航空铝合金7075-T651高速铣削锯齿形切屑的形成机理研究

目的分析航空铝合金高速铣削锯齿形切屑的形成过程及机理,为提高工件表面质量、延长刀具使用寿命提供理论依据。方法考虑航空铝合金在高速铣削过程中铣削厚度变化的特点,选用合理的本构模型及材料断裂准则,将三维铣削简化为二维变厚度的正交切削热力耦合有限元模型,对锯齿形切屑的形成过程进行有限元模拟,并经铣削试验验证有限元模型的准确性。结果在2～16 m/s的切削速度范围内,铣削力、切削温度、锯齿形切屑形貌均得到了准确的仿真。随着切削速度的增加,切屑厚度、切屑连续部分高度和剪切带间距都有减小的趋势,相反,剪切角随切削速度的增加而增大。切削速度为16m/s时,锯齿形切屑在切屑厚度较大的一侧出现,并随着切屑厚度减小而逐渐消失,变为均匀带状切屑,准确仿真了切削厚度变化下锯齿形切屑形貌。结论提出考虑剪切带宽度变化的三阶段锯齿形切屑形成模型,通过剪切带内外的应变、应变率和温度的变化分析了绝热剪切过程,并使用分割强度比参数量化锯齿形切屑应变程度,控制锯齿形切屑形态。     

SiCp/Al 复合材料高速切削去除机理及表面质量研究

目的 探究高速加工下SiCp/2024Al复合材料切屑形成机理及加工表面质量情况,为改善该材料加工性能提供理论依据。方法 设计高速正交铣削实验,对SiCp/2024Al复合材料进行不同切削速度下的高速加工,并通过对切屑形态、切削力、切削能耗、加工表面形貌及加工硬化情况进行分析,探明高速加工下材料去除机理及加工表面质量变化。结果 在较低速度下复合材料的切屑形成过程为第一变形区的剪切变形和SiC颗粒破碎,切屑形态为锯齿状;切削速度在300~800 m/min时,随着速度的提高复合材料切屑连续性下降,切削速度在1 000 m/min时,复合材料韧脆性能发生转变,切屑呈现崩碎状;切削力在切削速度300~1 000 m/min时,随速度提高明显减小,主切削力由300 m/min时的320 N左右下降至1 000 m/min时的180 N左右,切削能耗显著降低;失效的SiC颗粒破坏加工表面质量,而高速加工对表面质量有一定改善,切削速度由300 m/min 提高到1 000 m/min时,表面粗糙度由0.68 μm下降至0.47 μm,加工硬化深度也随切削速度提高而减小。结论 在一定条件下,高速加工有助于改善SiCp/2024Al复合材料的加工性能,其动态力学性能将发生变化,切削力和切削能耗下降,加工表面变形程度降低、质量提高。     

切削速度对锯齿形切屑形成的影响规律

为研究TC4切削加工过程中切削速度对锯齿形切屑破坏程度的影响,对TC4进行单因素切削试验，分析TC4的动态行为，并进行有限元仿真，进一步探究锯齿形切屑影响因素以及切屑与切削速度之间的联系。结果表明：在TC4切削过程中，随着切削速度的提高，切屑的锯齿状越来越明显；通过数值计算得出，TC4的能量势垒随着切削速度增大而降低，而绝热剪切带内部应力、应变随着切削速度提高而增大，切削速度越高越容易形成锯齿形切屑。     

