钛合金Ti-6Al-4V高压冷却车削过程有限元分析

随着钛合金的广泛应用,改善其切削加工性、提高加工表面完整性的试验研究也已得到广泛重视,但对该过程的仿真分析尚不成熟。通过Deform 3D仿真软件建立有限元仿真模型,模拟钛合金Ti-6Al-4V在干切削、普通冷却及高压冷却环境下的车削过程,研究切削环境对切削力、切削温度等加工过程量的影响,获取已加工工件距离加工表面不同深度的残余应力分布,分析高压冷却对钛合金Ti-6Al-4V加工表面残余应力的影响规律。通过钛合金Ti-6Al-4V车削试验测量切削力及刀具表面切削温度,并与有限元仿真模型对比,以验证其可靠性。仿真结果表明:随着切削液压强的增加,切削力增加,刀具表面切削温度降低,高压冷却可有效增强切削液的冷却作用。干切削时,已加工表面(d2=0)为残余拉应力;随着切削液压强的增加,已加工表面残余应力状态逐渐由残余拉应力向残余压应力转变,当切削液压强为200 bar时,已加工表面残余应力为残余压应力,且此时已加工表面残余压应力为最大值。随着测量深度的增加,残余应力值增大,在所有切削试验中,最大残余压应力值均在距离已加工表面相同距离。仿真结果与试验结果的对比证明了有限元仿真模型的可靠性,为钛合金Ti-6Al-4V高压冷却加工热力耦合分析和优化设计提供了理论依据。     

基于DEFORM 3D的钛合金高速车削有限元仿真

应用DEFORM 3D软件对钛合金高速车削进行仿真研究,分析了不同切削参数下切削力和切削温度的规律,研究发现背吃刀量和进给量对主切削力的影响较大,切削力与主切削力变化基本一致,切削速度对主切削力的影响不明显,但后者对切削温度具有显著影响;研究了工件和刀具温度场的变化规律以及工件所受应力和刀具的磨损情况,发现最高温度出现在切削刃邻近2mm区域内,且温度最高处刀具磨损程度最大,工件最大应力在第一变形区和工件接触区邻近。     

液氮低温切削钛合金实验研究

针对钛合金难加工特点,将液氮作为冷却介质直接喷向切削区进行钛合金TC4低温车削加工,测量其切削力、表面粗糙度和刀具磨损,并与干切削在相同实验条件下对比,分析低温切削对钛合金的影响。实验结果表明:低温切削钛合金,主切削力有所增大,但进给方向力减小,刀具磨损状况与表面质量得到改善,断屑相对容易。     

金刚石刀具几何参数对已加工表面残余应力的影响

针对微米级切削深度的超精密车削中金刚石刀具几何参数对已加工表面残余应力的影响,采用有限元的方法,建立超精密车削的有限元仿真模型,对硬铝合金的超精密车削过程进行模拟。对车削过程的切削力和切削温度进行分析。采用不同的刀具几何参数进行有限元仿真,得到刀具前角、后角和钝圆半径对已加工表面残余应力的影响和分布规律,为超精密车削中残余应力的控制提供仿真依据。     

硬质合金刀具高速车削钛合金的切削性能研究

采用单因素试验法,用未涂层硬质合金刀具和TiAlN涂层硬质合金刀具对Ti-6Al-4V钛合金进行了高速干车削试验,通过对切削过程中切削力、刀具寿命、切削温度以及加工表面粗糙度的分析,得出了两种刀具高速干车削钛合金的切削性能,为钛合金高速切削刀具的设计提供了试验依据。     

考虑材料损伤演化的钛合金切削过程仿真及试验研究

为更精确地模拟钛合金的切削过程,将断裂力学的裂纹扩展能量理论作为材料损伤演化准则引入切削仿真,考虑刀具切屑接触面上的极限剪切应力随摩擦系数变化、摩擦系数随温度变化,建立了钛合金Ti-6Al-4V二维正交热力耦合切削仿真模型。通过钛合金车削试验及切屑金相观察试验对有限元模型进行验证,结果表明仿真的切削力、锯齿切屑形态与实验结果吻合程度较高。以该有限元模型为基础,分析了已加工表面的残余应力,预测了前角对切屑卷曲与损伤程度、剪切角、锯齿形状、刀具温度的影响。     

