水室封头材料加工切削力试验及预测模型研究

水室封头作为核电设备的主要零部件,长期处在高温、高压、高辐射等恶劣的工作环境下,材料为高强度钢508Ⅲ钢,具备高强度和高温的力学特性,导致其切削加工性差。在水室封头重型切削加工过程中,大多采用硬质合金刀具进行切削,铣削过程中刀具受到较大的机械冲击和温度影响。针对切削过程中刀具失效严重、换刀频繁等问题,进行水室封头材料加工切削力试验及预测模型研究。通过对水室封头材料进行单因素铣削试验,探讨切削用量与切削力的关系;进而采用正交试验的方法分析切削参数对切削力影响的显著程度,应用回归分析方法建立切削力预测模型,并进行验证。研究结果为进一步研究水室封头材料加工刀具失效机理、切削参数优化及刀具设计开发提供一定的试验基础和技术支持。     

刀具参数对Nomex蜂窝芯超声切削性能影响分析

直刃尖刀是一种常用的切削Nomex蜂窝芯的超声切削刀具,其刀具参数直接影响着Nomex蜂窝芯的切削性能.基于ABAQUS有限元分析软件,建立了Nomex蜂窝芯超声切削力热耦合分析的三维有限元模型.采用单因素法,研究刀具长度、刃角和厚度等参数对进给力和切削温度的影响.分析结果表明:在Nomex蜂窝芯超声切削过程中进给力和切削温度均随着刀具长度的增大而减小,随着刀具厚度和刀具刃角的增大而增大.同时通过建立Nomex蜂窝芯超声切削过程中进给力和切削温度的数学模型,分析刀具参数对进给力和切削温度的影响规律,验证了有限元分析结果的正确性.     

基于响应曲面法的NOMEX蜂窝芯超声复合铣削力预测模型构建

铣削力是NOMEX蜂窝芯加工中主要的物理量,铣削力不仅影响加工质量,还影响蜂窝的固持状态。由于蜂窝芯材料的力学性能及切削性能不同于常用的金属材料,现有的金属切削力公式无法适用于超声复合铣削蜂窝切削力的计算。针对此问题,开展了NOMEX蜂窝材料超声复合切削实验,采用中心复合响应曲面法,建立了超声复合铣削NOMEX蜂窝材料的三方向铣削力预测模型,并将模型计算出来的数据与实验数据对比,验证了预测模型的有效性。基于该模型,研究了各个因素对铣削力的作用规律及各个因素之间的交互作用。结果表明:该模型可以有效预测超声复合铣削蜂窝材料过程中的铣削力;铣削宽度对铣削力影响最显著,其次进走刀速度,切削深度对切削力影响最小,交互项对铣削力也影响显著;铣削力随走刀速度、铣削深度和铣削宽度增加而增大。     

D840重载车轮材料的切削力试验与分析

采用重载车轮镟修参数中较大进给量与切削深度切削重载货运D840车轮材料,研究切削参数及KCP25与GC4215两种粗加工刀具对D840车轮材料切削力的影响。对试验数据进行极差分析,并分析切削力与三个因素(v_c、f、a_p)之间的关系,采用多元线性回归方法建立切削力的预测模型,通过试验验证模型的合理性。结果表明:两种刀具的三向切削力随切削速度的增大而减小,随进给量和切削深度的增大而增大,其中切削深度与进给量是影响切削力的主要因素;在相同切削条件下,GC4215刀具车削D840车轮材料的三向切削力均大于KCP25刀具;所得到的两种刀具切削力预测模型与试验结果具有较好的一致性。     

基于超声波机床加工蜂窝芯的误差分析研究

介绍了超声波机床加工芳纶纸蜂窝芯的基本原理及切削方式,分析了超声波机床加工蜂窝芯误差形成的原因.研究了匕首式刀具切削过程中的几种常见误差,包括刀具等效半径误差,轴向过切误差以及圆弧逼近误差.并在此基础上建立了相应的切削几何模型,推导了匕首式刀具切削误差的精确解析式.     

