立方氮化硼超硬磨料与45钢钎焊接头残余应力有限元分析

针对立方氮化硼(CBN)超硬磨料高温钎焊冷却过程中可能产生较大热应力而导致磨粒破碎和接头断裂的问题,利用弹塑性有限元法对Ag-Cu-Ti合金钎焊CBN磨粒与45钢基体时接头的残余应力进行模拟分析.结果表明;磨粒球体内部中心轴线、中心平面半径方向以及磨粒与钎料顶层圆形断面半径方向是磨粒内部残余应力变化最显著的区域,而圆形断面边缘部分为磨粒内部最大残余拉应力的存在区域.试验验证有限元分析结果与测试结果基本一致.基于磨粒内部的最大残余拉应力,为确保焊后磨粒强度和钎焊砂轮容屑空间,CBN磨粒在钎料层中的包埋深度宜控制在30%～40%之间.     

钎料对金属/陶瓷钎焊接头残余应力的影响

采用热弹塑性有限元方法,在考虑材料性能参数随温度变化的情况下,分析了采用Ag-Cu-Ti钎料钎焊Al2O3陶瓷与镍丝钎焊接头在钎焊过程中产生的应力大小和分布情况.结果表明：钎焊过程中,在钎料与陶瓷界面的陶瓷侧会产生较大的残余拉应力,影响了钎焊接头的连接强度.在此类连接结构中,钎料对接头残余应力的影响是主要的,而钎料性能参数及厚度是决定接头残余应力大小的重要因素.在选择金属/陶瓷钎焊用钎料时,为降低接头残余应力,除考虑钎料与陶瓷的润湿性和界面反应程度外,钎料的性能参数和厚度同样重要.     

高频感应钎焊钎料、钎剂对PCD刀具焊接性能的影响

针对PCD刀具的金刚石层易石墨化、硬质合金基底难以被钎料润湿的缺陷 ,通过钎焊试验 ,分析了温度、钎料和钎剂对PCD刀具焊接性能的影响 ,提出了PCD与硬质合金或碳钢对接时母材与钎料、钎剂的优化搭配方案     

焊接顺序对T形接头焊接残余应力场的影响

为了得到T形接头焊接顺序的优化方案,在确定合理的焊接热源形式以及建立有限元模型的基础上,利用单元死活技术从多道焊、分段焊与多层焊的角度对焊接顺序对T形接头焊接残余应力场的影响进行数值分析.对于多道焊来说,焊接残余拉应力出现在焊缝及其附近区域,且峰值出现在焊缝区域;相邻焊道之间采用首尾相接的方法得到的焊接残余拉应力峰值是最小的.对于分段焊来说,采用先焊两端后焊中间的方法不仅可以增加整个焊缝的焊接残余低应力区域;而且可以有效地降低先焊区域的焊接残余应力,降低效果与后焊焊段的焊接方向以及先焊焊段上的点到后焊焊段端部的距离有关.在多层焊的过程中,采用对称施焊的方法得到的焊接残余拉应力峰值是最小的.     

超细硬质合金磨削残余应力仿真与实验研究

本文进行了金刚石砂轮平面磨削超细硬质合金残余应力有限元仿真,通过ANSYS软件中的APDL参数设计语言,完成了对超细硬质合金材料建模、网格划分、加载、求解的整个过程,并对超细硬质合金磨削表面残余应力进行了实验论证,得出了不同磨削参数下的磨削残余应力值,对比了不同目数砂轮和不同WC晶粒硬质合金在同一磨削参数下的残余应力值。研究发现,目数小的砂轮磨削时产生的残余应力值要大,WC晶粒度越小,磨削的残余应力值越大。结果表明,实验结果与有限元模拟大致相同。     

微沟槽车刀切削高强度合金钢AISI 4140残余应力的试验研究

选用硬质合金涂层原车刀具和微沟槽车刀切割高强度合金钢AISI_4140。通过切削试验,结合理论分析,对比了新的硬质合金涂层微沟槽车刀和原车刀加工表面残余应力的径向分布。研究结果表明,微沟槽可以提高残余压应力的厚度和最大值,减小残余拉应力的厚度和工件表面材料的残余拉应力值。     