钛合金TB6铣削表面残余应力研究

钛合金TB6铣削加工表面残余应力对其使用性能可产生较大影响。试验研究了铣削参数,干铣削、冷铣削,刀具磨损等对表面残余应力的影响规律以及残余应力深度分析。结果表明,铣削速度和进给量对残余压应力影响明显,铣削深度对残余压应力影响小;干铣削表面表现为残余拉应力,残余拉应力随速度增大而增大,冷铣削表面表现为残余压应力,残余压应力随速度增大而减小;刀具磨损量对表面残余应力会产生较大的影响,随着刀具磨损量的增加,残余压应力逐渐增大;冷铣削导致的残余应力深度为20～30μm,干铣削导致的残余应力深度为30～40μm,刀具磨损量VB=0.18mm时铣削导致的残余应力深度50μm,最大残余应力值均出现在表面或者表面以下10μm内,残余应力沿深度方向分布大致呈"勺"型。研究结果对钛合金TB6铣削加工表面残余应力控制具有实用价值。     

TC4钛合金在低温CO2冷却下的切削性能

TC4钛合金在高速车削时易出现刀具磨损快和缠屑等问题,难以保证表面加工质量。利用自行组建的强压液态CO2供给系统,将低温CO2混合物高速射流作为冷却润滑介质,研究了低温CO2射流下高速切削TC4钛合金时的切削温度、切削力、刀具磨损、表面粗糙度以及切屑的断屑情况,并将其与干切削状况进行了对比分析。结果表明,低温CO2射流可有效降低切削温度,减小切削力,减轻切屑缠绕,抑制刀具磨损并提高已加工表面质量。     

航空钛合金车削加工工艺试验研究

对α+β钛合金TC11进行车削工艺研究,采用无涂层、PVD Ti Al N涂层、金刚石涂层三种刀片在干式加工和MQL冷却状态下进行车削试验。研究不同刀具、冷却方式和加工参数对车削TC11钛合金切削力、切削温度、加工表面质量、刀具寿命和刀具磨损方式等影响规律。通过相关试验数据得出相关切削参数,为优选加工刀具提供参考。     

陶瓷刀具高速车削铸铁切削性能实验研究

针对陶瓷刀具和铸铁材料的切削特点,从切削力、切削温度、表面粗糙度、切屑形态和刀具磨损5个方面进行铸铁高速车削实验研究。首先采用单因素实验,分析切削参数对切削力、切削温度、表面粗糙度的影响,并对切屑形貌进行分析探讨;进而采用正交实验进一步分析切削参数对切削加工性能影响的显著程度,并优选出最佳切削参数;最后在正交实验的基础上,对刀具磨损情况进行分析,证明陶瓷刀具高速车削铸铁的合理性。实验结果为进一步研究铸铁的高效切削、刀具磨损以及切削参数优化、新型陶瓷刀具的开发提供技术支持。     

TB9钛合金超声辅助切削试验研究

钛合金作为航空紧固件的主要原材料,其加工性能直接决定了航空紧固件的服役性能,进而影响着航空装备的可靠性,改善钛合金的机械加工性能是提高航空紧固件的有效方法。文章以TB9高强钛合金为研究对象,主要对比传统切削加工和超声切削加工在主切削力、表面加工形貌以及刀具磨损特征等方面的不同,结果表明了与传统切削相比,超声切削有效降低了切削过程中的切削波动,并降低了加工中的切削力;同时超声切削引起的机械划痕深度降低了61.34%,且随着超声振幅的增加,TB9钛合金试样的表面加工质量显著提高、硬质合金刀具的氧化磨损程度降低。     

高速切削GH2132涂层刀具表面及次表面性能演变研究

高速切削过程中,涂层刀具表面性能及次表面残余应力的变化会直接影响刀具的切削性能。采用PVD-TiAlN硬质合金涂层刀具进行高速车削GH2132高温合金试验,研究刀具表面性能在切削过程中的变化规律,并用拉曼光谱法测量了刀具不同磨损阶段的涂层次表面残余应力分布。结果表明,刀具在完整寿命期间内,表面残余压应力和表面显微硬度均呈先增大后减小的趋势。刀具从未磨损到稳定磨损阶段中期,涂层截面残余应力均为残余压应力占主体且沿深度方向逐渐增大,但切削至稳定磨损阶段后期时,涂层在靠近基体位置出现残余压应力减小的现象。在稳定磨损阶段前期,刀具有最佳的表面性能及最大的次表面压应力,此时刀具切削性能最佳,刀具磨损缓慢。     

钛合金车削切削力及表面粗糙度优化分析

采用TC11钛合金车削正交试验研究了各车削参数对切削温度和切削力的影响规律,进一步分析车削参数和表面粗糙度的内在联系。结果表明：切削温度与切削力相互影响,当切削速度在50～100m/min时,切削速度越高,刀具对工件挤压越剧烈,且切削温度升高并使工件软化,导致切削力减小。通过极差分析发现,影响切削力的切削参数依次为切削深度>进给量>切削速度,影响切削温度的切削参数依次为切削速度>进给量>切削深度;对于表面粗糙度各切削用量影响程度大小依次为进给量>切削速度>切削深度。在本次试验参数内,得到了最优切削力的切削参数和最优表面粗糙度的切削参数。研究结果对于加工钛合金的切削参数优化提供一定指导。     