TC4铣削切屑形态与表面形貌特征

目的 对TC4铣削过程中锯齿状切屑的形成与对应产生的加工表面形貌特征进行研究,掌握钛合金TC4高速铣削加工切屑形态随铣削速度的变化规律,从而提高加工表面质量和效率。方法 基于有限元软件,建立钛合金TC4二维变厚度切削模型,通过仿真和铣削试验分析铣削速度对切屑形态的影响规律。利用超景深显微镜和PS50表面轮廓仪对TC4铣削过程中形成的切屑形态及工件加工表面形貌进行观测和分析,确定铣削加工TC4过程中铣削速度与切屑形态、工件表面形貌和表面粗糙度之间的关系。结果 铣削试验验证得出铣削力仿真值与试验值最大误差为9.86%,验证了二维变厚度切削模型的准确性。随着铣削速度从40 m/min增大到120 m/min,切屑形态由带状转变为锯齿状,且铣削力逐渐减小。同时,铣削速度由80 m/min增大到240 m/min时,切屑的锯齿化系数和剪切带内的剪切角均增大,而剪切带间距减小,TC4加工表面波纹加深、波纹间距变宽,并且伴随有大量韧窝出现,导致表面粗糙度值增大。结论 掌握锯齿状切屑几何特征与工件表面形貌随铣削速度的变化规律,以便在铣削加工TC4过程中对锯齿状切屑进行控制,对于提高工件加工表面质量和加...     

切削速度对切屑形态和加工表面微观形貌的影响

为了研究钛合金车削过程中切削速度和切屑形态特征对已加工表面微观形貌的影响。采用硬质合金涂层刀具车削钛合金TC4,研究了切削速度对切屑形态特征、已加工表面粗糙度和轮廓最大高度的影响规律,分析了切屑底部毛边形貌、已加工表面形貌与表面粗糙度三者之间的关系。结果表明:在切削速度40~120m/min时,切屑底边出现锯齿形毛边,且随切削速度增大锯齿越明显。切屑底部锯齿毛边的形成是造成已加工表面波峰损伤形成的主要原因。影响已加工表面粗糙度的微观形貌特征包括硬质颗粒、粘结现象和波峰损伤。因此,为了获得高质量的加工表面,加工参数选择时必须规避硬质颗粒和严重的粘结现象,并控制切屑底部毛边形态特征。     

切削速度对某新型易切削钢切屑形态及加工表面形貌影响

为了明确切削速度对某新型易切削钢切屑形态及加工表面形貌的影响规律,开展了不同切削速度下某新型易切钢的切削试验,研究切屑形态和已加工表面形貌并分析其产生原因。结果表明：宏观上,在切削速度大于150 m/min时,该易切削钢切屑以短管螺旋状为主,当切削速度小于150 m/min时,切屑以发条状和破断弧形为主,形成锯齿形切屑的临界切削速度大约在200 m/min;切削速度影响切屑底面形貌,在低速切削时,切屑底面较多大小不一的撕裂状凹坑、沟槽,当切削速度增大至200 m/min 时,能够形成表面较光滑的切屑底面;低速切削该易切削钢时,工件表面粗糙度较大,3D形貌显示波峰高度、波谷深度也均较大,随着切削速度的增加,粗糙度减小,3D形貌亦趋于平缓。     

钛合金高速切削切屑形成机理的有限元分析

钛合金在切削加工时容易产生锯齿状切屑，周期性的锯齿状切屑会引起切削力高频波动，从而影响加工表面质量和刀具寿命。然而其切屑形成的机理尚无统一的结论。本研究采用刚塑性有限元模型以及正交化Cockroft—Latham断裂准则，对钛合金Ti6A14V高速正交切削进行了仿真。仿真结果显示，周期性断裂理论能很好地解释钛合金锯齿状切屑形成的机理，主剪切变形区应力状态的变化是裂纹萌生与扩展的主要原因。研究结论与相关试验切屑显微照片特征相吻合，可以为实现钛合金高速切削提供理论依据和技术支持。     

基于ABAQUS高速切削Ti-6Al-4V切削状态的有限元仿真

文章基于Abaqus/Explicit的Johnson-Cook材料模型以及断裂准则模拟高速正交切削Ti-6Al-4V,仿真分析了切削速度、切削深度、刀具前角变化时对平均切削力以及锯齿状切屑形态的影响.研究结果表明:切屑锯齿化程度和齿距随切削速度和切削深度的增加而增大,随前角的增加而减小.平均切削力在切削速度为60m/min-180m/min时趋于平稳,随切削深度增加而增大,随前角增大而减小.     

