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。     

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。     

碳纤维复合材料高速开槽铣削试验研究

针对碳纤维复合材料加工常用的开槽切削进行了高速铣削试验,对切削力进行了检测并在此基础上进行了经验公式回归分析,分析了转速、进给速度、切深对切削力的影响及正反螺旋对切削棱边毛刺的影响。     

GFRP铣槽加工铣削力及表面粗糙度研究

铣槽是复合材料较常用的机械加工形式之一。为研究玻璃纤维增强复合材料(Glass Fiber Reinforced Plastic,GFRP)铣槽加工中各加工参数对铣削力和表面粗糙度的影响,开展了以主轴转速、进给速度和轴向切深为因素的正交试验,研究铣削力和表面粗糙度的变化规律。并用Matlab软件对铣削力和表面粗糙度的试验数据进行回归分析,建立了铣削力和粗糙度的经验公式,最后通过试验验证铣削力和表面粗糙度经验公式的正确性。结果表明:轴向切深对铣削力影响最大,其次是主轴转速,进给速度对铣削力影响最小;主轴转速对粗糙度的影响最大,其次是进给速度,轴向切深对粗糙度的影响最小。试验结果与铣削力、表面粗糙度经验公式算得的数值对比,误差范围都在20%以内。     

立铣切削力分类研究及精确铣削力模型的建立

 提出了一种根据切削力变化曲线的形状特征精确建立铣削力预测模型的方法。以立铣加工过程为研究对象，基于静力模型，研究铣削力的变化规律和切削用量的关系，总结了6种不同切深组合下的铣削力类型并分别给出理论的切削力随刀具旋转的变化曲线图，基于切削力交叠程度又将切削力细分为10类。在此基础上通过定义切削力分析指标，得到了基于切削力曲线形状特征的实际切深的计算方法。根据理论分析结果，提出在不同切深组合下分别建立铣削力模型的观点，实际切深的应用使得模型更加精确,更重要的是根据该切削力分类来组织试验，针对性加强，试验数据更可信。通过合理安排试验，验证了该理论的正确性。     

钛合金薄壁件铣削过程有限元仿真分析

钛合金薄壁件铣削过程中,刀具角度对铣削过程中的工件变形、铣削力、铣削振动等影响显著。为减轻刀具磨损延长刀具寿命,通过ABAQUS软件建立钛合金Ti6Al4V薄壁件铣削过程仿真模型,以铣削力和铣削温度为评价指标,采用单因素和正交法分析了刀具前角、后角及螺旋角对铣削力和铣削温度的影响规律,并对铣削力仿真结果进行试验验证。仿真结果表明:前角增大,铣削力减小,铣削温度呈波动趋势变化;后角增大,铣削力减小,铣削温度先减小后增大;螺旋角增大,最大轴向力增大,最大切向力缓慢减小,最大径向力基本不变,铣削温度先减小后增大。通过正交试验和极差分析,明确不同因素对指标影响程度的主次顺序和因素的最优水平组合。     

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。     

基于经验公式的铣削加工切削力建模研究现状与展望

铣削加工技术是加工航空航天中薄壁件及复杂曲面零件的关键技术之一,可以实现复杂曲面零件高精度、高质量及高效率成形。作为铣削加工的重要现象之一,切削力直接影响刀具的磨损、变形,以及工件的加工效率和质量,为了能够更好地利用切削技术,有必要对切削力的预测进行回顾分析研究。作为铣削力预测技术的关键手段,基于经验的铣削力模型被广泛应用。因此,本研究总结分析了当前关于基于经验的切削力预测技术,综述了切削力系数、未变形切屑厚度、刀具跳动和变形对切削力的影响规律,以期对切削加工质量提供有益参考,最后对该领域未来研究的方向进行了思考。     

7075铝合金高速加工铣削力的试验研究

通过对7075铝合金的高速铣削试验,研究了铣削速度的变化对铣削平面内铣削合力、最大切向力、最大法向力和轴向力的影响.     

