刀具几何参数对残余应力的影响分析

利用有限元法分析了残余应力与刀具前角和切削刃钝圆半径的关系.结果表明:在前角一定变化范围内,随着前角的增加,工件表面产生的残余拉应力的值先增大后减小,残余拉应力层的厚度与刀具前角关系不明显;残余应力随着切削刃钝圆半径增大而减小,但残余应力层的厚度增大.     

轴向超声振动辅助铣削TiB2/7050Al复合材料残余应力试验研究

针对TiB2颗粒增强铝基复合材料可加工性差、切削温度高、刀具磨损严重等问题,开展TiB2/7050Al复合材料轴向超声振动辅助铣削残余应力试验,研究各加工参数对超声振动辅助铣削表面及亚表层残余应力的影响规律,并分析力热耦合作用对超声振动辅助铣削残余应力的作用机制。研究表明:TiB2/7050Al复合材料超声振动辅助铣削表面残余应力均为残余压应力,且残余压应力随每齿进给量、切削速度的增加而减小,而随着切削深度及超声频率的增加呈现先增大后减小的趋势;工件亚表层残余应力影响层厚度为90~120μm,且未观测到明显的加工硬化现象。     

超声振动珩磨表面残余应力数值模拟研究

目的磨削产生的残余应力对工件表面特性有重要影响,超声振动珩磨使磨粒具有极大的加速度而改变了材料去除机理,研究超声振动对工件表面残余应力的影响及产生机理。方法分析残余应力形成有限元理论,建立基于热弹塑性有限元法的超声振动单颗CBN磨粒切削40Cr Ni Mo A热力耦合有限元模型,并设置两次切削、卸载、约束转换及冷却等分析步。通过数值模拟得到不同振动参数下表面残余应力的分布情况,并对模拟结果进行分析。结果有限元计算得到的各分析阶段应力分布存在差别,超声振动参数设置达到仿真要求;对磨粒施加超声振动后珩磨力下降约26%,珩磨热降低约17%,切向残余压应力有所减小,垂直珩磨速度方向拉应力减小并向压应力转变。结论超声振动使珩磨力和珩磨热有一定程度降低从而改变了残余应力的分布及数值;振动频率在20 k Hz波动时对残余应力的影响不大;磨削速度减小,切向残余压应力增大,垂直磨削方向残余拉应力减小;振幅增大时,切向残余压应力减小,垂直方向残余应力增大。     

振动切削参数对纳米振动切削过程的影响

采用分子动力学的方法建立了金属钛的纳米振动切削模型,通过切削仿真研究了振动切削参数变化对整个振动切削过程的影响。研究发现:振动频率和振幅的增大会使接触率、切削力及切削温度的数值减小。切削速度增大会使接触率、切削力及切削温度升高,相比对切削力的改变,在切削速度小于100m/s的情况下对切削温度的影响效果更显著。刀具刃口半径的增大会使切削过程中已加工面的变质层厚度增加,表面粗糙度增大,切削力与切削温度的数值随刃口半径的增大而增加,当刃口半径跟切削厚度之比大于1时,背吃刀力及切削温度提升的速率更快。     

钛合金超声椭圆振动铣削残余应力有限元仿真

为了分析在超声椭圆振动铣削加工中振动参数和切削参数对TC4工件残余应力的影响,运用ABAQUS有限元软件模拟了钛合金超声椭圆振动铣削加工过程。采用单因素试验法和正交试验法,研究进给方向上振动参数和切削参数对工件残余应力的影响,并用极差法分析实验数据得到其优化参数组合。研究表明,在钛合金超声椭圆振动铣削加工中,对工件的残余应力影响因素从小到大依次为:切削速度,幅值,振动频率,每齿进给速度;在一定的研究范围内,振动频率和振幅的增大,刀具和工件接触时间更短,切削热更易消散,导致残余应力减小;切削速度和进给速度的增大,加剧了刀具和工件之间的摩擦,产生更多的切削热,导致残余应力增大。     

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.     

