金属切削加工的热力耦合模型及有限元模拟研究

基于切削加工的热-弹塑性有限元方程并在一定假设的条件下,建立了金属正交切削加工的热力耦合有限元模型。分析、研究了切屑分离标准、刀屑界面的摩擦模型以及热控制方程等切削加工模拟所涉及的关键技术,并提出了几何-应力切屑分离标准。最后,采用ABAQUS软件对材料40CrNiMoA进行了切削加工模拟,并分析、讨论了模拟结果。通过与试验数据比较,证明了所建立的有限元模型的正确性。     

氮化硅陶瓷切削仿真与实验

针对金刚石砂轮磨粒尺寸、形状的不规则性和空间位置不确定性的特点,采用球坐标中随机点产生的空间平面切分实体和截角多面体相结合的方法,并考虑氮化硅陶瓷工件的磨削亚表面形貌和裂纹损伤,建立了截角多面体磨粒和含有典型裂纹的工件模型。进行单颗磨粒切削氮化硅陶瓷的有限元仿真和实验,结果表明:磨削加工和数值仿真的磨削力值变化趋势相同,差值小于8%,切削力随砂轮转速增大而减小、随工件速度和切削深度增大而增大,而切削深度对切削力的影响程度最大。     

BTA 深孔钻削切屑变形与刀齿切削力分布规律仿真

采用ABAQUS有限元分析软件,建立了错齿BTA钻头钻削环状工件单元切削仿真模型,以45#钢为工件材料,对错齿BTA钻头各刀齿切削不同直径的环状工件进行了模拟仿真,分析了钻削过程中错齿BTA钻头各个刀齿切屑的形成过程与变形特点,研究了环状单元切削力三分量随工件半径的受力分布规律.结果表明,错齿BTA钻头各刀齿切削力分量呈现出随半径增大而增大的非均匀分布规律,并且切削速度和进给量对切削力分布规律几乎没有影响.     

Ti2AlNb切削切屑形成过程近场动力学仿真及试验研究

利用非局部作用思想的近场动力学理论,可以通过求解空间积分方程描述物质点运动规律,准确描述切削过程材料剧烈塑性变形导致的裂纹扩展和断裂破坏行为。本文基于常规态基近场动力学方法构建Ti₂AlNb弹塑性本构模型,融合材料失效和接触准则,求解离散处理的近场动力学基本运动方程,建立了适用于Ti₂AlNb切削仿真研究的态型近场动力学数值模型,模拟分析了Ti₂AlNb直角切削切屑形成过程。通过试验验证,表明近场动力学仿真可以准确模拟Ti₂AlNb切削切屑形成过程中材料变形和损伤演化规律。本方法预测的切屑形成剪切角40.23°与试验结果 38.89°相比,误差为3.45%;定义损伤空间分布的半峰宽值(FWHM)为切削第1变形区宽度,其预测值为0.06mm,预测误差小于7%。     

硬态切削表面残余应力分析研究

以轴承钢GCr15为研究对象,根据热-弹塑性有限元理论,建立了热力耦合的二维正交硬态切削模型。根据硬态切削的特点,在硬态切削有限元模型中设置了未预先设置分离线的点面接触并选择了Johnson-Cook材料本构模型,通过有限元分析计算,得到了不同切削参数和刀具几何参数条件下已加工表面残余应力的模拟结果。对结果进行比较分析得出,最大压残余应力出现在工件表面,沿着深度的增加工件内部的残余应力由残余压应力转化为残余拉应力,并逐渐趋向于零。这对于控制和提高硬态切削工件表面质量具有重要的理论指导意义。     

航空碳纤维复合材料构件无缺陷制孔方法的研究

电镀金刚石钻头切削原理和普通的钻头不同,电镀金刚石钻头钻孔的本质为"以磨代钻",制孔时每一个磨粒的运动轨迹是螺旋线。刀具端面上的磨粒为主切削部分,这些磨粒大多数是负前角,一个具有很大负前角的切削刃以很高的速度切入复合材料表面,磨粒切削刃和纤维之间产生摩擦、挤压作用,并且克服碳纤维和基体的弹性变形的阻力形成切屑。     

