具有沟槽微织构的超硬材料刀具切削仿真与实验研究

目的 探究微织构置入切削刀具表面对切削性能产生的影响.方法 在具有沟槽微织构的超硬材料刀具上,设计了切削仿真与实验.基于流体动压射流和流体二次润滑,以J-C准则作为车削的本构关系,采用ABAQUS进行仿真.在相同条件下,对有无沟槽微织构的超硬材料刀具进行了三维切削Al6061模拟,并结合刀具应力和前刀面切削温度,对切削性能进行了分析.采用飞秒激光工艺制备了新型沟槽微织构超硬材料车刀,并在CA6136车床上进行单因素切削实验.结果 刀具在置入沟槽微织构后,不仅降低了摩擦副间的接触面积,而且在切削液的双重作用下,瞬时高温现象也得到了缓解.在干切削条件下,沟槽微织构刀具的前刀面不具有较好的减磨抗粘能力,刀具磨损较快.在切削液润滑、流体动压射流现象和沟槽微织构共同作用下,刀具的摩擦磨损状况得到很大改善,使用寿命得到延长.结论 综合切削仿真与实验结果可知,微织构置入切削刀具表面能够提升刀具切削性能并缓解刀具磨损情况.     

微织构刀具切削性能及减摩效果的仿真分析

目的 研究3种不同类型微织构在钛合金(TC4)切削过程中对刀具切削性能的影响.方法 基于有限元分析软件,在硬质合金刀具的前刀面上设计半圆凹型微织构、半圆凸型微织构以及梯形槽微织构3种不同类型的微织构,通过改变微织构直径或宽度、微织构间距和微织构覆盖长度,研究微织构刀具对背向力、切削温度以及摩擦力的影响.结果 对背向力而...     

基于微磨削方法的微织构刀具制备与切削性能研究

目的研究表面微织构对硬质合金刀具切削性能的影响。方法采用微磨削方法在硬质合金刀具前刀面加工出具有不同结构参数的横向、纵向和交叉微织构,通过AL6061切削试验和有限元切削仿真,研究表面微织构对硬质合金刀具的切削温度及刀具磨损的影响。结果采用V形金刚石砂轮微磨削方法能够加工出几何形状规则且表面质量良好的表面微织构。与无织构刀具相比,微织构刀具的切削温度明显降低,高温区域明显减少,其中横向织构刀具降温效果最为显著。微织构刀具的切削温度随沟槽间距的增大而升高,沟槽间距为150μm时,切削温度最低。表面微织构能够有效减轻刀具前刀面的粘结磨损,横向织构刀具减摩抗粘效果最好,且采用较小的沟槽间距更利于减轻刀具的粘结磨损。随着切削速度的增加,表面微织构的抗粘结作用更加明显,当切削速度为150 m/min时,沟槽间距为150μm的横向织构刀具的切屑粘结面积最小。结论在横向、纵向和交叉织构刀具中,沟槽间距为150μm的横向织构刀具切削性能最好,即降温效果、抗粘结性能最为显著。     

基于ANSYS/Workbench不同微织构刀具强度有限元分析

仿生摩擦学研究表明在刀具表面置入微织构纹理可以改善外圆车刀在切削时的摩擦状况,但是置入的微织构纹理会对刀具的结构强度产生一定的影响。针对微坑织构、凸包织构和条纹织构纹理进行了刀具的建模并利用 ANSYS ／Workbench 对不同微织构纹理刀具进行有限元分析。结果表明：在微织构的深度、间距尺寸一致的情况下,微坑织构纹理对刀具的应力影响程度较大,条纹织构纹理的影响程度较小,3种织构纹理对刀具的变形影响相差不大,综合比较条纹织构对刀具强度影响较小。     

织构分布对刀具切削性能影响的有限元分析

目的研究刀具表面织构分布对刀具切削性能的影响。方法基于大型非线性分析软件ABAQUS进行刀具二维切削TI6AL4V的有限元仿真,收集切削力数据,通过切削实验进行验证,误差符合后进行等间距、非等间距和混合型织构的有限元仿真,收集切削力、切削热等切削数据进行分析。结果提取结果后与无织构刀具相比,等间距织构刀具的最高温度降低12.4%,非等间距织构刀具的最高温度降低14.5%,混合型织构刀具的最高温度降低16.5%。与无织构刀具相比,等间距织构刀具的主切削力降低9.8%,非等间距织构刀具的主切削力降低11.2%,混合型织构刀具的主切削力降低12.6%。结论在刀具表面加工适当的织构可以提高刀具的切削性能,织构间距越小,织构的减摩作用越明显,与等间距织构相比,非等间距织构减摩效果更好。织构分布过于密集易造成加工中的震动问题,在微织构中添加尺寸更小的微细级织构,既能减小刀屑接触面积,又避免了因间距过小导致刀具强度降低的问题。     

