高焓流场球头外形气动热试验研究

再入地球大气层时,飞行器的再入速度极高,面临严重的气动加热问题。为了研究高焓流动导致的热化学非平衡现象,在高焓膨胀风洞FD-14X中开展了球头外形的热流测量试验以及CFD仿真模拟。FD-14X为中国空气动力研究与发展中心新建成的高焓膨胀风洞,速度模拟能力达到第二宇宙速度,总温模拟能力超过10000 K,能够产生总焓70 MJ/kg的试验气体。试验来流总焓16.9~63.5 MJ/kg,球头直径20~50 mm,流场采用自发光拍照,同时CFD仿真采用Park双温非平衡模型计算球头绕流流场。试验与仿真结果表明:来流总焓大于5 MJ/kg时,球头绕流场存在显著的热化学非平衡现象;304钢模型壁面在来流总焓小于20 MJ/kg时表现为非催化壁面特性,在来流总焓大于30 MJ/kg时表现为催化壁面特性;当球头表面镀氧化锆膜、来流总焓49.5 MJ/kg时,球头壁面表现为非催化壁面特性。

考虑刀具尺寸效应和刀具跳动的球头铣刀五轴微细铣削力预测

五轴微细铣削技术广泛应用于微小型零件的精密加工过程。铣削力作为加工过程中最重要的参数之一,直接影响零件的加工精度、刀具磨损和加工过程中的振动等。在球头铣刀五轴微细铣削过程中,刀—工接触几何CWE(Cutter Workpiece Engagement)及未变形切屑厚度瞬态变化,使其求解过程变得复杂和困难。综合考虑不同前倾、侧倾角度下的刀—工接触几何,推导出考虑最小切屑厚度、刀具跳动和工件材料弹性恢复的未变形切屑厚度数学表达式,建立了五轴微细铣削力的预测模型,获得铣削力的仿真结果。进行五轴微细铣削实验获得实测铣削力,并与预测铣削力进行比较,结果表明,铣削力预测值与实测值误差均在20%以内,验证了铣削力预测模型的有效性。

转向节锥面球头销装配力矩衰减研究

为解决某乘用车转向节锥面球头销连接在试车场试验中出现的异响问题,提出一种基于虚拟仿真的解决方法。首先根据路谱载荷极值,仿真接触面积变化趋势,找出接触面分离临界预紧力;仿真交变工作载荷作用下的残余预紧力,将残余预紧力控制在临界预紧力以上,以规避接触面分离过大导致异响;最后通过接头试验确定拧紧工艺。结果表明:该方法能够重新定义拧紧力矩,有效解决了路试异响问题。

某40Cr汽车稳定杆球头销断裂失效分析

汽车稳定杆是保证车辆行驶平顺性、操纵稳定性、舒适性、安全性及汽车准确行驶的重要部件。稳定杆球头销一旦发生失效将导致汽车稳定杆整体功能丧失,严重威胁汽车行驶安全。为确定某40Cr汽车稳定杆球头销发生断裂失效原因,对失效球销进行宏观检查、化学成分分析、金相组织分析、显微维氏硬度测试、断口分析、氢含量检测,结合电阻焊接和镀锌工艺,进行了综合失效原因分析。结果表明,该球头销的断裂模式为沿晶脆断,断裂原因为电阻焊熔合区外层存在局部未熔合,镀锌后未能有效消氢处理,导致焊接区发生吸氢,从而引发氢脆断裂。通过200℃保温消氢2 h热处理前后氢含量对比分析,提出增加消氢热处理工艺并控制电阻焊工艺参数避免类似断裂失效,为球头销制造提供参考。

微径球头铣刀微铣削有限元仿真及微铣削力预测

变螺旋角螺旋线的切削刃使得微径球头铣刀微铣削过程复杂且实验研究难度较大,对此,提出有限元建模仿真与多元线性回归分析相结合的微铣削过程量化分析和微铣削力预测方法。结合球面螺旋线模型和实测建立微径球头铣刀的三维模型,以此为基础实现全槽微铣削的有限元仿真,并通过实验验证仿真的正确性。针对主轴转速、进给速度与铣削深度三因素,利用正交实验设计方法确定三因素三水平的微铣削仿真方案,得到不同工艺参数组合下的微铣削力数据,通过多元线性回归分析建立预测微铣削力峰值的经验模型,其拟合优度分析表明预测模型具有较好的准确度和可靠性,可用于工艺参数对微铣削力峰值的影响规律分析,优化控制微铣削过程。

