智能刀具设计及关键技术研究进展

随着“工业4.0”及“中国制造2025”战略计划的兴起,制造业中的智能制造及自动化水平不断提升,刀具作为生产过程中的重要一环,也变得更加精密化和智能化。智能刀具是实现智能制造和自动化生产的重要环节和必要保障,本文围绕智能刀具的最新研究进展进行了详细论述,包括智能刀具设计、智能刀具关键技术、数字孪生技术及智能刀具系统等方面内容。归纳了国内外学者们在智能刀具集成优化与结构设计、智能刀具监测和调控技术、基于刀具管控和推荐的智能刀具系统的研究成果,简述了数字孪生技术在智能刀具领域中的应用,并指出了智能刀具目前存在的不足及未来发展方向。

递归特征消除与极端随机树在铣刀磨损监测中的研究

针对金属铣削过程中刀具磨损监测问题,本文提出了一种基于递归特征消除和极端随机树相结合的刀具磨损监测模型。首先对力、振动和声发射信号的时域、频域特征进行提取,分别采用逻辑回归、分类与回归树、线性回归、线性判别分析作为递归特征消除的基模型进行特征降维。再利用处理后的特征对K近邻、支持向量回归、极端随机树模型进行训练,得出多种监测模型。通过对比刀具磨损拟合曲线图和分析评估结果的标准差,可得出基模型为分类与回归树的递归特征消除,与极端随机树算法相结合模型拟合度达到99.74%,评估结果的标准差为4.04。结果表明该方法能够实现对铣刀磨损的有效监测,从而提高零件加工质量。

一株3,5,6-三氯-2-吡啶酚降解菌Delftia sp.DFT的分离鉴定及降解途径研究

微生物降解是消除农药残留物3,5,6-三氯-2-吡啶酚(TCP)的有效方法,但其降解机制并不清楚。为探究TCP完整的代谢途径和降解机制。采用富集分离法从农田土壤中分离了一株TCP降解细菌,并分别通过高效液相色谱和液相色谱-质谱(LC-MS)技术检测了菌株的降解性能,并鉴定了其代谢产物。该菌株为Delftia sp.DFT菌,它能在48 h内对50 mg/L的TCP降解率达34.28%,同时也能降解3,5-二氯-2-吡啶醇、6-氯-2-吡啶醇和2-羟基吡啶等其他氯代吡啶类化合物。在降解TCP过程中,共鉴定了12种不同的TCP代谢产物。初步推测水解-氧化脱氯途径、还原脱氯途径、反硝化及烷基化途径可能共同参与了菌株DFT对TCP的降解。据文献调研,这是首次在Delftia sp.菌中发现有四种可能的TCP代谢途径的报道,这为纯培养物中的TCP降解机制研究提供了参考信息。

航空航天薄壁件铣削过程加工状态监测研究进展

对切削加工状态进行精准监测,是实现航空航天薄壁件加工变形控制的重要保障。围绕航空航天薄壁件铣削加工状态监测的最新研究进展进行了评述,详细介绍了建立加工状态监测模型的关键技术与方法,包括加工信息采集处理、特征提取和特征融合。归纳了学者们在薄壁件加工过程中对刀具磨破损、铣削颤振、铣削变形等具体状态监测的研究进展。基于数字孪生技术,构建了面向薄壁件铣削加工状态监测的优化系统。最后,根据现阶段本领域发展状况对薄壁件铣削加工状态监测进行了展望。

ET-GD与K近邻相结合的刀具磨损监测方法

针对铣削过程中刀具磨损量监测问题,提出一种基于极端随机树和高斯分布,与K近邻相结合的刀具磨损监测方法。该方法选用截断法和hampel滤波法剔除力、振动和声发射信号中的异常值和奇异点。其次通过极端随机树和高斯分布的偏离情况对特征集进行优选,降低数据矩阵的复杂性。分别对比分析了两次优选前后三种K近邻模型的拟合度和评估度量。利用优选后的特征对逻辑回归、极端随机树、支持向量回归和K近邻算法模型进行训练,并利用十折交叉验证法和测试集进行验证。最终得出,基于极端随机树和高斯分布与K近邻的刀具磨损监测模型的拟合度达到99.17%,均方误差和平均绝对误差分别为13.0688、1.8241。结果表明该方法能够实现对铣刀磨损的有效监测,从而提高工件加工质量。