超声ELID 复合磨削磨削力模型研究

以ELID 电解原理为基础,结合超声振动辅助磨削过程中单颗磨粒的运动学分析,建立了超声 ELID 复合磨削条件下的磨削力数学解析模型,并对模型进行了分析和仿真。对模型的分析表明:超声振动改 变了磨粒的运动轨迹,使同等条件下的未变形切屑厚度减小,砂轮的在线电解修整使磨粒始终处于锋锐状态, 而且影响砂轮的实际切削深度,进而对磨削力产生影响。磨削力随着超声振动频率、振幅、电解电压、脉冲比、 电解液电阻率的增大而减小;随着切削深度、工件速度的增大而增大。     

5005铝合金分流模挤压过程有限元模拟

采用DEFORM-3D有限元商业软件,利用焊合面重构技术实现了空心型材分流组合模挤压过程模拟,获取了挤压过程中的材料流动行为与流动速度场的规律,结合型材挤出时模拟的应力场和应变场的分布,研究型材挤压的晶粒分布规律并其成因。结果表明:挤压型材的横截面上的应力应变分布与实际晶粒尺寸分布有对应关系,型材挤压成形过程中应力应变集中分布是造成型材边部晶粒尺寸比中心部细小,拐角区域晶粒比直边区域细小的原因。     

磨削钛合金的磨削力数学模型

本文以磨削钛合金的粘附现象为基础,分析了磨削力与粘附面积百分率间的关系,并导出了磨削力数学模型。该模型计及由于切削工件材料而产生的力以及由于粘到工作磨粒上的工件材料与工件相互接触而产生的力。试验结果证明该模型对钛合金磨削是适用的。     

高速干切削工件表面残余应力分析

建立了金属正交切削的热力耦合有限元模型,对难加工材料GH4169进行非稳态的干切削加工模拟,得到卸载后不同切削速度下工件表面应力场、温度场的分布。分析了不同切削速度下工件残余应力的分布规律以及对工件抗疲劳性能的影响。结果表明,随着切削速度的增大,工件表层的残余拉应力整体上呈现增大的趋势,但在表层迅速下降转化为压应力,并在100~140μm处出现峰值,然后逐渐减小,并且随着切削速度的增大压应力层有向内部深入的趋势,这有利于提高工件的抗疲劳性能,为高速干切削难加工材料的工艺研究提供了参考依据。     

磨粒磨损对砂带磨削TC17表面完整性的影响研究

砂带磨粒磨损直接影响磨削表面质量进而影响构件综合服役性能.以表面完整性为评估指标,对砂带磨损前后钛合金的表面加工质量进行了试验研究,揭示了砂带磨粒磨损对磨削TC17表面粗糙度、残余应力和表面硬度的影响规律及机制.结果表明,磨粒磨损后由于高度均匀化、单位面积切削磨粒数增加、磨削深度减小,使得表面粗糙度减小、纹理均匀细腻,...     

Prediction on grinding force during grinding powder metallurgy nickel-based superalloy FGH96 with electroplated CBN abrasive wheel

In this article, a grinding force model, which is on the basis of cutting process of single abrasive grains combined with the method of theoretical derivation and empirical formula by analyzing the formation mechanism of grinding force, was established. Three key factors have been taken into accounts in this model, such as the contact friction force between abrasive grains and materials, the plastic deformation of material in the process of abrasive plowing, and the shear strain effect of material during the process of cutting chips formation. The model was finally validated by the orthogonal grinding experiment of powder metallurgy nickel-based superalloy FGH96 by using the electroplated CBN abrasive wheel. Grinding force values of prediction and experiment were in good consistency. The errors of tangential grinding force and normal grinding force were 9.8% and 13.6%, respectively. The contributions of sliding force, plowing force and chip formation force were also analyzed. In addition, the tangential forces of sliding, plowing and chip formation are 14%, 19% and 11% of the normal forces on average, respectively. The pro-posed grinding force model is not only in favor of optimizing the grinding parameters and improving grinding efficiency, but also contributes to study some other grinding subjects (e.g. abrasive wheel wear, grinding heat, residual stress).     

