基于二维切削的SiCp/Al复合材料表面损伤形成机制研究

目的研究SiCp/Al复合材料切削过程中的表面损伤形成机制。方法以SiCp/Al复合材料为研究对象,展开基于二维切削的仿真和实验研究,建立了包含铝合金2A14、SiC增强颗粒以及界面特性的SiCp/Al切削仿真模型,对作用于不同SiC颗粒部位的材料表面缺陷进行分析;接着利用高速直线电机搭建能映射二维切削条件的实验平台,在不同材料去除条件下,利用扫描电子显微镜和白光干涉仪对切削表面形貌进行测试,分析和验证切削表面损伤形成条件。结果SiCp/Al复合材料切削表面损伤机理取决于SiC颗粒相对刀具切削路径的位置:当刀尖作用在SiC颗粒的顶部时,表面损伤主要为基体撕裂、颗粒破碎;当刀尖作用在SiC颗粒的中部时,表面损伤为颗粒破碎导致的裂纹和凹坑;当刀尖作用在SiC颗粒的底部时,表面损伤为颗粒拔出导致的凹坑。随着切削深度的增大,凹坑逐渐增多,表面粗糙度随之增大。结论利用二维切削模型仿真方法和高速直线电机实验,可以有效研究复合材料切削损伤形成机制。SiC颗粒相对刀具切削路径的位置不同会导致切削损伤不同;SiCp/Al复合材料表面质量会随着切削速度的提升而有所提高。

宽温域油附三态水雾车削镍基高温合金钢已加工表面质量的研究

在宽温域(-30~150℃)油附三态水雾(高温(150℃)油附水雾、常温(20℃)油附水雾和低温(-30℃)油附水雾)介质环境下,通过使用聚晶立方氮化硼(PCBN)、涂层硬质合金(PVD TiAlN)以及氮化硅基陶瓷(Si_(3)N_(4))刀具对固溶时效处理后的镍基高温合金钢GH4169((50±1)HRC)进行车削试验,揭示了高温(150℃)油附水雾、常温(20℃)油附水雾和低温(-30℃)油附水雾的润滑方式,以及切削速度、切削深度和进给量对已加工表面质量的影响规律及其机理。研究结果表明,在22、69、111、176、251 m/min切削速度下,相对于其他2种冷却润滑条件,高温油附水雾冷却润滑条件下使用PCBN和氮化硅基陶瓷刀具车削时均可获得较低的表面粗糙度值;与PCBN和氮化硅基陶瓷刀具相比,涂层硬质合金刀具能获得更低的表面粗糙度值和良好的已加工表面微观形貌。

碳纤维单向层合板切削损伤形成机制及加工表面质量评价

为提高复合材料切削加工质量,通过正交切削试验从切削力、推力、加工表面粗糙度和切屑形成等多方面研究了纤维切削角、切削速度、切削深度对复合材料切削加工性、亚表面微观损伤及加工质量的影响规律。研究表明,纤维切削角是影响复合材料切削加工性的主要因素,逆纤维切削(θ>90°)产生的切削力比顺纤维切削(θ<90°)产生的切削力平均高7.58倍。θ=90°时纤维弯曲变形和纤维扭结使切削参数对切削力和推力的影响最显著。观察亚表面损伤形态可知,切削机理分为四种:θ=0°为界面脱黏,0°<θ<90°为剪切滑移,θ=90°为剪切断裂,90°<θ<180°为弯曲断裂。加工表面质量与切削力相关,然而,小切削深度(h=0.02mm)和中等切削速度(v=7mm/s)的耦合作用使得切削过程极不稳定,加工表面粗糙度与切削力无关。高切削速度和中等切削深度是复合材料正交切削时推荐使用的切削参数。