基于滑模控制的球头自适应入位技术

固连在飞机结构上的工艺球头准确落入数控定位器末端球窝是飞机结构进行调姿对接的前提。针对大型构件难以准确入位的难题,本文提出一种基于滑模控制的球头自适应入位方法。首先对三维力传感器输出做限幅和FIR混合滤波处理以提高其测量精度;然后构建力引导的定位器驱动模型,基于滑模理论设计力控制器并根据Lyapunov稳定判据检验其设计合理性;接着在Simulink环境下搭建基于滑模控制的球头入窝模型,仿真结果显示,设计的力反馈控制系统无振荡且响应速度快;最后以某机身模拟件进行试验验证,试验结果满足设计的球头低应力入位要求,验证了该方法的有效性。

考虑机床几何误差的球头刀三坐标NC铣削刀位控制

机床的各种误差是影响机床加工精度的重要因素,其中机床几何误差是主要的误差来源之一。为消除机床几何误差对加工精度的影响,以球头刀三坐标数控(numerical control,NC)铣削加工为研究背景,基于齐次坐标变换理论与刚体运动学方法,结合机床运动链拓扑结构分析,将机床几何误差映射到球头刀刀心的位置误差上。根据球头刀铣削工件表面成形原理,考虑机床几何误差与球头刀刀心位置间的映射关系,构建出刀心曲面与工件表面/设计曲面之间的正逆向计算模型。通过该模型求解出消除机床几何误差的编程刀心曲面,将该曲面导入CAM软件,即可获得消除机床几何误差的NC加工程序。通过曲面实例进行计算和仿真,佐证了该方法的可行性。

基于关键刀轴矢量插值的球头铣刀五轴加工光顺刀轴矢量生成方法

提出基于贪心策略的复杂曲面加工刀具路径关键刀轴矢量序列整体优化方法,以及基于关键刀轴矢量插值的球头铣刀五轴加工复杂曲面光顺刀具姿态生成方法。计算各关键刀位刀触点处的刀轴矢量可行域,基于贪心策略从刀轴矢量可行域中选择关键刀轴矢量序列并且插值关键刀轴矢量序列,检查加工路径刀轴矢量序列是否存在碰撞干涉,进而获得可行的关键刀轴矢量序列集合。根据光顺评价指标从可行的关键刀轴矢量序列集合中选择最优的关键刀轴矢量序列,然后获得整个加工路径光顺的刀轴矢量序列。试验结果表明,该方法生成的复杂曲面加工刀具姿态能够使机床旋转轴运动平稳。

基于ANSYS Workbench的球头螺栓简化仿真分析方法

随着计算机辅助开发技术的发展和日渐成熟,选用有限元技术在产品设计开发前期,可以对机械产品进行多种实际工况的模拟。ANSYS Workbench作为一款专用的仿真应用软件,越来越多地应用于实际工程设计中,极大地提高了产品开发效率,缩短了开发周期。对于回转件等对称构件,仿真过程中可以通过采用剖分的方法来简化仿真模型,降低网格划分数量,从而缩短仿真计算的时间。针对常见的汽车用球头螺栓进行仿真分析,通过实验室现场试验来验证整体仿真参数设置和约束加载的合理性,进一步地采用剖分面无约束、剖分面固定约束和剖分面无摩擦约束3种方案来对比分析整体仿真的结果,最终确定剖分面无摩擦约束能够很好地映射整体仿真的结果。运用ANSYS Workbench软件对球头螺栓进行模拟仿真分析计算可以缩短试验设计流程,实现零件优化设计的快速反馈,减少物理样机的试验和设计成本,同时为类似产品设计开发提供借鉴和参考意义。

