金刚石刀具微纳米切削单晶镍亚表面损伤

采用分子动力学软件Lammps研究金刚石刀具微纳米切削单晶镍的微观动态过程，分析不同切削方向和不同切削深度下单晶镍微纳米切削过程中缺陷的类型、切削力和损伤的关系以及位错线的演化规律。结果表明：刀具的挤压和剪切作用使单晶镍工件产生高压相变区和非晶区，其亚表层存在原子团簇和位错滑移。沿[100]晶向切削，切削力最小，且位错损伤层厚度最小为2.15 nm；沿[111]晶向切削，表面层的质量最好，但损伤层厚度最大为3.75 nm。切削过程中，位错线的总长度整体呈上升趋势，[110]方向去除的原子区域最大，位错线长度最大。切削深度越大，晶体内部的位错滑移和非晶化越严重。     

钨合金超声椭圆振动切削表面完整性研究

目的 研究钨合金超声椭圆振动切削表面完整性的变化规律,为实现钨合金高表面完整性加工提供理论基础.方法 设计单因素试验,采用单晶金刚石刀具开展钨合金超声椭圆振动切削试验,并与普通切削进行对比,研究不同切削深度下超声椭圆振动对工件表面形貌、表面粗糙度、微观组织、位错密度、显微硬度以及表面残余应力的影响.结果 普通切削或超声椭圆振动切削后,工件表面的位错密度、显微硬度以及残余应力均随着切削深度的增加而增大,且亚表面的晶粒都发生了一定程度的塑性变形,并出现了晶粒细化.与普通切削相比,超声椭圆振动切削可以有效抑制加工过程中鳞刺和犁沟的产生,改善表面粗糙度;工件表面会产生更高的硬化程度、残余压应力和位错密度,位错密度的量级在108 mm–2;亚表面的变质层厚度更小.结论 相比于普通切削,超声椭圆振动切削可以降低表面粗糙度,增大表面残余压应力,提高工件表面完整性.     

切削深度对单晶γ-TiAl合金力学性能的影响（英文）

通过分子动力学模拟方法建立了单晶γ-TiAl合金的纳米切削模型和拉伸力学模型,研究了不同的切削深度对工件力学性能的影响。首先详细分析了切削过程中晶格转变和微观缺陷演化之间的关系;然后系统探讨了不同的切削深度对工件应力-应变曲线、位错形核位置和断口位置的影响。研究结果表明:在纳米切削过程中,晶格转变数量随着切削深度的增加而增加,并且与微观缺陷演化具有一致性;在一定切削深度范围内,切削后工件的屈服应力和弹性模量会有所提高。另外,切削深度对工件的位错形核位置和断口位置有较大的影响,切削后工件位错形核于工件的亚表面,而未经切削的工件其位错形核于边界处;工件的断口位置随着切削深度的增加向拉伸端靠近。     

纳米切削初始温度对单晶铜微观结构的影响

纳米切削会造成工件的内部微观缺陷,这种缺陷会引起残余应力的变化进而影响工件的表面质量,而这种缺陷结构与切削层初始温度有密切联系。为降低工件纳米切削加工制造中的缺陷,采用分子动力学的方法,构建了含有切削层的单晶铜纳米切削模型。首先,通过分析工件结构体积及微观缺陷的变化确定了切削层的适用初始温度;其次,分析了切削层初始温度对切削力的影响,并在不同初始温度和切削力作用下对单晶铜位错和晶格等微观结构的变化进行了分析;最后,通过实验对仿真结果进行了间接验证。结果表明：单晶铜切削层初始温度的可选范围为293~400 K;在此范围内,随着切削层初始温度的升高,切削力大小变化显著,但波动平稳,晶格结构的转变速度也随之增快;当切削层初始温度设为360~390 K范围内时,单晶铜工件的表层微观缺陷相对较少,由此可预测单晶铜工件在此初始温度范围内加工得到的表面质量较高。     

