难加工材料切削机理研究的新进展

航空发动机重要零件如机匣、压气机风扇叶片等广泛采用钛、镍基合金等先进结构材料.钛、镍基合金材料切削加工性较差,主要表现在材料热硬度和热强度很高,所需切削力很大,工件、刀具容易产生较大变形;材料热扩散率低;刀具切削深度线位置缺口现象严重,以及形成锯齿状切屑等几个方面.深入研究此类难加工材料的切削机理,对于实现薄壁件高效精密数控加工技术至关重要.本文重点介绍了关于高硬度金属材料锯齿状切屑的形成机制;非连续切屑形成过程的有限元数值模拟关键技术,包括自适应网格细化、切屑与工件之间的分离准则,以及用以描述单元网格中裂纹形核与扩展的断裂准则和算法;切削区域高温、高应变率条件下材料屈服流动行为的准确描述,系统考虑应变、应变率和温度三者之间的相互影响作用;切削温度场、工件表层残余应力场的分布规律,以期消除残余扭曲变形对航空工业中普遍使用的薄壁结构件加工精度的显著影响.      

切削加工过程数值模拟的研究进展

近年来,有限元方法在切削加工模拟中得到了越来越广泛的应用,在研究切削工艺参数及切屑成形机理方面有着不可替代的作用。本文介绍了国外切削加工过程有限元数值模拟的研究进展,阐述了切削过程有限元模拟的关键技术,包括切屑形成、切削加工中的热力耦合、工件与刀具接触和摩擦、切屑分离和断裂准则以及工件残余应力、残余应变的模拟等技术;最后,还对切削工艺有限元数值模拟的发展方向作了探讨。      

单晶硅高速磨削亚表层损伤机制的分子动力学仿真研究

运用分子动力学仿真模拟高速磨削下单颗金刚石磨粒切削单晶硅的过程,通过分析切屑、相变、位错运动并结合工件表面积的演变规律研究磨削速度对亚表层损伤和磨削表面完整性的影响.仿真结果显示:磨削速度的增大会加剧磨粒前端材料的堆积,超过200 m/s后增加不再明显.而加工区域的平均温度通过原子之间的挤压和摩擦会不断增大.在磨削温度、磨削力以及粘附效应的相互作用下,摩擦系数先增大后减小.晶格的变形、晶格重构和非晶相变导致切屑形成过程中的磨削力剧烈波动.研究结果表明:在加工脆性材料单晶硅过程中,随着磨削速度的升高亚表层损伤厚度先减小后增大.当磨削速度低于150 m/s时,随着磨削速度的升高,磨粒下方的原子晶格重新排列的时间缩短,非晶结构的产生减少,亚表层损伤厚度减小.当磨削速度超过150 m/s时,加工区域中的高温成为主导因素促进位错的成核、运动致使亚表层损伤厚度增大.     

基于离散元法的涂层硬质合金刀具建模及其加工损伤预测

首先建立了TiCN涂层硬质合金刀具基体材料(WC)的离散元模型,根据单轴压缩、三点弯曲以及断裂韧性等数值试验方法校准了基体材料离散元模型的微观参数,然后采用划痕法校准了基体与涂层的界面结合强度。根据Merchant切削模型,建立了涂层刀具切削过程中的刀-屑接触模型,通过对切屑施加周期性边界条件来模拟实际的切削加工过程;模拟了涂层刀具加工过程中的裂纹扩展和破坏情况,并预测了切削加工用量对涂层裂纹扩展及破坏的影响。     

铝基复合材料超精密加工中的刀-屑摩擦磨损性能及模型研究

通过金刚石PCD刀具对非连续SiC增强铝基复合材料的超精密车削加工试验,考察了刀具第二切削变形区(刀具前刀面-切屑间)的摩擦磨损性能,并提出了相应的模型;采用爆炸式快速落刀装置制备出切屑根并分析了积屑瘤的影响因素;采用原子力显微镜对PCD刀具的刃口磨损形貌进行观察,并分析其磨损机理.结果表明:在超精密切削加工非连续增强铝基复合材料的过程中,前刀面仍然有极小的楔型积屑瘤产生;铝基复合材料的摩擦磨损性能明显优于铝合金,且当SiC增强相达到最佳体积分数(20%～25%)时,其摩擦磨损性能最佳;从刀具的耐磨性角度考虑,在超精密加工非连续增强铝基复合材料时适宜采用金刚石刀具.     

