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磨料水射流切割钛合金的实验研究

作　者: 王永韦
导　师: 雷玉勇
学　校: 西华大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 钛合金磨料水射流表面粗糙度正交试验回归分析
分类号: TG48
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

钛合金是一种具有非常显著的抗腐蚀性、比强度高、耐高温、质量轻、无毒、无磁性等优良特性的材料。目前被广泛应用于航天、汽车、化工等领域，并创造着巨大的经济和社会效益，在国民经济和国防中发挥着重要作用。但由于其存在导热系数低、塑性差、硬度低、切削加工性能差，采用传统的机械切割方式加工极为困难、生产成本高、周期长，且切割时会产生大量的烟雾，危害操作者身体健康。长期以来钛及钛合金的应用受到了很大程度的制约，如何实现钛及钛合金的绿色高效的切割加工成为其推广应用中亟待解决的问题。因此，研究钛合金的切割加工技术具有十分重要的理论意义和实际应用价值。磨料水射流技术作为唯一一种“软、冷”切割加工方式的技术，是近几十年来得以快速发展的一项新型特种加工技术。与其他加工方式相比，磨料水射流技术对难加工材料如陶瓷、石材、不锈钢、玻璃、钛合金等具有显著的优势，且容易实现精加工，一般不需要二次加工。本文应用磨料水射流技术，以钛合金中应用最普遍以及最难加工的Ti-6Al-4V（简称TC4）为研究对象，对磨料水射流切割加工钛合金材料的可行性进行了实验研究，同时论文对磨料。水射流切割加工钛合金的宏观表面特征、切割加工参数对其加工能力和加工质量（切割断面表面粗糙度为衡量指标）的影响进行了研究。论文还对电火花线切割钛合金进行了切割实验研究，并与磨料水射流切割钛合金进行了对比实验研究，深入研究两者对工件产生的微观影响。实验结果表明，电火花线切割加工过程中温度高，加工效率低且多次发生断丝现象，切割表面产生氧化层，表面有裂痕产生，严重影响了工件的加工质量。相比之下，磨料水射流切割钛合金效率高，表面有显著的微观切痕，平均工作温度不高于100℃，不会对材料的内部组织产生影响。本文采用正交实验法，极差分析法对磨料水射流切割钛合金时的主要工艺参数进行了优化组合。研究分析显示：当钛合金工件厚度为7.53mm、质量水平指数为5时，若以切割断面顶部表面粗糙度为衡量指标，工艺参数最佳水平组合为：射流压力为210MPa；喷嘴组合为：0.25:0.76mm；当钛合金工件厚度为13.52mm、质量水平指数为5时，若以切割断面底部表面粗糙度为衡量指标时，工艺参数最佳水平组合为：射流压力为240MPa；喷嘴组合为：0.25:0.76mm。论文采用多元线性回归分析方法，利用Matlab语言,分别建立磨料水射流切割钛合金的切割断面顶部和底部表面粗糙度（Ra）的预测模型。切割断面顶部表面粗糙度(R_a1)模型为R_a1=1.3516×p^0.2999×d_f^0.6371×q^-0.2979×T^-0.2129；底部表面粗糙度(R_a2)模型为R_a1=1.3516×p^0.2999×d_f^0.6371×q^-0.2979×T^-0.2129随机选取9组能代表机床性能的工艺参R_a2=4.5006×p^0.1565×d_f^0.9679×q^-0.5184×T^-0.0708随机选取9组能代表机床性能的工艺参数进行切割实验，并将预测值和实际值进行比较。结果显示，相对误差均≤10%，说明该理论模型对基于磨料水射流技术切割钛合金材料，合理选取各工艺参数具有参考价值。本论文对磨料水射流加工技术的推广以及钛合金的开发应用具有重要的理论意义和实用价值。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-20
  1.1 引言  10
  1.2 水射流加工技术的分类  10-11
  1.3 水射流切割的特点  11-14
  1.4 水射流技术的发展概况  14-15
  1.5 钛合金加工技术  15-18
  1.6 磨料水射流加工钛合金研究国内外现状和发展趋势  18-20
    1.6.1 国内现状  18
    1.6.2 国外现状  18
    1.6.3 发展趋势  18-19
    1.6.4 本论文研究的主要内容  19-20
2 磨料水射流切割技术  20-36
  2.1 磨料水射流工作原理  20-23
  2.2 磨料水射流切割机理  23-30
    2.2.1 磨料水射流切割系统  23-25
    2.2.2 磨料水射流的切割过程  25
    2.2.3 磨料水射流切割特性  25-30
  2.3 多轴水射流切割机床的研究  30-35
    2.3.1 虚拟样机模型的建立  31-32
    2.3.2 数学模型的建立  32-33
    2.3.3 运动学仿真分析  33-34
    2.3.4 机械臂坐标补偿  34-35
  2.4 本章小结  35-36
3 磨料水射流切割钛合金的实验研究  36-58
  3.1 实验方案设计  37-38
  3.2 实验装置及基本条件  38-43
    3.2.1 磨料水射流机床  38-39
    3.2.2 检测装置  39-40
    3.2.3 钛合金的机械性能  40-42
    3.2.4 加工参数的选择  42-43
  3.3 切割钛合金实验研究  43-54
    3.3.1 实验步骤  43
    3.3.2 切割实验结果观察与分析  43-44
    3.3.3 磨料水射流切割工件表面形貌  44-45
    3.3.4 切割试件锥度的影响  45-46
    3.3.5 磨料水射流切割钛合金表面粗糙度  46-49
    3.3.6 切割参数对表面质量影响  49-54
  3.4 表面粗糙度模型  54-55
  3.5 本章小结  55-58
4 磨料水射流切割钛合金加工质量回归分析  58-67
  4.1 磨料水射流切割工艺参数优化的实验设计  58-60
    4.1.1 实验数据及优化目标  58-59
    4.1.2 工艺参数优化正交表水平的数据个数相同  59-60
  4.2 磨料水射流切割钛合金工艺参数优化及分析  60-63
    4.2.1 实验结果的极差分析  60-61
    4.2.2 影响指标的主次顺序  61-62
    4.2.3 确定参数的最优水平组合  62-63
  4.3 磨料水射流切割钛合金模型  63-65
    4.3.1 磨料水射流切割钛合金模型建立  63-64
    4.3.2 磨料水射流切割钛合金的回归方程  64-65
  4.4 本章小结  65-67
5 磨料水射流切割钛合金回归模型的误差分析  67-70
  5.1 实验验证  67
  5.2 误差分析  67-69
  5.3 本章小结  69-70
6 结论和建议  70-73
  6.1 结论  70-71
  6.2 建议  71-73
参考文献  73-75
攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果  75-76
致谢  76-77

磨料水射流切割钛合金的实验研究

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