基于SPH算法的磨粒冲击工件表面过程的数值模拟

以Johnson-Holmquist ceramic脆性材料本构模型为基础,借助于光滑质点流体动力学方法,首次实现了对旋转超声加工中脆性材料内部裂纹形成及扩展过程的数值模拟。仿真结果表明,冲击裂纹的产生对于减小亚表层裂纹的扩展深度是有利的;冲击裂纹形成及扩展主要取决于磨粒冲击作用产生的拉应力的大小。通过对磨粒垂向切削力的研究发现：冲击裂纹及亚表层裂纹的产生有利于减小磨粒的垂向切削力;材料局部崩碎现象的出现是切削力在较大范围内波动的主要原因。通过与Conway的刻划实验结果进行对比发现,裂纹扩展方向的模拟值与实验值基本相符,验证了利用SPH方法对脆性材料切削加工过程中裂纹形成及扩展过程进行数值仿真的可行性。     

300M超高强度钢车削加工性能仿真模拟分析研究

目的研究不同切削参数对300M超高强度钢切削性能的影响。方法通过单因素试验法,采用Advant Edge切削仿真软件,建立300M钢三维有限元模型,对不同切削参数下车削300M钢的切削力、刀片温度、刀片应力及切屑形状进行分析。结果在300M钢车削过程中,刀片温度随着切削速度增大而增大,但切削力和刀片应力反之;背吃刀量和进给量越小,切削力、刀片应力及刀片温度越小;切削刃半径越小,切削力越小,但小的切削刃半径使得刀片应力变大,容易导致刀片磨损。车削300M钢的切屑呈锯齿螺旋状,切屑温度为带状分布,切削速度越高,进给量、背吃刀量越大,切削刃半径越小,切屑温度越高。结论在300M钢车削加工中,应选用较高的切削速度,适中的切削刃半径,较小的进给量和背吃刀量。     

45CrNiMoVA高速切削条件下本构关系建模技术研究

为建立连续介质材料高速切削的材料本构关系模型,以45Cr Ni Mo VA材料为研究对象,通过准静态扭转试验和直角自由切削试验相结合的方法,建立了满足高速切削仿真要求的45Cr Ni Mo VA材料的Johnson-Cook本构模型.采用建立的Johnson-Cook本构模型参数,利用ABAQUS有限元分析软件建立了直角自由切削的有限元模型,对切削过程中的切屑厚度、主切削力、进给抗力进行了仿真,并将仿真预测值同试验测量值进行了对比.结果表明:由于切削仿真过程中刀具不存在磨损,进给抗力的仿真误差较大;主切削力和切屑厚度的仿真预测值与试验测量值的误差在10%之内,模型的准确度较好.最后,利用VB和C语言,开发了Johnson-Cook材料本构集成建模系统,并验证了其使用效果的实用性.     

单晶铜纳米切削过程的研究

采用分子动力学三维模型研究单晶铜纳米切削过程，工件原子间相互作用力和工件与刀具原子间相互作用力采用Morse势计算．通过分析切削过程中瞬间原子图像、切削力、单位切削力和轴向切削力与切向切削力比值。发现在整个切削过程中有位错产生，在加工表面发生弹性恢复，但未发生切屑体积的改变，切屑以原子团方式去除，单位切削力和轴向切削力与切向切削力的比值比传统切削时大得多．单晶铜纳米切削过程是位错在晶体中运动产生的塑性变形．     

高速切削时摩擦系数对切削影响的数值模拟

高速切削加工中,刀屑间的摩擦系数对切削产生重要影响．由于刀屑接触的复杂性,它们之间的摩擦系数很难确定．为了探究高速切削时,刀具与切屑间摩擦系数对切削的影响,采用有限元通用程序ABAQUS／STANDARD对不同摩擦系数下切削过程进行数值模拟．通过对Mises应力和加工表面节点垂直方向位移的比较,得出刀屑间的摩擦系数对剪切角有较大影响,摩擦系数增大,剪切角随之减小．高速切削既能够提高切削效率,又能提高加工精度．     