加工Ti-6Al-4V硬质合金立铣刀的几何参数优化仿真研究

Ti-6Al-4V属于难加工材料,具有热导率低、加工硬化现象严重和弹性模量低等特点,而硬质合金刀具对该材料具有较好的加工性能。刀具的几何参数对刀具上的应力、切削力、切削温度和加工表面质量有重要影响,故可以通过优化刀具几何参数来获得刀具的最优切削性能。建立三维铣削有限元模型,经过切削仿真试验分析硬质合金平头立铣刀的螺旋角、径向前角及径向后角对切削过程中的最大正应力、切削力及切削温度的影响,实现刀具几何参数的优化设计。     

刀具坐标系铣削力建模及系数识别方法

切削力模型可以计算切削过程的切削力,是预测加工状态、优化加工参数的依据。传统的切削力预测模型都是针对工件坐标系建立的,然而在研究薄壁件多轴加工让刀变形、振动以及刀具磨损等问题时,基于刀具坐标系的切削力表示方式更为直观。为了预测刀具坐标系的切削力,在传统机械切削力模型的基础上,提出了刀具坐标系铣削力预测模型,并提出了基于刀具坐标系测量结果的切削力系数标定方法,最后通过实验验证了所提出的切削力预测模型和切削力系数标定方法,实验结果表明所提出的切削力模型能够准确地预测实际加工中的切削力。     

高温合金蜂窝芯高速铣削材料去除机理与损伤行为

高温合金蜂窝芯材料具有高比刚度、轻质和能量吸收特性好等优异性能,被视为下一代高超声速飞行器热防护结构极具潜力的材料。高速铣削是高温合金蜂窝芯零件成型过程中重要的减材制造工艺,在蜂窝芯材料高速铣削时,蜂窝芯材料面内刚度低且高温合金塑性好,较小的切削力就会使蜂窝壁产生较大的塑性变形,导致蜂窝芯加工精度较低、加工损伤难以控制,对后续焊接、装配等工序产生不利影响。基于有限元仿真对蜂窝壁切削材料去除机理进行了深入研究,探索了铣削参数、刀具类型和铣削方式对铣削过程中铣削力和加工损伤的影响。研究结果表明,蜂窝壁切入角是影响蜂窝芯材料切削加工过程中瞬时应力分布和成屑机理的关键性因素。得到了铣削参数、刀具类型和铣削方式对高温合金蜂窝芯加工过程中加工损伤的影响规律。对于铣削参数,过大的进给量会导致芯格变形等加工损伤,降低切削速度会提高微小毛刺等加工损伤发生的频率;本文采用的三种刀具的对比结果表明,立式铣刀加工质量最好。插铣方式会产生明显的轴向冲击,而侧铣方式可以有效避免轴向冲击。研究成果为高温合金蜂窝芯低损伤高性能加工提供了理论依据和工艺技术储备。     

基于黏结-滑移摩擦模型的304不锈钢切削力仿真研究*

通过预测加工304不锈钢时产生的切削力,从而对切削参数和刀具几何参数进行优化,是提高304不锈钢的加工精度、切屑控制及保障刀具寿命的基础。建立304不锈钢切削仿真模型,为提高模型的精确性,选择Johnson-Cook本构方程和黏结-滑移摩擦模型。结果表明：采用黏结-滑移摩擦模型的切削力预测结果更为准确,表明相对于纯剪切摩擦与库仑摩擦模型,黏结-滑移摩擦模型能更准确地描述刀-屑摩擦特性。展开不同参数下的切削力研究,研究发现：切削力随着刀具前角、后角和切削速度的增大而减小,随切削刃钝圆半径和切削厚度、宽度的增大而增大,其中切削宽度、厚度及前角对切削力大小影响较大。研究结果为304不锈钢切削效率的提高和切削机制的研究提供了理论依据。     

