小直径磨棒磨削加工TiC颗粒增强钢基复合材料GT35

为探究TiC颗粒增强钢基复合材料GT35合理的加工参数和冷却润滑条件,研究其对切削力、表面质量及刀具磨损的影响规律,采用小直径磨棒以侧面磨削方式开展试验。结果表明：干磨削会引起磨棒烧伤,极压磨削油的润滑效果优于水基合成磨削液的;磨棒在极压磨削油润滑下,磨削工件12 min后进入稳定磨损状态,其主要磨损形式为磨粒破碎、磨粒磨耗和磨粒脱落;主轴转速对切削力的影响大于进给速度的,且转速越高,切削力越小;工件表面粗糙度主要与磨棒磨粒出露高度的平整度有关,受加工参数的影响较小。用小直径磨棒磨削加工GT35材料时,应选择极压磨削油润滑,高主轴转速、中速进给的加工方式,以获得良好的刀具寿命、工件加工表面质量及适当的加工效率。     

Ontology-based information modeling method for digital twin creation of as-fabricated machining parts

The Digital Twin concept, as the cutting edge of digital manufacturing solution for modern industries, plays a significant role in the Industry 4.0 era. One key enabling technology for developing a DT is the information modeling of physical products, so as to combine the physical world with the cyberspace more extensively and closely. Therefore, the modeling approach to managing as-fabricated data of physical products, which faithfully reflects the product's physical status, emerges to be pivotal. This paper addresses the problem of modeling as-fabricated parts in the machining process, which is difficult to accomplish by relevant methods, and hinders the long-term data archiving and reuse of process data. Furthermore, to fill the gap, an ontology-based information modeling method of as-fabricated parts is proposed as the recommendation to create DTs for as-fabricated parts. It provides a simple and standardized process for companies to create DTs of as-fabricated parts by specifying the information classification, the contents to be modeled and the modeling method. To validate the effectiveness of the proposed approach, a case study is undertaken in an aviation manufacturing plant at last. The result shows that the proposed information modeling methodology is readily to DT creation of as-fabricated parts.     

Analysis on the Wear Performances of Cemented Carbide Tools Containing Ti in the Coatings When Machining Ti-6Al-4V Alloys

含钛涂层硬质合金刀具在加工Ti-6Al-4V合金时的磨损性能分析

孙剑飞1,2,3,杜大喜4,丁梓轩1,王凯1,白大山1,陈五一1,2

（1.北京航空航天大学 机械工程及其自动化学院,北京100191;

2.先进航空发动机协同创新中心,北京100191,中国;

3.北京市高效绿色数控加工工艺与装备工程技术研究中心,北京100191,中国;

4.北京航天石化技术装备工程有限公司,北京100166,中国）

摘要：由于钛元素的高亲和力,在加工钛合金时含钛涂层的硬质合金刀具似乎不是最佳的选择。然而在实践中,含钛涂层硬质合金刀具仍然广泛应用于钛合金的加工。为了系统的解释实践与理论之间的矛盾,进行了切削实验。使用俄歇电镜扫描切削区域来解析钛合金与硬质合金刀具之间的扩散过程。并通过分子热力学模拟Ti/Co扩散行为对这一过程进行仿真。实验和仿真结果表明,Ti/Co原子的相互扩散是导致扩散磨损的主要原因。溶解-扩散磨损是含钛涂层硬质合金刀具的主要磨损机制之一。此外,采用四种硬质合金刀具和另外两种金属陶瓷刀具以不同的速度切削Ti-6Al-4V合金,进一步验证含钛刀具在基体和图层中的高亲和力。实验结果表明,含钛硬质合金刀具一般不能用于钛合金的切削加工,但在合理的切削条件下,刀具与工件的亲和力较低。

关键词：磨损机理;Ti/Co扩散;分子热力学模拟;含钛硬质合金刀具;Ti-6Al-4V钛合金

     

Turning Affected Layers of GH4169 with Worn Tools

车削GH4169过程中的刀具磨损与表面影响层研究

孙剑飞^1,2,3*,侯广厦¹,王天明¹,陈五一^1,2

（1.北京航空航天大学 机械工程及自动化学院,北京 100191;

2.先进航空发动机协同创新中心,北京 100191;

3.北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心,北京 100191）

创新点说明：

本文创新提出切削时间范围、刀具磨损状态、表面残余拉应力水平间的映射关系,以及刀具磨损状态、表面残余应力层、表面变质层间的映射关系。一方面,通过控制刀具的切削时间范围,找到一种新的表面完整性预测与控制策略;另一方面,从工件表面完整性的角度提出一种新的刀具磨损评价方法。

研究目的：

切削加工是一个动态过程,在切削条件一定时,刀具磨损问题会引起工件表面完整性的差异,这种表面完整性的不一致性严重影响了航空发动机关键结构件的疲劳性能。本文研究旨在通过控制刀具磨损状态,实现对工件表面完整性的一致性控制,并从工件的角度实现对刀具磨损状态的评价。

