AFM变载荷刻划硅基底的分子动力学研究

基于改进的分子动力学模型,研究了原子力显微镜(AFM)探针在硅表面变载荷刻划的形变特性。利用结构辨认算法显示非晶层的形成,并建立切屑分布的定量评价指标。在此基础上考察刻划速度、针尖半径和探针锥角对刻划效果的影响。结果表明:(1)当刻划速度小于0.3 nm/ps或大于等于1.5 nm/ps时,基底表面的切屑较少,刻划速度对沟槽表面的影响不大;(2)当针尖半径小于等于1 nm时,探针会发生磨损,当针尖半径大于等于1.5 nm时,探针发生弹性形变,针尖半径为2~3.5 nm能达到最佳刻划效果;(3)较大的锥角有利于减少基底表面的切屑分布。     

钛合金切削性能及绝热剪切带微观形态研究

采用正交试验方法对钛合金进行切削试验,研究了切削用量和刀具前角对切削力和锯齿化程度的影响规律,并采用金相显微镜对锯齿形切屑的切屑形貌和绝热剪切带内材料特征进行观察和分析。结果表明:进给量和背吃刀量对切削力的影响高度显著,刀具前角对进给力的影响高度显著而对主切削力的影响显著;刀具前角、进给量、切削速度对锯齿化程度的影响显著性依次减小;随着锯齿形切屑变形程度增加,绝热剪切带内组织特征由形变带向转变带转化;锯齿形切屑裂纹形成于绝热剪切带与下一个梯形基块的交界处,并沿绝热剪切带方向扩展;刀具前角对裂纹影响较显著,当刀具前角为10°时,裂纹更加明显。     

采用AFM研究单晶硅纳米加工特性

为获得AFM金刚石微探针在纳米尺度上加工脆性材料的加工特性,在AFM系统上对单晶硅表面进行了刻划、加工实验.实验结果与宏观车削加工结果进行了对比,得出在纳米尺度上进行的加工属塑性域加工.采用AFM金刚石微探针加工硅表面的加工质量主要受材料残留高度和形成的切屑在已加工表面的粘结两个因素影响.验证了AFM作为一种加工工具,受其刻划方向的影响,可以很容易地实现纳米量级材料的去除,得到厚度为数个纳米的切屑.     

环形固结金刚石线锯切割单晶硅与陶瓷的实验研究

利用环形固结金刚石线锯在恒压力进给情况下对单晶硅与陶瓷进行了切割实验。通过观察加工表面发现：两种材料的加工表面都存在断续划痕和凹坑，且因为陶瓷断裂韧性高，陶瓷加工表面质量优于硅晶体。增加锯丝速度和进给压力，会使进给速度提高，有利于提高材料去除率。由于硅晶体的断裂韧性小，锯切时容易形成破碎状切屑，去除率高于陶瓷。     

齿轮钢和蓝宝石的低速摩擦特性对比研究

通过单颗磨粒划擦试验,研究齿轮钢(42Cr Mo V)和蓝宝石(α-Al2O3)的摩擦磨损特性。采集划擦试验过程中的力信号,比较在不同的划痕深度、划痕速度和压头角度条件下,齿轮钢和蓝宝石分别与金刚石压头所形成的摩擦副的摩擦因数μ。结果表明:划痕深度、划痕速度对两种材料与金刚石压头所形成的摩擦副的摩擦因数μ均无影响;压头角度对两种材料与金刚石压头所形成的摩擦副的摩擦因数μ均有影响,且随着压头角度的增大,两种材料与金刚石压头所形成的摩擦副的摩擦因数μ均增大;在相同试验条件下,蓝宝石与金刚石压头所形成的摩擦副的摩擦因数大于齿轮钢与金刚石压头所形成的摩擦副的摩擦因数。     

30CrNi3MoV钢锯齿形切屑中绝热剪切带的微结构特征

测量了30CrNi3MoV低合金高强度钢在不同切削速度下形成的锯齿形切屑中绝热剪切带(ASB)的硬度,使用光学显微镜、SEM、TEM观察了ASB微观组织形貌。结果表明：在剪切变形局部化发生以后,会形成两种形式的ASB,即在低速下形成的以大塑性变形为特征的形变带和高速下形成的以组织细化为特征的转变带。切削速度的增加会影响形变带的硬度,而对转变带硬度影响不大。形变带的硬度是加工硬化的结果,而转变带的硬度来源于相变硬化。     

切削工艺对Ti6Al4V合金锯齿形切屑的影响研究

通过实验研究了切削速度和切削厚度对Ti6Al4V合金锯齿形切屑、齿距和锯齿化程度以及绝热剪切带微观组织转变的影响,并对锯齿形切屑的形成过程及机理进行了分析。结果表明:随着切削速度的增加,锯齿形切屑单元的尺寸和切屑的锯齿化程度不断增加,切屑锯齿的剪切带更容易形成转变带,在切削速度为550 r/min时剪切带中基本都由转变带组成。随着切削厚度的增加,齿距不断增大,当切削厚度0.3 mm后锯齿化程度变化幅度减小;当切削厚度从0.2 mm增加至1.0 mm时,剪切带组织逐渐从形变带转变为形变带+转变带,并在切削厚度为1.0 mm时完全形成转变带。     

