我院“修复零件机械加工刀具研究”科研成果通过鉴定

振动堆焊是机械零件的重要修复工艺,但由于使用了高硬度和高强度材料,焊后硬度往往高达HRC50左右,加之焊层薄,内部呈现微孔,表面几何形状不规则,切削余量小,焊层硬度不均等原因,用一般切削刀具来加工十分困难,而且难以获得较高的表面光洁度。为寻求简单经济的加工方法,原农机部在1978年给我院下达了“修复零件机械加工刀具研究”的科研任务。     

四川工业学院科技成果转让项目简介

一、车床振动的自动控制 自控系统简便新颖,结构紧凑,可提高生产率和加工精度(特别是细长零件)提高机床和刀具使用寿命。车床不需改装,易于掌握。 二、等离子弧加热切削新技术 等离子弧温度达13000～33000°k进行瞬时加热切削高硬度(HRC>40)、高强度(Ъb>100kg/mm~2)、高韧性及难切削     

铣削508Ⅲ钢不同涂层对刀具切削性能影响

核电水室封头部件属于难加工零件,材料为508Ⅲ高强度钢。针对铣削加工过程中刀具切削性能差、寿命短与加工效率低等问题,首先对涂层硬质合金刀具进行切削仿真,从切削温度和应力方面,分析涂层对刀具切削性能影响;然后进行铣削508Ⅲ钢涂层刀具磨损实验,通过刀具磨损观测及前刀面形貌分析,探究涂层对刀具磨损与刀具寿命的影响;最后进行涂层性能对比实验,讨论不同类型涂层、涂层厚度和不同涂层热扩散率对硬质合金刀具铣削508Ⅲ钢切削过程影响。研究结果为铣削水室封头硬质合金刀具开发及核电零件高效加工等提供技术支持。     

高温钛合金BTi6431S超声振动车削实验研究

钛合金是一种典型的难切削材料,加工过程中摩擦力大、温度高、刀具磨损严重,导致其切削成本较高。超声振动切削可以减少切削力、提高加工质量。将椭圆超声振动切削技术用于近α型高温钛合金BTi6431S的车削过程中,对切屑形貌、切削力和刀具磨损进行了实验研究。结果表明:椭圆超声振动的切屑长度变短,缠绕程度变大,微观形貌显示在较低的切削速度下其锯齿化程度低于传统切削。椭圆超声振动的切削力明显小于传统切削,随着切削速度的增加,其切削力逐渐接近传统切削时的切削力。椭圆超声振动在切削速度较低时可以有效提高刀具寿命,随着切削速度的增加,刀具磨损加剧。     

刀具磨损监测技术及其在重型切削中的应用

在现代化切削加工系统中,刀具的磨损和破损会导致工件的报废甚至机床的损坏.刀具状态监测可以有效地改善磨损和破损给切削过程带来的不利影响,将刀具状态监测应用到重型切削水室封头过程中对于提高大型零件的加工效率及加工质量具有重要的意义.为了深入探讨刀具磨损监测技术及其在重型切削中的应用,以普通切削刀具磨损监测为研究对象,从信号...     

TiAlN涂层硬质合金刀具大进给铣削高温合金的加工性能评价

大进给铣削是一种高效加工方法,在提高难加工材料的加工效率方面具有显著优势。采用可转位的Ti Al N涂层硬质合金刀具对GH4169进行了大进给铣削试验,研究了切削速度、每齿进给量以及刀具磨损对切削力的影响规律,并通过对后刀面磨损区域微观形貌和能谱分析,研究了刀具磨损机理。结果表明:每齿进给量对切削力的影响最显著,刀具磨损对轴向切削分力的影响非常显著,在刀片磨钝过程中,轴向切削分力由854 N增大至1 863 N;切削速度对刀具寿命的影响最显著,切削速度增大至110 m/min时,刀具寿命仅有2 min;通过刀具后刀面磨损区域的能谱分析,在切削刃附近发现大量Ni、Fe、Cr等GH4169材料元素,刀具的主要磨损形式为黏结磨损和由热裂纹引起的材料剥落及崩刃。     

高速切削典型难加工材料刀具摩擦与磨损机理研究现状

钛合金、镍基高温合金的低导热性、高化学活性引起高速切削过程中刀-屑接触区域温度高、工件材料与刀具亲和力强,刀具磨损严重,加工效率低,属于典型的难加工材料.针对这类典型难加工材料中刀具摩擦与磨损严重的问题,在论述高速切削刀-屑接触区摩擦特性研究现状的基础上,分析了刀具磨损机理、刀具切削性能、以及冷却润滑对刀具摩擦磨损行为...     