微池润滑刀具干切削过程中的减摩机理

通过在前刀面月牙洼磨损区域加工装填MoS2固体润滑剂的微孔产生"微池效应"来改善刀具的摩擦学特性,制备了YG8微池润滑刀具.以该微池刀具对45#钢进行干切削试验,结果表明:微池刀具与普通的YG8刀具相比具有良好的摩擦磨损特性,切削力明显减小,前刀面摩擦系数显著降低.通过扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析(EDX)对微池刀具前刀面观察研究,分析了刀具自润滑机理:微池刀具前刀面小孔中的润滑剂受热膨胀及切屑摩擦挤压作用析出,在前刀面表面拖覆形成固体润滑层,直接渗入到刀屑接触区域,从而起到减摩润滑作用,改善刀具基体减摩抗磨性能.润滑膜层在切削加工中是一个润滑膜形成、磨损、再形成的循环过程,微池润滑刀具在微孔完全磨损的整个生命周期内始终具有自润滑效果.     

切削力建模方法综述

航空航天工程广泛采用薄壁复杂结构零件, 实现其高效精密数控加工关键技术具有重大的现 实意义. 传统的CAD/CAM软件在确定切削策略和规划刀位轨迹时, 一般仅基于零件的理想几 何形状. 由于切削力引起的刀具、零件显著的加工变形即``让刀'现象, 必然导致零件的实 际加工表面与理论值之间存在较大偏差. 工程师往往不得不通过选用比较保守的切削用量和 多次重复精加工过程来保证零件的加工精度. 为了能够从根本上解决这一问题, 很有必要通 过建立准确的切削力预报模型, 仿真切削加工的物理过程, 揭示工件和刀具的加工变形规律, 补偿原始数控刀具轨迹, 最终达到改善工件加工精度和提高加工效率的目的. 本文综述了各 种不同的切削力建模方法, 包括基于切屑形成机理的二维正交切削力模型、基于单位切削力 系数的铣削力模型、神经网络模型以及模糊灰色理论等. 目的是为实现薄壁复杂结构零件的 加工变形预测控制、关键工艺参数优化以及加工过程的物理仿真提供理论基础.     

陶瓷刀具干切削等温淬火球铁(ADI)的磨损机理研究

采用陶瓷刀具(CC650)和YG6硬质合金刀具对等温淬火球墨铸铁(以下简称ADI)材料进行干式精车切削试验, 采用带有X射线能谱分析的扫描电子显微镜观察刀具磨损表面形貌, 用能谱仪对刀具磨损微区和工件表面成分进行分析, 用X射线衍射仪对刀具、 ADI材料和切屑等试样进行物相分析, 研究陶瓷刀具磨损形态及其磨损机理. 结果表明: 刀具磨损的主要形式为磨粒磨损、粘着磨损、 扩散磨损及微崩和脱落; ADI材料中含有微量Al和Ti元素, 在较高速度下切削ADI材料时, 刀具与工件之间的亲和性增加而导致粘着磨损; 在刀具前刀面平均切削温度大于800 ℃以上时,ADI材料中的元素Fe和Si扩散到刀面,刀具中的元素Al和Ti扩散到ADI材料表面,从而加剧刀具的磨损;切削后ADI材料表面出现的Al2O3相及切屑中的FeCr相等高硬度化合物颗粒是造成CC650刀具磨粒磨损的主要原因.     

单晶硅AFM加工过程的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法对AFM针尖加工单晶硅进行了研究.工件内部硅原子间相互作用力采用Tersoff多体势计算,工件原子和金刚石针尖原子的相互作用力采用Morse对势计算.本文分析了在不同切削深度下系统势能和牛顿层温度变化情况,对切削力、切屑、侧向流原子跟切削深度的关系进行了系统研究,并在此基础上,对金刚石针尖在单晶硅上的切削机理进行了讨论.     

陶瓷刀具切削区温度场的计算机模拟

在切削金属过程中所消耗的能量几乎９０％以上都转化为热，致使工件，切屑和刀具的温度都上升，其中刀具的温升与切削机理及切削参数密切相关，并且直接影响刀具磨损及其全用寿命。为了研究陶瓷刀具切削温度分布对其磨损规律和机理的影响，根据传热理论建立了数学模型，用计算机模拟编制出陶瓷刀具切削区温度场计算的专业软件，可以得出不同陶瓷料刀具在不同切削条件下切步同工件材料过程中的温度分布曲线图，而且实际测量值与模拟值     

