切削加工有限元仿真技术的现状与展望

切削加工有限元仿真是采用数值方法模拟切削加工过程的技术,可以研究切削加工过程中材料去除引发的各种物理机制,在优化切削参数、提高加工质量、降低研究成本等方面具有显著优势。如何使切削加工有限元仿真与实际的切削加工更加吻合是研究的热点,为此国内外开展了众多切削加工有限元仿真技术的研究工作,相关成果已在多种关键部件的切削加工中得到工程应用。本文概述了切削加工有限元仿真的几何仿真和物理仿真各自的基本原理、优势和发展趋势,系统总结了国内外学者为了提高切削加工有限元仿真的精度和效率,在本构模型和网格划分方面所开展工作的发展现状,综述了切削加工全过程动态仿真方法的研究进展,并对切削加工有限元仿真技术的重要问题和未来发展趋势进行了展望。     

弧面分度凸轮廓形铣削加工系统的动力学分析

以弧面分度凸轮廓形铣削加工系统的分析与简化为基础,建立了动力学模型,利用M atlab6.0对加工系统进行了动力学仿真与分析。在凸轮切削加工过程中,振动最强烈的区域发生在切入阶段和切出阶段;与凸轮非分度区廓形加工相对应的扭振振幅小且稳定;切削用量对加工系统的动力学响应有明显的影响,工件进给速度、刀具轴向最大切削深度越小,系统的振动越弱,刀具(主轴)转速提高,工件子系统振动减弱,刀具子系统的振动增强;生产效率相同时,刀具轴向最大切削深度减小,更能有效地减弱切削加工系统的振动。     

高速立铣加工中切削温度的测量

介绍了一种用常规的自然热电偶和标准热电偶方法实现高速加工过程中切削温度的直接接触式测量的计算机辅助测温系统。它采用自然热电偶测量刀一工界面温度,采用夹丝热电偶测温技术对工件表面和体内温度分布进行直接接触式测量。该方法可以应用于刀具旋转的切削加工中(例如立钻、立铣)测量切削温度,并已在高速立铣淬硬钢研究中得到应用。     

“余量法”制定数控定额技术的研究

数控劳动定额标准制定中采用的"余量法"是指根据数控加工产品的加工余量(切削的去除量体积或重量),以及其在数控加工过程中时间消耗所建立起来的反应数控加工产品余量,加工精度和加工方法与加工时间消耗规律(余量因素与其时间消耗的函数关系)的时间定额标准数学模型。文章从"余量法"标准数学模型建立的部分影响因素进行了分析研究,阐述了余量法在力源液压股份公司生产中的推广应用案例。     

基于碳排放和加工时间的切削参数多目标优化研究

制造业低碳减排对于国家“双碳”目标的实现有着极其重要的意义。在切削加工中,切削参数的优化直接影响着加工工艺的效率和碳排放。为了明确切削加工中碳排放、加工时间与切削参数间的量化关系,设计了一种量化数控机床碳排放的系统方法,提出了一种优化切削过程中碳排放和加工时间的多目标数学优化模型。该模型通过最佳的切削参数(v、f、a_p)选择,以机械加工质量(通过表面粗糙度衡量)、生产效率(通过加工时间)为研究对象,以实现降低切削加工的碳排放和提高加工效率的优化目标。     

辅助阳极掩模板电解加工技术

为了提高掩模板电解加工精度,本文采用辅助阳极法改善掩模板电解加工过程中侧面间隙电场的分布,减少杂散腐蚀.建立了未采用辅助阳极和采用辅助阳极电解加工的数学模型,模拟过程中考虑非线性电解液对加工精度的影响,利用有限元分析技术分别对未采用辅助阳极和采用辅助阳极电解加工的蚀除过程进行了模拟和数值求解.结果显示:辅助阳极法有效地减弱了凹坑侧壁的电场密度,降低了侧向蚀除速度.以电解加工微小群孔结构为例,进行了未采用辅助阳极和采用辅助阳极电解加工对比实验,实验结果表明:辅助阳极能有效地抑制发生在侧壁的杂散腐蚀,减小孔的锥度,提高加工精度.     