特种蓄能器壳体加工方法的研究

针对特种充气式蓄能器壳体的加工，分析了难切削金属材料薄壁零件的加工特点，提出了加工过程中工件的合理装夹方法，研究了选用合适的刀具材料、优化刀具几何参数及切削参数等措施对零件加工质量的影响。     

关于加工中心的几个监视机能问题

前言在精密切削加工中,一旦刀具发生磨损,无论机床的运动精度多高,也难保证制品的精度。为此,操作者必须时刻监视切削加工状态,不断测试工件尺寸精度。一旦发现刀具磨损和折损等异常现象时,就立即停机,更换刀具或调整刀尖位置。这样不世保证了工件质量,而且保护了机械设备和刀具。然而,在高度自动化的精密数控机床上进行人工监视,却是非常困难的。特别是在多机床管理或无人管理的情况下,必须采用特殊手段对切削状态进行自     

模具钢Cr12MoV精密硬态切削过程刀具磨损

模具钢Cr12Mo V硬态切削过程中,工件材料的高硬度导致了刀具在切削过程中受到剧烈的热力耦合作用,刀具的磨损机制也明显不同于常规的切削过程.本研究以PCBN刀具精密硬态切削模具钢Cr12Mo V过程为对象,分析了刀具前刀面和后刀面的磨损规律,通过元素变化分析得到刀具不同位置的磨损机制;通过揭示不同切削速度和进给量下的刀具磨损规律为合理选择切削参数提供理论依据;研究揭示了切削合力和切削三分力受刀具磨损量的影响机制;通过建立磨损刀具的几何模型,采用有限元仿真软件Deform对不同刀具磨损量下的切削过程进行了仿真分析,得到了刀具磨损对切削温度场的影响机制.     

碳纤维复合材料切削加工技术研究进展

碳纤维复合材料(carbon fiber reinforced composite,CFRP)具有独特的轻质、高强、高硬、耐高温等特性,广泛应用于航空航天领域.然而,随着CFRP由次承力结构件转为主承力结构件,其切削加工问题日益凸显.文中阐述了CFRP切屑形成机制、切削力、切削热、刀具磨损和加工缺陷研究现状,总结了钻削、铣削时的加工参数和刀具参数对切削力、切削热和刀具磨损的影响.剖析了CFRP加工过程中分层、撕裂和毛刺缺陷产生的原因和影响因素,介绍了刀具材料和结构的研究进展.并综述了螺旋铣孔、超声振动辅助加工、以磨代钻制孔等CFRP加工的新工艺特点及应用,同时指出了CFRP切削加工有待进一步解决的问题.     

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

     

刀具振动与加工表面形貌分布特性的关联分析

为探究大螺距螺纹车削加工中刀具振动对加工表面形貌沿工件轴向分布特性的影响,进行螺距16 mm外螺纹的车削实验,获取刀具振动时域特征参数和加工表面形貌特征参数沿工件轴向分布的行为序列;采用灰色关联分析方法,研究刀具左刃、右刃切削大螺距螺纹时,沿切深方向、切削速度方向和轴向进给方向上刀具振动对螺纹面加工表面形貌分布特性的影响;对比两次不同切削方案的实验结果发现,刃口半径、后角和切削次序等参数直接影响刀具振动与加工表面形貌分布特性之间的关系,调整上述工艺参数可改变刀具振动对加工表面形貌的影响特性。     

CBN刀具磨损机理的研究

本文对CBN刀具的磨损过程进行了研究,给出了CBN刀具的主要磨损形式,有逆转化磨损、氧化磨损、微裂解磨损和粘接磨损等。在分析了CBN 刀具磨损机理的基础上,提出了控制与减少CBN 刀具磨损的措施。实验结果表明,采用作者推荐的工艺条件切削,可以在保证零件加工精度的前提下,大幅度地提高CBN 刀具的寿命     

水室封头高效加工层切铣刀优化设计及分析

针对在重型切削过程中,切削力和切削温度远高于普通切削,刀具失效严重制约加工效率和加工质量的问题,以重型切削的典型零件水室封头为研究对象,依据叠加原理,采用有限元方法,进行层切铣刀的优化设计及分析.首先进行切削实验,分析层切铣刀和面铣刀的切削性能;其次结合重型切削特点,从层切铣刀阶梯、刀具几何角度和不等齿距等方面,设计适合于加工水室封头的层切铣刀;然后通过有限元仿真优化主偏角和分析不等齿距对刀具固有频率的影响;最后对优化的层切铣刀进行铣削性能仿真验证.通过以上研究过程,为重型切削刀具设计及仿真分析提供参考和理论支撑.     