高温合金GH901车削加工刀具磨损实验测试及理论建模

用A、B和C这3种不同型号的刀具,采用40 m/min和60 m/min两种切削速度对高温合金GH901进行了车削实验,通过观察刀具后刀面磨损状态,建立了各类型刀具的主后刀面磨损曲线,并根据刀具磨损情况和磨损曲线对刀具类型进行了优选,最后利用典型磨损曲线建立了刀具磨损预测模型。实验与模型预测结果的最大均方根误差和最大平均绝对误差分别为0.04349,0.03943 mm,误差偏小证明了该预测模型的有效性。综合车削性能由高到低依次是A、B和C刀具。切屑类型以长环形螺旋切屑为主,切削速度越高,刀具寿命明显降低。

基于不等分剪切模型的ZM5镁合金本构参数的逆向辨识

为了解决ZM5镁合金动态力学性能参数缺失的问题,提出基于不等分剪切模型的ZM5镁合金J-C本构参数逆向识别方法。根据金属切削理论建立主剪切区的应力、应变、应变率及温度分布模型,将正交切削试验和准静态拉伸试验相结合,采用混合粒子群算法确定ZM5镁合金的J-C本构参数,并应用于仿真。将所获得的仿真值与试验结果进行对比,所求得的J-C模型参数用于仿真能较好地反映实际切削试验中的切削力和切削温度,从而证明了所提出的逆向辨识方法的可行性。

干式车削不同淬硬状态下Cr12MoV钢表面粗糙度规律分析

为研究干式车削不同淬硬状态的Cr12MoV钢表面粗糙度的规律,首先采用四因素(切削速度v、切削深度a_(p)、走刀量f、硬度H)四水平设计正交试验方案,然后进行车削实验,最后对试验结果进行极差和方差分析,试验结果表明:(1)在影响因素给定的范围内,切削速度v、切削深度a_(p)、走刀量f、工件硬度H等4个因素对粗糙度Ra影响程度由主到次的顺序依次是走刀量f>切削速度v>工件硬度H>切削深度a_(p);(2)以粗糙度最小为优化目标,不同淬硬状态下Cr12MoV钢最优的车削参数为A_(2)B_(3)C_(1),即切削速度v=150 m/min、切削深度a_(p)=0.2 mm、走刀量f=0.05 mm;(3)建立粗糙度预测的指数模型(正交回归法,Orthogonal Regression Methodology)和非线性模型(响应曲面法,Response Surface Methodology),分析并比较可知二次RSM模型预测Cr12MoV淬硬钢车削加工粗糙度的精度比ORM预测模型高。

刀具磨损后TA15钛合金加工表面残余应力测量

采用PVD涂层(AlTiN)硬质合金刀具对TA15钛合金(Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V)进行切削实验,在观测刀具的磨损形貌的同时采用激光小孔残余应力测试仪开展刀具磨损后加工表面残余应力研究。研究结果表明,TA15钛合金切削过程中刀具的主要磨损形式为后刀面磨损;刀具磨损显著影响已加工表面残余应力分布,刀具磨损量VB与加工引入的轴向残余应力最大值和平均值呈正相关;刀具处于稳定磨损阶段时,磨损速率较低,径向残余应力最大值和平均值较小,径向残余应力波动最小。实验现象及结论充实了该领域的切削机理研究。

切削参数对高速铣削Stellite6合金切削力的影响

通过正交试验对Stellite6合金进行高速铣削加工,用极差、方差分析研究切削速度、轴向切深、径向切深和每齿进给量对切削力的影响。结果表明:在研究范围内,铣削参数对切削力的影响显著性由大到小为每齿进给量、轴向切深、径向切深、切削速度;以切削力最小为目标的最优切削参数组合为vc=100 m/min,fz=0.08 mm/z,ap=0.4 mm,ae=18 mm。

切削参数对高速铣削Stellite6合金切削温度影响的研究

Stellite6合金是以钴铬钨为主要元素的高温合金,红硬性好但导热性能差,在切削加工时刀具与切屑接触区域易产生较高的温度。建立Stellite6合金切削仿真模型,确定试验方法及条件,运用正交试验与仿真研究每齿进给量、切削速度和切削宽度对切削温度的影响规律,使用极差分析法和方差分析法获得铣削参数对切削温度影响的主次顺序,得到以最小切削温度为目标的最优切削参数,并建立了切削温度的经验计算公式。

