高速车削钛合金的硬质合金刀具磨损机理研究

使用硬质合金刀具材料进行钛合金(Ti-6Al-4V)的高速干车削试验.采用电子扫描显微镜(SEM)观察刀具的磨损形貌,通过能谱分析(EDS)分析磨损表面的元素分布,并对刀具的主要磨损机理进行了分析.研究结果表明,使用硬质合金刀具材料高速干车削Ti-6Al-4V时,刀具的磨损机理主要为粘结磨损、氧化磨损和扩散磨损.硬质合金刀具的氧化磨损主要发生在刀具前刀具和后刀面的磨损边缘区.由于车削过程中刀具前刀面的切削温度比后刀面的切削温度高,导致刀具前刀面的氧化磨损、粘结磨损和扩散磨损较后刀面严重.     

高速车削300M超高强度钢时的Al2O3 基陶瓷刀具磨损机理研究

使用Al2O3基陶瓷刀具对300M超高强度钢进行了干切削试验,采用电子扫描显微镜（SEM）观察刀具的磨损形貌,并通过能谱分析仪（EDS）测量了陶瓷刀具磨损微区的各元素含量,分析了陶瓷刀具的主要磨损机理.结果表明：陶瓷刀具磨损的主要机理为粘结磨损、磨粒磨损和氧化磨损.粘结磨损主要发生在前刀面上,且受刀具材料和工件材料接触点应力状态的影响.刀具前、后刀面的磨损边缘区易发生氧化磨损.     

金刚石切削Soda-lime玻璃中的刀具磨损及其对工件表面粗糙度的影响

金刚石切削加工光学玻璃时,工件表面粗糙度与刀具磨损直接相关,为研究切削距离递增下的金刚石刀具磨损及其对工件加工表面粗糙度的影响,进行了Soda-lime玻璃金刚石切削的刀具磨损试验,并对刀具磨损形貌、后刀面磨损带的材料成份、工件的表面形貌及粗糙度进行了检测.结果表明:切削距离递增下的金刚石刀具前刀面磨损表现为平滑且均匀的月牙洼磨损,后刀面磨损表现为磨损带逐渐增大,且磨损带内有沿切削方向的微沟槽产生;切削距离未达到150 m时,工件表面粗糙度Rq、Ra及Rmax值始终低于32、25及300 nm,切削距离超过150 m后,工件表面粗糙度显著增大.机械摩擦作用、热化学作用及磨料磨损作用为导致金刚石刀具磨损的主要原因.     

固定结构下的两向力及弯矩传感器设计

为了刀板切削过程中的受力满足最合理的设计准则,专用传感器设计须基于固定总体结构,对局部结构优化,以达到设计合理的目的。刀板切削时受到土体的阻力可分解为水平力和垂直力,多维力传感器测量了两个力的大小和对传感器产生的弯矩。刀板工作中,弯矩引起的正应力比垂直力引起的拉应力及水平力引起的切应力要大得多,因此特别设计了弹性体的局部结构使得三个应力值接近于同一量级。传感器的标定结果显示,输入输出有良好的线性关系,并且很好地消除了耦合效果。最终,将该传感器应用于土体切削测试并验证了其可靠性。     

加工Al2O3f+Cf/ZL109混杂增强复合材料的刀具磨损性能研究

利用挤压铸造法制备了炭短纤维(Cf)和Al2O3f短纤维增强以及混杂增强ZL109复合材料,研究了切削加工Al2O3f Cf/ZL109混杂复合材料过程中,Cf短纤维和Al2O3f短纤维含量以及切削速度对刀具磨损性能的影响.结果表明,刀具后刀面的磨损量随着纤维含量的增加而增加,Al2O3f短纤维对刀具磨损性能的影响程度大于Cf短纤维;2种短纤维混杂增强较单一Cf或Al2O3f增强时刀具后刀面的磨损将进一步加剧,但2种纤维对刀具磨损的交互作用并不显著;随着切削速度的增加,刀具后刀面的磨损量明显增大.高硬度PCD刀具和CBN刀具适用于加工Al2O3f Cf/ZL109混杂复合材料.     

