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.     

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.     

金属切屑塑性流动的稳定性

对金属正交切削过程中切屑形成机制和材料塑性流动行为进行实验研究和理论分析. 通过对4 种常用金属材料正交切削过程的实验研究和切屑形貌的微观观察,确定了连续切屑转变成锯齿切屑的临界速度. 结果表明该临界速度与材料性能相关. 在实验观察基础上,提出描述材料正交切削过程的二维分析模型. 该模型假设切屑形成区为包括主剪切区和次剪切区的一个平行四边形. 载荷有主剪切区中的剪应力和次剪切区中的正压力;通过量纲分析得到描述材料正交切削过程的无量纲主控参数和无量纲形式的基本控制方程;应用线性稳定性分析方法建立平面应变状态下评价材料塑性流动稳定性的普遍准则;求得切屑形成区内材料塑性变形的速度和应力近似解. 讨论切屑形成、形貌转变以及相关的塑性失稳机制. 分析结果表明, 表征材料惯性与阻尼之比的无量纲参数— 雷诺数可以作为主控参数描述金属切削过程以及切屑材料塑性流动的稳定性.      

金属切屑塑性流动的稳定性

对金属正交切削过程中切屑形成机制和材料塑性流动行为进行实验研究和理论分析.通过对4种常用金属材料正交切削过程的实验研究和切屑形貌的微观观察,确定了连续切屑转变成锯齿切屑的临界速度.结果表明该临界速度与材料性能相关.在实验观察基础上,提出描述材料正交切削过程的二维分析模型.该模型假设切屑形成区为包括主剪切区和次剪切区的一个平行四边形.载荷有主剪切区中的剪应力和次剪切区中的正压力;通过量纲分析得到描述材料正交切削过程的无量纲主控参数和无量纲形式的基本控制方程;应用线性稳定性分析方法建立平面应变状态下评价材料塑性流动稳定性的普遍准则;求得切屑形成区内材料塑性变形的速度和应力近似解.讨论切屑形成、形貌转变以及相关的塑性失稳机制.分析结果表明,表征材料惯性与阻尼之比的无量纲参数—雷诺数可以作为主控参数描述金属切削过程以及切屑材料塑性流动的稳定性.     

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.      

三种典型磨粒磨损磨屑形成过程的研究

作者利用扫描电子显微镜、光学显微镜和计算机图象分析系统,对3种典型磨粒磨损磨屑的形成特点和典型试验条件下材料的磨粒磨损过程进行了研究。结果表明,在磨粒磨损条件下,典型的磨屑形态主要是切屑和块状屑,同时还有极少量的球状屑和花状屑。作者指出,切屑和块状屑分别是磨粒与被磨材料表面一次和多次相互作用的产物。在三体磨粒磨损条件下,切削是造成编号为2M和3M等硬质材料磨损的主要原因,也是4M和几种奥氏体锰钢在高载荷下磨损的重要形式;块状屑的形成是塑性较好的材料在各种磨损条件下磨损的主要形式。球状屑的形成是磨粒与被磨材料表面的接触点产生高温致使材料熔化的结果。球状屑一般是中空且表面有很多孔洞的球壳,其形成与气体有关。     

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.     

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.     

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。      

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。     

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。     

正交切削时刃前区应力分析的一个新模型

本文提出一个新切削模型和计算刃前区滑移线上正应力的方法,给出了判定切屑连续或断裂的力学标准.在较宽的切削条件范围内的实验结果表明,本理论与实际相符.     

Si3N4基陶瓷刀具的摩擦磨损规律与机理分析

考察了以Ｓｉ３Ｎ４基陶瓷刀具分别切削４５＃钢和１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ奥氏体不锈钢时的耐磨性能及其使用寿命，采用红外热像仪测定了这种刀具有不同切削速度下切削温度的分布，并对刀具的磨损表面形貌和切屑进行了扫描电子显微镜和Ｘ射线能量色散谱分析，提出了Ｓｉ３Ｎ４基陶瓷刀具的磨损机理及影响因素。在最佳切削速度条件下，以这种陶瓷刀具切削４５＃钢时的使用寿命约是切削１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ不锈钢时的９．５倍，而以其切     

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。     

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.     

低刚度工件机加工的定位、夹紧形式

根据仪器的整体要求，导航仪器产品中都采用有色金属、薄壁零件。但由于工件刚度差，容易引起变形、振动，从而影响机加工的精度。本文着重分析研究零件机加工时的受力状况，提出零件工艺刚度的概念。主张采用适当的定位、夹紧形式来提高零件的工艺刚度，达到减轻或消除零件的变形、振动和提高机加工的精度。     

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     

30CrNi3MoV钢热塑剪切带内的应变和应变速率

本文提出了３０ＣｒＮｉ３ＭｏＶ低合金钢正交切削的试验结果和计算规则，锯齿状切屑上热塑剪切带内的应变和应变速率的模型及计算公式。计算结果表明正交切削试验中出现的热塑剪切带的切应变可达２０００％应变速率高达１０￣５ｓ￣（－１）。     

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.