钛合金车削和模拟拉削的切削温度试验研究

在钛合金车削和拉削加工过程中,对切削温度进行试验研究有着十分重要的意义。本文介绍了进行车削和模拟拉削时,测定变形区平均切削温度的自然热电偶法,并介绍了消除附加电动势的方法和热电偶电动势的标定装置,给出了各种刀具材料和工件材料组合的温差电动势标定曲线。本文就切削用量(v、s、t)、工件材料和力具材料对平均切削温度的影响进行了试验研究,并对结果作了分析,这将有助于正确选择合理的切削条件和刀具材料。     

航空难加工材料切削加工的基础和应用研究

本文首先说明了在传统的切削加工学科领域中开展科学研究工作的重要性,以及切削加工科学研究工作的发展情况,特别是新学科和新技术的应用,其次介绍了切削加工研究室的成长过程和研究工作以基础研究和应用研究并重的指导思想。 接着介绍了研究室的主要研究方向是切削加工、零件加工表面完整性和切削数据手册编写与建立数据库等三个方面。 文章还介绍切削加工研究室十年来所取得的科研成果、实验室建设情况,国内外学术交流活动情况。 最后提出了今后的任务。     

航空高强度碳纤维单向层合结构复合材料在切削过程中的各向异性行为研究

单向层合结构的高强度碳纤维增强树脂基复合材料已逐渐发展成为航空承力结构件的主要材料,相关的切削加工需求也越来越多。由于显著的各向异性,单向层合结构的碳纤维复合材料易在切削加工中形成缺陷,难切削加工性明显。采用直角自由切削试验的方法,得到了T700航空高强度碳纤维单向层合结构复合材料在不同纤维方向角下的切削力、切削比能、切削温度、切削加工表面。基于试验结果讨论了碳纤维单向层合材料在切削过程中力热行为的各向异性,得到了不同切削参数条件下的切削比能图谱以及碳纤维复合材料的切削热源和传导模型。通过扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)分析了典型切削加工表面的特征,得到了不同纤维方向下的表面形成规律。     

磨削加工的计算机模拟技术

由于磨粒形状和分布的随机性,使得预测磨削加工的结果难以实现。计算机模拟作为一种预测技术可望使磨削过程得到控制。本文从单颗磨粒出发利用计算机模拟技术来研究磨削加工过程。首先建立了砂轮地貌、磨削运动的描述、磨削力、磨削温度和砂轮磨损等模拟模型。在此基础上,在HP-1000小型机上开发了模拟软件。该软件能根据输入的磨削条件来模拟磨削加工过程,并以图表和曲线形式输出磨削结果。输出参数除了磨削基本参数外,还包括磨削力和磨削功率、表面粗糙度、磨削温度和砂轮的径向磨损等。最后把模拟结果与实验结果进行了比较,比较结果表明两者基本一致,这证明了模拟技术对磨削机理的研究和磨削结果的预测是行之有效的。     

金属切削中的Bridgman效应与Merchant切削方程式

本文运用经典力学与金属微观力学原理相结合的方法,分析了金属在切削过程中切削塑性变形的特点,证明了切削过程中的Bridgman效应较在一般材料试验中显著得多,在此基础上得到了关于Merchant切削方程式的新的评价与认识,指出了用Merchant切削方程式解释大量试验结果的可能性与合理性.     

航空铝合金7050-T7451高速切削加工中流动应力模型

通过对分离式Hopkinson压杆进行高温动态压缩实验,得到在冲击压缩中材料航空铝合金7050-T7451在室温到高温550℃的应变、应变率与应力间的数据依赖关系.利用高速切削实验及有限元模拟相结合对该数据关系进行修正以适合高速切削加工的"高温"、"高应变率"及"大应变"状态.选择综合考虑温度软化效应,应变强化和应变率强化效应的经验Johnson-Cook模型,对其数据关系进行量化的描述,并确定铝合金7050-T7451流动应力本构模型中材料常数的值,最后建立了铝合金7050-T7451的本构模型.以实验和模拟中输出主切削力为比较指标,验证了所建模型的正确性.     

CHIP FORMATION MODEL OF TITANIUM ALLOYS

钛合金的切屑变形从低速起就是一种典型的集中剪切滑移,这种集中剪切滑移在高速切削大部分难加工材料时是一种普遍现象。本文研究了钛合金加工的切屑形成过程并提出了描述集中剪切切屑形成过程的三阶段模型。该模型解释了集中剪切切屑节块如何启动、梯形化并最终形成锯齿形切屑。     

Theoretical and Experimental Analysis on Influence of Revolution Radius in Orbital Drilling

Revolution radius is one of the significant parameters in orbital drilling,which has great influence on many factors,such as the cutting area of front and side cutting edge,undeformed chip geometry,delamination and burr at hole exit side,hole surface roughness,cutting tool force and deflection,chip removal and heat transmission.First,the influence of revolution radius on the factors is discussed theoretically in detail.Analysis results show that big revolution radius can reduce axial cutting force,restrain exit delamination and burr,and improve chip removal and heat transmission.Then,single factor test and orthogonal test are utilized in the two processing methods as machining unidiameter holes with several cutting tools and machining different diameter holes with one tool.Finally,the influence of revolution radius on cutting force and hole machining precision is studied.These results provide a profound foundation for future optimization of cutting control parameters.     