CFRP铣削有限元模型建立及切削力仿真分析

为探索碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)铣削加工过程中切削力与工艺参数之间的映射关系,建立CFRP铣削加工有限元仿真模型并对切削力进行分析。基于ABAQUS软件通过定义材料属性、材料失效模型、纤维铺层数和纤维方向建立了CFRP铣削加工二维有限元仿真模型,并对该模型进行了实验验证。基于该模型,分析了切削力与纤维方向角、铣削速度、每齿进给量和刀具前角等工艺参数之间的映射关系。仿真结果表明:纤维方向角从0°增大到90°,切削力呈现降低趋势,而纤维方向角从90°增大到180°,切削力呈现增大趋势。随着切削速度和每齿进给量的增大,切削力随之增大,而随着刀具前角增大,切削力随之减小。     

Analytical model of cutting force in axial ultrasonic vibration-assisted milling in-situ TiB2/7050Al PRMMCs

Ultrasonic vibration-assisted milling has been widely applied in machining the difficult-to-cut materials owing to the remarkable improvements in reducing the cutting force. However, analytical models to reveal the mechanism and predict the cutting force of ultrasonic vibration-assisted milling metal matrix composites are still needed to be developed. In this paper, an analytical model of cutting force was established for ultrasonic vibration-assisted milling in-situ TiB₂/7050Al metal matrix composites. During modeling, change of motion of the cutting tool, contact of tool-chip-workpiece and acceleration of the chip caused by ultrasonic vibration was considered based on equivalent oblique cutting model. Meanwhile, material properties, tool geometry, cutting parameters and vibration parameters were taken into consideration. Furthermore, the developed analytical force model was validated with and without ultrasonic vibration milling experiments on in-situ TiB₂/7050Al metal matrix composites. The predicted cutting forces show to be consistent well with the measured cutting forces. Besides, the relative error of instantaneous maximum forces between the predicted and measured data is from 0.4% to 15.1%. The analytical model is significant for cutting force prediction not only in ultrasonic-vibration assisted milling but also in conventional milling in-situ TiB₂/7050Al metal matrix composites, which was proved with general applicability.     

铣削加工参数对SiCp/Al复合材料表面粗糙度的影响

文摘SiC_p/Al复合材料在切削加工中存在严重的表面质量问题。本文设计单因素试验,采用硬质合金涂层刀具对SiC_p/Al复合材料进行铣削加工,研究了加工参数对表面粗糙度的影响。结果表明:表面粗糙度随切削速度的增大先增大后减小,随进给量、径向切深、轴向切深的增大而增大;使用较大的切削速度、较小的进给量和不大于4 mm的径向切深能获得较好的加工表面质量。     

切削参数对SiCp/Al复合材料铣削棱边形貌的影响

针对20vol%的SiC_p/Al复合材料的棱边缺陷问题,利用单因素实验对其进行面铣,研究了切削参数对出口棱边形貌的影响。研究结果表明:出口棱边形貌受铣削速度变化的影响较大,在低速(40和80 m/min)和高速(200 m/min)时棱边形貌均较好;当进给量为0.02和0.04 mm/r时,出口棱边主要存在毛刺。随着进给量的不断增大,棱边出现了严重的缺陷和表层剥落,之后棱边又以少量的毛刺和缺陷为主。当只改变轴向切深时,出口棱边均会出现严重的缺陷,只改变轴向切深对改善棱边形貌质量效果不显著。因此,当铣削速度为低速或高速、进给量较小且轴向切深适中时,SiC_p/Al才能获得较好的出口棱边形貌。     

Modeling high-speed cutting of SiCp/Al composites using a semi-phenomenologically based damage model

