Rapid Manufacturing of Sand Molds by Direct Milling

Direct milling of sand molds is an important development in rapid manufacturing of sand molds. Direct milling is an effective method for manufacturing single or small batches of cast parts. This paper describes experimental investigations to find sand blocks with the appropriate strength, to describe wear patterns of different tools (high-speed steel (HSS), carbide, and polycrystalline diamond (PCD) tools), and to analyze sand mold cutting mechanisms. The results show that the PCD tool outperformes the other tools in terms of tool life. Average flank wear and micro-tipping are the dominant tool failure modes in the sand mold milling process. With a flank wear limit of 0.3 mm, the PCD tool works continuously for about 70 h under the experimental conditions. The experimental results show that the cutting mechanism for direct milling sand molds differs from metal cutting.     

聚晶金刚石刀具低温冷却铣削Cf/SiC磨损机理

采用聚晶金刚石(PCD)刀具对C_f/SiC陶瓷基复合材料进行干式和低温冷却铣削试验,获得了PCD刀具在干式和低温冷却铣削条件下的前刀面和后刀面磨损形貌,测得了不同铣削长度所对应的主切削力和后刀面磨损量,分析了PCD刀具在不同铣削条件下的磨损机理及寿命可靠性。研究表明:在低温冷却条件下,PCD刀具以磨粒磨损为主要磨损机理,失效表面存在明显沟槽磨损和大量长条状划痕;而在干式铣削条件下,PCD刀具以磨粒磨损和局部氧化磨损为主要磨损机理,失效表面呈现均匀的磨损带;低温冷却使PCD刀具有效使用寿命提高约100%。     

高速铣削TC6钛合金的刀具磨损机理

通过物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（ CVD）涂层硬质合金刀具对α+β相钛合金TC6进行高速铣削加工,研究了PVD与CVD刀具在铣削TC6钛合金过程中的刀具磨损形态和磨损机理.结果表明：在相同的切削条件下,PVD涂层刀具后刀面磨损量更小,刀具寿命更长,更适合TC6钛合金的加工.其前刀面主要发生黏结磨损和氧化磨损,后刀面则为边界磨损,由于前刀面黏结磨损和后刀面边界磨损对切削刃的弱化作用,使得主切削刃发生了微崩刃.CVD涂层刀具寿命较短,其前刀面主要发生初期微崩刃和随之而来的月牙洼磨损以及黏结磨损;后刀面则为磨粒磨损,失效形式为涂层剥落.     

硬质合金刀具铣削镍基单晶高温合金DD5磨损试验

为探究在干切削和水基微量润滑(WMQL)条件下刀具磨损对DD5铣削表面质量的影响规律,采用四刃PVD-TiAlN涂层硬质合金刀具以及超景深显微镜和扫描电镜等设备,以刀具副后刀面磨损宽度为主要评价指标,对硬质合金刀具副后刀面磨损形态、磨损机理进行分析和研究,并采用三维轮廓仪对零件表面粗糙度进行测量.研究结果表明,与干切削相比,采用水基微量润滑冷却技术,能够延长刀具寿命并改善材料的铣削加工性;硬质合金刀具的主要磨损机理为粘结磨损、磨粒磨损、氧化磨损和扩散磨损.     

铣削高强度钛合金TC18的刀具磨损机理

采用无涂层和PVD涂层硬质合金可转位刀具对高强度钛合金TC18进行铣削加工,研究了钛合金TC18铣削加工过程中刀具的磨损形态和磨损机理.结果表明：在相同的加工条件下,采用PVD涂层硬质合金刀具加工TC18钛合金的寿命较长,前刀面主要磨损机理为黏结磨损和扩散磨损等,刀具失效形式为涂层剥落和随之而来的前刀面月牙洼磨损,后刀面除了黏结磨损和扩散磨损以外,还发生了磨粒磨损;无涂层硬质合金刀具的寿命较短,刀具的失效形式为崩刃.     

基于模糊神经网络的刀具磨损识别

为了实现刀具磨损状态的自动识别，采用机床功率法进行了刀具自然磨损和不同切削参数（切削速度、进给量和切削深度）对功率信号影响的实验。在此基础上，建立了功率信号的时序AR模型。在提取作为刀具磨损特征量的AR模型参数时，考虑了切削用量对模型参数的影响，提出了特征量选取的准则，使所提取的特征量更加实用化，通过具体自学习和良好函数逼近能力的神经网络获得了特征量对刀具状态的隶属函数，并利用模糊神经网Fuzzy ART实现了刀具磨损状态的自动识别，识别正确率为95%，说明所提出的方法是有效可行的。     

