激光辅助车削工艺参数对单晶硅表面质量的影响

为了提高单晶硅激光辅助车削加工表面质量,通过开展激光辅助和常规车削加工试验,结合表面粗糙度、表面形貌及拉曼光谱检测,研究激光辅助车削技术对加工质量的影响。基于正交试验方法,研究单晶硅激光辅助车削工艺参数对表面粗糙度的影响;通过方差分析和极差分析评估各因素对表面粗糙度的影响。研究结果表明：与常规车削相比,激光辅助车削可有效提高加工表面质量,降低材料表面的残余应力。主轴转速、进给速度、切削深度和脉冲占空比对表面粗糙度的贡献率分别为17.51%、44.48%、6.69%和14.70%。确定最佳加工参数组合如下：主轴速度为4 000 r/min,进给速度为2 mm/min,切削深度为5μm,脉冲占空比为30%,最终获得表面粗糙度Rq为2.4 nm的高质量表面。     

GH4169车削过程的热力耦合作用及残余应力场研究

镍基高温合金GH4169是一种拥有优良的机械性能及抗腐蚀能力的耐热合金,被广泛应用于航空航天工程等领域,其切削过程因热力耦合作用产生的残余应力对零件的疲劳性能有重要影响.本文采用GH4169车削试验及Deform-3D仿真模拟相结合的方法,通过试验的切削力和仿真的温度-应变场对残余应力场的形成机理进行研究.结果表明:刀具磨损对主切削分力和车削温度的影响非常显著,在刀片磨钝过程中,主切削分力由538N增大到756N,剪切区温度由552℃增高到654℃,工件表面的应变由3.3升高到3.5;刀具磨损导致切削力和的温度-应变的增大,致使表面圆周和进给方向的残余拉应力峰值由517MPa、242MPa增大到860MPa、442MPa;表层残余压应力峰值-696MPa、-356MPa增大到-756MPa、-456MPa;残余应力层深度由72μm增大到85μm.     

高体积分数SiC_p/Al复合材料精密车削加工工艺技术

针对高体积分数铝基碳化硅材料车削加工过程中出现的刀具磨损严重、寿命低、切削难度大、零件质量难以保证等问题,采用聚晶金刚石刀具(PCD刀具)对其进行精密车削工艺实验,并利用扫描电镜、粗糙度仪、圆度仪等设备对已加工表面和刀具磨损形态进行观察分析研究。研究表明:刀具材料、切削速度、切削深度和进给量是影响高体积分数SiC_p/Al复合材料加工质量的主要因素。当切削速度在25~40 m/min、切削深度在25~35μm和进给量为25μm/r的PCD车刀时,切削效果最佳,可以有效地提高加工效率,改善工件表面加工质量,得到表面粗糙度为0.58μm和圆柱度为0.91μm的加工表面。     

刀具磨损对TC11铣削表面粗糙度与残余应力的影响

为了研究TC11钛合金铣削加工过程中刀具磨损对加工表面质量的影响规律,设计了刀具磨损与铣削表面粗糙度、表面残余应力的试验。结果表明:TC11钛合金铣削加工过程中的刀具磨损可以分为:初期磨损、正常磨损、剧烈磨损三个阶段。当刀具处于"初期磨损"时,TC11铣削表面粗糙度随切削时间逐渐减小,铣削表面残余应力也呈减小趋势;当刀具处于"正常磨损"阶段时,铣削表面粗糙度和铣削表面残余应力都呈增加趋势,但增加的速度平稳;当刀具进入"剧烈磨损"阶段时,铣削表面粗糙度迅速增大,表面残余应力也较前两个阶段显著增加。另外,试验过程中的TC11铣削表面残余应力均表现为压应力。     

复杂槽型刀片车削时表面残余应力有限元仿真与试验

针对复杂槽型车刀片对残余应力分布的影响进行有限元仿真,得到前角及涂层对残余应力的影响规律;通过切削试验分析了切削参数和刀具参数对切削力和切削温度的影响作用,进而研究了槽型和涂层对残余应力的影响规律.研究结果表明:涂层刀具减少了已加工表面的残余拉应力;轴向和切向残余应力是拉应力,且切向残余应力大于轴向残余应力.     

镍基高温合金铣削加工的残余应力研究

对硬质合金与陶瓷两类不同刀具分别以低速湿式铣削和高速干铣削方式加工镍基高温合金GH4169时的已加工表面残余应力进行研究.采用X射线衍射法测量铣削后的工件表面残余应力.采用涂层硬质合金刀具在较低铣削速度30～90m/min并浇注切削液的条件下铣削GH4169时,可在工件表面形成残余压应力或相对较小的残余拉应力,对残余应力数据进行统计分析.结果表明,刀具和铣削速度对表面残余应力均有显著影响,而且表面残余应力总体上随着每齿进给量的增加而呈现拉应力增加的趋势.采用涂层Al2O3-SiCw和Sialon陶瓷刀具以较高铣削速度300～1100m/min干铣削GH4169时,工件表面都将形成很大的残余拉应力.镍基高温合金GH4169的精加工更适合采用硬质合金涂层刀具并浇注切削液充分冷却,而陶瓷刀具干铣削则更适合于GH4169的粗加工.     

