新型微坑车刀切削304不锈钢降温机理分析研究

切削304不锈钢时,刀具温度高达750℃,高温集中在刀具切削刃近域,这加速了刀具的磨损,缩短了刀具的寿命。为了减小该区域的摩擦状况,降低该区域切削过程的温度,在刀具切削刃近域进行微坑结构设计。应用微坑车刀和原车刀切削304不锈钢,经仿真分析和切削实验,发现微坑车刀较原车刀,切削力降低,切削温度降低。通过切削力学模型分析、刀屑摩擦模型的研究和刀具磨损的对比,得出微坑车刀切削温度降低的形成机理。     

优化硬质合金涂层微槽车刀后刀面磨损失效对比研究

后刀面磨损量是衡量刀具寿命的重要指标,对刀具寿命其决定性作用。针对前期研制的优化硬质合金涂层微槽车刀,文章通过切削实验和理论分析,研究了优化微槽车刀和原车刀在切削过程中刀具后面磨损情况。从两车刀后刀面磨损失效现象的对比分析发现,在相同的切削时间内,微槽车刀后刀面磨损程度低于原车刀,在达到几乎相同的磨损程度情况下,微槽车刀经历的切削时间长于原车刀,即原车刀相较于微槽车刀更容易出现后刀面磨损失效。研究结果为优化硬质合金微槽车刀磨损失效机理的深入研究提供理论依据。     

微织构车刀制备与SUS304钢高速微车削试验

针对高速微切削过程中微型车刀表面摩擦磨损严重的问题,利用表面非光滑微织构减摩减阻原理,在高速微切削用车刀表面利用激光加工技术制备了微槽、微坑织构,研究了激光加工参数与微织构形貌之间的关系;分析了微织构的摩擦学特性;利用自行研制的高速微车削单元进行微织构刀具及无织构刀具的高速微切削SUS304不锈钢的对比试验,从切削力、切削温度、刀屑接触状态、切屑形态以及已加工表面粗糙度对微织构车刀性能进行评价。结果表明:微槽、微坑织构均可以有效降低刀具表面摩擦因数;在高速微切削过程中可以减小切削力、切削温度,降低刀屑接触长度,改善切屑形态,尤其是微坑织构可明显改善表面质量,可以应用到SUS304不锈钢的高速微加工。     

硬质合金涂层车刀稳定温度场仿真研究

刀屑接触界面的温度分布尤其是刀具最高切削温度对刀具磨损研究至关重要,而相对稳定的温度场是获得客观可靠模拟结果的必要前提,但在切削仿真过程中稳定温度场的获取存在周期长、不稳定等难题。针对上述问题,文章基于切削仿真平台,探寻硬质合金涂层车刀切削过程刀具温度场达到相对稳态时的传热学条件。采用修正的拉格朗日算法和局部网格重划分技术对该切削过程进行有限元仿真,重点关注并揭示刀具与工件间的总传热系数和刀具与周围环境间的对流换热系数对切削仿真温度分布的影响规律,从而获得给定切削条件下的优选方案。研究发现,当刀具与工件间传热系数取为1500k W/(m2·k),刀屑界面与周围环境的对流换热系数取为15k W/(m2·k)时,"刀具-工件-空气"三者可迅速达到基本热平衡状态,并获得相对稳定的刀具温度场。     

表面织构改性型硬质合金切槽车刀性能分析

为研究表面织构改性对刀具性能及切削加工性能的影响,应用摩擦学理论设计三种典型微织结构形式的切槽车刀前刀面。以硬质合金切槽车刀车削加工钛合金TC4航天材料为例,运用数值分析方法建立了加工模型,分析织构形式对切槽车刀环槽车削加工过程中刀具性能和切削加工性能的影响。分析结果表明,表面织构改性能有效降低刀具切削温度,减小刀具前刀面磨损速率,降低切削力及功率,从而改善刀具性能及切削加工性能。以groove形式织构效果最为优良,该研究为切槽车刀的设计提供了新的思路。     