基于数字孪生的铣刀状态实时监控

针对机械加工过程中面临的制造过程不稳定、数据时效性差、实时监控可视化效果弱等问题,本着“虚实结合、以虚控实”的总体思想,提出基于数字孪生的铣刀状态实时监控方法,构建了物理空间和虚拟空间共生互控的数字孪生体。首先,搭建了基于数字孪生五维模型的铣刀状态监控系统结构模型,明确了五层系统架构的组成部分;其次,分别阐述了实现孪生系统框架的3个关键技术,即数控机床的数字空间搭建、多源异构数据的传输及管理、数字孪生驱动的铣刀状态监测;最后,以某薄壁件铣削加工过程为应用案例,验证了该监控方法的可行性与有效性,并为全面管控高档数控机床加工过程提供了一种新途径和新思路。

面向表面粗糙度约束的铣削过程参数优化

在6061铝立铣过程中考虑到控制工件表面粗糙度的要求,人为选择的铣削参数可能比较保守,导致材料去除率降低、制造成本高。以表面粗糙度为约束条件,以最大材料去除率为目标,基于极端提升法(extreme gradient boosting, XGBOOST)建立以主轴转速、进给速度和切深为优化对象的表面粗糙度回归模型,利用遗传算法对主轴转速、进给速度和切深三个铣削参数进行优化。利用遗传算法的多目标优化特点得到较优的铣削参数。通过4组优化结果可以看出,表面粗糙度的最大变化只有0.048μm,而最小的材料去除率提高了2 458.048 mm^(3)/min,在达到表面粗糙度的要求下,提高了加工效率,减小制造成本,具有良好的优化效果,在实际加工中具有一定的指导作用。

一株3,5,6-三氯-2-吡啶酚降解菌的全基因组测序及功能挖掘

Micrococcus luteus ML是从长期使用毒死蜱的农田土壤中分离出的一株能够降解毒死蜱及其高毒残留物3,5,6-三氯-2-吡啶酚(TCP)的菌株。探究菌株ML降解机制,挖掘新型TCP代谢基因和特异代谢功能。采用Illumina Novaseq PE150和Oxford Nanopore ONT相结合的测序技术对菌株ML进行全基因组测序。该菌株有52个编码基因参与了异源化合物的代谢,共有15种酶参与了TCP结构类似物,如氯苯甲酸、氨基苯甲酸盐、甲苯、萘、氯代烷烃和氯代烯烃的降解。初步推测羧甲基丁内酯酶和酰胺酶分别参与了菌株ML对TCP的脱氯和脱氯产物吡啶环中氮转化为氨的反应,这为探究Micrococcus luteus ML功能基因组学研究及对TCP的降解特性提供了数据支持。

考虑刀-屑变摩擦因数的铣削力预测

针对铣削过程中刀具磨损或破损导致切削力波动剧烈,进而使得铣削过程控制难的问题,需要建立考虑刀-屑间的摩擦特性进行切削力精确微元建模。由于常数表示摩擦因数无法全面地描述铣削过程中的摩擦特性,因此以硬质合金立铣刀铣削Cr;MoV淬硬钢过程为研究对象,根据前刀面温度分布和刀-屑间相对滑移速度建立摩擦因数的经验模型。在考虑材料硬度和刀具后刀面磨损的基础上建立第1剪切区、第2剪切区和第3剪切区受力预测模型,并通过离散微元法建立整体铣削力预测模型。仿真结果与铣削实验测得的结果有很好的一致性,验证了所建立模型具有较高的预测精度,进一步证明了随着后刀面磨损宽度的增加,铣削力随之增大。该结果为Cr;MoV淬硬钢铣削加工加工参数优化提供了理论支持。

基于有限元仿真的钛合金薄壁件铣削参数优化

钛合金薄壁件铣削过程中,铣削参数对铣削力、铣削温度及加工质量等有显著影响。为了通过优化铣削参数来得到较好的加工效果,利用ABAQUS软件建立了圆弧形钛合金薄壁件铣削过程有限元仿真模型,通过仿真结果得到了不同铣削参数下的应力场和温度场的变化情况;结合正交试验与多目标遗传算法对铣削参数进行优化求解;对优化后的铣削参数与经验铣削参数进行对比实验,结果显示,优化后铣削参数具有更好的切削效果。本文研究结果对钛合金薄壁件铣削参数的取值具有重要意义。