高速铣削司太立合金切削力的研究

司太立合金是一种以钴、铬、钨为主要元素的硬质合金,较多用于以金属粉末的形式在各种基体金属表面进行堆焊,堆焊层具有耐高温、耐磨损、抗腐蚀等优点,但其切削加工性较差。通过建立司太立合金的高速铣削仿真模型,研究了铣削参数对铣削力的影响规律,建立了主切削力经验公式。结果表明,在研究参数范围内,铣削参数对主切削力的影响显著性由大到小的顺序为:每齿进给量、轴向切深、径向切深、切削速度,其中主切削力的变化与切削速度呈负相关,与每齿进给量、轴向切深和径向切深呈正相关。

微观状态下钢切削数值模拟及切削机理研究

基于Voronoi图建立了正火AISI1045钢的微观组织结构的切削仿真模型。通过对比切削模型中的切削力和切屑形态等参数,验证了材料微观组织结构切削建模的可行性。基于此模型分析了金相组织的应力以及应变分布规律,探讨了相界处金相组织的应力与应变关系以及切削加工后的表面粗糙度。结果表明,应力主要集中在珠光体内部、相界和变形区;铁素体中的应变比珠光体的大,在相界处,剪应力发生了逆转,珠光体中的剪应力比铁素体大;切削后的表面在珠光体和铁素体处分别呈现凹和凸的状态。

工件表面微结构诱导断屑的可行性及机理研究

针对高强高韧材料车削加工的切屑控制问题,提出利用工件表面槽型微结构,诱导切屑发生周期性断裂的切屑控制新方法,采用激光烧蚀技术在316L不锈钢工件表面制备微结构,从切屑形态、切屑质量和切削力多角度验证新方法的切屑控制效果,揭示其改善已加工表面粗糙度的效果,运用有限元方法揭示微结构诱导断屑的宏观和微观耦合机制。本研究为解决难加工材料的切屑控制问题提供了新路径,也为关键轴类零件提质增效提供了新突破口。

硬态干式切削机理及技术研究综述

介绍了硬态干式切削加工刀具材料的特性、工件材料的特点、淬硬钢切削时切屑形态及其形成机理、表面完整性如白层、残余应力分布和表面粗糙度等与切削参数的关系 ,讨论了最小量切削润滑液使用的概念和要求。综合国内外的研究进展论述了硬态切削机理和相关技术 ,有益于加速我国硬态切削的实施。

硬态车削轴承钢GCr15切屑形成机理分析

使用有限元仿真软件ABAQUS对硬态车削淬硬轴承钢GCr15(62HRC)的切削过程进行仿真,从切屑形态出发,结合切削力和切削温度等场量对切屑的形成过程进行分析.结果表明:在低速(60m/min)切削时,没有形成明显的绝热剪切带而形成了连续切屑;在高速(181m/min)切削时,形成了锯齿状切屑和绝热剪切带,且因绝热剪切区的热软化效应而使材料的承载能力下降,切削力发生波动;在高速切削时,工件与切屑自由表面处出现了微裂纹,并在一定程度上沿绝热剪切带而向刀尖方向扩展,使得锯齿更加明显,导致切削力'二次下降'并推迟了下一锯齿节块的形成;硬态车削淬硬轴承钢GCr15的绝热剪切是形成锯齿状切屑的前提,而周期性微裂纹的出现和扩展则是源于绝热剪切作用下材料发生的韧性断裂.