优化设计的涂层硬质合金车刀磨损仿真研究

金属切削过程中,刀具磨损对刀具寿命有着显著影响,而切削试验是研究刀具磨损的常用方法,但是存在周期长、成本高等问题。因此,通过切削仿真平台对优化设计的涂层硬质合金车刀在切削过程中磨损情况进行对比研究。结果表明:优化设计车刀较原车刀最大磨损深度下降37.64%,平均磨损深度下降38.15%。研究成果为该涂层硬质合金车刀的进一步优化奠定理论基础,为其他金属切削过程刀具磨损的仿真研究提供参考。     

涂层硬质合金刀片微槽微织构复合设计

文章在涂层硬质合金刀片前刀面切屑刃近域微槽设计基础上,为了更好的降低刀片的切削温度,设计了(条纹型、波纹型、梳齿形)三种微织构形式,并将之与微槽复合形成刀具前刀面微结构造型,通过DEFORM3D仿真实验,研究了三种微织构参数对降温效果的影响,分别优选出三种微槽微织构复合刀具,并对比分析所优选出的三种微槽微织构复合刀具与原刀具及微槽刀具切削力及已加工表面残余应力。研究表明:新的微槽微织构复合设计均具有一定的降温效果,梳齿形微槽微织构降温效果最好;波纹型微织构的置入能够有效减低刀具的切削力,减少切削热的产生,而条纹型微织构的置入可以有效减少切削热向刀具的传递,从而降低刀具切削温度;与原刀相比,优选出的三种微槽微织构刀具能够有效增大工件表层的残余压应力。     

微织构刀具DEFORM-3D切削性能仿真分析及实验研究

运用DEFORM-3D仿真软件对YG8硬质合金微织构刀具的切削性能进行仿真分析,研究了YG8硬质合金刀具在沟槽微织构、凹坑微织构和无微织构3种表面微织构下的切削温度和切削应力.利用激光加工技术对YG8硬质合金刀具表面进行沟槽微织构的加工,运用该刀具对铝合金进行切削实验,分析微织构对刀具切削性能的影响.结果表明:微织构刀具产生的切削热更少,与切屑间的摩擦力更低.在一定的润滑条件下,微织构刀具具有更好的切削性能.     

微织构刀具DEFORM-3D切削性能仿真分析及实验研究（英文）

运用DEFORM-3D仿真软件对YG8硬质合金微织构刀具的切削性能进行仿真分析,研究了YG8硬质合金刀具在沟槽微织构、凹坑微织构和无微织构3种表面微织构下的切削温度和切削应力。利用激光加工技术对YG8硬质合金刀具表面进行沟槽微织构的加工,运用该刀具对铝合金进行切削实验,分析微织构对刀具切削性能的影响。结果表明:微织构刀具产生的切削热更少,与切屑间的摩擦力更低。在一定的润滑条件下,微织构刀具具有更好的切削性能。     

车削45%SiCp/Al复合材料刀具寿命及磨损机制研究

为探索金刚石刀具(PCD)和涂层硬质合金刀具加工45%SiCp/Al复合材料时的刀具磨损、切削力、表面粗糙度的变化规律,对45%SiCp/Al复合材料进行了切削试验。分别使用三向测力仪对切削力进行测量,光学显微镜对刀具磨损进行了观察和测量。分析了PCD和涂层硬质合金刀具磨损的演变过程及刀具磨损对切削力、表面粗糙度的影响规律。研究结果表明,对于PCD刀具,前刀面磨损形式依次为晶粒脱落、磨粒磨损、粘结磨损并存在崩刃。后刀面的主要磨损形式为磨粒磨损,并伴有积屑瘤的产生。硬质合金刀具前刀面磨损形式依次为涂层脱落、磨粒磨损,后刀面出现严重磨粒磨损并且出现粘附现象,用PCD刀具切削45%SiCp/Al复合材料,切削力随积屑瘤增长或脱落呈周期性变化。用涂层硬质合金刀具切削时,主切削力是PCD刀具的两倍。对于PCD刀具,表面粗糙度也随积屑瘤呈周期性变化。涂层硬质合金刀具切削45%SiCp/Al复合材料的表面粗糙度大于PCD刀具,并且随切削距离增加急剧增长。     