超声振动辅助滚压参数对钛合金表面残余应力的影响

结合有限元分析和实验研究,基于与普通滚压工艺的对比,对超声振动辅助滚压强化钛合金表面的残余应力场进行分析,获得了沿改性层深度方向的残余应力变化和瞬态应力分布云图。结果表明:与普通滚压相比,超声振动辅助滚压可改变滚压头和材料表面接触力的作用方式,使应力波沿着材料深度方向动态传播,从而产生更深的残余压应力影响层,并导致压应力层下移。在实验参数条件下,最大残余压应力值和表面残余应力值都随着静压力的增大而显著增大;随着主轴转速的增大,最大残余压应力值明显单调增加,而最大残余压应力层深度逐渐减小;振幅对残余应力场的影响不十分显著。     

超声辅助搅拌摩擦焊温度场及残余应力场分析

超声辅助搅拌摩擦焊是一项在搅拌摩擦焊的搅拌头上添加轴向高频振动的新技术. 以6 mm厚7075铝合金材料为研究对象,建立了超声辅助搅拌摩擦焊与普通搅拌摩擦焊接的热源模型,通过ANSYS软件研究了轴向振动对焊接过程温度场以及焊后残余应力的影响规律. 结果表明,轴向振动的添加能够增大热输入量,提高焊接峰值温度且降低焊缝残余应力;在相同转速及焊接速度下,当振动频率一定时,焊接峰值温度和焊后残余应力随着振动幅值的增加而增大;当振动幅值一定时,随着振动频率的增大,焊接峰值温度及焊后残余应力也相应增加.     

硬质合金微坑车刀切削304不锈钢残余应力有限元仿真

为了研究硬质合金微坑车刀对304不锈钢表面残余应力的影响规律,采用有限元仿真平台建立二维切削模型,用不同切削参数车削304不锈钢,得到切削参数对切削力、切削温度及残余应力分布的影响规律。研究结果表明:表面残余拉应力和里层残余压应力随切削速度的增大均先增大后减小,而随着进给量的增大,表面残余拉应力逐渐减小,里层残余压应力逐渐增大。     

钛合金Ti-6Al-4V纵扭超声铣削残余应力试验研究

目的 提出将纵扭超声振动和铣削加工相复合,对钛合金Ti-6Al-4V进行试验研究,探索工艺参数对加工残余应力的影响规律,实现钛合金的压应力抗疲劳制造。方法 通过试验对比分析了纵扭超声铣削和传统铣削在切削力、切削温度和残余应力的差异性。采用正交试验和单因素试验相结合的方法,同时考虑因素交互作用,研究了加工参数、冷却润滑条件以及刀具磨损对加工残余应力的影响。结果 相较于传统铣削,纵扭超声铣削能够使平均切削力降低约16.3%,切削温度降低约25.6%,表面残余压应力值增加31.3%。在所选参数范围内,径向切深对表面残余应力的影响较大（贡献率为34.1%）,而振幅影响较小（贡献率为6.5%）。表面残余压应力值随着铣削速度、每齿进给量以及径向切深的增大有不同程度的降低,随着振幅的增大有一定程度的提高。采用乳化液作为切削液能够提高加工表面的残余压应力值,而干式切削能够获得和在水、油切削液条件下相当的加工表面残余压应力值。工件表面的残余压应力值随着刀具磨损的增加而逐渐减小。结论 纵扭超声铣削能够有效降低切削力和切削温度,提高加工残余压应力值,同时选择适当的工艺参数及润滑冷却条件可进一步增大表面压应力值,可作为一种可靠的压应力制造技术。     

GH4169超声辅助磨削表面完整性研究

为研究超声辅助磨削对GH4169表面完整性的影响,开展GH4169超声辅助磨削与普通磨削加工试验,研究超声振动及磨削参数对其显微硬度、残余应力与微观组织的影响。结果表明:GH4169磨削表面层均产生加工硬化与残余压应力,并生成晶粒细化层;与普通磨削相比,超声辅助磨削增大其表面层显微硬度,同时增加其表面层残余压应力与晶粒细化层厚度。砂轮转速增加使显微硬度最大值先减小后增大,残余压应力与晶粒细化层厚度增加;磨削深度增加使显微硬度最大值、残余压应力与晶粒细化层厚度同时增加;且位错密度的变化趋势与显微硬度变化趋势一致。      