甲烷及其氟氯代物在TATB晶体表面吸附的模

采用Discover/MaterialStudio中的分子动力学方法(COMPASS力场、NVT)及结构优化方法,模拟了甲烷及其氟氯代物(共15种化合物)在TATB超胞的(001)、(100)及(010)晶面的吸附作用。结果表明:(1)TATB晶面与大多数分子相互作用的强弱次序为:(010)(100)(001),这可能与晶面结构差异及氢键的形成有关;(2)三种晶面上,吸附能最大(为负值)的都是CH4、CF4,表明如果氟聚合物中氢或氟的含量过高均可能导致聚合物与TATB相互作用减弱。     

纳米单晶NiTi合金单程形状记忆效应的分子动力学模拟

采用基于第二近邻修正型嵌入原子势的分子动力学方法研究了纳米单晶NiTi合金的单程形状记忆效应，详细阐明了温度诱发马氏体相变和应力诱发马氏体重定向过程中纳米单晶的变形行为和微结构演化，进一步分析了加/卸载速率对NiTi合金单程形状记忆效应的影响。结果表明，NiTi纳米单晶在应力加载过程中发生马氏体重定向，卸载后存在残余应变；当加热到奥氏体转变结束温度以上时，马氏体逆相变为奥氏体相，残余应变逐渐减小，但未完全回复；随着应力加载速率的增加，重定向临界应力和模量逐渐增加；再次降温过程中不同加载速率下的原子结构演化各不相同。     

纳米单晶NiTi合金单程形状记忆效应的分子动力学模拟

采用基于第二近邻修正型嵌入原子势的分子动力学方法研究了纳米单晶NiTi合金的单程形状记忆效应,详细阐明了温度诱发马氏体相变和应力诱发马氏体重定向过程中纳米单晶的变形行为和微结构演化,进一步分析了加/卸载速率对NiTi合金单程形状记忆效应的影响。结果表明,NiTi纳米单晶在应力加载过程中发生马氏体重定向,卸载后存在残余应变;当加热到奥氏体转变结束温度以上时,马氏体逆相变为奥氏体相,残余应变逐渐减小,但未完全回复;随着应力加载速率的增加,重定向临界应力和模量逐渐增加;再次降温过程中不同加载速率下的原子结构演化各不相同。     

纳米压痕试验中压头尺寸效应的准连续介质法分析

采用准连续介质法模拟了单晶铝纳米压痕试验过程,分析了不同宽度的刚性矩形压头所引起的初始塑性变形特点,获得了载荷-压深、应变能-位移和硬度-压深曲线.从位错理论的角度分析了压头尺寸对纳米压痕测试结果的影响.研究发现:随着压头宽度的不断增大,压头下方位错形核所需要的载荷和压深程度增大,需要的应变能增加,应变能的变化速率递增,纳米硬度值减小,呈现出明显的尺寸效应.同时表明在一定的压入深度下,硬度与压头尺寸之间存在着一定的比例关系,不同尺寸压头获得的硬度值可以相互换算,但当矩形刚性压头宽度大于或等于120时这种尺寸效应消失.研究结果为纳米压痕实验过程中压头尺寸的选择提供了参考依据.     

Numerical simulation for nonstationary Mach reflection of a shock wave: A kinetic-model approach

A numerical simulation was performed for the process of formation of single Mach reflection on a wedge by solving a BGK type kinetic equation for the reduced distribution function with a finite difference scheme. The calculations were carried out for a shock Mach number 2.75 and wedge angle 25° in a monatomic gas, which corresponds to the conditions of single Mach reflection in the classical von Neumann theory. The calculations were performed for both diffuse and specular reflection of molecules at the wall surface. It is concluded that the diffuse reflection of molecules at the wall surface or the existence of the viscous or thermal layer is an essential factor for a nonstationary process at the initial stage of Mach reflection. Furthermore, the numerical results for diffuse reflection are found to simulate the experimental results very well, such as a transient process from regular reflection to Mach reflection along with shock propagation.This article was processed using Springer-Verlag T_EX Shock Waves macro package 1990.     

Multiscale simulation of material removal processes at the nanoscale

A dynamic multiscale simulation method has been used to study the nanoscale material removal processes for single crystals. The model simultaneously captures the atomistic mechanisms during material removal from the free surface and the long-range mobility of dislocations and their interactions without the computational cost of full atomistic simulations. The method also permits the simulation of system sizes that are approaching experimentally accessibly systems, albeit in 2D. Simulations are performed on single crystal aluminum to study the atomistic details of material removal, chip formation, surface evolution, and generation and propagation of dislocations for a wide range of tool speeds (20-800 m/s) at room temperature. The results from these simulations demonstrate the power of the developed method in capturing both long-range dislocation plasticity and short-range atomistic phenomena during tool advance. In addition, we have investigated the effect of the scratching depth during the material removal process. Fluctuations of scratching tangential force are related to dislocation generation events during the material removal process. A transition from dislocation generation and glides at lower tool speeds to localized amorphization at high tool speeds is found to give rise to an optimal tool speed for low cutting forces.     