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.     

PCBN刀具切削GH706磨损特征研究

本文中采用PCBN刀具对镍基高温合金GH706车削试验研究刀具磨损并对比刀具材料.首先观察PCBN刀具的磨损形貌,根据其位置、形态等特点进行分类,分别为主切削刃边缘崩刃、主切削刃微崩刃及后刀面磨损、主副切削刃交界后刀面磨损、副切削刃微崩刃及副后刀面磨损等,从而将PCBN刀具磨损形式进行全新的定义,并根据刀具、工件属性以及切削过程刀-屑-工件相互作用特点,分析了不同类型磨损形成的原因.然后研究刀具磨损形貌随切削进程的变化规律,揭示了PCBN刀具切削GH706的失效历程.最后对比了5种不同PCBN材料的刀具的前、后刀面磨损状态,得到了CBN含量、结合剂种类对刀具磨损的影响规律,为高效切削镍基高温合金用PCBN刀具设计及应用提供技术指导.     

冷风切削对高速切削难加工材料刀具磨损的影响

基于复合制冷技术研制1种低温冷风/低温最小量润滑供给装置,使用TiAlN涂层硬质合金刀具进行干切削、最小量润滑(MQL)、低温冷风及低温最小量润滑(低温MQL)条件下镍基高温合金Inconel 718的高速车削试验和淬硬钢AISI D2的高速铣削试验,通过扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)观察分析硬质合金刀具的磨损形态、磨损机理,研究低温冷风和低温MQL对高速切削难加工材料刀具磨损的影响.结果表明:高速切削Inconel 718和AISI D2时,刀具磨损机理主要为磨料磨损、黏结磨损和扩散磨损;低温冷风和低温MQL可有效降低高速切削时的切削温度,进而防止刀具软化,减小磨料磨损和与温度相关的黏结磨损、扩散磨损,因而可大幅度地提高刀具的使用寿命.     

奥氏体回火温度对等温淬火球墨铸铁(ADI) 高速切削加工性能的影响研究

等温淬火球墨铸铁(Austempering Ductile Iron,以下简称ADI)是一种新型的耐磨球铁材料.结合现有ADI材料的生产情况,选取300、350、400 ℃3个奥氏体回火温度,制备3组试样并测定力学性能.通过高速切削试验,研究了CC650陶瓷刀具高速干式切削不同性能ADI材料时刀具磨损形态和磨损机理,探讨了奥氏体回火温度对ADI高速切削时刀具磨损性能的关系.试验结果表明,奥氏体回火温度对ADI材料组织和力学性能有较大影响;奥氏体回火温度和ADI试件材料与CC650刀具磨损之间具有相关性;高速切削时,CC650刀具对ADI切削的磨损机制以磨粒磨损和扩散磨损为主.     

盾构滚刀刀圈材料的冲滑复合磨损性能研究

盾构滚刀的磨损极大影响了隧道工程的掘进效率,滚刀主要发生冲击-滑动(冲滑)复合磨损,而刀盘与地层之间的相对刚度对滚刀的磨损行为存在显著影响,因此本文中在自主研制冲滑复合摩擦磨损试验机上对滚刀刀圈材料H13钢进行不同结构刚度下的磨损试验,并采用光学显微镜、扫描电镜和白光干涉仪等微观分析设备对不同结构刚度下H13钢的冲滑复合磨损特性和机理进行了分析和揭示. 结果表明:随着结构刚度的增大,压载荷作用时间增长并逐渐起主导作用,摩擦副在滑动区接触时间增长,H13钢损伤最严重区域有沿着冲滑方向移动的趋势,相应地,磨损机制由磨粒磨损变为磨粒磨损与黏着磨损混合形式. 在本研究中再现了盾构滚刀冲滑复合磨损的界面微观工作状态,深入探究了滚刀刀圈材料的微观磨损机理,可辅助了解滚刀与不同软硬程度地层间的相互作用,并为滚刀刀圈材料的磨损性能评价提供了新的研究方法和手段.      

