纳米/超细晶切屑形成机理的有限元研究

建立了大负前角和钝圆半径联合作用的大应变切削模型,采用有限元分析软件模拟较低切削速度下刀具前角和钝圆半径对切屑形态、等效应变、应力、应变速率、切削温度和主切削力的影响.结果显示,随着刀具前角的减小和钝圆半径的增加,切削变形区中的等效应变、应力、应变速率、切削温度和主切削力均有一定程度的增加,且刀具前角比钝圆半径影响更为显著;负前角切削时,钝圆半径的作用明显减弱;大负前角低速切削时,切屑在相对低的温度、较高的应变速率和应力下发生大剪切应变,形成具有纳米/超细晶结构和高硬度的切屑材料.     

刃口钝圆半径对硬质合金刀具性能的影响

目的分析刀具刃口钝圆半径对刀具切削性能和加工质量的影响规律,开展切削加工试验及刀具性能变化规律的研究.方法采用具有不同刃口钝圆半径的整体硬质合金铣刀,以航空领域广泛应用的TC4钛合金材料为切削加工对象,在相同的切削参数下进行切削加工试验;以切削力、表面粗糙度和刀具磨损规律为主要因素对刀具切削性能和加工质量进行分析.结果刀具刃口钝圆半径在10.35～13.78μm内各主要因素的变化趋势:随着刀具刃口钝圆半径的增加,整体硬质合金铣刀切削刃口的强度随之增加,但切削刃口的锋利度随之下降,切削力呈缓慢增加的趋势,刀具磨损速率逐渐减小,且刃口钝圆半径与被加工工件的表面粗糙度呈非线性关系.结论笔者研究所得结果可为硬质合金刀具加工钛合金工程领域提供借鉴.     

刀具切削刃圆弧在精密切削中的作用

通过用高速摄影机对刀具切入过程的观察,本文指出刀刃钝圆半径的大小明显地影响着滑擦阶段经历时间的长短。文中比较了不同材料刀具的切薄能力和不同工件材料的可切薄性,研究了在精密切削条件下,刀刃钝圆半径对切削力、切削力比、切屑变形系数、加工硬化和鳞刺高度的影响,并建立了精密切削时的切削模型。     

倒角刀刃切削过程中切削力的有限元法预测

提出了一个预测倒角刀刃切削过程中切削力大小的有限元分析模型．综合考虑了切削加工过程中大应变、大应变速率和高温对工件材料属性的影响，将工件材料的流动应力看成是应变、应变速率和温度的函数．模拟过程从刀具切入工件开始，到切削力达稳态为止．切屑的分离通过商业有限元分析软件Marc中的自适应网格重划分功能实现．采用不同切削条件下切削力的测量结果对有限元分析结果进行验证，发现二者具有较好的一致性．文申最后还分析了刀刃的几何参数对切削力的影响．     

基于有限元仿真的刀具几何参数优化

为了研究干式切削加工中刀具几何参数对难加工航空材料加工过程和表面质量的影响,建立了二维正交切削有限元模型.利用Advant Edge FEM仿真软件模拟了立方氮化硼刀具干式车削高温合金GH169的过程,分析了刀具前角、后角、刃口钝圆半径对工件表面残余应力的影响.采用矩阵分析法对刀具几何参数对切削力、切削温度和最大残余拉应力的综合影响进行分析计算,得到了最优刀具几何参数组合,延长刀具寿命的同时改善了工件表面质量.     

基于LS-DYNA的金属切削加工有限元分析

采用有限元法对金属的切削加工过程进行了模拟,得出了工件内部应力、应变及温度的变化规律.模拟结果表明,切屑是切削层材料受到刀具前刀面的推挤,沿某一斜面发生剪切滑移形成的;切削进入稳定阶段后,材料的最大等效应力保持在某一值附近波动;钝圆半径的挤压导致成形表面产生残余应力;切削热主要集中在切屑上,切屑温度从切屑底层到外层逐渐递减.该方法弥补了实验方法冗繁的缺点,为金属切削原理的研究、切削加工工艺的设计提供了高效的方法和理论依据.     