研究方法：

(1) 在、、的切削参数下进行车削实验。以切削距离55mm (切削时间约7.37min)为一个切削单元,使用6个全新的涂层硬质合金车刀片分别进行1~6个切削单元下的切削实验,保留所有刀片和已加工表面以进行检测分析;

(2) 获取6个刀具的磨损状态,包括前刀面磨损、后刀面磨损,得到刀具磨损曲线、磨损率以及相邻两个切削单元间的磨损变化率;刀具形貌和后刀面磨损量VB的检测分析使用Dino-Lite AD4113T数码显微镜及其配套软件进行。

(3) 对6个刀具在各自最后一个切削单元下获得的已加工表面进行残余应力检测,得到表面残余应力沿深度方向的分布规律;残余应力的检测分析使用PRISM激光小孔电子散斑干涉残余应力分析仪及其配套软件进行。

(4) 对6个刀具在各自最后一个切削单元下获得的已加工表面进行制样与变质层检测,得到变质层形态及厚度的变化规律;变质层的检测分析使用OLYMPUS OLS4100共聚焦显微镜及其配套软件进行。

(5) 对6个刀具在各自最后一个切削单元下获得的已加工表面进行表面粗糙度检测,得到表面粗糙度的变化规律;表面粗糙度的检测分析使用TIME 3220移动式粗糙度测量仪及其配套软件进行。

研究结果：

(1) 刀具处于初期磨损的切削时间约为6min,在切削时间30min左右时发生剧烈磨损,但在45min以前磨损量增长较为稳定。根据不同切削时间下磨损量的变化率对刀具磨损范围进行划分,获得五种刀具磨损状态：S1 (0-15min);S2 (15-22min);S3 (22-30min);S4 (30-37min);S5 (37min以后)。由于初期磨损时间较短,本文将其归入S1状态下,不作单独考虑。

(2) 不同刀具磨损状态下获得的加工表面残余应力虽不尽相同,但在深度方向上整体呈现出明显的“勺”型分布趋势,轴向和周向的应力曲线基本吻合。用拉应力峰值来表征残余应力水平,发现随着刀具磨损量的增加,残余应力水平与刀具磨损量的变化率存在一致性规律。

(3) 已加工表面10以内存在加工变质层,变质层内材料沿周向产生拉伸变形。随着刀具磨损量的增加,加工表面变质层的厚度与周向表面残余应力层的厚度存在一致性规律。

(4) 表面粗糙度是评价加工表面完整性的重要指标。随着刀具磨损量的不断增加,表面粗糙度Ra略有增大但增幅较小,在S5状态下粗糙度激增,表明刀具已经不适合继续进行切削加工。刀具磨损对粗糙度指标Rz的影响更大。

结论：

本文使用涂层硬质合金刀具,在、、的切削参数下,对镍基高温合金GH4169车削过程中的刀具磨损与表面影响层状况进行了研究。主要得到以下结论：

(1) 刀具总的切削时间应控制在37min以内,在6min左右时迅速进入正常磨损阶段,在30分钟左右时进入剧烈磨损阶段。按照刀具磨损量的变化率,可分为五种刀具磨损状态：S1 (0-15min);S2 (15-22min);S3 (22-30min);S4 (30-37min);S5 (37min以后)。

(2) 加工表面影响层的性质受副后刀面处的刀尖磨损影响严重。在连续切削过程中,由于刀具磨损的存在,刀尖位置发生偏移,实际切削深度减小,已加工表面和刀具副后刀面间的接触状态发生变化。

(3) 以刀具磨损状态为纽带,形成切削时间与残余应力水平间的映射,可实现对表面残余应力的预测。0-15min：周向450MPa,轴向330MPa;15-22min：周向360MPa,轴向120MPa;22-30min：周向560MPa,轴向300MPa;30-37min：周向100MPa,轴向60MPa;37min以上：周向320MPa,轴向470MPa。当工件残余应力水平低于400MPa时,可认为对应的刀具切削状态良好。

(4) 在15-22min和30-37min的刀具切削时间范围内,能够获得表面影响层状态较为一致的已加工表面,因此该处于该时间范围内的刀具应被用于关键零件结构的加工中。在切削时间37min以后,已加工表面粗糙度剧增,此时刀具不再适合继续用于加工,需及时更换。

关键词：刀具磨损,残余应力,加工影响层,表面完整性,高温合金

     