平行砂轮磨削球头立铣刀后刀面的轨迹算法研究

针对磨削球头立铣刀周刃偏心型后刀面的工艺参数化定义不完善,由砂轮姿态突变导致的后刀面磨削宽度不均匀等问题,提出了一种球头立铣刀后刀面采用平行砂轮加工的磨削轨迹算法。该算法首先建立了一种具有齿偏中心量的球头立铣刀刀刃曲线模型,根据模型结构对相关坐标系及其转换关系进行了定义。随后,在描述砂轮姿态的坐标系下构建了砂轮初始磨削姿态模型以及对其工艺参数进行了定义,并根据转换关系对砂轮磨削姿态进行了统一表达。最终,算法的验证通过仿真及实际加工环境进行,并通过测量仪器对后刀面相关参数进行了测量,算法的可行性及准确性得到了进一步验证。

医用球头铣刀铣削力模型与实验验证

在骨科手术中经常使用球头铣刀对骨材料进行加工,在此过程中铣削力大小的精准控制是改善手术质量的关键,但目前尚缺乏理论模型预测骨材料加工过程中的铣削力。本文将球头铣刀离散成沿切削刃分布的切削微元,并用球头铣刀的结构参数表达切削微元的位置。通过分析切削微元的铣削力模型最终积分得到整个球头铣刀的铣削力模型,并以人工骨为铣削材料设计了三个不同工艺参数的实验来验证模型预测值的准确性。结果表明,该模型能较准确地预测球头铣刀在不同工艺参数下的铣削力。

球头销辊式楔横轧球头成形规律研究

为了研究球头销辊式楔横轧球头的成形规律,利用Deform-3D有限元模拟和点追踪分析得到了球头金属流动和分配规律以及应力、应变曲线。结果表明,通过金属体积分配确定了球头在原始坯料的成形位置,得到了球头金属流动轨迹,其呈周期螺旋线式运动。球头轴向等效应力值先增大后减小最后趋于稳定。当金属在靠近球头成形时,应力值仍然会增加,而到最大值的时间也会延长。球头轴向等效应变值逐渐增大,直到轧制完成,等效应变值达到最大;靠近料头的金属应变速率激增,应变值增大。

铣削γ-TiAl球头立铣刀几何角度优化设计

钛铝合金具有良好的物理和力学性能,在航空航天及汽车领域具有广泛的应用前景。由于其高温强度高、导热率低及室温脆性等特性,加工时存在切削力较大、切削温度高等问题,是一种典型的难加工材料,因此开发一款针对该种材料加工的球头立铣刀具有十分重要的意义。本文通过三维有限元仿真技术,以降低铣削力和铣削温度为优化目标,求得球头铣刀前角、螺旋角和后角三个几何参数的最优组合;分析这三个几何参数对切削力和切削温度的影响,实现刀具几何参数的优化设计。

GH4169高温合金球头铣刀铣削有限元仿真分析

GH4169高温合金在切削加工过程中通常会产生较大的切削力和较高的切削温度,进而难以控制加工表面完整性。借助ABAQUS有限元分析软件中的Johnson-Cook热力耦合模型建立球头铣刀简化模型,对GH4169高温合金的铣削加工过程进行三维有限元模拟仿真,研究GH4169高温合金材料在球铣削过程中的切削力、切削温度、等效塑性应变和应变率的变化与分布规律,并对比分析仿真结果与试验结果的差异。研究结果表明,仿真模型的预测结果与试验测量结果有较好的一致性,所构建的铣削有限元仿真模型为球头铣刀的铣削加工提供了可参考的切削要素。

输电铁塔横担绝缘子球头挂环断裂原因分析

利用宏观检验、化学成分分析、显微组织检验、SEM形貌分析及有限元分析等试验方法对某220 kV输电铁塔横担绝缘子球头挂环断裂原因进行了试验分析。结果表明,基建安装时U形挂板与球头挂环连接螺栓预紧力过高,造成球头挂环无法绕U形挂板下端螺栓孔自由摆动;另一方面,球头挂环在加工过程中参数控制不当,组织中形成网状铁素体组织,使得材料脆性增大,抗疲劳性能下降。遇到导线风偏摆动时,在应力集中效应明显的球头挂环与杆部结合处优先开裂,并以疲劳的方式不断扩展,直至完全断裂。

