高速干切削工件表面残余应力分析

建立了金属正交切削的热力耦合有限元模型,对难加工材料GH4169进行非稳态的干切削加工模拟,得到卸载后不同切削速度下工件表面应力场、温度场的分布。分析了不同切削速度下工件残余应力的分布规律以及对工件抗疲劳性能的影响。结果表明,随着切削速度的增大,工件表层的残余拉应力整体上呈现增大的趋势,但在表层迅速下降转化为压应力,并在100~140μm处出现峰值,然后逐渐减小,并且随着切削速度的增大压应力层有向内部深入的趋势,这有利于提高工件的抗疲劳性能,为高速干切削难加工材料的工艺研究提供了参考依据。     

BTA 深孔钻削切屑变形与刀齿切削力分布规律仿真

采用ABAQUS有限元分析软件,建立了错齿BTA钻头钻削环状工件单元切削仿真模型,以45#钢为工件材料,对错齿BTA钻头各刀齿切削不同直径的环状工件进行了模拟仿真,分析了钻削过程中错齿BTA钻头各个刀齿切屑的形成过程与变形特点,研究了环状单元切削力三分量随工件半径的受力分布规律.结果表明,错齿BTA钻头各刀齿切削力分量呈现出随半径增大而增大的非均匀分布规律,并且切削速度和进给量对切削力分布规律几乎没有影响.     

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。     

基于残余应力分布的框类零件装夹方案优选的有限元模拟

 非均匀分布的残余应力是引起工件变形的主要原因。为了揭示装夹方案对残余应力的影响,利用有限元技术模拟了工件加工过程中不同的装夹方案,并分析了模拟结果。结果表明,装夹位置对残余应力分布具有重要影响,而装夹顺序对残余应力的分布和幅值无较大影响。通过进一步对比分析各种装夹方案中残余应力引起的工件变形得出结论:夹具分布较平均的装夹方案可获得比较均布的残余应力和较小的变形。     

氮化硅陶瓷切削仿真与实验

针对金刚石砂轮磨粒尺寸、形状的不规则性和空间位置不确定性的特点,采用球坐标中随机点产生的空间平面切分实体和截角多面体相结合的方法,并考虑氮化硅陶瓷工件的磨削亚表面形貌和裂纹损伤,建立了截角多面体磨粒和含有典型裂纹的工件模型。进行单颗磨粒切削氮化硅陶瓷的有限元仿真和实验,结果表明:磨削加工和数值仿真的磨削力值变化趋势相同,差值小于8%,切削力随砂轮转速增大而减小、随工件速度和切削深度增大而增大,而切削深度对切削力的影响程度最大。     

基于最小加工表面裂纹的TiAl合金铣削参数优化

TiAl合金以其优异的性能被广泛应用于航空、航天制造领域,但由于TiAl合金自身的物理、化学特性,导致其切削性能较差,加工过程中容易出现工件表面烧伤、表面微裂纹等问题。为了研究TiAl合金铣削加工过程中切削工艺参数对加工表面裂纹的影响规律,设计了TiAl合金切削参数与加工表面裂纹之间的正交试验。结果表明:切削速度对TiAl合金铣削表面裂纹的影响最大,其次是切削深度和切削宽度,每齿进给量对表面裂纹的影响最小。基于遗传算法,以表面裂纹长度为目标函数,优化得到的最优参数组合为:ae=0. 2 mm、ap=0. 2003 mm/z、fz=0. 02001 mm/z、vc=20. 0004 m/min。采用优化后的参数铣削TiAl合金,发现工件表面的实际加工裂纹长度和经过算法优化的裂纹长度相差较小,该优化方法可行性较高,误差较小。     

高速切削超高强度合金钢时次表面层组织特性研究

在切削速度范围157~314m/min内,在23-1析因设计的基础上,对兵器用难加工材料超高强度合金钢进行了高速干式铣削试验。在考查表面特征测量值———表面粗糙度变化规律的基础上,深入分析了加工表面层一定深度内微观金相组织变化规律与显微硬度变化规律。研究结果表明,高速切削超高强度合金钢时,切削用量对工件表面层组织特性有显著影响;高速加工过程对可见表面之下会产生塑性变形堆积层、回火马氏体、过度回火马氏体和回火索氏体等变化;当以较高的切削速度铣削超高强度合金钢时,选择较大的每齿进给量对工件表层金相组织造成的影响较小。     