γ-TiAl加工过程中粗糙表面对材料去除和亚表面缺陷影响的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟了γ-TiAl在纳米尺度下的加工响应。采用规则生成的粗糙工件表面,研究其对原子去除机理的影响。通过改变织构密度和刀具半径,研究了切削过程。结果表明,工件表面形貌对亚表面缺陷的产生和原子去除有不可忽视的影响,粗糙表面会影响剪切模式下切削过程中层错剪切带的形成。提高织构密度增加了亚表面缺陷的数量,加工表面的完整性因切割方式的不同而不同。刀具的相对锐度对切削机制和纹理效果有一定影响。     

切削深度对单晶γ-TiAl合金力学性能的影响

在本文，通过分子动力学模拟方法建立了单晶γ-TiAl合金的纳米切削模型和拉伸模型，其主要分析不同的切削深度对工件拉伸性能的影响。一方面，详细的研究了晶格转变和微观缺陷演化之间的关系；另一方面，系统的探讨了不同的切削深度对应力-应变曲线、位错形核位置和工件断口位置的影响。研究结果表明：在纳米切削阶段，晶格转变的数量会随着切削深度的增加而增多并且与微观缺陷演化具有一致性。在一定的切削深度范围内工件的屈服应力和弹性模量会相应的提高。另外，切削深度对工件的位错形核位置和断口位置有较大影响，经过加工的工件位错形核于工件的亚表面，而未经过加工的位错形核于工件的边界处，工件的断口位置随着切削深度的增加越靠近拉伸端。     

纳米Ni薄膜在摩擦过程中塑性行为的分子动力学模拟

用分子动力学模拟研究了金刚石压头在Ni晶体薄膜上的摩擦过程和薄膜塑性变形行为的纳观机制.结果表明:在摩擦过程中,穿晶层错和棱形位错环是纳米薄膜结构传递塑性变形的两种载体,纳米薄膜晶界捕获位错阻滞了塑性变形向薄膜晶界下方材料中传播.摩擦过程中易在较薄的薄膜表面和薄膜晶界之间产生穿晶层错,穿晶层错的产生增加了薄膜蓄积塑性变形的能力,从而抑制材料表面摩擦力在黏滑过程中的振荡幅度;在比较厚的薄膜中不易生成穿晶层错,在摩擦过程中位错环依次向体材料发射,并与晶界反应,湮灭于晶界,黏滑动摩擦响应与单晶相似.由于不同厚度薄膜塑性变形产生的位错结构不同,使得在摩擦过程中亚表面微结构的演化亦不同.     

单晶γ-TiAl合金纳米切削过程的分子动力学模拟

采用分子动力学方法研究单晶γ-TiAl合金纳米切削过程,通过对单晶γ-TiAl合金的建模、计算和分析,讨论了不同切削深度和切削速度对切削过程的影响,结果发现:在切削过程中,随着切削深度的增大,切屑体积逐渐增大,切屑中原子排列越来越紧密,位错密度也会随之增大;但随着切削速度的增大,位错密度反而会随之降低。在一定的切削深度和切削速度范围内,切削过程中刀具前方都会产生"V"型位错环,工件的温度和势能也都会相应的增大。特别是,当切削速度为400 m/s时,刀具前方的切削表面上未出现原子错排。     

加工参数对单晶γ-TiAl表面质量和亚表层损伤的影响机理

为研究加工工艺参数对纳米切削单晶γ-TiAl合金表面质量和亚表层损伤的影响机理,以分子动力学（molecular dynamics, MD）为基础理论,采用非刚性金刚石刀具建立三维纳米切削模型,通过研究切屑体积、表面粗糙度、静水压分布、位错密度、位错演化、相变原子数,详细分析不同切削速度和切削深度对表面和亚表面结构的影响。结果发现:随着切削速度的增加,切屑体积增大,加工效率提升,且存在切削速度为100 m/s的临界值。表面粗糙度先减小后增大,同样存在切削速度为100 m/s的临界值。位错的复杂程度降低,位错密度减小,塑性变形程度增加;随着切削深度的增加,切屑体积增大,加工效率提升,表面粗糙度、位错密度以及塑性变形程度显著增加。在切削过程中,发现位错主要分布在刀具前方和下方,在刀具前方45°方向存在V形位错和梯杆位错以及位错间的相互反应,且切削完成后残留下空位和原子团簇等稳定缺陷。      

非晶层对单晶锗纳米切削影响的分子动力学研究

为探究非晶层结构对单晶锗纳米切削机制和力学特性的影响,采用分子动力学方法模拟不同非晶层厚度的非晶-晶体层状结构(A-C模型)的纳米切削过程.对纳米加工中切削力波动规律,应力状态,亚表面损伤和材料去除等关键问题进行分析.结果 表明:非晶锗(A-Ge)厚度的增加使得切削力和应力减小,切削温度升高;材料的可塑性随着A-Ge厚...     