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。     

正交切削切屑形成中绝热剪切行为的实验研究

通过正交切削实验．使用显微硬度计、金相显微镜及扫描电子显微镜(SEM)，对两种回火硬度的结构钢30CrNi3MoV在不同切削条件下的切屑形态和绝热剪切带内材料组织特征进行了观察和分析。研究结果表明。切削过程中形成了两种类型的绝热剪切带即形变带和转变带，随着绝热剪切带的形成和发展切屑形态发生改变。随着切削速度的增大形变带的硬度相应增加，而转变带内的硬度变化不大。     

单颗金刚石磨粒切削氮化硅陶瓷仿真与试验研究

为探索氮化硅陶瓷单颗磨粒切削加工的机理,进行单颗金刚石磨粒切削氮化硅陶瓷的仿真与试验。选用截角八面体模拟金刚石磨粒,基于Johnson-Holmquist ceramic硬脆材料本构模型,采用有限元网格法进行单颗磨粒直线切削仿真,分析工件材料的切屑去除、划痕形貌、应力动态变化与分布、切削力变化等现象,以及工艺参数对切削力的影响。制备单颗金刚石磨粒工具,在平面磨床上进行单颗磨粒切削氮化硅陶瓷的试验,进一步分析划痕形貌、切削力的变化,并验证有限元仿真的正确性。研究表明,划痕光直平整,塑性隆起很少,边缘存在较大尺寸的破碎,划痕内有局部小尺寸的破碎;划痕的深度和宽度比磨粒的切削深度和宽度尺寸略大。应力与切削力存在动态波动。随着砂轮速度的增加,切向力和法向力减小;随着切削深度的增加,切向力和法向力增大。切削力比在4～6之间变化。     

钽表面划痕过程声发射特性

以集成电路阻挡层材料钽为对象,研究其表面划痕过程中的声发射特性,初步探索材料去除机制,分析划痕参数对声发射特性的影响,为采用声发射技术监测材料去除过程提供依据。结果显示:在划痕过程中,钽交替经历犁沟和塑性流动,形成深浅起伏的沟槽,并产生连续型声发射信号;随着划痕速度增加,信号强度增高,包络波动更剧烈,冲击性更强,而中位频率先升高、后稳定甚至降低;随着划痕载荷增加,信号增强,冲击性呈正相关变化。钽的表面划痕过程可以用声发射表征。     

高速铣削淬硬钢时的切屑形态试验研究

使用Ti Al N涂层整体圆柱立铣刀,以(151~942)m/min的铣削速度,对淬硬的45钢和3Cr2Mo钢进行了高速铣削试验,研究了各种切削速度下的宏观及微观切屑形态。发现在高的铣削速度下形成了带有绝热剪切带的锯齿形切屑,并分析了切屑形态的演化过程。工件材料的硬度、强度、导热性能及切削速度对切屑形态和绝热剪切带的形成有着重要的影响。工件材料越硬、强度越高、导热系数越低,切削速度越大,越容易形成带有绝热剪切带的锯齿形切屑,而且,随着切削速度的增加,切屑的形态由卷曲向平坦发展。     

切削速度和刀具磨损对锯齿形切屑形成的影响

锯齿形切屑是金属切削过程中常见的切屑。在加工淬硬不锈钢的过程中,在较低的切削速度下就可以形成锯齿形切屑。锯齿形切屑的形成对机床稳定性、刀具寿命和已加工表面质量有着重要影响。文中用金属陶瓷刀具铣削马氏体不锈钢3Cr13Cu,研究切削速度和刀具磨损对锯齿形切屑形成的影响。结果表明,锯齿间距随切削速度和后刀面平均磨损宽度(VB)的增加而减少,即切屑上锯齿的形成频率随切削速度和后刀面平均磨损宽度的增加而增加。用M A Davies的绝热剪切理论解释后刀面磨损对锯齿形切屑的形成影响,表明用金属陶瓷刀具铣削马氏体不锈钢3Cr13Cu过程中绝热剪切参与了锯齿形切屑的形成。     

张力切削法制造超薄钢带的研究

本工作研究了张力切削法制造超薄钢带时所获得的连续切屑带。其扫描电镜的表面形貌与传统的金属切削加工获得的切屑的情况基本相同：呈剪切前沿-层结构。但层宽对切削深度的变化规律在小的切削深度时与传统的金属切削加工时的规律相反。微观应变和显微硬度对切削深度的曲线以及层宽对切削深度的曲线的形状相似,发现三曲线在同一切削深度的坐标处出现极小值。合适的张应力可使超薄钢带切削成形时的形变量降低,形变较为均匀,有助于超薄钢带的成形。张应力可能是通过改变切削时的剪切角起作用的。     