纯铁切屑形成特征及影响因素研究

采用正交切削试验,研究了纯铁材料在不同切削速度下切屑形成特征及变形机理,开展了刀具前角、切削用量、冷却润滑方式等切削工艺参数对纯铁切屑变形规律的影响试验.结果表明,纯铁切屑呈现显著的剪切滑移变形特征,切削工艺参数仅对切屑中晶粒的变形程度产生影响;低速切削时切屑在前刀面上具有"滑-停-滑"现象,晶粒破碎严重,而高速时停留现象减小甚至消失,晶粒呈拉伸状变形;随着切削速度和刀具前角的增加,切削力、切屑变形系数显著减小,切削力则随进给量的增加而增加,但切屑变形系数则呈减小趋势;相同切削用量时,水冷方式下切削力和切屑变形系数最小,而干切时最大.试验结果对纯铁材料选择合适的工艺参数以改善其加工性能具有重要的参考意义.     

钛合金铣削加工的切屑形态仿真及实验研究

为改善钛合金TC4可加工性、降低刀具磨损、提高工件表面质量,探寻刀具前角及切削速度的变化对切削力和切削温度的影响规律。通过改变刀具前角和切削速度,采用AdvantEdge FEM软件和单因素实验方法对钛合金TC4切屑的形成过程进行二维模拟,研究锯齿形切屑的形成机理。仿真与实验结果表明:随着刀具前角增大,切屑的锯齿化程度降低,切削力和切削温度呈下降趋势;随着切削速度的增大,切削力呈缓慢下降趋势,而切削温度呈明显上升趋势。该研究验证了仿真的可行性,为优化铣削钛合金TC4刀具几何参数及切削用量的合理选择提供了参考依据。     

切削大变形对材料微结构及硬度的影响

在金属切削过程中,剧烈的大剪切变形可以产生具有超细晶结构的切屑,从而使其获得比本体材料更高的硬度和强度.文中比较了不同的金属和合金在各种刀具前角和切削速度下,切屑上产生的剪应变、切屑的微结构及硬度的变化规律.实验结果显示:随着刀具前角的减小,切屑的微结构显著细化,其硬度随之极大提高;切削速度的减小提高了切屑的硬度,但对其微结构的影响不甚明显;采用负前角刀具在较低的切削速度下能加工出具有超细晶结构和高硬度的切屑材料,而切削速度的提高将使大剪切变形引起的硬度增长变缓.     

车削ZL109铝合金PCD刀具的 几何参数优化仿真

ZL109铝合金对刀具的磨损严重,难以获得较好的加工精度.而刀具几何参数对切削力、切削温度、表面加工质量和刀具耐用度都有重要的影响,对刀具几何参数进行优化具有重要意义.利用材料试验机和SHPB装置对ZL109进行准静态和动态冲击压缩实验,确定ZL109铝合金的本构模型参数.采用单因素试验法,模拟刀具的前角、后角和刀尖圆弧半径对切削力和刀尖温度影响.结果表明:刀尖圆弧半径对X和Y方向切削力的影响最大,前角对Z方向切削力的影响最大,而后角对刀尖温度的影响最大.通过正交试验法和极差分析,当刀具几何参数选择为前角γ0=0°,后角α0=7°,刀尖圆弧半径r=0.4 mm时,PCD车刀切削ZL109铝合金时刀具的切削性能最优.     