刀具磨损过程中已加工表面质量变化的研究

金属切削加工过程中,刀具必然会发生磨损,但刀具的磨损规律多种多样,磨损的原因也各不相同。只有找出不同切削刀具、在不同切削条件下刀具磨损与已加工表面质量的变化规律,才能为金属切削加工提供指导依据．并进一步实现对金属切削加工过程的有效控制。为此,笔者进行了硬质舍金薄切削铝舍金的实验,以探究硬质舍金刀具磨损过程中已加工表面质量的变化规律,以及刀刃钝圆半径的变化与刀具磨损状态之间的联系。实验研究发现,刀具磨损过程中,已加工表面粗糙度、轮廓支承长度率与刀刃钝圆半径的变化规律相似。     

SiCp／ZL201复合材料切削加工性能研究

用硬质合金ＹＧ６和高速钢Ｗ１８Ｃｒ４Ｖ为切削刀具,研究了碳化硅颗粒增强ＺＬ２０１复合材料中的碳化硅颗粒含量及其尺寸等参数对切削加工性能的影响。试验结果表明：碳化硅颗粒尺寸越大、碳化硅含量越多,对刀具的磨损速度越快;在相同材料、相同切削条件下,高速钢比硬质合金刀具磨损速度快;碳化硅颗粒粗大,加工工件表面粗糙度大,且随颗粒含量的增加而增大,而碳化硅颗粒细小时,加工表面粗糙度较小,且随着颗粒含量的增加而减小。探讨了刀具磨损机理,认为复合材料对刀具的磨损属磨粒磨损。     

氮铝钛表面涂层刀具技术在切削加工中的应用

采用氮铝钛(TiAlN)涂层硬质合金刀具对不锈钢、模具钢进行切削实验,并与未涂层硬质合金刀具的寿命作比较.研究了TiAlN涂层刀具与未涂层硬质合金刀具在不同的切削参数下的刀具磨损状况,利用扫描电子显微镜对磨损后的刀具表面形貌进行了分析.同时深入研究TiAlN涂层刀具的切削长度与刀具磨损量之间的定量关系.结果表明:TiAlN涂层刀具有优良的物理性能、力学性能和很高的耐磨性能,与未涂层刀具相比,大幅提高了刀具的耐用度,是切削不锈钢、模具钢等难加工材料的理想刀具材料.     

钛合金TC4的切削温度场分析及刀具磨损研究

在硬质合金刀具切削加工钛合金过程中,刀具磨损是限制刀具寿命的主要因素之一,而切削温度与刀具磨损、加工精度和工件加工表面的完整性密切相关。因此,研究切削过程中的切削温度变化规律及刀具磨损规律有助于提高生产率,降低生产成本。借助Deform-3D有限元软件,对硬质合金刀具切削钛合金过程中的切削温度场及刀具磨损进行了仿真分析,得出了切削速度、进给量、切削深度和刀具前角的动态变化对切削温度的影响规律以及刀具磨损量随切削温度的变化规律,此规律对切削参数的选择和刀具寿命及磨损的研究具有重要的指导作用。     

超声辅助金刚石飞切氧化锆切削力特性及刀具磨损的研究

针对陶瓷硬脆材料难加工特性,结合金刚石飞切与超声辅助加工的优点,提出超声辅助金刚石飞切这一新加工工艺,并将其应用于氧化锆陶瓷超精密切削,取得了较好加工效果。在分析了超声辅助金刚石飞切加工的特点基础上,建立其切削模型及切削力模型,搭建了超声辅助金刚石飞切实验平台,进行了氧化锆超声辅助金刚石飞切切削力试验及刀具磨损试验。通过实验对比,探讨超声辅助加工技术对切削力和刀具磨损的影响,分析金刚石飞切加工过程中切削参数(主轴转速、进给量速度、切削深度)对切削力的影响。结果表明,超声辅助金刚石飞切可明显降低切削力,并有效抑制刀具磨损进程。