用常规方法磨削钛合金，磨削力大、磨削温度高，砂轮粘附和损耗严重。因此，迫切需要采用新的高效高质量的先进磨削工艺对其进行加工。高速及超高速高效深磨作为一种先进的现代磨削技术，以超乎一般想象的极高磨削效率，极大的砂轮磨削比，良好的工件表面完整性，给传统的磨削领域带来了一场革命，展现了现代磨削技术发展的巨大潜力和广阔应用前景。将高效深磨技术应用到钛合金磨削加工中对于扩大高效深磨技术的应用范围，探寻钛合金高效磨削技术等方面都有重要意义。本文在40Cr钢高效深磨试验的基础上，对TC4钛合金进行了系统的高效深磨试验研究。试验中通过改变磨削用量，测量了两种材料在高效深磨条件下不同工况的磨削力和工件表面粗糙度。对比研究了它们的磨削力、比磨削能和磨削力比随磨削用量变化的特征，对它们反映出的材料去除机理和磨削力的形成机理进行了探讨，并推导了粘附条件下TC4钛合金高效深磨磨削力的数学模型；对比磨削能的特征、形成及磨削功率的消耗也进行了研究；分别采用传统BP神经网络和进化神经网络建立了工件表面粗糙度的预测模型，并对两者的预测结果作出了分析和比较。通过研究发现，高效深磨条件下，单位面积磨削力受磨削用量影响较大。单位面积磨削力、比磨削能与最大未变形切屑厚度、当量磨削层厚度之间存在一定的对应关系。两种材料的去除方式都以塑性去除为主，且在工作台速度和切深较大的情况下材料主要以滑擦和耕犁的形式被去除，两种材料因其本身性质的不同在磨削力、比磨削能上存在差异。采用金刚石砂轮可以进行TC4钛合金的高效深磨，相比金刚石砂轮，CBN砂轮显得更适于钛合金磨削。G.Werner建立的磨削力数学模型对TC4钛合金高效深磨也有普遍的意义。单位宽度磨削功率与单位宽度的磨粒耕犁面积存在一定的线性增长关系。基于遗传算法的进化神经网络在收敛速度和预测精度方面明显优于传统BP神经网络，且有效的避免了局部极小，在工程中有较高的实用价值。关键词：钛合金；高效深磨；工艺试验；质量预测TC4钛合金高效深磨工艺试验研究及其磨削质量预测IIAbstractTitaniumalloyarebecomingpopularmaterialsinmanyareasfortheirhighperformancessuchashighspecificstrength,goodcorrosionresistance,antimagneticcapability,highthermalenduranceandfatigueresistance.Buttheirhighperformancesalsomakesthemdifficulttogrind.Itwillmakesomeproblemssuchashighabrasiveforceandgrindingtemperature,adherence,badwearance,ifsomegeneralwayshasbeenusedtogrindtitaniumalloy.So,newadvancedgrindingmethodsareneededurgentlytoimprovemachiningproductivityandgrindingsurfaceintegrality.Highefficiencydeepgrinding(HEDG)referstoanadvancedmoderngrindingprocess,whichutilizesthehighorultra-highgrindingspeedstoachievetheunimaginablehighgrindingefficiency,highgrindingratioandalsosatisfactorysurfacequality.Ithasbroughtthetraditionalgrindingtechnologytoarevolutionarystageandrevealeditsdeephiddendevelopingpossibilitiesandprosperousapplicationvista.IthasgreathelpaboutHEDGinapplicationtothegrindingoftitaniumalloyforwideningitsrangeofapplicationandsearchingnewefficiencywaystogrindingtitaniumalloy.Basedontheexperimentsabouthighefficiencydeepgrinding40Crsteel,systemicexperimentswasdoneaboutgrindingTC4titaniumalloyunderthehighefficiencydeepgrindingcondition.IntheexperimentsthegrindingforceandworkpiecesurfaceroughnessoftwomaterialsintheconditionofHEDGweremeasuredbychangethegrindingconditions.Theauthordiscussedtheeffectofvariousparametersongrindingforce,specificgrindingenergy,grindingforceratio,studiedtheindicatedmaterialremovalmodesandforceformationmechanisms,alsodevelopthemathematicalmodelofthehighefficiencydeepgrindingforceoftheTC4titaniumalloyintheconditionofadherence.Then，theresearchaboutthecharacteristics,formationofspecificgrindingenergyandtheconsumptionofgrindingpowerwascarriedout.Atlast,thepredictionmodelofworkpiecesurfaceroughnesswasmadebyusingtraditionalBPneuralnetworkandevolutionaryneuralnetworks.Theresultsofusingdifferentwayswasanalyzedandcompared.Theresultsindicatedthatthegrindingconditionshavegreateffecttounitareagrindingforceandunitareagrindingforce,specificgrindingenergycorresponding硕士学位论文IIItothemaximumundeformedchipthicknessandtheequivlentcuttingthicknesswell.Theremovalmodesoftwomaterialsaremainlyplasticandthematerialsareremovedbyglidingandploughingwhenthegreatgrindingdepthandhighworkpiecevelocityareapplied.Therehasdifferenceingringingforceandspecificgrindingenergybecauseoftheirmechanicalproperties.DiamondwheelcanbeusedtohighefficiencydeepgrindTC4titaniumalloy,butCBNwheelismuchbetteringrindingit.ThegrindingforcemodelofbuiltbyG.WernerisalsoprevalentintheTC4titaniumalloyhighefficiencydeepgrinding.Theresultsalsoindicatedthatgrindingpowerperunitwidthmonotonouslyincreaseswiththegrainploughareaperunitwidth.EvolutionaryneuralnetworksbasedgeneticalgorithmisobviouslybetterthantraditionalBPneuralnetworkinthefieldofconvergencerateandaccuracyofpredictions.Itcaneffectivelyovercometheproblemoffallingintolocalminimumpointandhavegreatusevalueintheengineering.Keywords：Titaniumalloy;Highefficiencydeepgrinding;Processexperimental;Qualityprediction湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：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学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密□，在______年解密后适用本授权书。2、不保密□。（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日√硕士学位论文1第1章论文研究背景及意义1.1论文研究及选题背景随着工程技术和工业生产的不断发展，人们对机械产品及其零部件使用性能的要求越来越高，如要求材料比强度高，耐高温，热强性高，能承受复杂应力以及耐腐蚀等，为此，许多零部件采用了新型材料来进行制造。在这些新型材料当中，许多是难加工材料，例如高温合金、钛合金、超高强度钢、硬质合金、复合材料等。它们具有一系列优良的物理机械性能，因此在航空、航天、航海、石油、化工等工业部门中得到了广泛的应用。钛及其合金不仅比强度高，有着优异的抗腐蚀性能，而且无磁性、耐热性能好，疲劳强度高，某些钛合金还具有超导性、记忆效应等特性，因此其应用范围不断扩大，钛制机械设备和零件的种类也日益增多。在航空航天工业，钛合金被应用于制造军用飞机发动机关健部件和其它零部件，并相应地被用于导弹、人造卫星、宇宙飞船，大大改善和提高了飞机和各种飞行器的性能，诸如美国“黑鸟”侦察机80%零部件采用钛合金，第四代战斗机的典型代表F22所使用的材料中41%为钛合金，故钛合金以“空中金属”而著称。在化学化工领域，钛合金被制成各种大型化工设备，如合成塔、反应器、换热器以及离心机、泵、阀、压缩机的一些零部件。自20世纪80年代以来，钛合金更是以“海洋金属”而崛起，在海洋化工、海水淡化、海洋能源开发、海洋石油钻探及其它深海工程中显示了优异的性能和巨大的潜力，成为难以替代的海洋工程金属。此外，在医疗领域，钛及钛合金以