基于残余应力分布优选钎焊CBN磨粒出露高度

采用测量红外光谱峰值偏移的方法确定钎焊CBN磨粒内部中心轴线以及磨粒与钎料截面径向的残余应力，分析了磨粒内部残余应力的分布特征，并优化选择了钎焊砂轮工作面上CBN磨粒的出露高度。结果表明：钎焊CBN磨粒内部中心区域残余应力分布比较稳定，应力梯度小；在中心轴线两端以及截面径向外端，应力分布梯度较大，主要为拉应力，其中，钎焊CBN磨粒边缘部分的最大残余拉应力对磨粒力学性能影响最大，钎焊CBN磨粒出露高度为其自身高度的60%～70％为宜。     

水射流喷丸强化残余应力场的有限元模拟

针对水射流的高湍动特性与受喷靶体材料复杂的弹塑性形变行为,提供一种水射流喷丸强化残余应力场的有限元分析方法.基于准静态压力分布和非线性轴对称面分布载荷,采用多线性各向同性强化的Mises率不相关弹塑性模型,应用Prandtl-Reuss塑性增量理论及增量初应力法,利用线性斜坡载荷加载制度,运用ANSYS有限元软件模拟不同压力作用下水射流喷丸在2A11铝合金材料表层产生的残余应力场,获得残余应力场的分布规律及残余应力沿层深和径向的变化规律,指出残余应力沿层深分为残余压应力区和残余拉应力区,沿径向分为第Ⅰ残余压应力区、残余拉应力区和第Ⅱ残余压应力区,得到表面残余压应力、表层最大残余压应力、残余压应力层深度随着喷丸压力的增加而增大.为验证有限元模拟的正确性,对喷丸表面残余压应力进行试验验证,结果表明,有限元法计算的表面残余压应力值与试验数据近似吻合.     

回火对感应淬火机床齿轮残余应力分布的影响

本文用 X 射线法测定了40Cr 钢机床齿轮高频淬火后回火与不回火二组齿轮试样表面的残余应力沿层深分布.结果表明:距层深>0.07mm 以后,无论齿轮试样是否回火,其残余应力分布、数值大小均无多大变化;回火的效果只在齿面至大约0.07mm 深度范围内降低了25%～32%的残余应力;在距齿面0.1mm 处,回火与不回火试样的残余应力分布曲线上均对应一个拉应力峰,这个距离与齿面通常发生点蚀的深度是相一致的.这一试验结果指出了回火对这类高频淬火齿轮消除应力的实际效果,以及残余拉应力峰的存在位置客观上为齿面点蚀裂纹源的形成提供了潜在条件.     

石工钻头结构设计对焊接残余应力的影响

硬质合金刀头具有高硬度、耐高温、抗腐蚀、耐磨损等优点,被广泛应用于石工钻头。同时硬质合金材料本身的塑性、韧性和抗冲击性都较差。由于硬质合金刀头与施工钻头的刀杆材料的性能参数的不匹配而导致在焊接的冷却过程中使得焊缝部分产生相当大的残余应力,这些残余应力对硬质合金刀头产生拉应力而导致硬质合金刀头产生裂纹或微裂纹,而导致生产的高报废率或降低产品的性能。本文结合工作中的实际改进案例,阐述了如何从石工钻头的结构设计方面减少由焊接产生的残余应力,从而减少焊接裂纹。     

CVD涂层技术对硬质合金材料形成脱碳层(η相层)影响分析

采用CVD技术对硬质合金材料涂层时,温度超过1000℃很容易在基体材料表面形成脱碳层。先进行900℃以下的中温TiCN、TiN涂层作为保护层,再进行高温涂层,能有效降低脱碳层的厚度。本文分析了脱碳层对基体材料抗弯强度的影响,并对不同涂层刀片的切削性能进行了对比分析。     

预应力切削镍基高温合金的试验研究

针对镍基高温合金在切削后加工表面分布严重的残余拉应力等问题,提出采用预应力切削方法,以实现在加工过程中主动控制加工表面残余应力分布状态;通过研制轴类零件的车床专用预拉伸装置,在0 MPa、150 MPa和300 MPa三种预应力条件下对高温合金轴件进行预拉伸处理;通过硬质合金刀具预应力切削镍基高温合金的对比试验,对三种预应力条件下的切削力、切屑形态以及表面完整性包括已加工表面残余应力、加工表面粗糙度、表面形貌和显微硬度等指标进行对比。结果表明：在一定范围内,采用预应力切削方法可省去加工后续的残余应力调整工序,并能在加工表面获得合适的残余压应力;残余压应力的值可通过调整施加的预应力大小来进行主动控制;与普通切削相比,预应力切削可得到均匀的锯齿形切屑,切削力没有显著增加;预应力切削可获得良好的表面完整性,且不会引来额外的加工硬化。     

