The Experimental Study of Micro-Tool Servo with Electrostrictive Actuator

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微纳织构涂层刀具切削性能研究进展

刀具磨损严重、服役寿命短仍然是切削加工所面临的难题。随着现代制造业的发展,钛合金、高温合金等难加工材料在工业中广泛运用。但由于这些材料具有低导热系数、变形系数小等特点,在机械加工中存在切削力和切削温度高、刀具磨损严重等问题,严重缩短了刀具的服役寿命。通过表面织构技术和表面涂层技术在刀具切削表面置入微纳织构和涂层可以显著改善切削性能;特别是在减小刀具磨损、降低切削力、切削温度以及刀-屑接触界面摩擦因数等方面具有显著效果。系统概述微纳织构涂层刀具的作用机理、切削性能以及应用领域,对微纳织构涂层刀具后续发展有重要推动意义。首先,介绍微纳织构涂层刀具的制备方式。其次,分析总结微纳织构涂层刀具的作用机理,并从抗磨损性、抗粘结性和刀具寿命三个方面总结微纳织构涂层刀具的自身性能。随后,从切削力、切削温度、刀-屑接触处的摩擦因数三个方面总结微纳织构涂层刀具的切削性能。最后对微纳织构涂层刀具在现代制造业中的应用进行阐述。提出在刀具切削表面同时置入微纳织构和涂层的当前研究现状以及未来发展方向,可为进一步研究微纳织构涂层刀具在切削加工中改善切削性能以及加工表面质量与性能提供参考。

涂层刀具圆孔与直槽混合微织构激光制备工艺研究

针对刀具微织构激光制备质量欠佳的问题,文章研究了激光工艺参数对混合型织构表面形貌、几何尺寸和表面成分的影响规律。实验结果表明:对于涂层刀具表面圆孔和直槽混合微织构的制备,较为合理的激光参数为:加工次数N=6,扫描速度v=10 mm/s,激光功率P=20 W,激光频率f=120 kHz。涂层刀具织构底部和侧壁的结构以氧化物为主,在合理选择激光参数的情况下,刀具表面织构以外的涂层不会被破坏。通过涂层刀具混合微织构激光制备工艺的研究发现,织构宽度和深度的控制是制备微织构刀具的关键,所得规律为提高刀具织构加工质量提供参考依据。

微铣削刀具磨损监测系统中麦克风阵列的消噪性能研究

在切削加工过程中,基于切削加工声音信号的刀具状态监测系统容易受背景噪声的干扰,为确保监测系统的稳定性,提出使用麦克风阵列和维纳滤波来干扰噪声的方法。在实验过程中,采用直径为700μm的微细铣刀对SK4高碳钢工件进行切削加工,并在切削过程提供人工噪声源,然后利用麦克风阵列获取切削时的声音信号。针对获取的声音信号,结合麦克风阵列与维纳滤波器进行滤波处理。结果表明,麦克风阵列结合维纳滤波能有效改善噪声对微刀具磨损监测系统的影响。此外,分析麦克风阵列排列方式对刀具磨损识别的性能影响,结果显示,环形阵列比直线阵列麦克风阵列系统能更有效地去除噪声,在一定频带宽度下选择适当的特征值,刀具磨损识别率可达到100%。

微织构铣刀干铣削RuT500切削性能研究

为探究微织构对刀具加工蠕墨铸铁RuT500切削性能的影响,改善RuT500的可加工性,利用激光技术在刀具前刀面制备了3种形式的微织构并通过单因素试验方法,在不同切削速度下将微织构刀具和无织构刀具对RuT500进行铣削加工,对比分析了微织构的方向和类型在加工中切削性能的差异。结果表明,表面微织构可以有效降低切削力,改善切屑形态和工件表面质量,在一定程度上降低了前刀面磨损;3种微织构在部分相同切削速度下对切削性能的影响有较大差别;切削速度较大时,微织构更有利于RuT500的切削加工。在3种微织构中,以平行于主切削刃的沟槽织构刀具切削性能最优。

