金属切削加工的热力耦合模型及有限元模拟研究

基于切削加工的热-弹塑性有限元方程并在一定假设的条件下,建立了金属正交切削加工的热力耦合有限元模型。分析、研究了切屑分离标准、刀屑界面的摩擦模型以及热控制方程等切削加工模拟所涉及的关键技术,并提出了几何-应力切屑分离标准。最后,采用ABAQUS软件对材料40CrNiMoA进行了切削加工模拟,并分析、讨论了模拟结果。通过与试验数据比较,证明了所建立的有限元模型的正确性。     

整体叶盘盘铣加工切削力及刀具磨损实验研究

本文对整体叶盘开槽粗加工时从切削速度、进给量、径向切深等切削参数对切削力的影响进行研究。选用正交实验的方法进行盘铣切削实验,得到切削参数对切削力的影响变化规律,并对刀具在切削过程中的磨损进行分析,进一步验证优化的切削参数,为整体叶盘的盘铣加工参数的合理制定与加工工艺的优化提供参考。     

超声振动切削对耦合颤振的影响

以耦合颤振为研究对象,通过理论分析和实验测量,研究了超声振动切削(UVC)方法对其影响及机理。超声振动切削可以通过控制系统能量摄入抑制耦合颤振。一方面,确定系统发生耦合颤振具有临界能量阀值,系统摄入能量为瞬时切削功率在净切削时间内的积分;建立的临界切削深度模型,表明超声振动切削可以增大临界切深,这表示系统具有更大的切削功率阀值,其原因是超声振动切削方法净切削时间减少,从而在一定切削时间内维持系统能量摄入总量不变,保证切削系统的稳定。另一方面,在相同条件下,超声振动切削可以有效降低平均切削力,减少系统摄入的能量,从而减弱耦合颤振的振动幅度,对其进行抑制。使用自行研制的弱刚度镗杆进行了对比实验,实验结果表明:超声振动切削可以增大临界切削深度且临界切深与占空比成反比;在相同条件下减小了系统振动幅度,获得了更好的加工质量。     

数控加工中插铣技术的研究与应用

本文对插铣加工技术的技术特性进行了阐述,主要包括其技术原理、特点、编程方法、参数控制以及加工中的振动消除技术等,并通过对飞机型号研制中的钛合金等难加工材料的切削试验及应用验证,研究切削参数对插铣刀切削力的影响及规律.     

纤维增强复合材料激光加工研究进展

对纤维增强复合材料（FRP）激光加工国内外的研究现状进行了梳理。从激光加工中材料的去除过程、去除机理以及热吸收特性等方面综述了FRP激光加工机理;从激光加工热影响区对材料性能影响、影响热影响区因素、热影响区预测等方面梳理了FRP热影响区的研究现状;概述了FRP激光辅助加工技术的研究进展。大量研究表明,由于FRP的各向异性,FRP激光加工与均质材料的激光加工存在显著差异。目前,FRP激光加工的热影响区能有效的降至几微米,显著降低了热影响区对构件性能的影响。为最大限度的融合激光加工的优势,FRP激光复合加工技术在FRP加工领域的应用逐渐受到关注,成为FRP加工技术提升的一个重要发展方向。     

C/SiC复合材料螺旋铣削与钻削制孔效果对比

采用PCD刀具对C/SiC复合材料螺旋铣削与钻削制孔的制孔效果进行了对比研究。在同等加工效率条件下测量了两种制孔方法产生的切削力及切削热,并观察制孔质量。试验结果表明:螺旋铣孔产生的轴向力小于钻孔,约为钻孔的56.9%;孔壁粗糙度及孔径差均小于钻削;钻孔产生的切削热少于螺旋铣削制孔,约占螺旋铣的58.7%,但螺旋铣产生的切削热对材料及刀具的影响小。     

薄壁吊舱零件高速切削工艺研究

高速切削具有加工效率高、加工精度高、切削力小、工件的热变形和热膨胀小、经济效益高等优点,通过对某飞机吊舱零件工艺方法的研究,实现了该薄壁零件的高速铣削加工,与传统数控加工方法相比加工效率大幅提高。     

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。     

单晶硅纳米加工机理的分子动力学研究

对内部无缺陷的单晶硅的纳米切削过程进行了分子动力学模拟.通过模拟结果,对单晶硅纳米切削中的切屑形成过程和加工表面的形成过程做出了合理的解释.并用第一原理应力计算方法对单晶硅纳米切削过程中的脆塑转变的可行性进行了研究.     

CFRPs电火花加工热影响区抑制方法

电火花加工(EDM)碳纤维增强树脂基复合材料(CFRPs)的可行性已经得到了验证，但是电火花加工是热加工，电火花加工的工件表面存在热影响区，它是影响CFRPs电火花加工表面质量的重要因素。对晶体管脉冲电源条件下电火花加工CFRPs热影响区的抑制方法进行了研究，在单个脉冲放电能量相同的情况下，对不同放电能量施加方式下的热影响区进行了仿真与实验对比研究，结果表明在相同的放电能量下，较高的放电功率有利于减小热影响区，并可提高加工速度；相比于负极性加工，正极性加工热影响区较小。     

An improved analytical model of cutting temperature in orthogonal cutting of Ti6Al4V

Cutting heat has significant effects on the machined surface integrity of titanium alloys in the aerospace field. Many unwanted problems such as surface burning, work hardening, and tool wear can be induced by high cutting temperatures. Therefore, it is necessary to accurately predict the cutting temperature of titanium alloys. In this paper, an improved analytical model of the cutting temperature in orthogonal cutting of titanium alloys is proposed based on the Komanduri-Hou model and the Huang-Liang model. The temperatures at points in a cutting tool, chip, and workpiece are calculated by using the moving heat source method. The tool relief angle is introduced into the proposed model, and imaginary mirrored heat sources of the shear plane heat source and the frictional heat source are applied to calculate the temperature rise in a semi-infinite medium. The heat partition ratio along the tool-chip interface is determined by the discretization method. For validation purpose, orthogonal cutting of titanium alloy Ti6Al4V is performed on a lathe by using a sharp tool. Experimental results show to be consistent well with those of the proposed model,yielding a relative difference of predicted temperature from 0.49% to 9.00%. The model demonstrates its ability of predicting cutting temperature in orthogonal cutting of Ti6Al4V.     