高速切削Ti6Al4V锯齿形切屑形成的表征

深入研究锯齿形切屑的形成过程及表征有利于工业生产中的切屑控制。用锯齿频率、锯齿化程度及绝热剪切带间距来对锯齿形切屑进行表征。鉴于Ti6Al4V在加工过程中易于形成锯齿形切屑,因此选择Ti6Al4V作为工件材料,通过高速切削Ti6Al4V实验,收集不同切削速度和每齿进给量下的锯齿形切屑;将获得的锯齿形切屑进行抛磨及腐蚀后,在VHX-600 ESO数码显微镜下观察切屑形貌,计算不同切削条件下锯齿频率、锯齿化程度及绝热剪切带间距。结果表明:随着切削速度的提高,锯齿频率及锯齿化程度增大,绝热剪切带间距减小;随着每齿进给量的增大,锯齿频率减小,锯齿化程度及绝热剪切带间距增大。锯齿化程度可以作为普通切削、高速切削及超高速切削的判据。     

高效铣削刀-屑摩擦参数与界面温度分析

金属材料切屑成形过程中刀具前刀面与切屑之间的摩擦特征参数和切削温度是决定刀具磨损、动态切削力特性以及加工稳定性的关键表征量。通过切削物理试验与力学解析复合方法对马氏体不锈钢在立铣加工过程中,不同切削用量下的刀-屑摩擦特征参数进行定量计算分析,又基于物理切削试验测量值迭代标定的斜角切削平均温度高精度解析计算方法对刀-屑界面切削温度进行定量计算分析。研究表明:在切削速度30～90 m/min、每齿进给量0. 1～0. 15 mm/齿范围,切削速度的增加对剪切角和切屑滑动速度影响显著,对切削温度的影响也较为显著;经过试验值迭代修正的M C Shaw剪切模型能够实现斜角切削平均温度的有效解析求解,求解精度满足工程实际需要。     

单颗磨粒磨削钛合金TC4成屑过程仿真研究

采用有限元模拟技术对钛合金TC4材料的单颗磨粒磨屑形成过程进行了仿真研究.研究表明:钛合金TC4在单颗磨粒磨削过程中发生绝热剪切,形成锯齿状磨屑;磨削过程中单颗磨粒磨削力成周期变化;磨粒负前角增大,锯齿化程度加深;磨削速度提高,磨屑剪切带宽度减小;仿真分析得到的磨屑形态与实验结果相一致.     

Analysis on high-speed face-milling of 7075-T6 aluminum using carbide and diamond cutters

This research is concerned with the analytical and experimental study on the high-speed face milling of 7075-T6 aluminum alloys with a single insert fly-cutter. The results are analyzed in terms of cutting forces, chip morphology, and surface integrity of the workpiece machined with carbide and diamond inserts. It is shown that a high cutting speed leads to a high chip flow angle, very low thrust forces and a high shear angle, while producing a thinner chip. Chip morphology studies indicate that shear localization can occur at higher feeds even for 7075-T6, which is known to produce continuous chips. The resultant compressive residual stresses are shown for the variation of cutting parameters and cutting tool material. The analysis of the high-speed cutting process mechanics is presented, based on the calculation results using extended oblique machining theory and finite element simulation.     

Study of cutting deformation in machining nickel-based alloy Inconel 718

During the process of high-speed machining nickel-based alloy the material presents serrated chips. An experiment involving quick-stop device was conducted. The chip root obtained in the experiment was presented in a metallographic graph. Through the analysis of metallographic graph, the physical features showed that shear angle is reduced and shear plane is converted into shear body when serrated chips formed were analyzed. Conditions under which a crack appeared and adiabatic shear that occurred were also analyzed. Based on the research, shear strain, shear strain rate and shear stress model in the adiabatic shear band were established. The effects of cutting parameters on character of the serrated chip were studied through observing chip metallographic graph.     