硬质合金刀具车削钛合金时切削力分形特征研究

分别采用硬质合金涂层和非涂层刀具对钛合金Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si(TC11)进行了干车削试验,通过试验中所测实验数据计算了切削力的关联维数,对切削过程中切削力的分形特征进行了研究。结果表明:切削钛合金时,切削力分维数随着刀具磨损状态的改变呈现高—低—高的变化规律;表面粗糙度和切削力分维数随切削时间的延续具有相同的变化趋势。     

基于DEFORM的整体CBN刀具切削钛合金的有限元分析

利用DEFORM-3D有限元软件对整体CBN刀具车削钛合金进行了三维仿真,采用单因素试验法模拟分析CBN刀具车削钛合金时切削速度、背吃刀量和进给量对切削力和切削温度的影响。仿真结果表明:对切削力影响最大的是背吃刀量,其次是进给量,切削速度的影响最弱。切削温度方面,切削速度对其影响最大,背吃刀量最小。     

TC4表面精整车削三维仿真与验证

为了分析无心车床精整车削钛合金线材过程中切削速度、进给速度、切削深度对切屑形貌、切削力和残余应力的影响,使用仿真模拟软件ABAQUS建立基于无心车床的三维有限元精整车削模型,并且通过试验设计与仿真结果进行对比分析。车削钛合金的过程中,高转速会形成较短的C形屑,有利于切屑的分离与断裂。由于主轴转速的增加,工件与刀具之间摩擦力降低,切削力随着主轴转速的增加而减小。由于进给速度增加,每转进给量随之增加,工件去除量增加,随着进给速度的增加切削力也随之增加。由于切削深度增加,切削去除量不断增加,因此切削力随切削深度的增大而增大。车削钛合金的过程中需要提高转速来降低切削力,有利于切削过程。同时进给速度较小时,易于生成C形屑,有利于车削过程。     

星载复杂结构钛合金薄壁件超声振动切削研究

为了实现轻量化设计,航天器常采用复杂结构钛合金薄壁件作为承载、连接和定位元件,但是这类零件在切削过程中容易产生刀具磨损和变形,导致加工精度低,难以满足工作要求.基于钛合金薄壁件切削特性研究,采用超声振动金刚石车削方式控制切削力、装夹力引起的加工变形和残余应力,通过在线补偿修正刀具磨损误差;对壁厚(3～5)mm的典型星载钛合金薄壁件进行椭圆形超声振动切削,尺寸精度达到5μm,圆度误差为2.83μm,满足加工精度和稳定性要求.     

超声振动车削TC4钛合金的切削性能研究

为了探究超声振动车削过程中切削力和切削温度的变化规律,使用Third Wave Advant Edge切削仿真软件,基于POWER-LOW本构模型和ALE网格划分方法建立TC4钛合金车削加工的有限元模型,获得传统车削与超声振动车削的切削力和最高切削温度变化情况。结合超声振动车削中刀具切削速度和位移变化规律,对传统车削与超声振动车削的切削力和最高切削温度变化规律展开对比分析;探究超声振动车削中的工件进给速度、刀具振频和振幅对切削力的影响规律,实现各加工参数的最优组合,为实际加工提供参考。     

切削用量对PCBN刀具车削钛合金的切削性能影响

为了研究不同的切削用量对PCBN刀具干式车削钛合金的影响。利用有限元仿真软件,模拟PCBN刀具干式车削钛合金实验,结果表明:随着背吃刀量和进给量的增加切削力在增大,其中背吃刀量对切削力的影响程度最大;切削速度对切削温度的影响程度最大。     

纵扭超声铣削残余应力三维有限元仿真与试验

针对钛合金等航空难加工材料,提出采用纵扭复合超声振动辅助铣削的加工方法以实现压应力抗疲劳制造。根据侧铣-顺铣加工特性,基于热力耦合作用建立了钛合金铣削等效三维有限元仿真模型,有效提高了计算效率,实现了刀具作为载体的纵扭超声振动仿真。根据铣削残余应力的形成机理,通过机械应力和热应力的加载-释放,完成了加工残余应力的仿真。利用所建立的有限元模型,从切削力、切削温度以及加工残余应力角度出发,对比分析了传统铣削和纵扭超声铣削的差异性,得出纵扭超声振动能够有效降低切削力和切削温度,增大表面压应力值和压应力层深度。通过试验对纵扭超声铣削等效模型进行了验证,结果表明所建立的三维有限元模型能够以较高的精度对切削力、切削温度和加工残余应力进行预测;进一步通过数值模拟研究了刀具几何参数以及超声表征参数对加工残余应力的影响规律,为实现钛合金的压应力制造奠定了基础。