Three-dimensional temperature prediction in cylindrical turning with large-chamfer insert based on a modified slip-line field approach

Chamfered inserts have found broader applications in metal cutting process especially in high-performance machining of hard-to-cut materials for their excellent edge resistance and cutting toughness. However, excessive heat generation and resulting high cutting temperature eventually cause severe tool wear and poor surface integrity, which simultaneously limits the optimal selection of machining parameters. In the present study, an analytical thermal–mechanical model is proposed for the prediction of the three-dimensional (3-D) temperature field in cylindrical turning with chamfered round insert based on a modified slip-line field approach. First, an innovative discretization method is introduced in a general 3-D coordinate system to provide a comprehensive demonstration of the irregular cutting geometry and heat generation zones. Then, a plasticity-theory-based slip-line field model is developed and employed to determine the intensities and geometries of every elementary heat sources in Primary Deformation Zones (PDZ), Secondary Deformation Zones (SDZ) and Dead Metal Zones (DMZ). At last, a 3-D analytical model is suggested to calculate the temperature increases caused by the entire heat sources and associated images. The maximum cutting temperature region predicted is found existing upon the chip-tool contact area rather than the tool edge. Moreover, the rationalities of cutting parameters employed are analyzed along with theoretical material removal rates and ensuing maximum cutting temperatures. The results indicate that the cutting conditions with large depth of cut and high cutting speed are more desirable than those with high feed rates. The proposed models are respectively verified through a series of 3-D Finite Element (FE) simulations and dry cutting experiments of Inconel 718 with chamfered round insert. Satisfactory agreement has been reached between the predictions and simulations as well as the measurements, which confirms the correctness and effectiveness of the presented analytical model.     

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.     

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。     

加热切削GH135吸收会焦辐射能的研究

本文介绍了采用高效金属素灯作为加热热源切削ＧＨ１３５等难加工材料的方法。采用该方法可有效改善难加工材料的切削性能，本文重点介绍了辐射能量传递的分析及有效的能量公式。同时指出该方法投产少，使用简单，便于推广等特点，因此具有很好的应用前景。     

高速切削有限元模拟技术研究

有限元模拟是研究高速切削机理的有效方法,本文致力于有限元模拟所必需的关键技术研究。依据大变形理论和虚功原理对高速切削过程进行分析,建立了基于拉格朗日描述的有限元控制方程。通过研究材料动态本构关系、刀屑接触、切屑分离、切屑断裂和切削热动态耗散与传导关键技术建立了正交切削有限元模型,提出材料本构关系建立方法和切屑断裂能量解释观点,最后结合实例进行高速切削模拟,并对模拟结果进行分析和验证,指出所建立的有限元模型是合理的。     

石英纤维增强聚酰亚胺复合材料超低温铣削实验

石英纤维增强聚酰亚胺复合材料是一种非均匀的各向异性材料,采用传统铣削方法对其进行加工时存在刀具磨损严重、切削力较大、加工效率低等问题。为此本文采用超低温冷却铣削方法对石英纤维增强聚酰亚胺复合材料进行铣削实验,并与传统干铣削方式进行了对比,分析了包括加工表面形貌、粗糙度、切削力和刀具磨损等切削性能。结果表明:两种工况下,表面粗糙度随主轴转速的提高而降低,随切深的增加呈先降低后增大趋势;相对于干铣削,不同切削速度下超低温冷却铣削有效抑制了低速干铣削纤维起毛、高速干铣削黏结剂烧蚀缺陷,表面质量都得到改善,刀具耐用度得到提高。超低温冷却引起的复合材料切削力增大,纤维断屑方式的改变以及切削热的有效降低是提高加工质量的主要原因。     

磁控等离子体对尾喷管壁传热特性的影响

根据磁场作用下等离子体的湍流和传热能力将受到抑制的现象, 提出利用磁场控制低温等离子体隔离高温燃气与喷管壁的方法, 以减少高温燃气对壁面的传热, 从而达到降低壁面温度的目的.分别建立诱导磁场方程求解洛伦兹力和磁场作用下的k-ε湍流模型求解湍流粘度, 数值模拟了不同强度磁场作用下的磁控等离子体流动和传热特性.结果表明, 磁场能够有效地抑制湍流强度, 降低传热能力, 从而有效地降低壁面温度;并且磁场越强, 效果越明显.      

碳纤维增强PEEK薄壁结构件加工工艺研究

对PEEK/CA450材料特性、切削性能进行了分析,通过加工试验研究了该材料典型薄壁零件的工艺特点、切削参数及热处理过程,优选出最佳的工艺参数。试验结果表明:优化零件结构设计可以有效降低材料内应力和加工难度;采用PCD刀具及合适的切削参数可以保证该材料薄壁零件的加工质量;加工过程中的热处理有助于提高产品的成品率和尺寸精度。采用优化后的工艺方法,最终成功加工出符合设计性能要求的PEEK/CA450薄壁零件。