铣刀磨损过程中铣削力与磨损面积分析

研究了三刃立铣刀磨损过程中切削力与刀具后刀面磨损带中部宽度（VB）、磨损面积、刀具副后刀面磨损带宽和磨损面积之间的关系．实验结果表明：铣刀磨损过程中,铣刀每转切削力均值、每切削刃切削力均值的变化曲线与车刀的典型磨损过程曲线相似,铣刀后刀面磨损面积比VB更真实地反映铣刀的磨损状态,可根据x方向的切削力标准偏差与其均值的比值判断刀具的磨损．     

AlCrN涂层硬质合金切削高温合金耐用度对比实验

采用新型涂层AlCrN硬质合金,并同时采用无涂层YW1和TiAlN涂层硬质合金作为对比实验的刀具材料,对变形镍基高温合金GH4169进行车削刀具磨损的系列实验研究.借助光学显微镜、电子扫描显微镜与能谱探针等工具,建立刀具寿命T-v公式,以刀具耐用度为评价指标,对刀具的磨损形态、磨损机理以及此类新型涂层(AlCrN)刀具对应于镍基高温合金的切削性能进行了分析.研究表明,干切削镍基高温合金,AlCrN涂层硬质合金的性能优于当前主流应用的刀具涂层(TiAlN)刀具.其失效形式主要表现为:后刀面磨损和主切削刃微崩刃.前刀面的磨损程度相对较低.其磨损机理为:高温高应力条件下的扩散、氧化磨损与黏接的综合作用.     

模具高速铣削加工的技术特点及应用

模具高速铣削加工具有传统加工无可比拟的优势,是模具制造的发展方向。从机床结构、切削刀柄和刀具、加工工艺、数控编程等方面阐述了模具高速铣削的技术特点以及在模具加工行业的应用。     

PCBN刀具切削淬硬轴承钢时工件硬度的影响分析

通过对PCBN刀具切削不同硬度GCr15轴承钢时切削力、切削温度、刀具磨损和已加工表面质量的试验研究,得到了工件硬度对上述各量的影响规律.结果表明,当工件硬度在HRC50左右时,刀具磨损严重且工件表面质量很差,说明PCBN刀具不适合切削中等硬度的轴承钢.     

车削过程中刀具磨损和破损状态的自动识别

采用机床主电动机功率法和声发射(AE)法来获取切削过程中发出的刀具磨损和破损信号,建立了刀具状态试验系统.在试验数据的基础上,建立了功率信号的自回归时序模型,在提取作为刀具磨损特征量的模型参数时考虑了切削用量的影响.针对刀具破损时功率信号时域幅值变化的随机性,提出用延时方差法来处理功率信号,数据分析结果表明,这种方法是可行的.针对切削过程中发出的AE信号,采用时频分析的方法进行处理,提取出反映刀具破损的特征量,最后利用2个并行的自适应共振神经网络ART-2实现了刀具状态的自动识别,识别成功率达到95%.     

聚晶金刚石复合片非脆性去除磨削机理研究

聚晶金刚石(polycrystalline diamond,PCD)的磨削是PCD刀具制造中的关键环节,磨削参数的变化影响PCD的去除方式,进而决定刀具的切削性能.通过扫描电镜观察分析腐蚀后的PCD磨削表面微观形貌,研究了金刚石砂轮磨削PCD中的刻划作用、滑擦作用和热化学反应等非脆性去除机理,及其与磨削参数的关系.结果表明:刻划作用仅在砂轮磨粒较锋利时产生作用,多存在于湿磨初期;砂轮磨钝后,滑擦作用和热化学反应是PCD的主要去除方式,且滑擦作用与热化学反应同时发生.通过设计一组特殊磨削试验,间接证明了磨削后的PCD表面存在由热化学反应产生的软化层.     

工程陶瓷车削刀具磨损机理及理论模型的研究

通过二硅酸锂玻璃陶瓷的切削实验,依据摩擦学原理,结合犁沟效应从微观层面讨论了陶瓷材料对切削刀具磨损机理的影响.通过引入陶瓷晶体相关参数,揭示了陶瓷晶体的形貌和排布方式在车削过程中对刀具磨损量的影响,使磨损机理应用更具广泛性和直观性.结合几何学和运动学分析,建立了工程陶瓷材料车削刀具体积磨损量模型,并进行了实验验证.理论和实验结果均表明随切削路程的增大,刀具体积磨损量先表现为稳定增加,随后由于磨损面的不断增加以及热量堆积导致黏结磨损现象的出现,刀具磨损速度急剧加快,最终导致刀具刃缘崩碎而失效.     

涂层硬质合金刀具切削超高强度钢35CrMnSi磨损机理研究

对于低合金超高强度钢35CrMnSi,在分析材料切削特性的基础上,选择涂层硬质合金刀具进行切削试验. 改变切削速度,得到使用寿命曲线和t-v曲线,利用扫描电子显微镜(scanning electron microscopy, SEM)和能谱分析仪(energy dispersive spectrometry, EDS)分析研究了磨损区磨损机理. 结果表明:使用寿命在切削速度选取范围内随切削速度的增大而明显减小;前刀面上受到氧化及扩散磨损的作用,呈凹坑状的月牙洼磨损,且凹坑随切屑的流动而增大;硬质相的扩散及黏结作用是造成后刀面磨损的主要原因.      