条形槽微织构对PCBN刀具切削性能的影响

微织构作为刀具结构设计的新方法，对刀具的性能产生一定的影响。在刀具前刀面设计制备条槽型微织构，结合有限元仿真技术，从理论上分析条形槽微织构对切削力和已加工表面质量的影响，再设计切削试验，对有限元仿真结果进行实际验证。结果表明:有限元仿真和切削试验结果基本一致；与无织构刀具相比，条形槽微织构能够减小切削力且对主切削力的影响最显著，对进给力的影响较弱；条形槽微织构使工件表面应力、塑性应变和粗糙度均小于无织构刀具的，提高了工件已加工表面质量，其表面粗糙度仅为1.54 μm。      

基于微切削的仿真模型研究

相对于宏观尺度的普通切削,微切削具有以尺寸效应为特征的独特性,宏观切削理论和方法不再适用于微切削的研究.文章从有限元、分子动力学、多尺度模型三个方面分析了微切削仿真模型的特点及其在微切削研究中的应用,并进一步对微切削仿真模型的应用前景和未来发展趋势进行了分析和研究.     

表面微织构在切削过程中的研究进展

在切削过程中,临近切削刃的刀具前刀面与切屑、刀具后刀面与已加工表面接触区存在的高温高压情况严重影响了刀具服役寿命和工件表面完整性。表面微织构技术是一种先进的表面改性技术,在刀具表面制备不同尺寸参数、形状参数、分布参数的表面织构能够显著影响刀具的切削性能。当刀具表面微织构制备方法不同时,微织构所呈现的性能也不同。首先从制备技术的原理、制备过程、制备技术特点等方面对当前最先进的刀具表面微织构制备技术进行了综述。然后从切削力、切削温度、刀具磨损、切屑形成、工件表面完整性等角度分析了微织构对刀具切削性能的影响规律与机理。在分析切削力、切削温度、刀具磨损、切屑形成等4个指标时重点关注了刀具前刀面微织构所起的作用,在分析工件表面质量时,同时考虑了刀具后刀面微织构、前刀面微织构的影响。最后,介绍了当前微织构的研究热点,主要包括微织构技术与钝化刃口、润滑剂的协同作用对切削性能的影响,以及微织构刀具在切削过程中发生的衍生切削行为。通过对文献的归纳、总结与深入分析,给出了表面微织构未来的研究方向,为刀具进一步优化提供设计参考。     

高温合金切削刀具表面凹槽织构参数的优化研究

为获得切削性能优异的镍基高温合金专用切削刀具,采用有限元仿真和切削试验研究车刀前、后刀面直线型织构凹槽的织构角度、凹槽间距和凹槽宽度对镍基高温合金GH4169切削过程中切削力和切削温度的影响规律.仿真结果表明:前刀面织构能降低刀具切削力和切削温度;与织构间距和凹槽宽度相比,凹槽织构的角度对刀具切削力和切削温度的影响更显...     

超声振动钻削皮质骨切削区温度的研究

为了直观明了地分析骨钻削过程中切削区的温度,把三维钻削问题转化为二维切削问题,建立了二维正交切削模型;分析骨钻削过程中第三变形区温度的变化,并利用ABAQUS软件建立超声振动正交切削有限元仿真模型,通过试验验证了仿真模型的正确性;然后通过仿真模型,对比分析普通钻削与超声振动钻削的第三变形区温度变化,并进一步分析了超声振动条件下,转速对皮质骨第三变形区温度的影响。结果表明:相比于普通钻削,超声振动钻削能显著降低第三变形区的温度;随着转速的增加,第三变形区温度增加。     

A Study of Bone Micro-Cutting Characteristics Using a Newly Developed Advanced Bone Cutting Machine Tool for Total Knee Arthroplasty

Bone cutting experiments were conducted on a cadaver using a newly developed machine tool. The effectiveness of the system was evaluated by comparing the planned shape for the mating surface between the femur and an artificial joint with the cutting result. It is desirable to know the machining phenomena and characteristics at the microscale because the material and the tissue structure are anisotropic in both cortical and cancellous bones. In the paper, the influence of the material characteristics on machining is discussed for cortical bone. Pig cortical bone was used in the experiment for visualizing 2-dimensional micro-cutting.     