圆弧刃精密切削试验及其三维有限元分析

在商业化软件Marc的基础上建立了圆弧刃精密切削三维有限元模型,研究不同半径的圆弧刃精密切削条件下主切削力、切屑形状和切削温度场分布．该模型运用更新拉格朗日法的有限元方程、网格重划分准则,其刀一屑摩擦采用修正的库仑摩擦模型．模拟结果表明,圆弧刃的圆弧半径对主切削力、切屑形状和切屑的最高温度都有较大的影响．通过试验研究精密切削马氏体3J33在不同半径的圆弧刃条件下对主切削力的影响,结果表明模拟的主切削力与试验值在一定程度下是吻合的.     

低温冷风切削加工45#钢的建模与仿真

为了研究低温冷风技术对材料切削性能的影响,利用DEFORM-3D仿真软件,分别对45钢的干切削及低温冷风切削过程进行了有限元仿真,对不同条件下的切削温度和切削力进行分析,最后同试验数据进行了对比分析.研究结果表明,低温冷风能有效地降低切削区域的温度,但对主切削力并无明显影响.基于DEFORM-3D软件得到的金属低温冷风切削有限元仿真结果具有较高的可信度.     

硬质合金刀具钝圆半径的仿真与实验研究

在切削过程中,合理的钝圆半径不仅可以保证加工零件的表面质量,而且也可以大大延长刀具的使用寿命。本文以前角5°、后角10°的刀具车削45#钢为例,针对硬质合金刀具刃口钝圆半径问题进行了研究,基于Abaqus仿真模拟其加工过程,分析了钝圆半径对于切削温度、切削力和工件表面加工质量的影响。同时完成了相应的车削实验,得出了钝圆半径与刀具寿命的关系。采用仿真分析与实验验证相结合的方法确定了硬质合金刀具合理的钝圆半径,对刀具的设计和生产加工具有重要的参考意义。     

高速切削淬硬钢切屑变质层微结构及形成机理

为了揭示高速切削过程中切屑形成以及刀具-切屑界面摩擦机理,对剪切区内剪切带及白层进行了微观观察和分析.利用光学显微镜,SEM,电子探针,TEM和X射线衍射等方法对高速切削淬硬钢锯齿状切屑剪切变形区内变质层的微细组织进行了观察,对变质层的微结构本质及其形成机理进行了分析.研究表明:在锯齿状切屑锯齿之间的第一变形区存在绝热剪切带,由切屑基体到剪切带中心依次出现马氏体板条、沿剪切方向拉长并被位错分割的板条和等轴晶粒等不同的微结构特征;在切屑底部的第二变形区存在白层,其微结构显示了非晶组织特征.剪切带形成过程中没有相变发生,其形成是基于一种旋转式动态再结晶机制,白层的形成过程中发生了非晶转变和马氏体相变,形成机理属于相变机制.     

碳纤维蜂窝复合材料加工表面质量影响研究

为研究碳纤维蜂窝复合材料切削过程中切削宽度和切削方向对表面质量的影响,本文开展了高速切削碳纤维蜂窝实验,分析了切削过程中切削力的变化特征,获得了切削宽度和切削方向对切削力的影响规律。同时,观测了碳蜂窝典型表面缺陷形貌,分析了不同切削宽度和切削方向下表面缺陷的分布规律。进一步以蜂窝壁损伤面积占比作为表面质量的评价方法,定量研究了切削宽度和切削方向对于碳蜂窝表面质量的影响。实验结果表明：在碳纤维蜂窝复合材料加工过程中,减小切削宽度和改变切削方向可有效降低加工损伤。切削力随着切削宽度的增大呈现出增大的趋势;毛刺、撕裂、孔壁破损以及孔壁开胶等损伤现象也随着切削宽度的增大而增加。此外,碳纤维蜂窝复合材料的表面质量还与切削方向有关,相较于沿双层孔壁方向切削,当切削宽度分别为5、10及15 mm时,沿垂直于双层孔壁方向切削的损伤分别减小了22.5%、13.4%和8.7%。     