硬态切削表面残余应力分析研究

以轴承钢GCr15为研究对象,根据热-弹塑性有限元理论,建立了热力耦合的二维正交硬态切削模型。根据硬态切削的特点,在硬态切削有限元模型中设置了未预先设置分离线的点面接触并选择了Johnson-Cook材料本构模型,通过有限元分析计算,得到了不同切削参数和刀具几何参数条件下已加工表面残余应力的模拟结果。对结果进行比较分析得出,最大压残余应力出现在工件表面,沿着深度的增加工件内部的残余应力由残余压应力转化为残余拉应力,并逐渐趋向于零。这对于控制和提高硬态切削工件表面质量具有重要的理论指导意义。     

7075薄壁件二维单刃切削的有限元仿真

利用MSC.Marc软件,采用弹塑-热耦合有限元方法模拟出刀具在切削7075薄壁件过程中各变形区内温度、应力、应变以及切削力的分布。刀具前方为压应力,刀具后方为拉应力,刀具经过的表面薄层内存在较大的切削残余应力。仿真结果可为夹具设计以及切削参数优化提供帮助。     

刀具材料及其磨损对钛基复合材料车削温度的影响

对钛基复合材料车削时的车削温度和刀具磨损形态进行试验研究,结果表明,在相同条件下,两类刀具的切削温度随切削速度上升而提高,且在较低速度范围内随切削速度增大车削温度上升趋势明显,较高速度范围内上升趋势较缓;随着刀具磨损量从VB=0mm上升至VB=0.2mm,虽然硬质合金K313刀具的切削温度上升幅度小于PCD刀具,但PCD刀具的切削温度始终远小于硬质合金K313刀具,且PCD刀具的耐用度远好于K313刀具;PCD刀具的磨损形式以磨粒磨损为主,而K313刀具以粘结磨损为主。     

PCBN刀具精密硬态切削淬硬轴承钢的试验研究

通过切削试验研究了PCBN刀具精密切削淬硬GCr15轴承钢时切削力的特征、锯齿形切屑的形态和刀具的磨损特征 ,从表面粗糙度、亚表层结构和残余应力的分布方面深入研究了PCBN刀具精密切削淬硬轴承钢的适应性 ,试验结果显示PCBN刀具应用于GCr15轴承钢的精密切削是可行的。     

钛合金TC4高速切削刀具磨损的有限元仿真

借助有限元方法对切削钛合金时硬质合金刀具的磨损进行了仿真.首先,根据钛合金切削时刀具磨损机理,建立了能够综合反映粘结磨损、扩散磨损及磨粒磨损的磨损率模型;通过增大传热系数、平滑节点磨损值等方法,解决了刀具磨损过程中切削温度场的仿真、内部网格的调整及刀具表面轮廓的光滑处理等一系列问题,结合磨损子程序建立了预测刀具磨损的有限元模型.然后,通过切削实验对有限元模型的有效性进行了验证,结果表明:所建立的有限元模型能够较准确的预测刀具前刀面磨损及其磨损形貌.最后,对高速切削钛合金条件下的刀具耐用度进行了预测,预测结果表明:随着速度的增加,刀具会快速磨损,切削速度为300 m/min时刀具寿命仅为130 m/min时的1/3.因此,切削速度的选择要综合考虑切削效率与刀具寿命这两个因素.     

GH4169高温合金车削表面完整性对疲劳性能的影响

通过车削和旋转弯曲疲劳实验,研究直接时效态GH4169高温合金车削进给量对表面完整性的影响,以及表面完整性对疲劳寿命的影响。结果表明:当进给量f从0.2 mm/r减小到0.02 mm/r时,表面粗糙度R_a从1.497μm减小到0.431μm;表面残余应力从拉应力状态逐渐转变为压应力状态;表面塑性变形层从8μm减小到2μm左右;表面应力集中系数是GH4169疲劳寿命的主要影响因素,随着表面应力集中系数增大,疲劳寿命显著下降;在实验参数范围内,当f=0.13 mm/r时,可获得好的表面完整性,表面应力集中系数K_(st)为1.166,表面显微硬度为405.27HV_(0.025),表面残余应力为82.08 MPa,获得的平均疲劳寿命为6.98×10~4周次;车削表面疲劳断口具有多源疲劳断裂特征,疲劳源起始于试件加工表面的缺陷处。     

TC17钛合金铣削刀具磨损对残余应力影响研究

为了获得高性能航空发动机用TC17钛合金材料铣削过程中刀具磨损对残余应力的影响规律,通过对不同刀具后刀面磨损量下铣削工件表层残余应力的测试,建立了刀具磨损对残余应力的影响关系,并对影响机理进行了分析。结果表明,硬质合金刀具低速铣削钛合金时,刀具对已加工表面的挤光效应引起的残余压应力占主导地位;不同刀具后刀面磨损量下,残余压应力沿深度方向先增大达到一个最大压应力值后,然后减小趋向于零应力;表面残余应力、最大残余压应力以及残余应力的影响深度都随刀具后刀面磨损量的增大呈增大趋势。     

