16Co14Ni10Cr2Mo超高强度钢铣削加工切削力仿真与实验研究

为了获得超高强度钢铣削过程中切削力的变化规律,分别基于有限元仿真软件ABAQUS和DEFORM,建立了16Co14Ni10Cr2Mo超高强度钢铣削加工有限元仿真模型并进行了模拟仿真和铣削验证实验,研究了刀具几何参数和铣削参数对切削力的影响规律。结果表明:切削力随前角增大而降低,随后角增大变化不大,其中前角影响较为显著;切削力随铣削速度增大而减小,随每齿进给量、铣削深度和铣削宽度的增大而增大,其中铣削深度和铣削宽度影响较为显著。刀具几何参数的最佳取值范围为:前角6°~8°,后角12°~14°。     

纤维夹角和铣削参数对CFRP铣削力的影响

为探索CFRP铣削加工中出现的分层、崩边等表面缺陷形成机理,对CFRP进行铣削加工实验。基于单因素实验法获得了纤维夹角对CFRP铣削力的影响规律,基于中心复合曲面设计,获得了硬质合金刀具铣削CFRP过程中铣削速度、每齿进给量和铣削深度对铣削力的影响规律,并构建了铣削力的预报模型。实验结果表明:纤维夹角在0°～90°,铣削力随纤维夹角的增大而降低,而在90°～180°,铣削力随纤维夹角的增大而增大。f_z和a_e对三个方向铣削力影响都较为显著。v_c对y向和z向铣削力影响较为显著,而对x向铣削力影响不显著。铣削力随三个铣削参数的升高而增大,其中每齿进给量对铣削力影响最大。     

单向CFRP螺旋铣削力建模

螺旋铣削加工工艺具有降低轴向力,改善排屑、散热条件等优点,螺旋铣削力是其重要过程指标之一。对单向CFRP螺旋铣削力建模方法展开研究,预测给定加工参数下的螺旋铣削力。首先,通过对螺旋铣削过程进行运动学分析和切屑几何分析,建立了螺旋铣削过程中侧刃、底刃动态切屑层模型,纤维切削方向角度模型和动态切削力计算模型。然后,分别通过侧刃直线槽铣实验和底刃半齿插铣实验,对各个切削方向角度下侧刃、底刃切削力系数进行了标定,并利用人工神经网络对切削力系数进行拟合。最后,将标定所得的切削力系数代入动态切削力计算模型中,建立了单向CFRP螺旋铣削过程动态切削力预测模型,并通过实验验证了模型的准确性。与现有模型相比,该模型不仅能够预测刀具螺旋运动周期内的切削力变化情况,还可以对每个刀具自转周期内的细节进行预测,通过考虑纤维切削方向角度对切削力系数的影响,反映了单向CFRP材料的各向异性,较为准确地预测了螺旋铣削力。     

CFRP三维铣削仿真模型的建立及层间损伤分析

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有层间结合强度低、各向异性等特点,切削过程中易产生层间损伤。为了对CFRP铣削加工过程中的层间应力、层间损伤进行研究,建立了复合材料三维铣削仿真模型。该模型在结构上采用等效均质建模,层内单元利用VUMAT子程序建立了三维Hashin起始失效准则以及损伤演化过程模型,层间采用Cohesive单元连接以模拟层间损伤的产生及扩展。通过与实验切削力数值的比较,验证了仿真模型的准确性。利用该模型分析了切削力、层间应力及层间损伤随纤维方向角(0°、45°、90°、135°)的变化规律。结果表明:铣削过程加工损伤主要集中在近工件表面。铣削力、层间应力、层间损伤受纤维方向角的影响,纤维方向角为90°与135°时,轴向铣削力较大,层间应力与层间损伤均随纤维方向角的增加而增大,纤维方向角为135°时,层间应力最大,层间损伤最严重。     

Ti6Al4V钛合金大进给铣削切削力与切削温度的试验研究

采用可转位涂层硬质合金刀具对Ti6Al4V钛合金进行了大进给铣削试验,研究分析了大进给铣削Ti6Al4V钛合金时每齿进给量、切削速度、轴向切深以及径向切深等切削参数对切削力和切削温度的影响。研究结果表明,随着每齿进给量和轴向切深的增加,切削力均呈现增大的趋势,而切削速度和径向切深对削力的影响并不明显;随着每齿进给量和切削速度的提高,切削温度亦呈现升高的趋势。     