海底天然气水合物绞吸式开采绞刀切削力特性

根据绞刀头结构和工作原理以及天然气水合物沉积物的物理特性，建立切削天然气水合物沉积物的有限元模型，运用ANSYS/LS-DYNA仿真软件和Drucker-Prager材料模型模拟绞刀切削海底天然气水合物沉积物的过程，分析绞刀切削过程沿水平、竖直和转轴方向的受力特点，仿真分析绞刀横移速率、转速、下放角和切削区间角对切削力的影响规律。结果表明，增大横移速率会导致绞刀三个方向受力明显增大；转速提高会降低绞刀三个方向的切削力，随着转速增加，绞刀切削力的减小趋于平缓；绞刀下放角的增大会使绞刀轴向受力急剧增加，影响采矿车工作平稳性；随着切削区间角的增大，绞刀X轴方向力先增大后减小，工作时采用较大的切削区间角，可提高切削效率和采矿车工作稳定性。     

Rock deformation equations and application to the study on slantingly installed disc cutter

At present the mechanical model of the interac- tion between a disc cutter and rock mainly concerns indentation experiment, linear cutting experiment and tunnel boring machine （TBM） on-site data. This is not in line with the actual rock-breaking movement of the disc cutter and impedes to some extent the research on the rock-breaking mechanism, wear mechanism and design theory. Therefore, our study focuses on the interaction between the slantingly installed disc cutter and rock, developing a model in accordance with the actual rock-breaking movement. Displacement equations are established through an analysis of the velocity vector at the rock-breaking point of the disc cutter blade; the func- tional relationship between the displacement parameters at the rock-breaking point and its rectangular coordinates is established through an analysis of micro-displacement vectors at the rock-breaking point, thus leading to the geometric equations of rock deformation caused by the slantingly installed disc cutter. Considering the basically linear relationship between the cutting force of disc cutters and the rock deformation before and after the leap break of rock, we express the constitutive relations of rock deformation as generalized Hooke＇s law and analyze the effect of the slanting installa- tion angle of disc cutters on the rock-breaking force. This will, as we hope, make groundbreaking contributions to the development of the design theory and installation practice of TBM.     

基于Mindlin解的盾构隧道地表沉降黏弹性分析

基于Mindlin解,采用三参数固体黏弹性模型,给出了盾构隧道黏弹性沉降的计算方法,通过退化验证,证明了所得出的黏弹性沉降计算方法的正确性。结合工程实例进行计算分析,分别得出了黏性系数、距开挖面距离以及开挖深度对刀盘正面摩擦、刀盘侧面摩擦、正面附加推力、盾壳与周围土体之间的摩擦力引起的地表变形的影响。计算表明:沉降稳定所需时间随黏性系数增大而延长,随开挖深度的不同而不同;不同的黏性系数,最终沉降值无明显差异;盾壳摩擦导致的沉降随距开挖面距离的增加而减小。     

纳米硬质合金摩擦磨损与切削性能研究

摩擦磨损性能、磨削性能、切削性能对纳米硬质合金实用化具有极其重要意义。应用摩擦磨损试验机研究了纳米硬质合金WC-7Co和WC-10Co的摩擦磨损性能,利用在线电解修整（Electrolytic in Process Dressing, ELID）磨削技术对纳米硬质合金刀具进行了刃磨,并且对Al/SiCp复合材料进行了切削试验,研究了纳米硬质合金刀具的切削性能与刀具磨损机理。结果表明：纳米硬质合金整体摩擦系数低,耐磨性好,WC-10Co的磨损机理表现为鱼鳞状塑性流动;纳米硬质合金磨削加工性较好,磨削机理以塑性去除为主;纳米硬质合金刀具磨损机理为Al/SiCP复合材料中SiC颗粒对刃口断续冲击,其切削实质是断续切削,刀具磨损形式是刃口破损及晶粒脱落。纳米硬质合金刀具适于低速断续切削。     