干式铣削Al-50wt%Si高硅铝合金刀具磨损与表面粗糙度评价

本文以Al-50wt%Si高硅铝合金为研究对象，采用单因素试验方法进行无涂层硬质合金刀具干式铣削试验，分析切削参数对刀具磨损和表面粗糙度的影响。结果表明：表面粗糙度受每齿进给量的影响最显著，随每齿进给量的增加而增加，当每齿进给量从0.07 mm/z增加到0.16 mm/z时，表面粗糙度增加2倍；刀具磨损受切削速度的影响最显著，随切削速度的增加而增加，当切削速度从140 m/min增加到260 m/min时，切削总长度降低3倍，而刀具后刀面磨损量仅是260 m/min速度下的0.8倍；表面粗糙度随刀具磨损的增加呈现先增加后降低的变化趋势，切削长度从350 mm增加到1 750 mm，刀具磨损量平均增加4.5倍，而表面粗糙度却下降2倍；硬质合金刀具主要的磨损形式为磨粒磨损、崩刃。     

直角切削6061-T6铝合金剪切区力学行为及微观结构演化预测

力学行为是塑性变形微观过程的宏观表现,早期的金属切削理论模型没有考虑微观结构对切削力的影响。在考虑热力耦合效应的基础上建立了基于位错密度材料模型的6061-T6铝合金直角切削力预测模型,分析了不同切削参数下基于位错运动的塑性变形机制对切削力的影响。结合等分剪切区和非等分剪切区模型,构建了第一变形区多物理场计算方法,提出一种切屑形成过程中由塑性变形引起的微观结构演化解析模型。通过测量切削力和切屑内晶粒尺寸对模型的可行性进行了初步验证。结果表明：剪切区长度变长引起参与位错滑移的材料增多是切削深度增大导致切削力增大的主要原因。增大切削速度导致切削力的降低不是单一变量影响的结果,而是应变降低引起位错增殖数量减少和温度升高引起位错湮灭作用增加的共同作用结果。非等分剪切区模型正确反映了第一变形区温度和应力的分布特征,且与二维有限元模型分布相一致,建立的第一变形区微观结构演化解析模型能够预测切屑内位错密度和晶粒尺寸。     

FGH97缺口试样基于黏塑性本构的弹塑性响应分析

针对缺口试样在高温条件下局部区域应力应变难于测量的问题,基于光滑试样材料力学性能试验,优化得到550℃粉末高温合金FGH97的Chaboche黏塑性统一本构方程参数,并将其应用到FGH97缺口试样单调拉伸及循环加载弹塑性有限元分析中.研究结果表明:①缺口局部区域进入塑性后其应力分布与弹性条件明显不同,随应力增大,最大应力位置向内移动;②在循环载荷条件下,随着循环数的增加,缺口平分线上应力/应变范围变化不大,缺口根部塑性区域出现明显平均应力松弛,并逐渐趋于稳定,导致缺口根部循环载荷比不同于外部施加载荷;③缺口根部塑性区域逐渐增大,但增大的幅度逐渐降低.该研究可为进一步分析缺口构件疲劳寿命影响因素提供支持.      

旋转条件下切割SiC 单晶片实验研究

通过旋转条件下切割SiC单晶片,分析了切片表面微观形貌特点,研究了线锯速度、工件进给速度和工件转速对切片表面粗糙度与切向锯切力的影响规律。结果表明:增加工件旋转,切片表面平整光滑,沿线锯运动方向没有明显沟槽及凸起,质量明显得到改善;当转速由0增加到12 r/min时,切片表面粗糙度由1.532μm降到0.513μm;线锯速度和工件旋转速度增大、工件进给速度减小,切向锯切力减小,表面粗糙度减小。当线锯速度和工件旋转速度过大,切向锯切力和表面粗糙度反而会有所增加。     