单晶铜中的类层错四面体稳定性

层错四面体作为受核辐照作用金属材料中一类常见的三维缺陷，会极大的改变材料塑性变形行为。本文借助分子静力学和分子动力学方法，针对不同构型、不同尺寸的类层错四面体，考察了不同形状空位团簇演化为类层错四面体的位错反应机理和形成能变化趋势，研究了类层错四面体附近空位形成能分布特征和最小空位形成能随类层错四面体尺寸增大的变化规律，分析了含不同构型、不同尺寸的类层错四面体铜单晶体的微观变形机理和单晶体屈服应力随类层错四面体尺寸增大的变化规律。研究发现：类层错四面体通过Silcox-Hirsch机制形成，且经历了空位团簇坍塌、Frank位错环分解和Shockley位错交汇形成层错四面体棱边三个过程；类层错四面体附近最小空位形成能随着类层错四面体尺寸变化而变化，且变化趋势与类层错四面体构型在稳态、亚稳态和非稳态之间过渡相关，稳态无尖端类层错四面体的最小空位形成能变化趋势表现出明显的尺寸效应；剪切会导致含类层错四面体铜单晶体产生两类层错四面体位错开动模式，即：斜面Shockley偏位错滑移和层错四面体底面压杆位错分解，且含类层错四面体的单晶体屈服应力基本上随着类层错四面体尺寸增大而逐渐减小。     

单晶铜中的类层错四面体稳定性

层错四面体作为受核辐照作用金属材料中一类常见的三维缺陷,会极大的改变材料塑性变形行为。本文借助分子静力学和分子动力学方法,针对不同构型、不同尺寸的类层错四面体,考察了不同形状空位团簇演化为类层错四面体的位错反应机理和形成能变化趋势,研究了类层错四面体附近空位形成能分布特征和最小空位形成能随类层错四面体尺寸增大的变化规律,分析了含不同构型、不同尺寸的类层错四面体铜单晶体的微观变形机理和单晶体屈服应力随类层错四面体尺寸增大的变化规律。研究发现：类层错四面体通过Silcox-Hirsch机制形成,且经历了空位团簇坍塌、Frank位错环分解和Shockley位错交汇形成层错四面体棱边三个过程;类层错四面体附近最小空位形成能随着类层错四面体尺寸变化而变化,且变化趋势与类层错四面体构型在稳态、亚稳态和非稳态之间过渡相关,稳态无尖端类层错四面体的最小空位形成能变化趋势表现出明显的尺寸效应;剪切会导致含类层错四面体铜单晶体产生两类层错四面体位错开动模式,即：斜面Shockley偏位错滑移和层错四面体底面压杆位错分解,且含类层错四面体的单晶体屈服应力基本上随着类层错四面体尺寸增大而逐渐减小。     

基于颗粒离散元法的连接键应变软化模型及其应用

基于颗粒间的有限接触假设,提出了可表述颗粒间力、力矩传递的连接键模型. 为了表征连接键的塑性、损伤及断裂过程,在连接键中引入了考虑应变软化效应的Mohr-Coulomb 准则及最大拉应力准则. 单一连接键的单向拉伸测试及直剪测试表明了上述连接键应变软化模型的计算精度. 研究了颗粒体系的宏观应变能与颗粒平均配位数的对应关系. 通过计算发现,对于二维颗粒体系,当平均配位数为5 时,颗粒体系的宏观应变能与相同参数下连续介质方法(如有限元等) 计算获得的应变能基本一致. 利用上述连接键应变软化模型对岩石的单轴压缩过程进行了模拟,计算结果表明:岩石单轴压缩的应力应变曲线经历了线性上升段、非线性上升段、非线性下降段及缓变段等4 个阶段,并给出了上述4 个阶段与岩石内部损伤破裂状态的内在联系. 计算结果还表明,随着断裂应变的增大,岩石的破裂模式逐渐由拉剪复合型破裂向单一压剪型破裂转化;随着断裂应变的增大,峰值应力及达到峰值应力时的应变均逐渐增大,但峰值时的破裂度及终态时的破裂度将逐渐减小.