微织构刀具磨损的研究现状

源于仿生摩擦学之表面改性技术的表面微织构,随着激光加工、光刻等加工技术的发展,因其良好的减磨,耐磨性能在诸多方面得以应用。近年来的微织构刀具即是微织构在切削领域的应用,大量的研究发现微织构刀具在切削时减磨效果较好,这对于提升刀具的寿命、提高工件精度和节约成本具有重要的意义。这里对不同微织构参数、形貌,不同材质的微织构刀具在不同切削条件、切削参数下的减磨机理,磨损性能进行了总结,根据现存问题提出了新的研究方向,为微织构刀具的应用提供参考。

刀具表面椭圆开口偏置抛物线微织构参数优化

为充分发掘微织构刀具提高钛合金切削性能的潜力。以硬质合金刀具切削钛合金为研究对象,基于响应面试验方法研究了椭圆开口偏置类抛物线微织构(elliptic opening offset parabola micro texture, EOOPT)特征参数对刀具切削性能的影响规律;通过神经网络和遗传算法对其进行多目标参数优化;对相同切削条件下织构最优参数EOOPT刀具和原型刀具的相关切削性能进行了对比分析。结果表明:与原型刀具相比,最优参数EOOPT刀具的最高温度、最大应力和主切削力的平均值分别降低了11.24%、15.48%和10.81%,这对提高钛合金零件的加工质量、提高刀具寿命、降低生产成本具有积极作用。

基于FPGA的微电阻率扫描成像测井仪极板检测装置设计

针对微电阻率扫描成像测井仪极板的出厂检测效率低、现场维修人员占用率高等问题,设计基于FPGA的微电阻率扫描成像测井仪极板检测装置。该检测装置提供极板所需的±5 V电源、时钟信号、复位信号和24路正弦电流信号,使用16位模数转换器采集极板输出的电压信号,采用FFT算法分析信号包含的频率点及其对应的幅度,采用频率—幅度双参数评判法评判极板功能是否正常,并通过LED灯指示检测结果。测试表明:该检测装置能准确检测极板24路信号频率和幅度,准确评判极板功能正常与否,并直观指示检测结果,可应用于极板出厂时的高效检测以及仪器损坏时的现场检修。

刀具微织构对6061铝合金切削性能的影响

为探索刀具微织构对6061铝合金切削性能的影响规律,借助有限元软件对该合金进行两种刀具的切削仿真研究,得到工件温度场、应力场、主切削力和切削温度的变化规律。结果表明:刀具的微织构特征可减小切屑与刀具前刀面的摩擦,进而减少摩擦热,降低切削温度。在降低主切削力方面,微织构特征对切削速度较敏感,对进给量不敏感。通过对两种刀具实测验证,误差均在合理范围。

四川资阳人遗址出土的骨锥

四川资阳人遗址因人类头骨化石的发现而备受关注,但该遗址1951年出土的唯一一件有机质工具——骨锥却鲜被提及。该骨锥长度约为10 cm,距今超过7500年。本文利用体视显微镜、扫描电镜能谱和激光元素仪等技术手段,对这件骨锥的形态、原料选择、制作技术、使用与废弃过程及锥尖部的红色残留物进行了观察分析。研究结果显示,骨锥的制作原料取自大型鹿类胫骨骨干;主要采用刮削技术制作而成,但刮削痕迹并不规整,推测制作者更侧重器型的规整和对称;锥尖部的磨圆、抛光和横向擦痕可能是穿孔过程中产生的,其工作对象主要应为兽皮等软性材料。值得注意的是,锥尖部还发现有赭石粉末残余,表明当时的人类已经掌握了利用赭石处理皮毛及缝制衣物的技术。资阳骨锥应是中国史前规范骨器中一器多用的典型例证,也是中国首次发现的沾染赭石的有机质工具。