基于切削参数和刀具状态的车削力模型

建立刀具状态监控特征量与切削参数及刀具状态之间的定量或定性关系是实现刀具状态监控系统的基础,文中以切和为监控特征量,建立了基于切削参数（切削深度、进给量、工件材料及刀具材料）与刀具状态（主要考虑后刀面磨损量）的车削力模型,设计了车削刀具磨损的试验系统及具体的试验方案,并进行了相应的切削试验,结果证明,该模型基本能正确反映车削力信号与刀具状态及各种切削参数之间的关系。     

铣削和磨削淬硬钢SKD11的表面完整性比较

对磨削、铣削加工得到的淬硬钢SKD11表面完整性进行了研究.通过对比干磨削和干铣削加工工件表面层的金相组织.发现干铣削时,铣刀后刀面磨损引起的铣削温度升高对工件表面完整性有很大的影响.随着加工温度升高,工件表面逐渐产生回火马氏体,这是造成工件表面硬度下降的主要原因.进一步的试验表明,如果选用合适的刀具和加工参数,可以得到较好的表面完整性;如果采用较小铣刀的磨钝标准可以避免出现回火马氏体.对淬硬钢进行精加工时,以铣代磨是完全可行的.     

Evaluation of the microstructure,secondary dendrite arm spacing,and mechanical properties of Al-Si alloy castings made in sand and Fe-Cr slag molds

The microstructure and mechanical properties of as-cast A356 (Al-Si) alloy castings were investigated. A356 alloy was cast into three different molds composed of sand, ferrochrome (Fe-Cr) slag, and a mixture of sand and Fe-Cr. A sodium silicate-CO₂ process was used to make the necessary molds. Cylindrical-shaped castings were prepared. Cast products with no porosity and a good surface finish were achieved in all of the molds. These castings were evaluated for their metallography, secondary dendrite arm spacing (SDAS), and mechanical properties, including hardness, compression, tensile, and impact properties. Furthermore, the tensile and impact samples were analyzed by fractography. The results show that faster heat transfer in the Fe-Cr slag molds than in either the silica sand or mixed molds led to lower SDAS values with a refined microstructure in the products cast in Fe-Cr slag molds. Consistent and enhanced mechanical properties were observed in the slag mold products than in the castings obtained from either sand or mixed molds. The fracture surface of the slag mold castings shows a dimple fracture morphology with a transgranular fracture nature. However, the fracture surfaces of the sand mold castings display brittle fracture. In conclusion, products cast in Fe-Cr slag molds exhibit an improved surface finish and enhanced mechanical properties compared to those of products cast in sand and mixed molds.     

注塑成型模具硬态铣削表面粗糙度研究

采用AITiN涂层硬质合金球头立铣刀对4Cr5MoSiV1钢的注塑成型模具进行硬态高速铣削研究,通过多因素法正交试验,利用多元线性回归分析法建立模具硬态铣削的表面粗糙度预报模型,经过现场加工实践检验其准确性.分析切削参数对模具零件的表面粗糙度的影响.研究结果表明:在高转速、小切深及合适的进给速度下,模具加工表面质量好,为优化模具硬态铣削的切削参数和加工表面质量的控制提供了较好的依据.     

基于磨损区重构的圆柱立铣刀周刃磨损评价方法

针对周刃磨损值测量误差大的问题,提出了基于磨损区重构的铣刀周刃磨损的评价方法。从视频显微镜获取的磨损区图像出发,建立三维重构与曲面展开映射模型,实现周刃后刀面磨损区的三维重构以及螺旋面的近似平面展开;应用几何变换,实现第1、第2后刀面磨损区的平面表示及其共面表示,从而得到等效平面磨损区。通过对等效平面磨损区的分析,得到后刀面磨损宽度和磨损面积,进而对铣刀周刃磨损进行评价。在对四刃铣刀的磨损（切削时间为57 min）进行实证研究后发现用重构法得到的磨损宽度、面积相比于用直接法平均增加了0.16 mm和0.067 mm²,增率为17.0%和14.9%。研究结果表明了重构法的可行性和准确性。     

基于后刀面磨损带面积的铣刀磨损模型的建立

鉴于后刀面磨损带面积（AB)可以作为衡量刀具磨损程度的一个指标,以此为据建立了作用在小直径螺旋立铣刀后刀面瞬时切削力和平均切削力与AB间的数学模型,使用不同的切削参数进行了多次实验,计算出模型的特征常数,并进行了模型的实验验证,为用切削力监测铣刀状态提供了理论依据。