超硬材料刀具研究现状和趋势

切削工具的制造面临着工业上被加工材料材质变化的挑战。随着现代机械加工朝着高精度、高速切削、硬加工代研磨、干加工保护环境和降低成本等方向发展 ,对刀具性能提出了相当高的要求。开发各种耐磨性优良的能长时间进行稳定加工的超硬材料是必然的发展趋势。就现阶段而言 ,超硬切削工具材料主要是指以金刚石 /立方氮化硼构成的材料。金刚石是自然界最硬的物质 ,具有极高的弹性模量 ,最高的热传导率和最低的摩擦系数 ,是机械加工高硅铝合金、碳化硅颗粒 /纤维增强金属基复合材料等耐磨蚀材料的理想工具材料。立方氮化硼与金刚石一样 ,在工业上用十分相似的条件合成制得 ,具有极高的硬度。作为切削工具材料 ,立方氮化硼的一个重要特点是在极高的温度下与钢件接触的稳定性 ,在同样的条件下金刚石可能会发生溶解并转化成石墨。因此 ,立方氮化硼工具也是近十几年来努力研究和开发的对象     

Waviness compensation of precision machining by piezo-electric micro cutting device

Recently, precision machining technology has been developed continuously in order to achieve high productivity and assured quality of precision parts in several industrial fields such as; lasers, optics, quartz vibrators, semiconductors, aircraft and artificial satellites etc. Waviness may occur on the surface of machined parts due to the table motion error and the dynamic cutting mechanism between the tool and the workpiece and may impair the form accuracy of the precision machined parts. In this research, a micro cutting device with piezo-electric actuator has been developed in order to control depth of cut precisely and compensate the waviness on the surface of the workpiece. Experiments have been carried out on a precision lathe. The characteristics of the surface profile and the cause of the waviness profile have been analyzed and waviness profiles of some cases have been compared with those of experiments.     

Surface finish visualisation in high speed, ball nose milling applications

High speed milling systems are capable of producing complex parts that require little or no hand finishing operations. The machined surfaces are smooth to the touch and they are within the required machining tolerances. However, the visual surface appearance of the parts can be a quality issue because the surface patina is generated by a rotating, multi-flute, ball nose milling cutter as it moves over the surface of the part. Current CAM systems provide good simulating procedures to view the overall surface geometry with swept volume procedures, but they do not consider the micro pattern pertaining to the cutting action of individual cutter flutes. The work presented in this paper addresses this consideration and assesses two new methods to satisfy the need to account for, and predict, the surface machining effects from a ball nose milling cutter.     

Micro cutting in the micro lathe turning system

As an application of cutting for the manufacture of micro mechanical parts and as a trial of the development of a miniature machining system matching the micro size of the work piece, a micro lathe turning system has been developed. A work material 0.3 mm in diameter is clamped and cut to a minimum of 10 μm in diameter with a rotation speed up to 15,000 rpm. The whole size of the equipment is about 200 mm which can be set under an optical microscope. A micro diamond single point tool has been applied to the cutting of various shapes, and the usefulness of such a micro cutting tool for the various forms has been confirmed. Cutting force has been investigated using a three directional force sensor and the possibility of the reduction of resistant force to improve working accuracy and to apply to micro parts has been examined.     