基于数据挖掘技术的钛合金铣削工艺参数优化

随着大数据时代的来临,传统数据挖掘技术已不能满足智能制造背景下海量数据处理的要求。针对海量数据在挖掘过程中出现的计算能力不足、挖掘效率低下的现状,提出在云计算环境下,以分步聚类理念为基础,对经典K-means聚类算法进行改进,并将改进的算法与Hadoop平台的MapReduce计算架构相结合,实现算法计算并行化,从而形成能够应对海量数据挖掘任务的新算法T.K-means。为了验证新算法的实用性能,以虚拟铣削Ti-6Al-4V(TC4)钛合金加工运行数据为挖掘对象,利用T.K-means算法挖掘加工工艺参数与工件表面粗糙度之间的关系,得到可调控工艺参数的优化值以指导实际加工。挖掘结果表明,T.K-means算法可用于TC4钛合金铣削工艺参数优化目标值的确定,其所挖掘出的工艺参数能够反应机床铣削加工TC4钛合金表面粗糙度的最佳运行状态。

考虑后刀面磨损及过缝冲击的拼接模具铣削力建模与实验研究

针对拼接模具铣削过程中刀具易磨损引起铣削力变化的问题,对拼接模具铣削加工过程,提出了一种考虑球头刀后刀面磨损的铣削力建模方法。根据材料硬度的不同,把每一切削周期的切削厚度建成有关切削角度的函数关系,得到不同切削角度下的剪切力模型;同时将后刀面的摩擦效应力与后刀面磨损量建立函数关系,进而得到了不同切削角度下的摩擦效应力模型;最后通过引入单自由度斜体碰撞模型,采用等效弹簧阻尼法和霍普金森实验得到了冲击力模型。结合剪切力模型、摩擦效应力模型与冲击力模型得到了考虑后刀面磨损的拼接过缝处铣削力模型,最后对多硬度淬硬钢进行了铣削力实验。实验结果表明预测的铣削力幅值和变化趋势与实验值具有很好的一致性,验证了该铣削力建模方法的有效性,对拼接模具铣削加工工艺优化具有一定的理论指导意义。

硬态切削用刀具技术最新进展

作为具有广泛应用前景的加工工艺,硬态切削以其加工柔性、经济性和环保性等优点,在汽车、模具等行业被广泛应用。该工艺成功实施的关键因素是刀具的合理选择及其性能的发挥。该技术近年来发展迅速,诸多人员和机构对硬态切削工艺所用的刀具进行了深入的研究,有效地推动了该工艺的应用。本文综述了近年来针对硬态切削工艺用刀具的刃型结构、材料选择、刀具涂层等方面的研究成果,并分析了目前被广泛采用的典型刀具型号及其性能,从而为硬态切削工艺用刀具的选用及设计提供指导作用。

热处理工艺对04Cr13Ni8Mo2Al钢逆变奥氏体含量的影响

使用快速相变仪、X射线应力分析仪、光学显微镜、硬度计等研究了不同温度时效处理及时效后的低温处理对04Cr13Ni8Mo2Al钢中逆变奥氏体含量和该钢硬度的影响。结果表明:试验钢的马氏体向奥氏体转变开始温度(Ac1)为620℃,马氏体全部转变成奥氏体的终了温度(A_(c3))为675℃;随着时效温度的升高,试验钢中逆变奥氏体含量先基本不变,后迅速增加,再迅速减少,并在时效温度为620℃时达到最大,为35%(体积分数);当时效温度低于Ac1时,试验钢的维氏硬度随着时效温度的升高而降低,当时效温度超过Ac1时,马氏体的形成导致维氏硬度略微增加,但当时效温度接近700℃时,维氏硬度又略微下降;时效处理后的试验钢经低温处理后,其维氏硬度增大,逆变奥氏体含量减少,且低温处理前后逆变奥氏体含量的变化量随着时效温度的升高而增大。