钛合金切削加工技术研究进展

钛合金是典型的难加工材料,加工时刀-屑接触面积小、应力大、温度高,刀具粘结磨损、扩散磨损严重。刀具材料的合理选择是应对钛合金加工的首要问题,含钛刀具在高速下可以用于切削钛合金。在一定条件下刀具表面形成稳定的钛合金粘接层,可以起到抑制磨损的作用。随着数值计算理论和软件工具的不断发展,切削过程仿真和预测必将在钛合金切削加工理论和技术的研究中起到越来越重要的作用。     

TC17钛合金铣削刀具磨损对残余应力影响研究

为了获得高性能航空发动机用TC17钛合金材料铣削过程中刀具磨损对残余应力的影响规律,通过对不同刀具后刀面磨损量下铣削工件表层残余应力的测试,建立了刀具磨损对残余应力的影响关系,并对影响机理进行了分析.结果表明,硬质合金刀具低速铣削钛合金时,刀具对已加工表面的挤光效应引起的残余压应力占主导地位;不同刀具后刀面磨损量下,残...     

钛合金TB6刀具磨损铣削实验研究

使用硬质合金刀具对钛合金TB6进行正交铣削实验,对比分析不同切削参数下的刀具磨损情况,并用实验结果进行回归分析得到刀具磨损的回归公式。结果表明:刀具主要磨损在后刀面,其磨损大都呈现一条带状磨损带,在速度增大时大磨损带变长,刀具易发生脆性破损,且在刀具表面会出现钛合金粘连;对刀具耐用度的影响大小依次为切削速度、进给量、切削宽度和切削深度;刀具磨损回归方程具有良好的回归方差,能够很好的对刀具寿命进行预测。     

切削过程有限元仿真研究进展

得益于高性能计算机和软件技术的发展,数值仿真为深入理解切削过程、研究刀具磨损、提高加工表面质量等提供了强大的技术支持。总结了现有几种本构模型的特点,对构建切削仿真有限元模型中的几个关键问题进行了分析和总结,综述了有限元仿真技术在金属切削过程中切屑形成研究、切削温度和切削力、刀具磨损、刀具优化和残余应力预测以及加工表面显微组织演变模拟等方面的研究成果。最后,系统地分析了切削过程有限元仿真研究中存在的问题,探讨了该研究领域未来的发展趋势和需要进一步探索的热点问题。     

激光加热辅助切削加工技术研究进展

综述近年来激光加热辅助切削加工技术的研究进展。在实验研究方面,总结了激光加热辅助车削、铣削、钻削、磨削等不同工艺过程的加工特点,阐述了激光参数和切削参数对加工质量的影响。研究表明:在一定范围内,适当提高激光功率、降低切削速率、减小进给量有利于切削区材料的充分软化,可改善工件材料的切削加工性,提高加工效率和加工质量。目前,激光加热辅助切削加工仿真研究主要集中在切削温度场与切削过程仿真。通过建立温度场模型,可预测材料去除最优温度范围,优化加工工艺参数。切削过程仿真探讨应力、应变、温度等物理量的影响,为实际加工中控制零件表面质量提供了依据。后续工作应进一步加强在加工机理、加工工艺、仿真优化等方面的研究,建立完善的激光加热辅助切削加工数据库,以促进该技术的工业应用。     

PCD刀具车削钛基复合材料刀具磨损研究

使用PCD刀具对钛基复合材料进行切削速度单因素车削试验,研究了PCD刀具的磨损形态和磨损机理.结果表明:在15 ～ 60m/min范围内,随着切削速度的增大,切削力从473N逐渐减小到367N,切削温度从274℃逐渐升高到564℃;刀具切削路程随着切削速度的增大从390m先增大到702m然后减小至467m,在切削速度为45m/min时达到最大值;PCD刀具前刀面并未出现典型的月牙洼磨损,而是前后刀面同时磨损,后刀面均呈典型的带状磨损带,且前后刀面均有犁沟出现和钛合金粘结;刀具磨损的主要原因是磨粒磨损和粘结磨损,随着切削速度的增大,磨粒磨损减弱,粘结磨损增强.     

GH4169高温合金端面车削表面变质层的形成机理

利用实验和DEFORM-3D有限元分析相结合的方法,通过分析不同加工参数下切削力、温度和应变场,以及残余应力、显微硬度、微观组织的变化,研究GH4169端面车削表面变质层的形成机理。结果表明:表面变质层的形成是热力耦合作用于材料微观组织的结果;加工强度增大,切削力和切削热增大,表层金属等效应变增大,塑性变形更加显著,金相组织改变越明显,晶粒变形程度越大;在加工参数范围内,温度影响层深度为130~200μm,等效应变层深度为100~220μm,残余应力层为80~110μm,硬化层深度为50~80μm,表面变质层深度为2.5~5μm。