切削强烈塑性变形对材料微结构及硬度的影响

金属切削过程中,剧烈的大剪切变形可以产生具有超细晶结构的切屑从而使其获得了比本体材料更高的硬度和强度。本文对比了不同的金属和合金在各种刀具前角和切削速度条件下,切屑上产生的剪应变、切屑的微结构及其硬度的变化规律。实验结果显示随着刀具前角的减小切屑的微结构得到显著细化,其硬度随之得到极大地提高;而切削速度的减小提高了切屑的硬度但其微结构的变化不甚明显;采用负前角刀具在较低的切削速度下能加工出具有超细晶结构和高硬度的切屑材料,而切削速度的提高将使大剪切变形引起的硬度增长减弱。     

前角对单晶镍纳米加工影响的分子动力学仿真

应用分子动力学仿真研究了单晶镍的纳米加工过程.通过研究加工力的变化规律,发现加工初期加工力剧烈波动与工件中产生了较大体积的层错结构有关.采用不同前角的刀具进行了一系列加工仿真,结果表明:在刀具前角的增大过程中,加工力及前刀面与切屑之间的摩擦系数逐渐减小;由于前角的增大使刀具对切屑的推挤作用与切屑的整体弯曲减弱,切屑高度增加及切屑中完好的FCC原子比也逐渐增加;工件亚表面的缺陷原子数目逐渐减少,损伤深度也呈减小趋势.采用负前角加工时,工件亚表面损伤较严重,出现了层错四面体结构和LC位错;工件内部高温原子数随刀具前角的增大而逐渐减少,并且工件的温度分布以刀具圆角为中心向工件内部辐射.     

基于局部摩擦因数模型的切削力预测建模

基于局部摩擦因数模型分别建立前刀面摩擦区、切削刃钝圆区、后刀面摩擦区的受力预测模型,进而获得切削力预测值.以钨钼系高速钢（W6Mo5Cr4V2Al）刀具和20Cr2Ni4合金钢为研究对象建立直角切削实验,通过三向测力仪测量直角切削主切削力和切深抗力,并与预测切削力进行对比,数值基本吻合.分析了切削参数以及刀具前角对切削力大小的影响规律.结果表明切削力随切削速度和刀具前角的增加有减小的趋势,随着切削深度的增加明显增大.      

刀具几何参数对已加工表面残余应力影响的模拟

建立了平面应变状态下的正交切削模型,并基于热-弹塑性有限元理论和改进的Lagrange方法,利用有限元软件对切削过程和残余应力的获得过程进行模拟,得到了已加工表面残余应力的分布规律,以及刀具前角和刀刃圆弧半径对残余应力的影响规律。研究发现,残余应力的数值随着圆弧半径的增大而增大,随着刀具前角的增大而减小。本文的结论可为调整和控制残余应力、提高已加工表面质量提供指导。     

双刃斜角切削流屑角的研究

流屑角是金属切削过程中的重要特征参数。关于正交切削和单刃斜角切削以及前角和刃倾角都为零的双刃斜角切削的流屑角的研究比较成熟。而对于前角和刃倾角均不为零的双刃斜角切削流屑角的研究尚存在较大分歧。本文对前角和刃倾角均不为零的双刃斜角切削的流屑角进行研究,建立切削模型;根据切削深度和进给量的不同,该切削模型可导出两种不同的模型;系统地研究前角、安装倾角、刀尖角及进给量和切削深度变化时,流屑角的变化规律并用实验验证,结果表明,该模型可以用来预测双刃斜角切削流屑角。     

立方氮化硼刀具破损问题的探讨(Ⅰ)

立方氮化硼(CBN)刀具在加工合金铸铁的实际切削中破损问题十分严重。生产中要求找出有效措施以改变这种现象。本文根据弹性力学的原理,推导出了刃口区的应力分布,并在此基础上进行了光弹性模拟试验和实际切削试验。理论推导与试验结果基本吻合。当其它切削条件一定时,刀具前角由正值变为负值时,极限应力点由拉应力区移向压应力区,并根据实测数据计算出径向应力由正值变为负值。用两种不同前角的CBN刀具加工同一根合金铸铁,无论从刀具寿命或破损率及形貌上均可表明,采用本文给出的几何参数的合理性,从而找出了合理的前角数值。此外,论述了选取负倒棱的必要性。为进一步研究CBN刀具的切削性能和破损机理奠定了基础。