盾构机下穿桩基施工对单桩承载力影响的数值研究

在大型有限差分软件FLAC3D平台上进行二次开发,利用内嵌FISH语言编程,对盾构隧道动态施工过程中上部基桩承载力的影响进行数值仿真模拟,模型考虑盾构前方土仓压力、盾尾同步注浆、注浆凝结和未凝结两种状态以及衬砌管片施加等施工参数。从桩侧摩阻力、桩端阻力等方面对盾构开挖过程中上部桩基承载力进行分析,以及土仓压力变化对承载力影响。研究结果表明：随着隧道开挖,桩侧摩阻力、桩端阻力发生复杂变化,桩底部出现负摩擦力,桩端轴力为拉力,对基桩竖向极限承载力有一定的影响;并且开挖面距桩轴线不同位置,土仓压力对基桩竖向极限承载力影响不同。     

The comparative analysis of rocks’ resistance to forward-slanting disc cutters and traditionally installed disc cutters

At present, disc cutters of a full face rock tun-nel boring machine are mostly mounted in the traditional way. Practical use in engineering projects reveals that this installation method not only heavily affects the operation life of disc cutters, but also increases the energy consump-tion of a full face rock tunnel boring machine. To straighten out this issue, therefore, a rock-breaking model is devel-oped for disc cutters’ movement after the research on the rock breaking of forward-slanting disc cutters. Equations of its displacement are established based on the analysis of velocity vector of a disc cutter’s rock-breaking point. The functional relations then are brought forward between the displacement parameters of a rock-breaking point and its coordinate through the analysis of micro displacement of a rock-breaking point. Thus, the geometric equations of rock deformation are derived for the forward-slanting installation of disc cutters. With a linear relationship remaining between the acting force and its deformation either before or after the leap breaking, the constitutive relation of rock deformation can be expressed in the form of generalized Hooke law, hence the comparative analysis of the variation in the resistance of rock to the disc cutters mounted in the forward-slanting way with that in the traditional way. It is discovered that with the same penetration, strain of the rock in contact with forward-slanting disc cutters is apparently on the decline, in other words, the resistance of rock to disc cutters is reduced. Thus wear of disc cutters resulted from friction is lowered and energy consumption is correspondingly decreased. It will be useful for the development of installation and design theory of disc cutters, and significant for the breakthrough in the design of full face rock tunnel boring machine.     

The three-dimension model for the rock-breaking mechanism of disc cutter and analysis of rock-breaking forces

To study the rock deformation with threedimensional model under rolling forces of disc cutter,by carrying out the circular-grooving test with disc cutter rollingaround on the rock,the rock mechanical behavior underrolling disc cutter is studied,the mechanical model of disccutter rolling around the groove is established,and the theory of single-point and double-angle variables is proposed.Based on this theory,the physics equations and geometricequations of rock mechanical behavior under disc cutters oftunnel boring machine(TBM) are studied,and then the balance equations of interactive forces between disc cutter androck are established.Accordingly,formulas about normalforce,rolling force and side force of a disc cutter are derived,and their validity is studied by tests.Therefore,a newmethod and theory is proposed to study rock-breaking mechanism of disc cutters.     

一种测量TBM滚刀受力的实验方法研究

为探索测量TBM掘进机滚刀受力特性的方法,本文提出了一种能够测试滚刀三向受力的方案。选择滚刀装配体上的垫块作为弹性体,以粘贴应变片的方式实现测量。利用数值计算方法找出垫块底端面和侧端面对所测力敏感而对作用力位置变化不敏感的区域作为贴片位置,分析了锁紧楔块对测试结果的影响。对滚刀装配体在不同工况下的受力情况进行了数值分析和实验测试。结果显示,若根据数值计算选定的位置贴片,垫块底端面和侧端面桥路应变总值的实验和数值结果相对误差介于1.06%和5.62%之间。滚刀强烈振动或更换刀具后可能使中心轴与垫块之间受力位置发生变化,结果确定其影响不超过2.75%。该方案不仅可以测出三个力的信号,还可用于分析滚刀振动状态,特别是滚刀发生偏磨后,刀刃与岩石之间强烈摩擦,振动状态与未偏磨时必然不同,因此还可通过分析由该方法测得的动态信号来识别偏磨。