PCBN刀具高速切削钛合金TC4切屑形态研究

试验设计多组切削用量,采用正交试验方法,对不同切削用量参数下,PCBN刀具切削钛合金TC4的切屑形态进行研究,同时对PCBN刀具车削钛合金TC4进行二维有限元仿真,从理论上对锯齿化切屑形成原因进行分析。试验结果表明,PCBN刀具切削钛合金TC4产生的切屑存在锯齿状切屑、长条形带状切屑和弯曲旋状切屑;切削用量对切屑锯齿化存在较大的影响,表现为较小的切削用量条件下形成锯齿状切屑,随着切削用量参数变大,切屑呈现长条带状和弯曲旋状切屑;试验从周期性断裂理论和切削温度角度对切屑形态进行了分析讨论,并得到当PCBN刀具在高速下切削钛合金TC4材料时,形成的切屑并不均是锯齿状的结论。     

Modified material constitutive models for serrated chip formation simulations and experimental validation in machining of titanium alloy Ti–6Al–4V

Titanium alloys present superior properties such as high strength-to-weight ratio and resistance to corrosion but, possess poor machinability. In this study, influence of material constitutive models and elastic–viscoplastic finite element formulation on serrated chip formation for modeling of machining Ti–6Al–4V titanium alloy is investigated. Temperature-dependent flow softening based modified material models are proposed where flow softening phenomenon, strain hardening and thermal softening effects and their interactions are coupled. Orthogonal cutting experiments have been conducted with uncoated carbide (WC/Co) and TiAlN coated carbide cutting tools. Temperature-dependent flow softening parameters are validated on a set of experimental data by using measured cutting forces and chip morphology. Finite Element simulations are validated with experimental results at two different rake angles, three different undeformed chip thickness values and two different cutting speeds. The results reveal that material flow stress and finite element formulation greatly affects not only chip formation mechanism but also forces and temperatures predicted. Chip formation process for adiabatic shearing in machining Ti–6Al–4V alloy is successfully simulated using finite element models without implementing damage models.     

A new material model for 2D numerical simulation of serrated chip formation when machining titanium alloy Ti–6Al–4V

A new material constitutive law is implemented in a 2D finite element model to analyse the chip formation and shear localisation when machining titanium alloys. The numerical simulations use a commercial finite element software (FORGE 2005^®) able to solve complex thermo-mechanical problems. One of the main machining characteristics of titanium alloys is to produce segmented chips for a wide range of cutting speeds and feeds. The present study assumes that the chip segmentation is only induced by adiabatic shear banding, without material failure in the primary shear zone. The new developed model takes into account the influence of strain, strain rate and temperature on the flow stress and also introduces a strain softening effect. The tool chip friction is managed by a combined Coulomb–Tresca friction law. The influence of two different strain softening levels and machining parameters on the cutting forces and chip morphology has been studied. Chip morphology, cutting and feed forces predicted by numerical simulations are compared with experimental results.     

钛合金TC21车削过程的三维数值建模与试验研究

针对一种新型高强度钛合金材料TC21钛合金难加工的特点,建立了车削过程的三维有限元模型。采用建立的三维车削有限元模型对钛合金材料TC21的切屑成形过程进行了数值模拟,并获得了切削过程的切削力变化曲线及应力值等物理量。同时,通过钛合金TC21的车削试验研究了刀具前角、进给速度及主轴转速对切削过程的影响规律。在相同切削条件下对试验结果与数值模拟进行了对比,结果验证了数值模拟的可靠性。实验结果表明,钛合金材料TC21的切屑也是锯齿状,且随着刀具前角的减小,TC21材料切屑锯齿状形态越明显。