难加工材料铣削力预测研究进展

为了降低难加工材料铣削过程中的加工变形,改善表面加工质量,对加工过程中的铣削力进行预测是必须的。从难加工材料特性及实验现象出发,分别针对端铣刀和球头铣刀将现有铣削力预测方法及其进展进行解析。从现有的研究分析,对于端铣刀铣削力的研究主要集中于切屑形成、最小能量与斜角切削机理,而对于球头铣刀,主要研究微元切削力、刀具接触区域与切屑流动方向对预测结果的影响。从研究趋势上看,对端铣刀和球头铣刀铣削力预测模型理论的研究均有进展,但对铣削过程中状态参数的研究逐渐成为了近年来的研究热点。     

基于径向基函数神经网络的CFRP切削力预测

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)加工中基体相极易因切削力过大而破坏,并迅速扩展至加工表面以下而形成损伤。为了准确预测其切削力并加以控制,基于实验切削力数据建立了人工神经网络切削力模型,预测了不同纤维角度、切削深度和刀具角度下加工CFRP的切削力变化规律,并完成了不同刀具角度及切削参数下典型纤维角度CFRP单向板的直角切削实验,对预测模型进行验证,其预测精度可达85%以上。结合成屑过程在线显微观测结果可知:纤维角度是影响CFRP切削力的主要因素, 0°~135°范围内,切屑形成方式为切断型和开裂后弯断型;切削力随纤维角度增大呈先减小后增大的趋势, 135°时最大,随切削深度增加,切削力总体呈增大趋势。      

单齿切削破碎非均质花岗岩微宏观机理研究

深部难钻地层岩石硬度大、可钻性差等问题是制约深层非均质硬地层钻井提速的瓶颈问题,深入研究其切削破碎机理对于提高钻进速度、降低钻井成本有重要意义。该文采用离散元PFC2D—GBM (Particle Flow Code 2D—grain-based model)来模拟硬脆性的非均质花岗岩,研究了不同液柱压力、晶粒尺寸、晶粒随机分布特性、钻齿倾角、切削深度和速度等条件下的单齿切削破碎花岗岩机理。研究发现:晶间剪切裂纹和晶内拉伸裂纹是切削过程中花岗岩产生的两种主要裂纹类型;切削力随着切削行程表现出明显的波动,切削力大小急剧增大和降低,并且随着液柱压力、切削深度和切削齿倾角的增大表现得更加明显;液柱压力、晶粒尺寸和晶粒的随机分布特性对切屑形态有很大影响,相比之下,与上述三个因素相比,切削深度、刀具前角和切削速度对切屑形态影响不大。研究结果对于深入认识花岗岩切削破碎机理有重要意义,可为改进破岩钻头的设计提供依据。     

高强玻璃纤维复合材料的铣削加工性能研究

由于复合材料具有各向异性,在加工过程中产生的分层破坏严重影响其装配质量、降低其结合强度,因此需要对复合材料加工过程中的分层情况进行研究.从手糊成型层叠厚板高强玻璃纤维增强复合材料的铣削加工入手,通过单因素法改变切削参数测试作用在试件上的切削力和扭矩的大小来考察加工表面的分层破坏情况.利用正交回归原理建立了切削力、扭矩和分层因子的经验公式,预测了切削力、扭矩和分层因子随切削参数变化的趋势.     