切削40CrMnMo微槽车刀的槽形改进设计研究

文章在具有良好降温效果的前刀面近域微槽设计基础上,对微槽后部形状进行改进设计,仿真研究了MST和MCT两种微槽对刀具切削温度以及切削力的影响。结果表明:MST截面微槽的降温效果优于MCT截面微槽,MST截面微槽降温效果随微槽后翘夹角的增加而增加,当微槽后翘夹角为65°时降温效果最佳,此时最高切削温度为466℃,相对于原微槽车刀的降温幅度达到13%;相对于原微槽车刀,MST截面微槽和MCT截面微槽刀具的主切削力均有明显减小,降幅为2%～16%。     

PCD刀具高速干式切削铜合金的磨损研究

使用PCD刀具对锡青铜合金材料进行高速干式切削试验,分别采用扫描电镜（SEM）、X射线能谱仪（EDS）对刀具的磨损形貌进行观察和磨损区域化学成分进行分析,并以此研究了PCD刀具的磨损机理。结果表明:在高速干式切削条件下,PCD刀具主要表现为前刀面的片状剥落和后刀面的轻微破损;同时还伴随着机械应力和热应力冲击下的脆性破损,出现崩刃、切削刃整体断裂以及前后刀面的大面积剥落。刀具磨损的主要原因是高温作用下的氧化磨损和扩散磨损。      

基于有限元的前刀面应力分布研究

利用有限元方法研究切削加工过程中刀具与切屑的接触区域内前刀面应力分布，发现接触区域的摩擦系数和最大切应力值的选取与接触表面信息有关。结果表明:从刀尖到刀屑分离点处，前刀面应力呈快速下降—缓慢降低—明显下降的过程；切削厚度对应力分布有较大影响，当切削厚度为0.13 mm时应力曲线不再出现缓慢降低的过程；切削速度对应力分布、接触长度和切屑厚度的影响较小。      

复合织构刀具切削铝合金的性能∗

基于铝合金材料切削的现状和需求,针对单一织构刀具存在的抗黏减摩性能不足的问题,将不同织构应用于刀-屑接触区域,提出刀具前刀面分区异构的思想。利用皮秒激光在刀具黏结区与滑移区分别加工凹坑和沟槽,并调整沟槽的取向(平行 / 垂直于主切削刃),得到上下型(SXDV 和 SXDP)和左右型(ZYDV 和 ZYDP)四种复合织构刀具。对 6061 铝合金进行湿切削试验,研究不同区域内添加不同织构对刀-屑接触表面摩擦状态的影响。研究结果表明,对比无织构和单一织构刀具, ZYDP 复合织构刀具展现了更好的切削性能。具体表现如下：与无织构刀具相比,ZYDP 刀具的主切削力降低 30.7%,刀面黏结面积减少 63.9%,切屑卷曲半径减少 27.4%。合理的复合织构方案可以明显改善刀具切削过程中的黏结磨损问题,延长了刀具寿命。复合织构方案的提出以及相应的激光加工过程可为织构刀具的设计及实际应用提供新思路。     

多切削刃刀具磨损特性分析及改善措施研究

为了研究刀具多刃参与切削加工过程中两相邻直线切削刃的过渡圆弧处磨损过于严重的原因,从而提出减少圆弧刃的磨损程度的改善措施.利用有限元软件Deform-3D,以滚刀三维模型为例,通过合理简化有限元模型,分析了多切削刃切削过程中切屑的流动状态及压强和热力场.仿真结果表明:造成多切削刃刀具圆弧刃磨损严重的最主要原因是该处散热差,热积累严重；增加圆弧刃半径和给刀具添加特定涂层可以改善该处散热,减小圆弧刃磨损.该研究结果对多切削刃刀具的设计和制造有一定指导意义.     