加工参数对T800碳纤维增强复合材料铣削质量的影响

增大层厚和增加牺牲层加工工序,是控制大型航空碳纤维复合材料构件形变和装配精度的重要手段,然而如何对其牺牲层进行大余量高效铣削的同时确保无撕裂分层损伤面临挑战。表面柔软的玻璃纤维保护层和内部坚硬的碳纤维复合材料牺牲层因二者的材料性能差异较大,在铣削加工过程中很难同时确保二者均无毛边和分层。为此以某大型航空构件使用的T800碳纤维增强复合材料侧面铣削为例,开展了加工参数对材料铣削质量的影响试验研究,通过分别对硬质合金玉米铣刀、金刚石涂层铣刀、碳纤维专用复合铣刀和双刃聚晶金刚石铣刀4种不同结构形式刀具的铣削力、铣削温度以及加工表面粗糙度进行试验研究,分析了不同加工参数对表面加工质量的影响。试验结果表明:加工表面毛边高度随主轴转速的增加有减小的趋势,随进给速度和径向切深的增加有增大的趋势;较高的铣削温度会引起不同方向的纤维断裂位置发生偏移,导致加工表面粗糙度增大;采用锋利的刃形和多微刃铣削方式,在确保内部碳纤维增强复合材料加工质量的前提下,能够显著改善加工表面的毛边现象,使用左右旋微刃结构的刀具可以使铣削过程更加稳定。

表面处理对TiAlSiN涂层刀具表面完整性及切削性能的影响研究

涂层刀具在高速干切削钛合金时容易出现刀具磨损严重、刀具寿命短等问题,对涂层刀具进行表面处理能改善涂层刀具的表面完整性,是提高涂层刀具耐磨性和切削寿命的有效途径。选取TiAlSiN涂层刀具,分别进行深冷处理、微喷砂处理和深冷+微喷砂处理,研究不同处理方法对涂层刀具表面完整性(包括表面形貌、表面粗糙度、显微硬度和表面残余应力等)的影响,并进行钛合金高速干切削试验,分析不同处理方法对涂层刀具切削性能的影响,探究提高涂层刀具耐磨性和切削寿命的方法。结果表明:与单一深冷处理和微喷砂处理相比,深冷+微喷砂处理后涂层刀具表面完整性明显改善,刀具寿命显著提高。深冷+微喷砂处理能减少刀具崩刃、月牙洼磨损和磨粒磨损,有效提高涂层刀具耐磨性。

三维超声振动辅助车削减摩特性与表面质量的实验研究

为进一步提高304不锈钢的加工效果,将摩擦学动载荷分析与三维超声振动辅助车削相结合,建立减摩特性理论模型.将微织构刀具融入该模型后,减摩效果进一步提高.通过主轴转速、进给量与切削深度的切削合力实验证明了该模型的减摩效果.根据机床的相对振动建立了表面形貌的理论模型,通过单因素实验研究了切削参数对表面粗糙度的影响,随切削深度、主轴转速和进给量的增加,表面粗糙度逐渐增大.

间隙约束线电极电火花磨削加工方法加工区域线电极位置波动特性研究

为实现各种异形微细工具的制造,提出了线电极双侧布置的间隙约束线电极电火花磨削加工方法,并设计了实验装置,加工区域内线电极的位置波动对微细工具的尺寸精度有直接影响。以加工区域内运丝稳定性为研究目标,进行田口实验,探究缓冲器旋出长度、磁滞制动器电流和丝速对线电极位置波动和张力的影响。通过分析线电极张力可知,运丝过程中线电极位置波动和张力变化具有相关性;各实验因素对线电极位置波动量和张力波动量占比的影响规律相同。实验结果表明,丝速对运丝稳定性的影响程度最大;当缓冲器旋出长度为10.5 mm,磁滞制动器电流为0.09 A和丝速为1 mm/s时,线电极运行最稳定,并进行了实验验证。