微量润滑工况下纳米粒子协同微织构对刀具切削性能的影响

目的 探究微量润滑工况下纳米粒子与织构协同作用对刀具切削性能的影响及其变化规律。方法 通过有限元数值模拟软件ABAQUS对不同工况下刀具的等效塑性应变、等效应力以及切削力的变化进行仿真和预测评估。同时,通过切削试验进行验证分析,并结合刀具前刀面的磨损状态、前刀面磨损区主要元素含量、切屑形貌及其变化以及已加工表面质量对刀具的切削性能进行综合评价,以探究纳米粒子与织构刀具的协同作用对刀具切削性能的影响机制。结果 仿真结果表明,N-O-M切屑的等效塑性应变较小,切屑层较薄,与N-O-T相比,最大等效应力值降低了26.4%,平均切削力为232 N,刀具减摩效果最为明显;不同工况下平均切削力误差均控制在10%以内,试验值与仿真值高度一致;N-O-M磨损面积仅为1.95×10⁻² mm²,刀具表面无明显的黏结物和崩刃现象,磨损面积仅为N-O-T的39.8%;N-O-M切屑卷曲半径最小,已加工工件表面脊线较长,工件表面质量较优。结论 微量润滑工况下纳米粒子与表面织构的协同作用对提高刀具切削加工性能具有重要意义。微液滴在一定的压力下能渗入刀-屑界面接触区形成液膜,织构沟槽中的纳米粒子随着液膜中润滑介质的流动能够周期性释放到摩擦副的接触表面,持续作用于切削区域改变原有的摩擦接触状态和润滑方式,促进摩擦副间摩擦形式由滑动摩擦向滚动摩擦状态转变,实现减摩降磨的目标。     

基于Workbench的微织构刀具对铝合金切屑影响

针对6061铝合金切削过程中加工表面质量较差、切屑缠绕的实际情况,以仿生摩擦学理论为基础,利用ANSYS Workbench仿真软件,重点研究了刀-屑之间摩擦应力状况;同时,借助微织构硬质合金(WC-Co,YG8)刀具进行铝合金切削实验,研究不同尺寸和结构特征的微织构对铝合金切屑形貌的影响。研究结果表明:梯状微织构刀具尺寸为直径d=65μm、深度h=15μm时,刀屑之间最大摩擦应力下降21.8%,锯齿状切屑控制良好,齿高降幅52.5%,剪切角降幅31.6%,锯齿角降幅9.5%;存在细长型和粗壮型两种树杈状切屑,并得到良好控制,细长型切屑降幅达到95%,粗壮型切屑降幅87.5%,抑制效果明显。同时研究发现:微织构刀具下,切屑形貌严重影响加工表面质量,良好的切屑形貌,能够降低刀-屑之间镶嵌粘焊概率,减小加工过程中振幅和频率,使加工更加流畅,得到良好的加工表面质量。     

辊切工艺研究

研究了冷弯成型工艺中一种新工艺-辊切技术,通过对其成型过程的分析,指出了辊切轧辊设计的关键参数及其影响因素,并提出了合理化设计的方式方法.在理论和数值分析的基础上,应用分析结论设计了实验过程中轧辊的参数,通过实验,得到辊切过程中轧辊设计的关键参数处理方法,对实际生产有重要的指导意义.     

高速切削加工中刀柄的应用

针对高速切削加工刀柄的性能要求,介绍了几种新型结构的手柄的特点及应用。     

微织构刀具DEFORM-3D切削性能仿真分析及实验研究

运用DEFORM-3D仿真软件对YG8硬质合金微织构刀具的切削性能进行仿真分析,研究了YG8硬质合金刀具在沟槽微织构、凹坑微织构和无微织构3种表面微织构下的切削温度和切削应力.利用激光加工技术对YG8硬质合金刀具表面进行沟槽微织构的加工,运用该刀具对铝合金进行切削实验,分析微织构对刀具切削性能的影响.结果表明:微织构刀具产生的切削热更少,与切屑间的摩擦力更低.在一定的润滑条件下,微织构刀具具有更好的切削性能.     

低速干车削条件下车刀温度的红外测试研究

利用数控车床和手持式红外测温仪,研究了干车削铝棒过程中车削参数对车刀刀尖温度的影响规律,通过试验得到了不同车削参数下车削温度的时间曲线以及温度均方根值随车削参数的变化曲线。研究结果表明:同一走刀的车削过程中,刀尖温度具有时变特性。随着车削的进行,刀尖温度逐渐升高,至走刀结束时,温度达到最高值;刀具温度与车床主轴转速、进给速度、车削深度成正相关关系,车削参数越大,车削温度越高;刀尖温度均方根值随主轴转速按双线性规律变化,主轴转速超过一定值后,温度均方根值急剧升高;刀尖温度均方根值随进给速度、车削深度近似按线性规律变化,进给速度对刀尖温度的影响较大,车削深度对温度的影响最小。