振动辅助抛光的原理分析与实验研究

首先从理论上分析了振动辅助抛光的加工过程,通过建立单颗磨粒冲击工件的数学模型,分析了振动参数变化引起硬脆材料的塑-脆去除方式转变机制。采用LY-DYNA软件对球形和锥形磨粒冲击工件的仿真分析结果表明：随着振动参数的增强,磨粒切入深度增加,达到临界切削深度后产生裂纹脆性去除,从而能够实现工件材料的额外去除。在实验平台上开展的径向振动抛光实验结果表明：引入振动后抛光去除效率显著提升,证明了理论分析的正确性。     

薄壁件周铣切削力建模与表面误差预测方法研究

薄壁件加工变形是影响加工精度与质量的关键因素,而切削力建模则是预测表面加工误差的基础。针对两种典型的切削力模型,系统地研究了薄壁件周铣加工过程中切削力变化及表面变形误差分布的有限元计算方法,提出了基于三维非规则网格的刀具/工件变形的耦合迭代格式以及恒定网格下材料去除效应的变刚度处理方法等关键技术,仿真过程充分考虑了切屑厚度变化及不同切削参数对预测结果的影响。以典型钛合金航空材料构件为例,数值计算结果与实验参考数据比较表明,两种切削力模型对同一切削过程的预测均具有很好的一致性。     

单颗磨粒磨削仿真研究进展

概述了传统磨削仿真的基本方法及发展过程,总结了磨粒模型和工件模型的研究现状,具体分析了有限元法、光滑流体粒子动力学法、分子动力学法以及综合仿真方法等应用于单颗磨粒磨削材料的去除机理、成屑机理、工件表面质量以及磨粒磨损等仿真中的研究现状,最后阐述了各类仿真方法的局限性,并提出了单颗磨粒磨削仿真进一步的发展前景。     

Tool wear during high speed turning in situ TiCp/TiBw hybrid reinforced Ti-6Al-4V matrix composite

Chipping, adhesive wear, abrasive wear and crater wear are prevalent for both the polycrystalline diamond(PCD) and the carbide tools during high speed turning of TiC_p/TiB_w hybrid reinforced Ti-6Al-4V(TC4) matrix composite(TMCs). The combined effects of abrasive wear and diffusion wear caused the big crater on PCD and carbide tool rake face. Compared to the PCD, bigger size of crater was found on the carbide tool due to much higher cutting temperature and the violent chemical reaction between the Ti element in the workpiece and the WC in the tool.However, the marks of the abrasive wear looked much slighter or even could not be observed on the carbide tool especially when low levels of cutting parameters were used, which attributes to much lower hardness and smaller size of WC combined with more significant chemical degradation of carbide. When cutting TC4 using PCD tool, notch wear was the most significant wear pattern which was not found when cutting the TMCs. However, chipping, adhesive wear and crater wear were much milder when compared to the cutting of titanium matrix composite. Due to the absence of abrasive wear when cutting TC4, the generated titanium carbide on the PCD protected the tool from fast wear, which caused that the tool life for TC4 was 6–10 times longer than that for TMCs.     

Interference mechanism and damage accumulation in high-speed cross scratches on hard brittle materials

Precision and low damage grinding of aviation optical elements can effectively improve the overall processing efficiency. The mechanism of high-speed cross scuffing of multiple abrasive particles has become an important factor affecting the forming quality of workpiece. Interaction of abrasive trajectory determines machined surface and subsurface morphology and damage.According to the relative motion trajectory of wear particles on the workpiece surface, a theoretical model of the trochoidal tra...     

不锈钢镜面的游离磨粒精密加工

利用游离磨粒加工方法对马氏体平面不锈钢SUS440C试件进行精密加工.通过田口实验方法对研磨阶段的工艺参数进行了优化,涉及的工艺参数包括研磨盘转速、加工载荷和加工时间.利用优化的研磨工艺加工后试件表面粗糙度达Ra72nm.抛光过程中使用聚氨酯抛光垫和二氧化硅磨粒,经抛光后试件表面粗糙度达Ra8nm、表面呈镜面.