基于CFD的高速切削层流模拟

 高速切削塑性变形的本质是位错的不可逆运动与增殖,切削时固体的黏滞力与位错速度成正比,材料的黏性效应在材料的动态力学行为中起到越来越重要的作用,因此从流体的角度去理解比从固体的方面去认识更符合其特点。本文描述了高速切削的位错阻尼机理,建立了基于流体力学的高速切削理论模型,利用计算机模拟技术得到了高速切削时的速度场、压力场和应变率场,为高速切削研究提供了新的思路。通过分析计算结果得出如下结论:在刀尖上方存在速度滞止点,此处速度为零,压力最大,其位置变化影响着刀具寿命和工件已加工表面的质量;从压力最大点开始,压力值沿前刀面逐渐减小直到某处为零,此点即切屑与前刀面分离点;剪切面(刀尖与自由表面拐角处连线)上应变率最大,然后由此向外依次减小。     

ZrO2陶瓷切向超声辅助磨削表面及亚表面损伤机制

为进一步揭示切向超声辅助磨削过程中硬脆材料的表面及亚表面损伤机理,基于应变率模型对其磨削过程中材料的动态力学性能进行分析,并在此基础上建立了硬脆材料的脆-塑转变临界切削深度模型与微裂纹损伤深度模型。研究发现,脆-塑转变临界切削深度和微裂纹损伤深度均与应变率有关,其中临界切削深度随着应变率的增加而增加,而横向裂纹损伤深度与中位裂纹损伤深度均随应变率的增加而减小。通过ZrO₂陶瓷切向超声辅助磨削试验进行验证。试验结果表明：由于切向超声振动的引入提高了材料应变率,进而提高了材料的动态断裂应力以及动态断裂韧性,从而扩大了ZrO₂陶瓷的塑性域去除范围,降低了加工表面的横向裂纹与中位裂纹损伤深度,使得ZrO₂陶瓷的表面及亚表面质量得到明显改善。试验结果与理论分析相一致,为进一步揭示切向超声辅助磨削过程中硬脆材料的表面及亚表面微观损伤机理提供了理论参考。     

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。     

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。     

基于域对抗门控网络的变工况刀具磨损精确预测方法

刀具磨损的精确预测对保证零件加工质量、提高生产效率和降低制造成本具有重要作用。在实际加工过程中,切削参数、刀具几何参数、刀具材料等工况复杂多变,工况信息和刀具磨损量对监测信号的耦合作用为刀具磨损的精确预测带来了很大挑战。针对以上问题,提出了一种基于域对抗门控网络（DAGNN）的变工况刀具磨损精确预测方法。引入工况分类网络并利用无磨损量标签样本,通过域对抗和门控过滤机制自适应地从不同工况的原始监测信号中提取表征刀具磨损且对工况变化不敏感的关键信号特征。对信号特征提取网络和刀具磨损预测网络进行迭代优化,从而实现变工况刀具磨损的精确预测。实验结果表明：相比已有的方法,本文方法能够利用少量带磨损量标签的目标工况样本实现刀具材料和刀具直径变化情况下的刀具磨损量精确预测,预测精度大幅提高。     

水蒸气冷却润滑时高温合金的绿色切削试验

为实现高温合金用水蒸气作冷却润滑剂的绿色切削,研制了600~800 W的小型过热水蒸气发生器,并用YG 6硬质合金刀具对镍基高温合金GH 4169进行了单因素切削试验,效果明显:用水蒸气时,与干切、乳化液相比,主切削力分别减小了15%~20%和10%~15%,切削温度分别降低了20%~30%和10%~20%,并建立了切削力和切削温度的经验公式;变形系数也有减小;切屑多为螺卷屑。由于水蒸气分子直径远小于乳化液中水包油粒径,气态水分子容易进入刀-屑间的毛细管,故具有良好的冷却润滑性能。水蒸气可替代乳化液作冷却润滑剂,且来源广泛,又无污染,从而可实现高温合金的绿色切削。     

Tool Materials Rapid Selection Based on Initial Wear

Based on a large amount of literature about tool wear research, 873 tool wear curves are taken as samples, and statistical analysis is carried out to select the most suitable tool from all the tool materials suggested by the tool manufacturers. Statistical relationships between the initial wear and uniform wear periods are obtained. The results show that there is qualitative relationship between wear rate during initial wear period (WRIWP) and wear rate in uniform wear period (WRUWP) to certain extent. On this basis, a tool material rapid selection method based on the initial wear is put forward, and suitable tool materials for machining titanium alloy are selected. The experimental results indicate that this method is effective and useful. The new tool materials rapid selection can be used to select suitable cutting tool materials quickly before carrying out systematic machinability tests with the most suitable tool materials. The technology can be applied to doing the initial selection of cutting tool materials in either the machinability research or the workshop production.     

一种新的五轴加工干涉处理算法

根据雕塑曲面的五轴加工特点 ,对干涉进行了分析研究 ,提出了一种新的干涉处理算法 :用均匀分布在刀具表面的直线与逼近加工曲面的一系列三角片求交 ,来检查及修正干涉。计算实例表明 ,这种算法稳定、可靠 ,在雕塑曲面五轴加工编程中 ,具有重要的实用价值     

碳纳米管薄膜电热特性及其除冰性能

采用碳纳米管薄膜(CNTF)作为电加热元件,研究碳纳米管薄膜对玻璃纤维增强树脂基复合材料结构表面的除冰性能,同时研究其电热性能。SEM14μm左右。XRD表明CNTF样品为微晶结构,结晶度差且含有少量杂质。空气环境通电,升温速率和最高恒定温度随输入电压增大而迅速提高。输入电压为5 V温度95℃。在四次电热循环后,其表面电阻略有升高,均值从2.795Ω到3.870Ω。在9 V输入电压下,CNTF被迅速烧断,CNTF样品电流承载极限在1.8 A左右。利用其焦耳热性能进行除冰,质量为20 g冰块在树脂基玻璃纤维复合材料样品的表面脱落时间为240 s。表明CNTF在飞机除冰领域具有潜在应用价值。     

机匣包容试验的叶片根部爆破飞断方法

在航空发动机包容试验中,为满足叶片在根部失效的要求,设计了基于爆破切割技术的叶片根部飞断试验方法。通过平板静态爆破试验确定了柔爆索的切割能力,并使用柔爆索进行了真实叶片的静态爆破试验。在MTS拉伸试验机上对爆破切割后的损伤叶片进行了静拉伸试验,确定了损伤叶片的剩余强度为50～56 kN。按照静态爆破试验获得的开槽尺寸在叶片根部开槽并敷设柔爆索,采用树脂胶固定后,在立式转子试验器上采用遥控触发的方式进行了真实叶片旋转状态下的飞断试验。结果表明：在叶片两侧加工4 mm深沟槽并敷设柔爆索爆破后,叶片被柔爆索切割,并在预定飞断转速下失效飞出。飞断截面断口显示叶片中段被柔爆索的金属射流完全切断,前后缘在离心载荷作用下拉断,爆破作用没有对叶片产生附加动能,成功实现了叶片在预定转速下的根部断裂失效。