直刃尖刀超声辅助切割Nomex蜂窝芯切削力分析

以直刃尖刀超声辅助切割Nomex蜂窝芯的简化模型为基础,建立基于脆性断裂力学理论的超声辅助切削动态力模型,并分情况讨论了刀具与材料间的相对运动关系。分析指出在不同振幅条件下,材料的切割破坏存在断续和连续两种形式,进而推导了切割过程中的切削力的理论公式。其中超声振幅、刀具前倾角、进给速度和超声频率等参数对材料切削力大小均有影响。在理论分析的基础上,开展了超声辅助切割Nomex蜂窝芯复合材料实验。试验结果表明,进给方向的超声振幅和刀具前倾角对切削力的影响较大：当进给方向的超声振幅从0到15 μm变化、刀具前倾角从15°到45°变化时,切削力均可降低70%~80%;进给速度和超声频率对于切削力影响较小：当进给速度从500到6000 mm/min变化12倍时,切削力仅变为1.5倍;超声频率35 kHz与15 kHz相比,切削力降低10%~30%。试验结果与理论分析结论一致。     

蜂窝材料冰结加工技术试验研究

蜂窝材料属于难加工材料,其加工方法和固持方法对加工质量有着重要影响。本文介绍了蜂窝芯的结构性能特点,阐述了装夹蜂窝芯的方法。试验采用硬质合金圆刀片组合铣刀对冰结夹持条件下的铝基蜂窝材料进行高速铣削,分析了切削参数对切削力和切削温度的影响规律以及加工缺陷的形成原因,验证了冰结法对蜂窝材料的固持效果。试验结果表明:蜂窝芯表面质量有较大提高,有效抑制了加工缺陷;获得了切削参数对切削力和切削温度的影响规律。该方法提高了蜂窝芯强度,改善了断屑方式,并为低温加工为面内强度小、刚度弱的薄壁金属基蜂窝芯高效加工提供了新方法。     

弧齿锥齿轮铣齿加工三维应力仿真及分析

根据弧齿锥齿轮轮坯、刀盘及机床调整参数,建立了弧齿锥齿轮的三维加工模型。研究了金属切削加工有限元分析中所涉及的刀屑界面摩擦模型、刀屑接触定义、切屑分离准则等相关关键技术。建立了弧齿锥齿轮铣齿加工过程的有限元模型,通过ABAQUS软件仿真模拟出了不同工艺参数和刀具参数下的铣齿加工过程,得到了切削层形态及应力分布结果。研究结果表明:刀具前角增大,切削层变形减小,主切削力减小;切削速度增大,主切削力减小;刀具的合理前角应取为20°,切削速度应根据实际情况取较大值。同时也为选取和研究弧齿锥齿轮加工工艺参数提供了一套有效的方法。     

微织构刀具织构参数优化仿真研究

高温镍基合金在切削加工过程中,较大的切削力会产生较高的切削温度,造成刀具磨损严重、加工表面质量差等加工难题。在刀具前刀面加工区域,设计微观织构(微织构)可以改善切削加工中刀-屑接触面的摩擦润滑状态,从而改善刀具的切削性能。采用有限元仿真软件对正弦型微织构刀具进行切削镍基合金的仿真实验,通过正交实验研究正弦型微织构刀具的织构刃边距、织构宽度、织构间距、正弦曲线幅值和周期长度5个织构参数对刀具切削性能的影响,并优化了正弦型微织构刀具的织构参数。结果表明:正弦型微织构刀具的主切削力降低程度与织构参数密切相关,且织构参数对主切削力大小的影响程度依次为:织构刃边距织构间距织构宽度正弦曲线幅值周期长度。优化后得到的刀具切削力、切削温度和断屑能力优于优化前无微织构刀具。     

基于神经网络蜂窝芯超声切削工艺数据库的设计与开发

针对蜂窝芯超声切削加工的数据存储分散、不完整,以及传统数据库存在数据量大、查询效率低的问题,建立了蜂窝芯超声切削加工工艺数据库。对蜂窝芯超声切削加工刀具参数、典型加工特征参数及加工工艺参数进行了定义。结合数据库技术,设计了以形状特征为核心,涵盖蜂窝芯材料典型特征、刀具参数及寿命、切削加工参数等在内的数据体系。提出了一种利用基于神经网络的特征分类模型获取简单有效的分类结果,以此来替代复杂多样特征数据的参数替代查询法,提高查询效率。数据库管理系统对超声切削零件形状特征优化分类结果进行查询,能够方便、迅速地查找相关工艺数据,方便机床维护,有效地实现数据存储、管理与共享,提高企业工作效率和资源利用率。     