基于细观仿真建模的CFRP细观破坏

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)在细观上呈现纤维、树脂及界面组成的混合态,其切削加工过程的实质为刀具作用下材料细观层面的破坏至切屑宏观形成的演化过程。为了揭示CFRP切削加工过程中材料的细观破坏,建立了CFRP切削的细观有限元模型。该模型在几何上包含了纤维、基体及界面等组成相,而不是使用传统的等效均质建模方法。各组成相不仅考虑了各自不同的材料本构,而且为了能够模拟材料破坏,还将各组成相材料的失效及演化准则考虑其中。该模型可从细观层面更真实地模拟不同纤维角度CFRP单向板切削过程中纤维/基体断裂、界面开裂及演化的过程。仿真结果表明:不同纤维角度下CFRP细观破坏不同,切削0℃FRP时以界面开裂和纤维弯断为主;切削45°/90℃FRP时主要是刀具侵入工件,纤维基体被压断;切削135℃FRP时则以纤维弯曲断裂为主,断裂面往往在加工面以下。通过实验显微在线观测手段验证了模拟结果的正确性。      

TA15和TC4切屑形态对刀具振动影响的实验研究

对TA15和TC4两种钛合金材料进行车削实验,运用公式量化材料的绝热剪切敏感特性.研究了两种材料绝热剪切敏感特性对切屑锯齿化程度和切削中刀具振动的影响.研究证明:两种材料在高速切削下产生了锯齿形切屑,而且切屑的锯齿化程度对刀具的振动有明显影响;绝热剪切敏感性大的材料,锯齿形切屑锯齿化程度和刀具振动加速度均较大.     

高速干切削温度场的测量及仿真研究

分析了切削热的产生、热的传导以及切削温度的测量方法.对目前切削温度实验测量技术及数值模拟仿真技术的优缺点进行了比较.采用平面应变热力耦合切削模型,重点研究在高速干切削过程中,工件已加工表面的温度变化过程.根据试验测定工件材料的力学性能以及刀具-工件之间的摩擦特性,建立材料在切削变形过程中热产生以及热传导模型,并采用点跟踪的方法获取工件材料上任意位置点温度的变化过程.并将模拟计算得到的切削温度与实验测量结果进行了比较,两者具有较好的一致性.     

模具钢斜面切屑形成过程的实验研究

本文钢斜面切屑为对象，通过仿真实验研究了不同走刀方式及斜面倾角条件下的切屑形态。并对切屑与未变形切屑及实际切屑之间进行对比，结果表明不同的刀具前角、走刀方式及切屑用量所带来的切屑变形差异较大，轮廓铣削与斜坡铣削相比，切屑卷曲更为明显，同时也发现在切屑顶端由于有效切削速度较大而产生大量切削热，形成了熔融后凝固的球状颗粒。     

KDP晶体塑性域超精密切削加工过程仿真

提出了压痕实验与有限元仿真结合的方法。它采用压痕深度与有限元仿真深度进行对比,可求解出KDP晶体的塑性特性参数。建立了KDP晶体塑性域切削的有限元模型,并用该模型仿真研究了切削参数对KDP晶体表面形成过程的影响。结果表明,在刀具前角为-40°左右时,工件表面质量可达到最佳值。研究还发现,当刀具刃口半径为80nm时,其能够产生切屑的最小切削厚度在10nm-30nm之间,此时法向切削力与主切削力之比为0.96,该结论对KDP晶体超光滑表面的获取有着重要指导意义。     

复合材料切削温度影响因素的实验研究

从切削温度的影响因素出发,研究尼龙、45号钢以及碳纤维3种材料在车削加工过程中切削温度的变化规律。通过实验,改变切削参数,进行切削温度的测量并测得切削后的加工表面质量,研究了切削参数对切削温度的影响。实验结果表明,随着切削速度、进给量和背吃刀量的增加,切削温度升高,加工表面的粗糙度增大。为了研究刀具磨损对切削温度的影响,测量了相同切削参数下刀具不同磨损程度的切削温度和切削后的加工表面质量。分析发现,刀具磨损会造成切削温度的升高和表面粗糙度的增大。