工艺参数对楔横轧球头销球头成形质量的影响

为了研究球头销微观组织晶粒分布规律以及工艺参数对成形质量的影响,通过DEFORM-3D有限元分析软件建立了楔横轧球头销有限元模型,对球头销成形过程及微观组织变化进行了模拟。结果表明,随着展宽角β的增大,平均晶粒尺寸和最大间隙比先减小后增大,最大间隙比增大到9.25%后逐渐趋于稳定;随着成形角α和楔尖圆角r的增大,平均晶粒尺寸与最大间隙比均先减小后增大;随着轧制温度T的升高,平均晶粒尺寸和最大间隙比逐渐减小,而最大间隙比减小至2.33%后逐渐趋于稳定。通过正交试验设计得到主次影响顺序为:展宽角β、轧制温度T、成形角α和楔尖圆角r;最佳工艺参数组合为:展宽角β=11°、成形角α=29°、轧制温度T=1140℃、楔尖圆角r=9.5°。通过球头销轧制试验得到球头销轧件,测量了其成形尺寸与微观组织晶粒;通过试验与模拟对比,得到外形尺寸误差在5%以内,平均晶粒尺寸最大误差不超过15%,进一步验证了有限元模型的准确性。

基于接触区域的球头刀五轴加工无颤振刀具姿态研究

为解决球头刀五轴铣削过程中接触区域获取困难和难以调整主轴转速实现稳定性铣削的问题,提出一种基于接触区域的姿态稳定性图获取方法。首先,建立了考虑刀具姿态与螺旋角影响的动态切削力模型。通过NX二次开发提取刀具与工件接触区域的初始数据,并采用一种坐标变换法获得不同刀具姿态下的接触区域。然后,使用全离散法构建姿态稳定性图判断了在不同刀具姿态下的铣削稳定性。最后,通过实验案例在五轴加工中心中进行球头刀铣削实验,验证了所提方法的有效性与可行性。现场加工表明,实验结果与预测值吻合良好。

基于数学建模的球头立铣刀参数化结构设计

针对球头立铣刀的结构进行综合分析,建立球头立铣刀相关数学模型,确定球头立铣刀的周刃螺旋线、侧刃螺旋线和容屑槽,并基于UG的二次开发进行球头立铣刀的三维参数化建模,得到准确的球头立铣刀三维模型。在考虑机床误差的前提下,对原材料进行磨制与送检,发现经此方法设计的球头立铣刀前角、后角和螺旋角与设计值的偏差分别为15′36″,25′26″,8′12″,槽深和中心半径与设计值的偏差为0.007mm和0.004mm,角度偏差在0.5°之内,尺寸偏差控制在±0.01mm,该方法可有效提高刀具的外形精度。

基于球头铣刀刀具姿态的铣削稳定性影响机理分析

铣削颤振不仅会导致加工零件表面产生振纹,降低加工零件的表面质量,而且会加剧刀具的磨损和降低机床的寿命.针对加工过程中球头铣刀的刀具姿态对颤振的影响,构建刀具姿态影响下的铣削动力学模型,运用三阶牛顿−埃尔米特插值全离散法对铣削动力学模型进行求解,得到系统状态转移矩阵.用Floquet理论判断铣刀在不同刀具姿态下的铣削稳定性,构建球头铣刀的刀具姿态稳定性预测图.试验确定水平向上走刀方式稳定性最好,工件表面粗糙度最低,验证了稳定性预测图的有效性.

汽车稳定杆连接杆球头销断裂原因

某汽车稳定杆连接杆球头销发生断裂现象,采用宏观观察、化学成分分析、扫描电镜分析、金相检验、硬度测试等方法分析了其断裂原因,用有限元分析方法进一步分析。结果表明:未对球头销进行调质热处理,导致其力学性能降低,球头销在外界交变载荷的作用下发生了断裂。