基于Workbench的微织构刀具对铝合金切屑影响

针对6061铝合金切削过程中加工表面质量较差、切屑缠绕的实际情况,以仿生摩擦学理论为基础,利用ANSYS Workbench仿真软件,重点研究了刀-屑之间摩擦应力状况;同时,借助微织构硬质合金(WC-Co,YG8)刀具进行铝合金切削实验,研究不同尺寸和结构特征的微织构对铝合金切屑形貌的影响。研究结果表明:梯状微织构刀具尺寸为直径d=65μm、深度h=15μm时,刀屑之间最大摩擦应力下降21.8%,锯齿状切屑控制良好,齿高降幅52.5%,剪切角降幅31.6%,锯齿角降幅9.5%;存在细长型和粗壮型两种树杈状切屑,并得到良好控制,细长型切屑降幅达到95%,粗壮型切屑降幅87.5%,抑制效果明显。同时研究发现:微织构刀具下,切屑形貌严重影响加工表面质量,良好的切屑形貌,能够降低刀-屑之间镶嵌粘焊概率,减小加工过程中振幅和频率,使加工更加流畅,得到良好的加工表面质量。     

涂层硬质合金刀具切削碳纤维复合材料磨损机理

针对碳纤维复合材料切削过程中刀具磨损的问题,采用涂层硬质合金刀具对碳纤维复合材料管材试件进行了切削试验。对切削过程中的刀具磨损形态、磨损原因和磨损规律进行了研究,并分析了切削速度对刀具磨损的影响。试验结果表明:涂层硬质合金刀具的磨损发生在后刀面和切削刃处,刀尖圆弧处磨损最严重,出现凹坑,刀具磨损后期,后刀面上有黑色粘结物。刀具磨损原因主要是磨粒磨损,刀具磨损速度较快,刀具寿命低,并且切削速度的增加对刀具磨损的影响十分明显。     

不锈钢可加工性分析及其高效切削刀具技术研究

由于不锈钢中含有Cr、Ni、Ti和Mn等铁族元素,与硬质合金刀片中的Co元素属于同族元素,切削过程中容易产生刀-屑黏结和元素扩散等问题,是典型的难加工材料。以碳素钢45#为参考标准,从切削变形、载荷和加工硬化等方面分析不同种类不锈钢的切削加工性;进行刀具材质、结构和切削参数与不锈钢的切削匹配性研究,并进行参数优选;最后对不锈钢切削刀具的性能进行分析,提出不锈钢车削专用刀具设计方法,实现了高效切削和优异刀具使用寿命双重目标,研究数据以期为难加工材料的高效车削提供参考。     

PVD-TiAlN涂层硬质合金刀具高速干车削TC4合金磨损演变机理

以难切削材料TC4合金的加工刀具为研究对象,采用PVD-TiAlN硬质合金涂层刀具进行高速干车削试验,研究刀具在切削中不同磨损阶段的磨损形式演变以及磨损机理。研究表明:涂层刀具主要的失效拐点在稳定磨损阶段后期。在高速车削不同刀具磨损阶段,随切削时间的增加,刀具前刀面主要磨损形式由月牙洼逐渐变为积屑瘤、崩刃以及涂层剥落,主要磨损机理为粘结磨损、氧化磨损;刀具后刀面的磨损形式由切屑与氧化物的粘结逐渐变为积屑瘤、崩刃、沟痕、涂层剥落以及高温烧蚀,主要的磨损机理为氧化磨损、粘结磨损以及磨粒磨损。     

基于统计学方法的工件与车刀后刀面的接触模型构建

采用TR200手持式粗糙度仪,测量硬质合金车刀后刀面,获取后刀面表面形貌的评定参数;利用Hertz接触模型和G-W模型构建车刀后刀面的接触模型,表征后刀面的表面形貌,并用数学软件MATLAB对测量数据进行分析处理,得到接触模型的变化规律。研究表明:随着工件与车刀后刀面高度基准平面之间距离的减少,实际接触的微凸体的个数呈线性增长,且增长的速率越来越快;与此同时,实际接触载荷和接触面积也相应地增加。