切削速度对微织构涂层刀具切削性能的影响

为了探究前后刀面微织构涂层刀具在不同切削速度下的切削性能变化规律,利用光纤式激光器在涂层刀具的前刀面和后刀面上分别制备出圆孔和直槽混合微织构,使用该刀具在38CrMoAl氮化钢上进行切削实验。结果表明,随着切削速度的增加,无织构刀具和前刀面织构刀具的切削温度变动范围不大,前后刀面混合微织构刀具的切削温度最大值比无织构刀具的切削温度最大值降低了13%~27%;织构刀具切削力的降低幅度,随着切削速度的增加而增加,相对于无织构刀具的切削力,其最大降幅近40%;在切削速度为80 m/min时,织构刀具对应的表面粗糙度值几乎相等,在其他切削速度时,前后刀面织构刀具对应的表面粗糙度值均小于前刀面织构刀具对应的值,并且表面粗糙度值随着切削速度的增加而降低;振动信号结束段和起始段频谱幅值的变化范围随着切削速度的增加而变得明显。与无织构刀具相比,织构刀具在不同切削速度下均可以改善刀具的切削性能,特别是后刀面织构的存在,这种改善效果更加明显。

微织构车刀椭圆超声辅助切削加工性能研究

为了进一步改善切削性能,将微织构刀具应用于椭圆超声辅助切削过程中,分析其对切削力、刀具磨损及表面质量的影响,然后分析刀具表面微织构角度与尺寸对刀具磨损的影响规律。研究结果表明:微织构刀具可以在保留椭圆超声辅助切削优异性能的基础上进一步改善切削性能,而且根据实验结果,微织构角度与尺寸变化会影响刀具抗磨损效果,当微织构与主切削刃平行、宽度为70μm、间距为70μm时,刀具黏结磨损最小。

单晶硅纳米切削过程中微沟槽结构金刚石刀具切削性能的分子动力学模拟

基于分子动力学,利用LAMMPS和OVITO软件对单晶硅纳米切削过程进行模拟,研究了V形微沟槽结构对金刚石刀具切削性能的影响。结果表明,在金刚石刀具后刀面构建一定深度的V形微沟槽能够减少工件亚表面损伤,同时也对工件加工质量及刀具抗磨损性能产生了明显影响,当微沟槽深度为0.75 nm时,金刚石刀具切削性能最佳。

微织构刀具对钛合金切屑形成影响的仿真研究

针对微织构刀具对钛合金Ti6Al4V切屑形成以及微槽二次切削机理分析的不足,通过建立热-力耦合仿真模型对比研究不同微织构刀具、微织构几何尺寸以及切削速度对切屑形成的影响规律。数值仿真结果表明:微织构刀具更有利于断屑,二次切削作用使切屑的弯曲半径变大,微织构可以减小刀屑之间实际接触面积,降低切削温度。增大微织构宽度可以增强微槽的二次切削作用,利于断屑,但应注意其对刀具强度的削弱作用,而增大相邻微槽间距则会出现相反的二次切削作用机制。提高切削速度对各刀具均有利于断屑,弧形微织构刀具的降温效果最好,V形微织构刀具次之,矩形微织构刀具降温效果最差。研究结果对进一步理解微织构刀具对钛合金切屑的二次切削作用机理提供一定参考。

表面微织构刀具切削加工技术

刀面微织构改变了刀具与切屑之间的摩擦状态,表面微织构刀具在切削中能够降低刀具磨损、提高刀具寿命和切削性能,研究表面微织构刀具的切削加工技术具有重要意义。通过对表面微织构刀具切削加工技术进行综述,介绍了表面微织构刀具制备方法以及表面微织构刀具在切削加工过程中的切削力、切削温度、刀具磨损、工件加工表面粗糙度的影响规律,梳理了表面微织构在不同刀具上的应用,对表面微织构刀具切削加工技术的未来发展趋势进行了展望。

微细电解铣削加工技术研究进展及展望

微细电解铣削加工技术具有工具电极无损耗、加工柔性高、与工件材料硬度无关等特点,在金属微结构器件制造领域展现出极具诱惑力的应用前景。通过综合国内外文献资料,按照不同的电解液供给方式介绍微细电解铣削加工技术的研究进展,分析微细电解铣削加工相关技术研究中存在的不足,并展望该领域的未来发展趋势。