刀具织构轮廓对碳纤维增强复合材料面下损伤影响的切削仿真研究

为减小碳纤维增强复合材料（CFRP）加工时的面下损伤深度,创建了基于二维Hashin准则的宏观连续动态切削CFRP有限元模型,分析了切削力和面下损伤深度与纤维方向角之间的变化趋势,通过引入织构刀具来降低切削力及面下损伤深度,比较了沟槽形织构刀具、圆形织构刀具、三角形织构刀具切削CFRP的切削力和面下损伤。结果表明,不同织构刀具的切削力和面下损伤深度随纤维方向角变化趋势一致,均在0°时最小,90°达到最大值;织构刀具相对传统无织构刀具切削CFRP时均降低了切削力和面下损伤深度,其中圆形织构刀具降低程度最大;仿真模型经实验验证准确有效。     

纤维方向角对超低温冷却石英纤维复合材料铣削性能的影响

石英增强聚酰亚胺树脂基复合材料是一种非均匀的各向异性材料,其加工性能高度依赖于纤维铺层方向与加工进给方向所成角度,即纤维方向角。本文通过一系列不同纤维方向角的干切削和超低温冷却铣削实验,研究了纤维方向角对表面形貌、表面粗糙度、铣削力及刀具磨损的影响。结果表明:不同纤维方向角,剪应力形式不同,切削断屑形式也不同。纤维方向角为锐角时铣削表面质量均良好,但当纤维方向角增大到90°时,切削表面质量下降,切削力变化幅度增大。相同铣削时间内,在干切削工况下,刀具磨损严重,涂层脱落面积约为测量面积的70%;而在低温切削工况下,涂层未遭到严重破坏,刀具仍处于稳定磨损阶段,刀具耐用度优于干切削工况。     

不同纤维方向角时碳纤维增强树脂基复合材料切削力建模

碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）切削中,存在纤维断裂、基体失效和界面相失效等多个过程,且不同纤维切削角时切屑形成机理不同,因而CFRP切削力的有效预测非常困难。对此本文结合最小势能原理和Winkler弹性地基梁理论,基于CFRP代表性单元（RVE）,利用其微元求解纤维挠曲变形方程,分别分析了不同纤维方向角时三个切削变形区的力学行为,并完成纤维临界损伤长度的预测,最终形成不同纤维方向角时的CFRP切削力解析模型。通过CFRP直刃铣刀铣削实验,进行了切削力模型的验证,当纤维方向角在0°~180°时,切削力计算值和实验值随纤维方向角的变化趋势相吻合,切削力大小误差在15%以内。切削力随纤维方向角的增大先增后减,分别在90°和45°附近转变变化趋势。切削形貌表明,纤维方向角为135°时,CFRP铣边加工质量较差,临界损伤长度也较大。建立的切削力解析模型可以较为准确地预测CFRP正交切削力,可为CFRP切屑形成中的力学行为分析提供理论指导。     

Inconel 718车削过程中刀具涂层材料和几何参数对切削力的影响研究

基于Deform 2D仿真软件建立了Inconel 718高温合金车削的有限元模型,对车削过程进行了仿真分析,获得了刀具涂层材料和刀具几何参数对切削力的影响规律。研究结果表明:Inconel 718车削过程中,采用涂层刀具时切削力无明显降低;切削力随前角增大而降低,随后角增大变化不大,随刀尖圆弧半径增大而升高,其中前角和刀尖圆弧半径影响较为显著;根据Inconel 718的切削加工性,建议Inconel 718精车时刀具几何参数的取值范围为:前角6°~8°,后角12°~14°,刀尖圆弧半径0.2~0.4mm。     

T800碳纤维增强复合材料精密切削加工机理

以正交切削试验为手段,研究T800 CFRP在小切削余量条件下的切削加工过程和表面形成规律,深入探讨了CFRP在精密切削加工中的切削取向、切削参数范围以及刀具刃口钝圆半径等几个关键问题。试验结果表明:CFRP在切削加工中表现出极为显著的各向异性,切削取向非常重要,0°和135°两个纤维方向上获取了较小的切削力,0°和90°两个纤维方向上形成了较为光滑、平整的表面质量。在精密削CFRP的场合,为获得较小的切削力并得到较好的加工表面质量,0°纤维方向角是最佳切削方向,切削速度应达到200 m/min以上,要选择较小的刀具刃口钝圆半径,切削厚度应大于刀具刃口钝圆半径。     