切削温度测量信号的获取与处理

切削温度是影响切削加工过程中刀具状况和工件表面质量的重要物理量,但切削温度信号的获取与处理存在一些实际问题。针对切削温度测量中的自然热电偶法、人工热电偶法以及红外热图像法,介绍了热电偶的固定、从旋转体上引出测量信号、自然热电偶的标定、工件和刀具表面发射率的标定,以及应用红外热像仪进行测温时切削实验的设计等一些实践做法。实践证明,开槽嵌夹绞丝热电偶方法的测量结果比较可靠;采用集流器引出旋转体热电势信号时所产生的摩擦附加电势可被定量测定并可将其从测温信号中减除;应用红外热像仪测量切削温度时应标定被测材料在各温度段的表面发射率并量化标定环境的影响。

干式硬态车削淬硬工具钢Cr12MoV表面粗糙度试验与预测模型

使用PCBN刀具对不同淬硬状态工具钢Cr12MoV进行精密干式硬态车削试验,运用正交实验法分析切削速度、试件硬度、刀具前角、切削深度4个因素间的交互作用,得到最优车削条件.利用多元回归法,借助应用数学软件SPSS技术,建立表面粗糙度的线性模型与指数模型,并对这2种模型进行比较.试验表明:影响表面粗糙度最显著的因素是切削速度与淬火硬度,切削深度影响最小,指数模型比线性模型预测精度高.

精密硬态切削表面白层组织形态的研究

对后刀面磨损量为0．1mm时的精密硬态切削GCr15轴承钢表面白层微观组织形态及其硬度特性进行了研究，硬态切削表面由白层、过渡层和基体材料三部分组成。白层组织中存在马氏体、奥氏体和碳化物等组织形态，白层硬度较基体高而过渡层硬度较基体低，高硬度白层是由于超细颗粒和大位错密度导致的。后刀面磨损量为0．1mm时白层厚度可达到10～15μm，因此有必要控制合理的后刀面磨损量来保证后续超精加工工序。精密硬态切削表面白层的形成是剧烈塑性变形导致的。

预应力硬态切削的残余应力及表面形态

理论分析和实践表明,已加工表面上合适的残余压应力分布能提高机器零部件的表面质量和接触疲劳寿命.文中针对轴承套圈外滚道表面的残余应力问题,采用预应力硬态切削方法,来主动控制轴承零件加工表面的残余应力状态,提高轴承零件的疲劳寿命.通过切削实验对比,分析了硬态干式切削、预应力硬态切削和磨削三种方法加工轴承套圈得到的加工表面残余应力和加工表面硬度,并对轴承套圈的加工表面形貌和状态进行了研究.结果表明,预应力硬态切削方法可以在轴承套圈加工表面获得合适的残余压应力状态和良好的表面质量.

面向微小零件加工的微细切削技术

比较了传统的精密/超精密机床与微小型机床在微细切削中的优缺点,综述了微小型机床在日本、美国、韩国以及中国的研制情况。分析了最小切削厚度和工件微结构对微细切削的影响,讨论了微细切削在微毛刺、表面形成、切削力建模及微刀具磨损方面的机理问题并指出了微细切削今后应当着重解决的技术难点。

基于ABAQUS的岩石节理特征对滚刀破岩影响研究

目的研究岩石节理特征对全断面硬岩掘进机(TBM)滚刀破岩的影响,提高滚刀破岩效率.方法利用ABAQUS对含有不同节理特征的岩石进行建模仿真,模拟TBM滚刀切割含有不同节理特征岩石的过程,并观察分析其破碎效果.结果节理岩石破碎后的塑性应变在节理面处向岩石内部延伸;岩石的节理间距越大,岩石的破碎量越小;在节理间距相同的条件下,节理倾角为60°时,岩石破碎效率最高,而在节理倾角为90°时,岩石破碎效率最低.结论岩石的节理倾角对节理岩石裂纹的扩展有影响,而节理间距为150 mm时对其裂纹的扩展基本没有影响;当节理间距在80~100 mm范围内变化时,节理间距对岩石破碎效率影响较大.研究结果对于理解滚刀破岩机理,优化滚刀布置和提高掘进机刀具破岩效率具有重要意义.