可计及温度与层状结构影响的超高温陶瓷基复合材料涂层残余热应力理论表征模型

目的创建可计及温度与层状结构共同影响的超高温陶瓷基复合材料涂层与基体层因热不匹配导致的残余热应力的理论表征模型。方法基于经典的层合板理论与超高温陶瓷基复合材料热物理性能参数对温度的敏感性研究,引入温度和层状结构对涂层与基体层所受残余热应力的影响,形成各层残余热应力温度相关性的理论表征方法,并以ZrB_2-SiC复合材料涂层为例,利用该理论方法系统地研究了各种控制机制对残余热应力的影响及其随温度的演化规律。结果超高温陶瓷基复合材料涂层与基体层所受的残余热应力随着温度的变化而变化,涂层热膨胀系数与基体层热膨胀系数差别越大,变化幅度越大。当涂层材料热膨胀系数大于基体层材料热膨胀系数时,涂层材料遭受残余拉应力,基体层材料遭受残余压应力;随着涂层厚度的增加,涂层所受拉应力减小,而基体层所受压应力增大;当涂层材料热膨胀系数小于基体层材料热膨胀系数时,涂层材料遭受残余压应力,基体层材料遭受残余拉应力;随着涂层厚度的增加,涂层所受压应力减小,而基体层所受拉应力增大。低温下,各层所受残余热应力对层厚与每层材料组成的变化比较敏感,随着温度的升高,敏感性降低。结论对于涂层材料,应设计涂层材料的热膨胀系数小于基体层材料的热膨胀系数,使涂层遭受残余压应力,这不仅能够降低材料表面产生裂纹的危险,同时可以抑制表面已有缺陷的扩展。同时应当设计相对较小的涂层厚度,以增大涂层所受的残余压应力,降低基体层所受的残余拉应力,有效提高整体材料在不同温度下的强度性能。     

基于有限元理论分析切削振动对CBN刀具磨损的影响

研究用CBN刀具切削钛合金Ti-6Al-4V材料时，切削振动对刀具磨损的影响情况。用有限元分析技术，设计正交试验，分析不同方向切削振动幅度和振动频率对刀具表面应力、刀具温度的影响，研究切削振动条件下的刀具磨损情况。有限元仿真结果表明:X方向振动对刀具表面应力和温度影响较小，且规律性影响不明显，因此X方向振动并未加重刀具磨损；Y方向振动对刀具表面应力和温度影响较大，刀具表面应力和温度随着Y方向振动幅度和频率增加而增大和升高，刀具磨损加重；当X方向和Y方向均存在振动时，刀具表面应力和温度也随着振动幅度和频率增加而增大和升高，刀具磨损严重。利用实际切削试验对有限元分析结果进行验证，发现振动对刀具磨损影响较大，与有限元分析结果基本一致。      

GH536高温合金选区激光熔化温度场和残余应力的有限元模拟

计算了GH536高温合金选区激光熔化(SLM)过程中熔池区域的温度场变化和凝固后残余应力分布。计算采用复合Gauss热源研究激光光学穿透深度的影响规律,通过研究材料属性随温度的变化关系实现粉层、熔池及固态金属的转化。实验结果表明,Gauss热源模型能够较好地模拟SLM过程中的温度场分布以及凝固后的残余应力。模拟结果显示,随着激光功率的增大,熔池宽度、深度和长度均相应增大,凝固速率减小;随着扫描速率增大,熔池宽度和深度减小,长度不变,凝固速率增大。计算结果表明,单层选区激光熔化的零件表面存在较大的拉应力,随着深度增大,拉应力迅速减小转为压应力。     

超声辅助激光熔覆SiC/316L温度场和应力场分析

建立了激光熔覆SiC/316L复合涂层有限元分析模型,采用超声振动热效应转化和施加动态边界条件相结合的方法对超声振动边界条件作近似处理,对超声辅助激光熔覆SiC/316L复合涂层的温度分布和残余应力进行分析,并分析了超声振幅和扫描速度对温度场和应力场的影响.结果表明,随着超声振幅增大和扫描速度减小,涂层表面温度升高;超声作用下涂层残余应力有所降低,且随着超声振幅和扫描速度增大,残余应力值先减小后增大.采用优化工艺参数进行超声熔覆试验,超声作用使涂层中各区域组织得到细化且均匀分布,有利于降低涂层中残余应力.     

