纳米尺度下切削过程的准连续介质力学模拟

采用准连续介质力学方法模拟了镍单晶体刀具在单晶铜工件上的切削过程,深入分析了切削过程中的能量演化?应力场变化和原子位移情况等因素.结合切削过程中位错滑移等塑性行为和原子径向分布理论,揭示了切屑产生的机理,证实了切削过程中已加工表面和体相晶体结构的非晶态变化是切屑产生的主要原因.通过对纳米切削过程不同阶段的模拟表明:刀具的耕犁作用下剪切带的形成和扩展是切屑形成的初始阶段;变质层的产生是纳米切削的中间阶段并构成了加工表面组织;储存在变形晶格中的变形能超过一定值时,晶格被打破,形成非晶态结构是切屑形成的最终阶段.     

正交切削过程的刚塑性有限元算法及其实现

对刚塑性有限元用于正交切削分析中的切屑与基体材料分离准则、切屑与前刀面脱离判据等关键技术问题进行了系统的研究;建立了求解该问题的刚塑性有限元基本方程,给出了单元刚度矩阵和节点载荷列阵的详细算法以及金属大变形过程中网格畸变问题的处理技术。利用自行开发的正交切削模拟计算程序,对铝合金ZL-301创削过程进行了全程模拟,计算结果与试验结果吻合。     

切削加工润滑技术研究现状及展望

在分析切削加工润滑机理的基础上，对国内外切削加工润滑技术的研究进展进行了综合归纳与评述，阐明了各种润滑方式的优缺点，并且针对切削加工时的摩擦特点，指出了切削加工润滑研究中几个值得重视的发展方向．     

高速切削实验平台在力学实验教学中的应用

传统的力学实验已无法满足研究生创新性实验教学的需要。为了使研究生在科学研究中掌握实验分析的基本方法和技能,本文基于Hopkinson压杆加载技术建立了一套高速切削实验系统。该实验系统作为一个科研平台,能够实现切削过程的瞬态冻结并完成变形场和切削力的实时测量,可为高速切削机理研究提供基础实验数据。同时,该实验系统也是一个综合性的实验平台。基于该平台,可以完成金相分析、光栅光纤测力、变形场测量以及塑性本构分析等力学实验教学。高速切削实验平台将力学实验与科学研究相结合,有利于培养研究生独立分析与研究的能力,为研究生未来的科研工作打下基础。     

单晶硅智能切削退火至开裂过程中氢离子、晶体缺陷和应力演化的分子动力学研究

利用分子动力学模拟了智能切削技术中的离子注入过程和退火至开裂过程，重点研究退火至开裂过程中注氢单晶硅微纳尺度下的开裂行为，以及氢原子数目、硅晶体缺陷大小和平均正应力等参数沿注入方向分布的演化规律.研究结果表明：硅晶体开裂经历空位点缺陷形核和生长，但无明显的空隙缺陷局部扩展、空位缺陷生长并引起显著的空隙缺陷局部扩展、空隙缺陷Ostwald生长等三个阶段.开裂位置与注入过程后氢原子分布的浓度峰重合.在三个阶段中，由于氢扩散和变形的影响，氢原子、晶体缺陷和应力的分布随退火至开裂过程进展呈现不同的演化特性.此外，化学成键分析表明氢与硅发生化学反应，形成不同形式的硅氢化合物，退火至开裂过程中硅氢化合物将发生转化.论文建立的系统定量分析智能切削中晶片开裂的数值方法，可进一步用于智能切削技术的改进和优化.     

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。      

高速切削动力学的研究

本文从切屑形成过程动力学观点研究了金属切削过程。这一过程既含有机械系统动力学的各要素,又有介质动力学的各要素。用计算机模拟确定了高速条件下切屑流质动量变化率引起的切削力增量对车削颤振的影响。分析结果与现有事实一致。     

机床切削颤振的定常与时变特性

1.定常与时变切削试验系统严格地说,处于切削加工过程中的机床切削系统(由机床结构和切削过程共同构成的闭环系统)是一个时变系统,当系统参数的时变速度较颤振发生、发展以致形成的速度慢得多时,可将系统在一定时间间隔(或刀具与工件相对运动的一定距离间隔)内作为定常系统处理;反之,当这两种速度相当时,则应作为时变系统处理.在VDF 车床上车削细长轴(图1),颤振一般在工件中部L/3范围内发生,当工件转速为662r/min、进给量为0.08mm/r 时,刀架在床身     

高速切削过程中诱发绝热剪切带形成的热塑性剪切波

提出了高速切削过程中诱发绝热剪切带形成的热塑性剪切波的传播机理,针对锯齿形切屑中热望性区域内的塑性梯度变形特征、动量和能量耗散情况,建立了与切削条件相关的热塑性剪切波的传播模型及剪切带宽度模型.在此基础上,通过淬硬45钢的切削实验并结合改进的Johnson-Cook本构模型分析了热塑性剪切波的传播规律,并将剪切带宽度模型与已提出的DB模型、WR模型和DM模型做了对比,结果表明,由热塑性剪切波传播理论推导的剪切带宽度模型与实验结果较其他模型吻合较好.     

聚晶立方氮化硼刀具切削高锰钢的磨损机制

在半精加工试验条件(切削深度ap=0．5mm，进给量f=0．3mm／r，干切)下研究了聚晶立方氮化硼刀具切削奥氏体高锰钢时的磨损机制，用WDH-Ⅱ型光电温度计测量了切削温度，用工具显微镜测量后刀面磨损量，进而考察了切削时间和切削速度对后刀面磨损量的影响，采用S-250MK型扫描电子显微镜观察刀具前、后刀面的磨损形貌和组成变化．结果表明：当切削温度为400～750℃时，聚晶立方氮化硼刀具同高锰钢中的γ相及其析出相(Fe，Mn)3C之间产生严重的机械磨损；当切削温度超过800℃时，聚晶立方氮化硼刀具同高锰钢单一γ相之间产生扩散磨损；聚晶立方氮化硼刀具适合于高速切削.     