基于瞬时铣削力系数法的拼接模具铣削稳定性研究

在拼接模具铣削过程中,由于拼接过缝处硬度差的影响致使铣削力发生突变并加剧振动,进而降低工件表面质量和刀具的使用寿命。针对上述问题本文首先建立了拼接过缝区域的切屑厚度模型,分析了切屑厚度与铣削力系数的关系;然后运用基于Runge-Kutta法的全离散法求解铣削动力学方程,由于瞬时铣削力系数随切削参数的变化而变化,故基于该方法可获得上限和下限的多条稳定性预测曲线,并利用最小包络法形成上、下限的带状区域作为最终的稳定边界;最后综合运用时域、频域分析来验证铣削稳定性预测曲线的准确性。提出的稳定性预测模型可以为大型汽车覆盖件铣削加工过程提供理论参数依据,并解决铣削拼接处冲击载荷引起的振动问题。

镍基高温合金GH4169车削过程刀具磨损特性研究

刀具磨损过快是镍基高温合金GH4169在切削过程中一直存在的难题,因而刀具磨损特性的研究对工艺优化具有重要意义。通过Deform软件建立了具有槽型特征刀具的仿真模型,揭示了后刀面磨损量对切削过程的影响,并通过车削试验验证了仿真模型的准确性,获得了不同后刀面磨损量对切削力及切削温度的影响规律,同时也获得了该切削过程刀具的磨钝标准,对镍基高温合金精加工过程中的工艺优化具有较好的理论指导意义。

凸曲面拼接模具铣削过程三维有限元仿真研究

覆盖件模具具有形状复杂、材料硬度高和多硬度拼接等特点,在加工过程中易出现刀具载荷不稳定、温度过高和易发生剧烈磨损等问题,从而降低模具的表面质量和刀具的使用寿命。为揭示铣削机理,建立了凸曲面拼接模具铣削过程三维有限元仿真模型,采用三维有限元仿真的方法来对凸曲面拼接模具铣削过程进行研究。首先通过准静态试验、霍普金森压杆试验拟合出材料的本构参数,以此保证仿真结果的准确性;然后建立凸曲面拼接模具铣削过程三维热力耦合仿真模型;最后通过仿真结果研究了凸曲面拼接模具铣削过程力和温度的变化特性。研究结果为航空航天产品的模具铣削技术及刀具结构设计提供理论支持。

硬态切削过程建模技术研究发展

硬态切削以加工柔性好、经济性和环保性好等特点,在汽车行业、轴承行业、液压行业等被广泛采用。而针对于预测硬态切削加工性能和优化加工参数等方面,仿真建模技术不仅起到了重要作用,还能更好地反映切削加工本质,对实际生产加工具有一定的理论指导作用。对国内外硬态切削仿真建模方法进行了介绍,综述了切屑形成、切削力、切削温度、刀具磨损和已加工表面质量的仿真建模方法,并对其今后的发展方向进行了初步的展望。

基于有限元仿真的拼接模具铣削用刀具优化

对ABAQUS软件进行了二次开发,以实现拼接模具铣削过程仿真前处理的快速建模。对铣削力、应力和刀具温度进行仿真,并与铣削实验结果对比,验证了仿真模型的准确性。对不同前角、后角、螺旋角及刃口半径的球头铣刀铣削拼接模具的过程进行模拟仿真,采用遗传算法优化铣刀结构,将优化后的结构参数与传统结构参数代入刀具磨损、工件表面质量的对比实验,从而验证了优化的有效性。研究表明,对仿真前处理进行快速建模的二次开发运行成功,模拟结果准确。研究结果为降低制造成本、提高铣刀寿命和工件表面质量提供了理论参考。

钛合金薄壁件铣削过程有限元仿真分析

钛合金薄壁件铣削过程中,刀具角度对铣削过程中的工件变形、铣削力、铣削振动等影响显著。为减轻刀具磨损延长刀具寿命,通过ABAQUS软件建立钛合金Ti6Al4V薄壁件铣削过程仿真模型,以铣削力和铣削温度为评价指标,采用单因素和正交法分析了刀具前角、后角及螺旋角对铣削力和铣削温度的影响规律,并对铣削力仿真结果进行试验验证。仿真结果表明:前角增大,铣削力减小,铣削温度呈波动趋势变化;后角增大,铣削力减小,铣削温度先减小后增大;螺旋角增大,最大轴向力增大,最大切向力缓慢减小,最大径向力基本不变,铣削温度先减小后增大。通过正交试验和极差分析,明确不同因素对指标影响程度的主次顺序和因素的最优水平组合。