不锈钢带极埋弧堆焊防剥离工艺优化研究

对不锈钢带极埋弧堆焊层进行热模拟试验，研究高温停留时间对堆焊层过渡区硬化层厚度的影响，用剪切试验检测不同硬化层厚度条件下的界面结合强度，用焊接数值模拟分析堆焊层数对界面残余应力的影响。研究结果表明：随着高温停留时间增加，堆焊层过渡区硬化层厚度增大，堆焊层与母材的结合强度降低。随着堆焊层数的增加，界面残余应力增大，堆焊层数达到6层残余应力为380 MPa。较小的热输入、较低的预热温度和层间温度、较少的堆焊层数，可以减小不锈钢带极埋弧堆焊过渡区硬化层厚度，提高堆焊层与母材结合强度，降低堆焊层界面残余应力，防止堆焊层剥离。     

超声振动对皮质骨钻削温度的影响研究

为研究超声振动参数(振幅、频率)变化对钻削皮质骨切削温度的影响,运用有限元软件建立超声振动钻削的三维仿真模型,通过使用新鲜的猪股骨进行试验比较超声振动钻削与常规钻削皮质骨骨孔温度变化规律并对模型进行验证。结果表明:振动钻削能显著降低皮质骨钻孔的切削温度;该模型在一定程度上是可信的;研究范围内切削温度随振动频率、振幅增大而减小。     

车削残余应力时间效应的实验研究

为掌握切削残余应力随时间而变化的规律,以不同热处理的40Cr合金为实验材料,进行不同条件下的车削实验,然后观察和分析试样残余应力、粗糙度和直径随时间变化的规律。结果显示:加工完成后,最大切削残余应力随时间增加而趋向于减小,但变化幅度均随时间增加而逐渐减小,最后趋向于停止变化;切削残余应力层的厚度随时间增加而变小,但最大拉应力及最大压应力的位置不随时间而改变;切削残余应力变化对工件尺寸及粗糙度的影响可以忽略不计。     

超声振动辅助ELID磨削淬硬12Cr2Ni4A合金钢表面特性的研究

目的 提高淬硬12Cr2Ni4A钢的加工质量,消除工件表面残余应力.方法 采用普通磨削(OG)、超声振动辅助磨削(UVAG)以及超声振动辅助ELID磨削(UVAEG)3种磨削方式,分别对淬硬12Cr2Ni4A合金钢进行加工,分析3种加工方式下被加工工件的表面粗糙度以及残余应力.结果 在超声振动辅助磨削、超声振动辅助ELID磨削下,工件表面粗糙度都低于普通加工,而超声振动辅助ELID磨削后的工件表面质量最高,相对普通磨削加工,超声振动辅助ELID磨削后的表面粗糙度降低了66％,相对于超声振动辅助磨削,超声振动辅助ELID磨削后,表面粗糙度降低了约41％.对工件表面进行残余应力测定发现,普通磨削加工后工件表面为残余拉应力,而超声振动辅助磨削、超声振动辅助ELID磨削后的工件表面都产生了残余压应力,超声振动辅助ELID磨削后,工件表面的残余压应力高于超声振动辅助磨削约30％.普通磨削加工中,随磨削深度的增加,残余拉应力一直变大,而超声振动辅助磨削和超声振动辅助ELID磨削的残余压应力总体呈现减小的趋势.在磨削深度达到22.5μm后,超声振动辅助磨削加工表面的残余压应力转变为残余拉应力.在超声振动辅助磨削和超声振动辅助ELID磨削后,随超声振幅的增大,表面残余压应力增大,超声振动辅助ELID磨削表面的残余压应力随占空比的增大而增大.结论 超声振动辅助ELID磨削加工后,能得到更小的表面粗糙度及更大的表面残余压应力.     

GH4169高速铣削加工残余应力分布规律试验

目的通过研究GH4169高速铣削过程中切削工艺参数对加工残余应力的影响规律,改进工艺参数的选取,提高此类零件的疲劳寿命。方法设计了GH4169高速铣削工艺参数与加工残余应力之间的单因素试验。通过仅改变一个切削参数、其余切削参数不变的方式,得到了工件表面残余应力和切削深度方向残余应力与切削参数之间的变化规律。结果铣削进给方向(x方向)和垂直进给方向(y方向)的表面残余应力主要表现为拉应力,且随着铣削深度和每齿进给量的增加而增加,随着铣削速度的增加而减小;在切削深度方向上,不同切深值所在平面的x方向和y方向的残余应力主要表现为压应力,随着层深的增加先增大后减小。残余应力峰值随铣削深度和每齿进给量的增大而增大,随铣削速度的增大而减小,残余应力最大深度基本在80μm以内。结论 GH4169高速铣削加工中,如果要获得较小的表面残余拉应力,应该选用较小的铣削深度和每齿进给量,较大的铣削速度;在切深方向,如果要获得较大的残余压应力,应该选用较大的铣削深度和每齿进给量,较小的铣削速度。反之亦然。