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.     

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。     

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.     

利用蒙特卡洛方法计算陶瓷刀具磨损可靠性

在连续切削条件下,陶瓷刀具的失效形式是以磨粒磨损为主的摩损失效,其磨损寿命由材料的断裂韧性、硬度和切削过程的参数决定,利用蒙特卡洛方法分别随机生成断裂韧性与硬度的样本值,利用连续车削试验确定切削过程参数,将得到的样本值与切削参数相结合可计算刀具在相应切削条件下的磨损寿命及其可靠性,计算结果表明：陶瓷刀具的断裂韧对磨损寿命的可靠性影响较为明显,因而可以利用断裂韧性来估算磨损可靠性。     

Product design based on discrete particle modeling of a fluidized bed granulator

Fluidized bed agglomeration is a process commonly used to construct powdered food or pharmaceutical products to improve their instant properties. This works analyzes the influence of a wide range of operating parameters (i.e., fluidization air flow rate, temperature, and liquid injection rate) on growth rate, process stability, and product particle structure. Different granulator configurations (i.e., top spray, Wurster coater, spouted bed) are compared using identical process parameters. The impacts of both process variables and granulator geometry on the fluidization regime, the particle and collision dynamics, and the resulting product structure and corresponding properties are studied in detailed simulations using a discrete particle model (DPM) and lab-scale agglomeration experiments with amorphous dextrose syrup (DE21). The combination of numerical and experimental results allows to correlate the kinetics of micro-scale particle interactions and the final product properties (i.e., agglomerate structure and strength). In conclusion, detailed DPM simulations are proven as a valuable tool for knowledge-based product design.     

Novel multistage solid–liquid circulating fluidized bed: Hydrodynamic characteristics

The present work proposes a novel radially cross-flow multistage solid–liquid circulating fluidized bed (SLCFB). The SLCFB primarily consists of a single multistage column (having an inner diameter of 100 mm and length of 1.40 m), which is divided into two sections wherein both the steps of utilization or loading (e.g., adsorption and catalytic reaction) and regeneration of the solid phase can be carried out simultaneously in continuous mode. The hydrodynamic characteristics were studied using ion exchange resin as the solid phase and water as the fluidizing medium. The loading and flooding states were determined for three particle sizes; i.e., 0.30, 0.42, and 0.61 mm. The effects of the superficial liquid velocity and solid feed rate on the solid hold-up were investigated under loading and flooding conditions. The solid hold-up increases with an increase in the solid feed rate and decreases with an increase in the superficial liquid velocity. An artificial-intelligence formalism, namely the multilayer perceptron neural network (MLPNN), was employed for the prediction of the solid hold-up. The input space of MLPNN-based model consists of four parameters, representing operating and system parameters of the proposed SLCFB. The developed MLPNN-based model has excellent prediction accuracy and generalization capability.     

Adiabatic shear banding and scaling laws in chip formation with application to cutting of Ti–6Al–4V

The phenomenon of adiabatic shear banding is analyzed theoretically in the context of metal cutting. The mechanisms of material weakening that are accounted for are (i) thermal softening and (ii) material failure related to a critical value of the accumulated plastic strain. Orthogonal cutting is viewed as a unique configuration where adiabatic shear bands can be experimentally produced under well controlled loading conditions by individually tuning the cutting speed, the feed (uncut chip thickness) and the tool geometry. The role of cutting conditions on adiabatic shear banding and chip serration is investigated by combining finite element calculations and analytical modeling. This leads to the characterization and classification of different regimes of shear banding and the determination of scaling laws which involve dimensionless parameters representative of thermal and inertia effects. The analysis gives new insights into the physical aspects of plastic flow instability in chip formation. The originality with respect to classical works on adiabatic shear banding stems from the various facets of cutting conditions that influence shear banding and from the specific role exercised by convective flow on the evolution of shear bands. Shear bands are generated at the tool tip and propagate towards the chip free surface. They grow within the chip formation region while being convected away by chip flow. It is shown that important changes in the mechanism of shear banding take place when the characteristic time of shear band propagation becomes equal to a characteristic convection time. Application to Ti–6Al–4V titanium are considered and theoretical predictions are compared to available experimental data in a wide range of cutting speeds and feeds. The fundamental knowledge developed in this work is thought to be useful not only for the understanding of metal cutting processes but also, by analogy, to similar problems where convective flow is also interfering with adiabatic shear banding as in impact mechanics and perforation processes. In that perspective, cutting speeds higher than those usually encountered in machining operations have been also explored.     

冷却润滑对纯铁车削刀具磨损的影响机理

合适的冷却润滑方式是改善切削摩擦,降低切削温度和切削力,提高刀具寿命的关键技术.采用干切、水冷、微量润滑(Minimum quantity lubrication,MQL)以及菜籽油润滑等四种方式进行了不同工艺参数下纯铁材料的车削试验,研究了冷却润滑方式对纯铁车削刀具磨损的影响机理.结果表明:纯铁车削时刀具磨损形态以主、副切削刃处的沟槽磨损和后刀面磨损为主,前刀面上黏结有工件材料并形成积屑瘤;MQL条件下的刀具寿命最长,而水冷时最小;扩散磨损、氧化磨损和黏结磨损是纯铁车削刀具的主要磨损机理;四种冷却润滑方式下切削力、前刀面与切屑间平均摩擦系数和表面显微硬度的显著差异是造成刀具寿命明显不同的根本原因.