铣削加工透波性Si3N4陶瓷表面质量研究

为了探索透波性Si3N4陶瓷铣削中加工表面创成机理及加工工艺参数对其影响规律,对加工表面形貌和边缘破损特征,以及加工参数与切削力、表面粗糙度、边缘破损的映射关系等开展了试验研究。首先对加工表面形貌进行了分析,由于存在陶瓷粉末去除和破碎性颗粒去除两种形式,造成加工表面形貌结构一种体现为变化平缓,而另一种包含微裂纹、层状结构体等,且存在凹坑、沟槽等缺陷。其次研究了边缘破损形式及产生机理,当刀具运动到出口棱边处,刀尖应力集中处将产生微裂纹,并向工件侧面扩展,从而在加工表面和加工侧面诱导形成边缘破损。最后基于均匀设计试验,分析了工艺条件对加工性能的影响。结果表明:随着切削深度从0. 2增加到0. 5 mm和切削宽度从1增加到4 mm时,x轴切削力呈耦合增长,y轴切削力呈二次方增长;当切削深度和切削宽度分别为0. 2 mm和1 mm、进给速度为500 mm/min时,加工表面粗糙度值最小;转速为2 000 r/min、切削深度和切削宽度最小时,边缘破损幅值最小。此结果可为提高透波性Si3N4陶瓷铣削加工质量提供技术支撑。     

不同刀具车削加工高硅氧玻璃纤维/酚醛树脂切削力研究

为探索高硅氧玻璃纤维/酚醛树脂复合材料的切削加工性能,对该类材料进行大直径薄壁回转类零件的车削加工。采用四种不同刀具进行实验研究,获得了不同切削参数及不同刀具材料对切削力的影响规律。试验结果表明:切削用量三要素中,切削深度对切削力的影响最大,其次是进给量,而切削速度的影响很小。当切削速度为119.32 mm/min、进给量为0.1 mm/r、背吃刀量为0.5 mm时,为最优切削参数。Ti-Al-Si-N纳米涂层硬质合金和超硬材料F2HX无涂层硬质合金刀具适合于低速加工,而PCD刀具则适合于高速加工。     

TC4钛合金切削中切屑塑性变形分析

对TC4钛合金切削过程中锯齿形切屑形成过程和切削力的关系进行了实验研究,并对锯齿形切屑形成中微观塑性变形区进行了分析。结果表明:当切削速度大于48.75 m/min时,切屑由带状转变为锯齿形。锯齿形切屑的形成导致了切削过程中切削力的波动变化,切削力与切屑的锯齿形变化规律一致,锯齿形切屑形成中塑性变形区的宽度随切削速度的增加而减小。     

超高强度钢立铣工件温度分析及对加工表面质量的影响

以航空难加工材料300M钢为研究对象,基于立铣加工中的工件温度判断在铣削加工中是否出现了金相组织转变,进而分析不同工况下影响加工表面质量的因素。首先,将移动热源法应用于铣削加工中,计算考虑后刀面磨损的立铣加工工件温度,实验表明,计算值与实验值相比误差在10%以内。然后,分析了工件温度在时间上与空间上的分布,以及不同刀具磨损和加工参数条件下工件表面的温升规律,据此预测加工表面是否出现了组织转变,并结合金相组织观察进一步确认。最后,依据加工表面质量物理层面残余应力和显微硬度的检测数据,初步探讨了各因素对表面质量的影响。结果表明,在研究的加工参数范围内,并未达到金相组织转变温度,表面质量主要受铣削热力作用下的剪切面塑性凸出效应、后刀面挤光效应和热效应的影响。     

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。     

镗削碳纤维复合材料时切削用量对切削力及孔出口撕裂的影响

采用PCD刀具对碳纤维复合材料(CFRP)进行了镗削加工试验,分析了切削用量对切削力、孔出口撕裂因子(撕裂值与孔直径的比值)的影响规律.试验结果表明,三向切削力随背吃刀量、进给量、切削速率的增大而增大.经分析认为,切削速率的增大引起待加工材料的屈服应力增大.由于刀尖圆弧半径较大,试验中出现背向力大于主切削力的现象;撕裂因子与背吃刀量基本无关;进给量与撕裂因子呈线性正相关;当切削速率增大时撕裂因子呈减小趋势,并且减小到一定程度后基本不变;采用PCD刀具镗削加工该材料能够有效地减小孔出口撕裂程度.