In this paper, we attempts to investigate cutting mechanisms in high-speed cutting of Al6061/SiC_p/15p composites using a semi-phenomenologically based damage model in the equivalent homogeneous material (EHM) framework. By combining macroscale EHM modeling and underlying microscale physical mechanisms, a feasible semi-phenomenological plastic model is proposed for prediction of cutting forces and chip morphology during high-speed turning Al6061/SiC_p/15p composites. This model incorporates the modified Weibull weakest-link effect to represent the strain-based damage evolution in large deformations. This proposed semi-phenomenological constitutive model is implemented by compiling material subroutines into cutting finite element (FE) codes. The effects of the critical shear stresses on chip formation that depend on the tool-chip frictional coefficient are accounted for in the cutting FE model. The chip formation mechanism affecting material removal behaviors during high-speed turning is further investigated. The capabilities of the proposed constitutive model are evaluated by comparing cutting forces and chip morphologies between experiments and simulations at different cutting speeds associated with strain rates. The EHM-based and microstructure-based models are further compared in both computational efficiency and accuracy. The simulation results show that the developed semi-phenomenological constitutive formalism and cutting model are promising and efficient tools for further investigation of dynamic mechanical and cutting behaviors of particle-reinforced composites with different volume fraction and particle size.     

Cutting path-dependent machinability of SiCp/Al composite under multi-step ultra-precision diamond cutting

Particle-tool interactions, which govern the synergetic deformation of SiC particle reinforced Al matrix composites under mechanical machining, strongly depend on the geometry of particle position residing on cutting path. In the present work, we investigate the influence of cutting path on the machinability of a SiCp/Al composite in multi-step ultra-precision diamond cutting by combining finite element simulations with experimental observations and characterization. Be consistent with experimentally characterized microstructures, the simulated SiCp/Al composite is considered to be composed of randomly distributed polygonally-shaped SiC particles with a volume fraction of 25vol%. A multi-step cutting strategy with depths of cut ranging from 2 to 10 μm is adopted to achieve an ultimate depth of cut of 10 μm. Intrinsic material parameters and extrinsic cutting conditions utilized in finite element simulations of SiCp/Al cutting are consistent with those used in corresponding experiments. Simulation results reveal different particle-tool interactions and failure modes of SiC particles, as well as their correlations with machining force evolution, residual stress distribution and machined surface topography. A detailed comparison between numerical simulation results and experimental data of multi-step diamond cutting of SiCp/Al composite reveals a substantial impact of the number of cutting steps on particle-tool interactions and machined surface quality. These findings provide guidelines for achieving high surface finish of SiCp/Al composites by ultra-precision diamond cutting.     

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。     

钛合金螺旋铣孔孔径偏差研究

螺旋铣孔是航空航天领域新出现的制孔技术,其切削过程中会产生径向切削力,从而引起刀具变形并造成孔径偏差。针对该问题开展了钛合金螺旋铣孔孔径偏差试验,分析了包括进给方向在内的不同加工参数对孔径偏差的影响规律;基于螺旋铣孔运动学原理对不同进给方向下的材料去除过程和径向切削力方向进行了研究,分析了不同进给方向下的孔径偏差变化规律及形成原因,并设计切削力试验进行了验证;通过分析不同加工参数下的未变形切屑形状及径向切削力变化情况,研究了各加工参数对孔径变化趋势的影响规律。研究结果表明,当进给方向为顺时针时,刀具受背离孔心的径向切削力的作用向孔径外侧发生挠曲变形,导致所加工孔径大于理论孔径;当进给方向为逆时针时则相反。进给速度和导程的增加将加剧孔径偏差,切削速度的增加则会减弱孔径偏差。     

高体积分数SiCp/Al复合材料高温压缩界面研究

采用无压浸渗制备出高体积分数SiCp/Al多功能复合材料。对该复合材料进行了高温(高于基体熔点)压缩实验。利用XRD和TEM观察了SiCp/Al复合材料的界面结构,分析了高温压缩对复合材料界面的影响,研究了复合材料的复合机理。结果表明:高温压缩后的SiCp/Al复合材料的界面过渡层连续且厚度均匀,过渡层宽度减小了一个数量级;复合材料SiCp/Al界面结合机制包括扩散、位向和反应结合机制,复合材料SiCp/Al界面的这些结合机制,导致了增强相与基体之间很强的界面结合;复合材料的断裂方式为颗粒断裂,SiC增强颗粒与Al基体结合良好。