钢结硬质合金GT35切削去除机理研究

为研究金刚石磨粒刀具切削钢结硬质合金GT35的微观刻划过程与材料去除机理,以单颗粒金刚石刻划实验为研究手段,分析其微观切削力的影响因素及材料的微观去除过程。通过单颗粒金刚石变切深实验发现,切削力与切痕截面积之间呈线性关系,获得的线性比例系数k的估计值可通过单颗粒金刚石等切深实验修正。随后,通过扫描电镜对GT35材料表面切痕形貌进行观测,并用激光共聚焦显微镜对其形貌进行三维建模,研究不同刻划深度下的材料去除模式。结果表明:修正后k(F_x)为0.026 29 N/μm2（R₁=0.990 46）,k(F_z)为0.046 42 N/μm2（R₂=0.994 08）; 调质GT35材料在多种切深下均以塑性去除为主,其中切痕底面呈现明显塑性剪切去除状态,切痕边缘位置呈现一定的脆性断裂状态。刀具在切削过程中会在刀尖处形成材料堆叠死区,引起刀具崩刃及磨损,且切痕表面形貌的形成与刀具磨损密切相关。      

基于电涡流阻尼器的数控加工振动抑制

弱刚性零件在数控加工中极易发生变形、让刀等现象,对加工质量及效率构成严重影响。基于电涡流阻尼器利用导体在恒定磁场中运动或者利用时变电磁场在导体上产生电涡流阻尼力,提出并设计适用于弱刚性结构件数控加工振动抑制的电涡流阻尼器结构;结合理论建模,提出四种设计方案并对其减振性能进行测试和比较。模态实验表明,四种阻尼器方案均能较好的对工件振动进行抑制,频响函数幅值最低下降55%;模态参数辨识表明,电涡流阻尼器可使系统阻尼增加70.73%,而对其余动力学参数的影响较小。切削实验表明,该电涡流阻尼器可增加工件临界稳定切深171%,减少切削加工振动信号58%以及降低表面粗糙度89.7%。     

基于小波包及Hilbert-Huang变换的数控铣削颤振诊断技术

为了提高产品加工质量,根据试验测得铣削系统颤振稳定域,制定并采集数控铣削振动信号,以保证采集信号的准确性;融合小波包变换与希尔伯特黄变换,从能量频域分布与幅值概率统计分布两方面提取信号特征值,其中小波包降噪作为信号前置处理能有效降低环境噪声干扰的影响,提高经验模式分解的精度;建立基于模糊支持向量机的颤振诊断模型,将振动信号分为平稳铣削信号、微弱颤振铣削信号、颤振铣削信号及刀具磨损铣削信号。实验结果表明,该模型具有良好的铣削振动信号辨识与诊断能力,预测准确率达97.3%,为数控铣削加工振动信号的准确辨识与诊断提供了一种新方法。     

微小孔钻削刀具制造技术研究进展综述

随着航空航天、医药、汽车及电子工业的迅速发展,精密设备及微结构的制造需求逐年增加,微小孔(d≤1mm)作为微结构中的常见难加工特征,其制造技术是限制相关领域装备发展的关键所在,因此,微小孔制造一直是机械加工行业的研究热点和难点,诸多学者从多种维度进行了相关研究,形成了丰硕的研究成果。由于微小孔钻削技术现阶段仍然是微小孔制造的核心工艺,而刀具性能则是保证微小孔钻削的核心要素,因此总结了近年来微钻刀具制造领域的重要技术进展,并从微钻刀具的材料选择、几何角度设计、制造工艺方法等角度展开叙述,介绍了最新的微钻刀具材料研究进展、解释了微钻刀具几何角度的设计方法,总结对比了国内外最新的微钻刀具制造技术,包括磨削、电火花磨削、高频激光加工技术等。由于PCD微钻具有优异的切削性能和极大的技术潜力,还重点介绍了PCD微钻制造技术及最新研究成果,并针对不同材料、工况下的微小孔钻削加工工艺参数进行了总结。     

Development of cutting force prediction model for carbon fiber reinforced polymers based on rotary ultrasonic slot milling

Carbon fiber reinforced polymers (CFRP) have got widely increased applications in aviation, defense and other industries due to their properties of high specific strength/stiffness, high corrosion resistance and low-thermal expansion. The issues like excessive cutting forces and machining damages are encountered in machining due to heterogeneity, anisotropy and low heat dissipation of these materials. The cutting forces are required to be predicted/minimized through modeling. In this article, the novel axial and feed cutting force model has been developed and validated through rotary ultrasonic slot milling of CFRP composites. The variations less than 10% have been found between the measured and corresponding simulated values of the cutting forces. However, some higher variations have also been observed in the few cases mainly due to heterogeneity and anisotropy of such material. The cutting depth is a significant parameter for axial and feed forces, while the feed rate is significant for the axial force. Both the forces decreased with the increase of spindle speed, while they increased with the increase of feed rate and cutting depth. The developed models have been found to be robust and can be applied to optimize the cutting forces for such materials at the industry level.     

混合B样条实体模型的等几何拓扑优化

等几何拓扑优化方法将经典拓扑优化理论中的有限元分析过程更改为等几何分析计算,从而提高了拓扑优化的效率与稳定性.针对现有的等几何拓扑优化方法在处理复杂实体结构优化问题时具有一定的局限性,提出一种非结构化样条实体等几何拓扑优化方法.基于混合B样条构造技术,在非结构化六面体网格上构造具有复杂结构的样条实体,并将其作为拓扑优化...