自动钻铆通孔深度在线测量精度影响因素分析与实验研究

为实现大型复合板类零件的自动化钻铆,在前期研究中已形成通孔深度在线测量方法与装置,并完成样机研制与初期实验验证。然而,装置测量结果易受预设探针进给速度及预设白像素阈值大小的影响。本文首先针对探针进给速度以及白像素阈值大小对测量精度的影响进行深入分析,探究上述测量参数对测量精度的影响机理与影响规律,并对其影响趋势进行预测,然后进行了进给速度对测量精度的影响实验,以及白像素阈值对测量精度的影响实验,验证了预测方法的正确性。实验结果表明,随着探针进给速度的增加,测量精度会逐渐降低;而随着白像素阈值的减小,测量的孔深值会逐渐减小。     

不同刀具硬铣削3Cr13Cu不锈钢的切屑形态及磨损性能

采用金属陶瓷刀具和硬质合金涂层刀具对硬度为44 HRC的淬硬3Cr13Cu不锈钢进行了铣削试验,研究了两种刀具在不同的切削速度下铣削时形成的切屑形态和刀具前后刀面的磨损情况。结果表明:切屑形态受刀具导热性能的影响,金属陶瓷刀具导热系数小,所以易于形成锯齿形切屑;锯齿形切屑的形成对金属陶瓷刀具磨损有较为明显的加速作用,锯齿间距越小金属陶瓷刀具前刀面磨损面积越大,而对硬质合金刀具的磨损影响较小;同一铣削距离,金属陶瓷刀具的后刀面磨损随着切削速度的增加而增大,而对于硬质合金涂层刀具,后刀面磨损量随着切削速度的增加先减小后增大。     

高速铣削蠕墨铸铁的切屑形成及表面质量研究

蠕墨铸铁(Compacted Graphite Iron)因具有优异的综合力学性能而被广泛应用于汽车和机车行业。由于蠕墨铸铁的可加工性较差,在加工过程中仍然存在许多问题。本文通过单因素试验法,在不同切削速度/进给速度的组合下进行铣削试验,揭示了高速铣削蠕墨铸铁(RuT400)的切屑形成和工艺参数对表面质量的影响。通过测量铣削力和表面粗糙度,用最小二乘法建立工艺参数与铣削力和表面粗糙度之间的拟合方程,并从宏观和微观的角度观察切屑的形成。结果表明,拟合方程的铣削力和表面粗糙度与试验数据吻合度较高,可为铣削力和表面粗糙度预测提供参考。通过扫描电子显微镜(SEM)观察低切削速度和进给速率下产生的长卷型切屑,发现所有切屑均呈“C”形弯曲形状。切屑厚度和锯齿间距与进给速率的增加呈负相关,与切削速度的增加呈正相关。通过计算蠕墨铸铁的临界冲击速度并加以修正,得到了崩碎状切屑出现的实际临界冲击速度,为工艺参数优化和切屑形态变化预测提供了理论基础。     

基于微晶刚玉磨粒切削的20CrMnTi齿轮钢磨削机理研究

为了研究微晶刚玉砂轮对20CrMnTi低碳合金钢的磨削机制与磨削力规律,采用单颗微晶刚玉磨粒划擦实验模拟20CrMnTi钢的磨削加工过程,进而推导出了单颗磨粒划擦的磨削力数学模型公式。研究表明:20CrMnTi钢划痕呈现显著的塑性去除形式,且划擦过程伴随着显著的力值特征。法向力与切向力均随着划擦深度、进给速度的增大而增大,划擦深度对磨削力的作用更明显。单颗磨粒的磨削力源于切屑变形和摩擦,切屑变形引起的法向力和切向力之比为0.75,磨粒顶部与材料的摩擦系数为0.46。     

表面织构对刀具主剪切区特性的影响研究

表面织构能明显改善刀具的切削性能,进一步清晰织构刀具的切削机理。将数值仿真及理论解析相结合,研究表面织构对刀具主剪切区特性的影响,分析主剪切区剪切角、温度及切屑形变量参数的变化。结果表明:刀具表面织构影响了刀-屑界面的接触及摩擦特性,增大了刀具主剪切区的剪切角,进而减小了刀具的切削力、刀-屑界面温度及切屑剪切形变量;主剪切区的温度却因单位时间内被切材料的剪切滑移率增大而小幅增加。本研究为清晰织构刀具的切削机理奠定了理论及技术基础。     

压力管道表面划痕对应力集中系数及安全性能影响的研究

利用三角形微型缺口表征压力管道表面的划痕,建立具有表面划痕特征的压力管道有限元模型,计算不同表面划痕深度的压力管道应力分布情况,揭示表面划痕深度对应力集中系数及安全系数的影响规律。研究表明:应力集中系数随着表面划痕深度增加而增大,且增大趋势越来越明显;安全系数随着表面划痕深度增大而减小,当表面划痕深度大于4 mm时,安全系数降低到1. 5以下,不满足设计要求,当表面划痕深度大于6 mm时,安全系数降低到1以下,若不采取措施,继续使用会导致严重安全事故。