薄壁零件高速铣削动态切削力

通过微元铣削力与瞬时未变形切屑厚度之间的线性关系,提出了螺旋圆柱铣刀的瞬时切削力模型.在此基础上,采用两自由度弹性-阻尼系统,建立了适合薄壁零件的综合考虑刀具子系统和工件子系统动态特性的动态铣削力模型.最后通过实际测量数据与模型计算数据的对比,验证了提出的动态铣削力模型的有效性.     

精密加工中切削方向毛刺生成机理的研究(英文)

金属切削毛刺是切削加工中产生的常见现象之一。本研究以金属切削实验为基础 ,对二维精密切削中切削方向毛刺的形成过程、主要影响因素及其变化规律进行了系统的实验研究和相应的理论分析 ,结果表明 :( 1 )切削方向毛刺形成过程为正常切削、挠曲变形、弹性效应、继续切削和剪切断裂分离 ;( 2 )发现了切削方向毛刺形成过程中的切屑与工件表面剪切断裂分离的特殊现象 ;( 3)切削方向毛刺尺寸和形态随着切削条件和刀具几何参数的变化而变化。     

氮气油雾介质下Ti-6Al-4V钛合金高速铣削试验研究

通过以氮气油雾作为切削介质的切削方法,应用硬质合金刀具对T i-6A l-4V钛合金材料进行了高速铣削试验,分析了铣削过程中的切屑形成、刀具磨损、已加工表面粗糙度等因素的变化。对氮气油雾介质下的钛合金高速铣削机理进行了探讨,同时通过氮气油雾介质、空气油雾介质以及干切削状况下的钛合金高速铣削对比试验,证明了以氮气油雾为切削介质进行钛合金高速铣削的可行性。研究结果表明,与空气油雾介质及干切削相比,氮气油雾介质下的钛合金切屑表面较为平整,刀具磨损与已加工表面粗糙度均相对较低。利用氮气油雾作为切削介质,是实现钛合金绿色高速切削加工的有效方法。     

二维网格局部动态细化的关键技术及其在切削仿真中的应用

为了解决仿真过程中网格畸变导致的计算终止以及计算精度与效率低等问题,本文利用Python对ABAQUS有限元仿真软件进行了二次开发,提出一种二维局部网格动态细化算法。该算法通过研究网格细化准则和细化方法以及物理场的传递过程,完成了整个算法程序的开发,并应用该算法实现了在二维切削仿真中局部网格动态细化。与全局加密网格的模型相比,在保证仿真精度误差为5%以内的情况下,采用局部网格动态细化时计算效率提高了210%。最后,通过试验验证了采用该算法所建立的二维切削仿真模型的准确性,仿真结果与试验结果基本吻合。     

基于铣削力仿真的离线进给速度优化技术

为提高数控加工效率和改善加工质量,针对数控铣削加工参数优化同题,以球头刀具为研究对象,提出基 于铣削力仿真的离线进给速度优化方法.提出的方法通过建立各个加工工序相应的铣削力优化目标模型,采用 铣削力仿真的手段,预测数控铣削加工中产生的瞬时铣削力,根据各个加工工序建立的铣削力优化目标控制加 工过程中瞬时铣削力的变化,以提出的给定最大铣削力、给定参考铣削力和给定铣削力范围方法对各个工序进 给速度进行优化.给出了各进给速度优化方法的具体实现步骤,进给速度优化后自动修改NC(Numerical Con-tr01)程序反映优化结果.应用实例证明了提出的基于铣削力仿真的进给速度离线优化算法的有效性.     

星箭力限试验条件设计研究

阐述了星箭振动试验过程中的过试验现象及其机理,分析了几种常用的力限试验条件设计方法。通过建立星箭分析模型,利用三种分析方法进行了星箭力限试验条件的计算,并与星箭耦合分析、振动台仿真分析结果进行了对比。表明如果两个子系统的有限元分析模型和外载荷在分析频段均可靠,直接通过有限元软件获得界面力和界面加速度,并进一步得出二者的转换关系,应更有应用价值。在有限元模型不可靠或星箭结构方案设计阶段,基于复杂二自由度模型的简化分析方法,可以较好地得到力限试验条件。