基于零厚度内聚力单元单向碳纤维增强树脂基复合材料微观切削机理研究

为探究碳纤维复合材料(CFRP)微观切削机理,通过有限元法,采用零厚度内聚力单元模拟界面相,碳纤维建模呈圆柱状并随机分布于基体中,以此来真实反应CFRP的微观结构。通过对各组成相设置不同的材料本构、材料失效和演化准则,对4种典型角度(0°、45°、90°、135°)进行直角切削仿真,探究不同纤维角度下单向碳纤维增强树脂基复合材料(UD-CFRP)在切削过程中的微观切削机理。结果表明:不同纤维角度下CFRP的微观破坏形式不同,切削0°CFRP时破坏主要以界面开裂和纤维折断为主,切削45°和90°CFRP时主要是刀具的侵入破坏,切削135°CFRP时则发生纤维的断裂和沿纤维方向的裂纹,纤维断裂点在刀刃下方。最后,通过实验验证了微观模型的准确性。     

Effects of fiber orientation on tool wear evolution and wear mechanism when cutting carbon fiber reinforced plastics

The aim of the present paper is to reveal the influence of different fiber orientations on the tool wear evolution and wear mechanism. Side-milling experiments with large-diameter milling tools are conducted. A finite element (FE) cutting model of carbon fiber reinforced plastics (CFRP) is established to get insight into the cutting stress status at different wear stages. The results show that different fiber orientations bring about distinct differences in the extent, profile and mechanism of tool wear. Severer wear occurs when cutting 45° and 90° plies, followed by 0°, correspondingly, the least wear is obtained when θ = 135° (θ represents the orientation of fibers). Moreover, the worn profiles of cutting tools when θ = 0° and 45° are waterfall edge, while round edge occurs when θ = 135° and a combined shape of waterfall and round edge is obtained when θ = 90°. The wear mechanisms under different fiber orientations are strongly dependent on the cutting stress distributions. The evolution of tool wear profile is basically consistent with the stress distribution on the tool surface at different wear stages, and the extent of tool wear is determined by the magnitude of stress on the tool surface. Besides, the worn edges produce an actual negative clearance angle, which decreases the actual cutting thickness and leads to compressing and bending failure of fibers beneath the cutting region as well as low surface qualities.     

Cutting tool temperature prediction method using analytical model for end milling

Dramatic tool temperature variation in end milling can cause excessive tool wear and shorten its life, especially in machining of difficult-to-machine materials. In this study, a new analyt-ical model-based method for the prediction of cutting tool temperature in end milling is presented. The cutting cycle is divided into temperature increase and decrease phases. For the temperature increase phase, a temperature prediction model considering real friction state between the chip and tool is proposed, and the heat flux and tool-chip contact length are then obtained through finite element simulation. In the temperature decrease phase, a temperature decrease model based on the one-dimension plate heat convection is proposed. A single wire thermocouple is employed to mea-sure the tool temperature in the conducted milling experiments. Both of the theoretical and experi-mental results are obtained with cutting conditions of the cutting speed ranging from 60 m/min to 100 m/min, feed per tooth from 0.12 mm/z to 0.20 mm/z, and the radial and axial depth of cut respec-tively being 4 mm and 0.5 mm. The comparison results show high agreement between the physical cutting experiments and the proposed cutting tool temperature prediction method.     

航空铝合金铣削加工中切削力的数值模拟研究

为了弥补当前斜角切削数值模拟多采用直线刀刃的不足,结合立铣加工的实际情况,提出了适合立铣加工的螺旋齿单刃斜角切削有限元模型,进而对航空铝合金7050-T7451进行了铣削加工切削力的数值模拟研究,得到了切削力值。通过铣削力实验测得了同样切削条件下的铣削力值,数值模拟结果与实验值比较吻合,从而证明所建立的有限元模型是正确的,可用于预报铣削力值。铣削加工切削力的数值模拟研究为航空铝合金切削加工的工艺参数优化、刀具的合理选择及其优化设计奠定了基础,同时也为进一步有效控制整体结构件的加工变形提供了新的研究手段。     

基于响应曲面法的高速内冷铣削AISI304不锈钢铣削力

针对硬质合金刀具高速内冷铣削AISI304不锈钢时,切削力大、切削温度高及加工表面质量低的问题。基于响应曲面中心复合设计方法进行高速内冷铣削实验,建立了铣削力分量二阶回归预测模型,并进行了实验验证。对比了干式与内冷铣削后的加工表面质量,分析了铣削参数对铣削力分量的影响规律,以铣削力分量最小为目标优化了铣削参数。结果表明:进给力和径向力的预测值与实验值的误差分别为4. 77%和6. 16%;内冷铣削的Ra为0. 193～0. 327μm;对铣削力分量的影响是铣削深度转速进给量,随着铣削深度和转速的增加,进给力先升高后降低,径向力逐步增加,铣削深度与转速的交互作用对进给力和径向力的影响显著;转速11 643. 63 r/min、铣削深度1 mm、进给量0. 08 mm/r为最优铣削参数组合。