Chatter suppression in micro end milling with process damping

Micro milling utilizes miniature micro end mills to fabricate complexly sculpted shapes at high rotational speeds. One of the challenges in micro machining is regenerative chatter, which is an unstable vibration that can cause severe tool wear and breakage, especially in the micro scale. In order to predict chatter stability, the tool tip dynamics and cutting coefficients are required. However, in micro milling, the elasto-plastic nature of micro machining operations results in large process damping in the machining process, which affects the chatter. We have used the equivalent volume interface between the tool and the workpiece to determine the process damping parameter. Furthermore, the accurate measurement of the tool tip dynamics is not possible through direct impact hammer testing. The dynamics at the tool tip is indirectly obtained by employing the receptance coupling method, and the mechanistic cutting coefficients are obtained from experimental cutting tests. Chatter stability experiments have been performed to examine the proposed chatter stability model in micro milling.     

薄壁零件绿色加工技术的研究

详细讨论了薄壁零件的绿色加工技术.针对薄壁零件刚性差、加工工艺性差、易发生加工变形和切削振动等情况,采用了高速加工技术,改变了工件的装夹方式,优化了编程策略,选择了合适的切削刀具,采用了最佳的切削工艺,实现了薄壁零件的高速切削.这种加工技术生产效率高,加工表面质量好,环境污染小,符合现代绿色加工的发展趋势.     

切削法制备超细晶材料研究进展与展望

综述了切削法制备超细晶材料时加工参数和工艺条件对晶粒细化的影响,分析了切削法制备超细晶材料的力学性能、耐腐蚀性能和热稳定性等,探讨了超声振动复合切削法制备超细晶材料的可能性。在超声振动加工中,材料受低应力高速、高频撞击的影响,会发生严重的塑性变形,表面大尺寸的晶粒得到细化,同时超声振动还可以在材料表面形成表面微结构,进一步改善材料性能。因而提出将切削法和超声振动相复合,高效制备具有功能微结构的超细晶材料,为微型零件超细晶材料制备提供新的工艺选择以及理论和技术支撑。     

硬铝材料的微小零件切削加工

微小型轴类零件是微小型机械系统中最为常用的零件，其加工过程的可行性和可靠性研究是切削加工技术中非常重要的内容。试验结果表明，应用车削技术加工硬铝材料的微小型轴类零件是一种有效的办法，但还有一些问题值得研究。     

薄壁盘类零件超声振动车削实验研究

薄壁盘是典型的弱刚度轻量化零件,其壁厚很薄(最薄处仅0.3 mm),型面面积较大,故刚性较差。在切削过程中,切削力导致的型面变形是薄壁盘类零件加工的主要难题,传统加工方法很难得到高精度和高质量的产品。利用超声振动切削技术尝试进行弱刚度薄壁盘加工,在自行搭建的实验平台上对超声振动车削和普通车削加工薄壁盘进行对比实验。结果表明:与普通车削相比,超声振动车削可显著减小切削力和切削变形,大幅提高加工质量,同时具有断屑特性,是加工薄壁盘类零件的有效方法。     

Micropatterning of Ni-based metallic glass by pulsed wire electrochemical micro machining

The technique of wire electrochemical micro machining (WECMM) is proposed firstly for the micropatterning of Ni-based metallic glass in this paper. Metallic glass (MG) exhibits many outstanding properties such as high hardness and strength, which enable it to be used as functional and structural materials in micro electromechanical systems (MEMS). A significant limitation to the application of MGs is the challenge of shaping them on micro scale. WECMM is a non-traditional machining technique to fabricate microstructures that has some unique advantages over other methods, which will be a promising technique for micro shaping of metallic glass structures. Taking the example of a Ni-based glassy alloy, Ni₇₂Cr₁₉Si₇B₂, the polarization and fabrication characteristic in dilute hydrochloric acid electrolyte were investigated. Changes in the machined slit width in terms of several experimental parameters were investigated to find the optimal ones. Finally, the optimal machining parameters: HCl electrolyte concentration of 0.1 M, applied voltage of 4.5 V, pulse duration of 80 ns, pulse period of 3 μs and feed rate of 0.3 μm s⁻¹ were employed for the fabrication of microstructures. Such as a micro square helix with a slit width of 14.0 μm, standard deviation of 0.2 μm and total length up to 2000 μm, along with a micro pentagram structure with side length of 90 μm and sharp corner of 36°, were machined with a high level of stability and accuracy.