圆盘刀超声切削振动系统的振动频率数值拟合方法研究

圆盘刀是超声切削NOMEX蜂窝芯材料的刀具之一,其几何参数直接影响超声切削振动系统的振动频率,进而影响超声切削的加工性能。根据刀具几何参数约束区间,确定振动频率数值模型拟合样本点,分别采用三种拟合方法对超声切削振动系统的振动频率进行数值拟合,并进行全区间拟合准确性对比检验。研究结果表明:采用二次多项式逐步回归法拟合出的方程在几何参数全区间内有更高的准确性,建立的振动频率数值模型可以为超声切削刀具几何参数优化的研究提供参考。     

球头铣刀加工倾角对切削力的影响

对球头铣刀刀具轴线和工件加工表面之间的加工倾角进行了理论研究,建立了加工曲面时刀具倾角的数学模型,并通过试验研究了高速铣削铝合金时刀具倾角对切削力的影响规律。随着刀具轴线相对于进给方向倾斜角度β的增大,切削力变化的趋势是减小;编制多轴数控加工程序时可以通过设置合理的刀具倾角来改善切削条件。     

刀具材料及角度对7075-T6铝合金切削力的影响仿真

为了提高7075-T6铝合金的切削效率,采用单因素试验法基于ABAQUS软件分析不同刀具材料及刀具几何参数对切削力的影响。试验结果表明：使用YG8刀具切削加工7075-T6铝合金时受到的切削力最小;随着刀具前角的不断增大,切削力显著降低;随着刀具后角的不断增大,水平切削力的下降相对较缓,但垂直切削力显著降低。     

高速硬态切削参数影响的有限元分析

研究了切屑分离、刀屑摩擦等关键技术,建立了轴承钢GCrl5高速切削的有限元模型.根据实际切削加工状况选择适当的切削参数,建立了正交试验表,利用有限元软件进行了有限元模拟,研究了刀具负前角和切削参数对切削力、温度、应力应变等的影响程度和趋势.该有限元模型可以用于分析切削参数对切削过程的影响,为下一步参数优化研究奠定了基础.     

微切削加工中切削力的理论与实验

微切削过程中的切削力严重影响刀具寿命及零件的加工精度,因此,深入研究微切削过程中的切削力变化规律及影响因素是确定合理的加工参数、加工工艺及提高加工系统性能的基础.本文在考虑刀具钝圆半径存在的条件下,采用轴对称原理建立了微切削力理论公式及微切削模型,实验研究了切削用量、刀具材料及工件材料对切削力的影响,验证了理论分析的正确性.研究结果表明:在切深ap为0.002～0.032 mm,进给量f为0.01～0.20 mm/r,切削速度v为20～120 m/min情况下,切削力Fz的变化范围为100～1030 N,Fy的变化范围为40～700 N;减小刀具钝圆半径会减小刀具后刀面与工件的接触长度,并且会减小切削刃以下部分金属的变形,有利于获得高质量的加工表面;控制切削速度对切削力的影响可以通过控制切削层厚度与刀具钝圆半径的比值来实现,控制切削力比值Fz/Fy则可以通过控制走刀量、切深与刀具钝圆半径的比值来实现.     

RuT400切削力预测模型及参数优化

针对蠕墨铸铁RuT400难加工的问题,通过使用硬质合金涂层刀具对RuT400进行高速铣削试验,以实验参数为基础构建了切削力预测模型,结合其切削性能并使用响应面法对切削参数进行优化。实验结果表明:使用硬质合金涂层刀具切削RuT400是可行的,而且刀具价格便宜,加工经济性更好。切削速度、进给速度、切削深度与切削力之间存在显著的线性关系,根据实际加工参数使用切削力预测模型可以对切削力作出精确预测;切削力随着切削深度的增加以严格的线性方式递增;切削用量对切削力影响的显著性顺序为:切削深度进给速度切削速度。一般情况下,较小的切削深度,适当的进给速度和较大的切削速度能获得较低的切削力和良好的加工效率。