单磨粒对硬脆性材料延性去除的建模分析

目的硬脆性材料在珩磨时的脆性去除会使得被加工件的表面质量达不到更高的应用要求,同时对磨具磨损严重,通过理论建模研究珩磨过程中单磨粒磨削参数与切屑第一变形区流动应力的关系,并得到实现延性去除的各参数阈值。方法针对304不锈钢,通过对单磨粒划擦的分析,数学推导得出在平面情况下切屑第一变形区流动应力与单磨粒刃圆半径、磨削深度以及半圆锥角的函数关系。结果在完全刃圆磨削和复合磨削阶段都会有实现材料延性去除的现象被发现,并得到完全刃圆磨削时,取刃圆半径r=1μm,在磨削深度h=0.07μm,流动应力取得极大值σ=227.7 MPa。复合磨削时,取半圆锥角θ=30°,r〈1.5μm时,r的延性去除阈值为0.3-1μm。当取h=0.6μm,θ和r同样存在实现材料延性去除的阈值,分别为45°-75°和0.5μm左右。结论单磨粒刃圆半径、磨削深度和半圆锥角使材料实现延性去除的阈值范围在理论上被确定,为硬脆性材料的延性去除理论的进一步研究提供参考。同时适当减小磨粒刃圆半径,取45°-75°范围内的磨粒半圆锥角,使磨削深度增大,并实现材料的延性去除,可以提高材料的表面质量和磨削效率。

基于热力耦合的单磨粒临界磨削仿真分析

目的 通过仿真研究磨削中单磨粒几何特征对切屑根部材料分离的影响,得到脆-塑转变的临界磨削参数值。方法 针对Ti6Al4V合金,通过对单磨粒划擦的分析,建立热-力耦合平面仿真模型,研究切屑根部有效流动应力随单磨粒刃圆半径和磨削深度的变化情况。结果 在磨粒刃口处,刃圆半径r=0.1μm时,磨削深度h≈0.02μm,出现脆-塑转变的临界现象;在h〉0.3μm时,可能会实现材料的塑性去除,磨削热效应对其有促进作用。刃圆半径r=1μm时,磨削深度h为0.2～3μm,有效流动应力的最小值为948.479 MPa,此时在磨粒刃口处几乎没有材料塑性流动的现象,磨削热效应不明显。刃圆半径r=10μm时,磨削深度h为2～30μm,有效流动应力的最小值为716.351 MPa,最大值为763.59 MPa,磨粒刃口处切屑以塑性流动方式产生,磨削热对其有一定的促进作用。结论 仿真得出使切屑根部材料实现塑性流动的单磨粒刃圆半径、磨削深度阈值范围和脆-塑转变的临界值,同时得到磨削热效应对切屑形成的作用效果。取刃圆半径为0.1μm或者10μm左右的磨粒,适当增大磨削深度,可实现切屑根部材料的塑性流动,降低对磨粒的冲击作用,并提高磨削效率。

单磨粒磨削对表面残余应力影响的仿真分析

通过分析单磨粒仿真模型中磨削参数对材料表面残余应力的影响,得到使材料表面残余应力稳定性更好的磨削参数值,针对Ti6Al4V合金建立热—力耦合的单磨粒平面仿真模型。单磨粒磨削深度取相应磨粒刃圆半径大小相近的数值,并得到两组使表面残余应力数值稳定性较好的磨削参数值:一组是圆锥角θ=60°、刃圆半径r=10μm的磨粒,磨削后的残余应力约为100MPa;另一组是圆锥角θ=60°、刃圆半径r=1μm的磨粒,单磨粒磨削后的残余应力约为400MPa。分析发现:磨削温度的热软化效应会使残余应力的数值降低;单磨粒圆锥角对材料表面残余应力的影响比刃圆半径的更加显著。

工件旋转磨削磨粒切深解析模型分析

硬脆材料超精密磨削时的表面/亚表面损伤很大程度上由磨粒切削深度决定。为更好地仿真预测磨粒的切削深度,基于现有模型和实验结果之间的差异,分析预测切深偏小的问题。结合磨粒数偏差分析和单磨粒划擦实验结果,修正现有模型;修正后的有效磨粒数和表面粗糙度,虽然更贴近,但仍不能吻合实验结果。提出其他可能影响仿真结果的因素,如磨粒刃圆半径、最小切屑厚度等,为进一步完善仿真过程提供参考,以助于磨削工艺的开发和优化。

微细铣削中临界切削参数仿真与试验研究

针对微细铣削中由于尺度效应而存在临界未变形切削厚度的现象,尚缺乏采用不同工件材料与不同刃圆半径进行微细铣削的系统对比分析研究。因此,首先基于有限元方法,对H59黄铜、6061铝合金和304不锈钢三种材料,采用不同刃圆半径的刀具进行微细铣削仿真。通过分析微细铣削不同材料时的切屑形态以及铣削力的变化规律,获得了不同刃圆半径下最小未变形切屑厚度的临界切削参数,并通过微细铣削试验进行了验证。结果表明:同一刃圆半径刀具铣削不同材料时的临界切削参数相等;不同刃圆半径刀具铣削同种材料时,刃圆半径越大,临界切削参数越大。综合考虑微细铣刀刚性及刀具与涂层材料对于刃圆半径的影响,研究结果对于给定工件加工特征后选择合理的微细铣削刀具材料及涂层类型,有一定的指导意义。

微细铣削过程中三维铣削力预测模型研究

微细铣削加工技术在微小型精密零件加工中有着广泛的应用。微细铣削加工采用的刀具直径范围在0.1～1.0mm之间,加工中刀具实际作用前角不恒等于名义前角,导致现有铣削力模型预测精度低。文章讨论了刀具切削刃刃口圆弧半径对刀具实际作用前角的影响;基于对前刀面的受力分析,提出了一种精确预测微细铣削过程三维铣削力的建模方法;该方法从刀具变形对刀齿切削路径影响的几何关系出发,建立了刀具在任意旋转角所受的三维铣削力预测模型,并构造了瞬时未变形切削厚度的计算方法;提出了以Weibull方程的形式来表示瞬时切削力系数与瞬时未变形切削厚度之间的关系,建立了切屑流动角与刀具切削位置角的关系式。与文献已有切削试验结果对比表明,文章的铣削力预测值与实验值能够较好地吻合,预测的切削力相对误差集中在4%-9%之间。