Friction and wear in silicon nitride-steel and cemented carbide-steel pairs in lubricated sliding

Friction and wear tests between a stationary block and a rotating ring under high contact pressure of about 200 MPa were carried out at room temperature under lubrication with a light mineral oil at a sliding distance of 500 m. The block was silicon nitride and cemented carbide, and the ring was bearing steel. The effect of phosphorus and sulphur contained in the mineral oil on the friction, the roughness of the worn surface and the wear of the steel ring is discussed in relation to both pairs. Sulphur was effective in reducing the coefficient of friction of the cemented carbide block-steel ring pair, while phosphorus was successful in decreasing the wear of the steel ring paired with the silicon nitride block. The surface analysis of the steel ring using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) shows that the peak intensities of sulphur or phosphorus beneath the surface depend upon the material of the counterpart, silicon nitride or cemented carbide blocks.     

硬质合金刀具高能离子源增强多弧镀AlCrTiSiN梯度涂层制备及性能研究

采用离子源增强的多弧离子镀新技术,在硬质合金刀具表面制备了不同含Si层梯度结构的AlCrTiSiN梯度涂层,并对涂层组织结构、残余应力、结合强度、摩擦磨损以及铣削和钻削加工灰铸铁性能进行了详细的研究。结果表明：不同含Si层梯度结构的AlCrTiSiN涂层主要由固溶的(Al,Cr) N、(Al,Ti) N相和非晶态Si₃N₄相组成。其中,含Si层梯度变化最缓和的G3(Gradient 3)涂层具有较高的结合强度,较低的残余压应力、摩擦因数和磨损率。铣削和钻削试验显示,涂层刀具的切削磨损机理主要表现为磨粒磨损和粘着磨损。G3涂层降低了磨粒磨损,其刀具的铣削和钻削寿命均最高,这主要得益于其含Si层的梯度设计、适当的压应力(-3.8 GPa)以及良好的膜基结合强度。研究结果表明,通过对含Si层进行梯度设计可显著提高涂层刀具的切削性能。     

基于 STFT 的织构涂层硬质合金表面振动解析方法

针对织构涂层复合工艺对硬质合金表面改性时存在消极振动的问题,提出一种基于织构涂层表面摩擦振动行为的解析 方法来探索织构涂层复合工艺改性效果。 因此,搭建了微织构 AlSiTiN 涂层硬质合金-钛合金磨盘摩擦磨损试验平台,基于短 时傅里叶变换(STFT)与灰度算法对摩擦振动变化规律性映射和振动行为平稳时段进行了获取,进而分析了微织构 AlSiTiN 涂 层工艺参数对硬质合金的改性效果。 试验研究得出了微织构及 AlSiTiN 涂层对硬质合金表面耐磨改性效果最为积极的时间 段,即自接触摩擦起第 5~ 25 min 的稳定作用时期,得出微织构及 AlSiTiN 涂层参数对硬质合金表面改性的影响机理,优选该复 合改性方法抑制硬质合金表面消极摩擦振动的工艺参数,为提升硬质合金表面性能研究提供新思路。     

微喷砂前处理对AlCrN涂层刀具表面完整性的影响

对YG8硬质合金进行微喷砂前处理,然后采用物理气相沉积法制备AlCrN涂层。研究微喷砂前处理工艺参数对涂层表面完整性(表面形貌、表面粗糙度、表面硬度及表面应力)的影响。结果表明,合适的微喷砂参数(P=0.3 MPa,T=30 s)可以减少涂层刀具表面缺陷,降低涂层刀具的表面粗糙度Ra,提高涂层刀具显微硬度和表面残余应力。探究了微喷砂前处理对涂层刀具表面完整性的影响规律,优化了微喷砂工艺参数,有助于推动涂层刀具表面处理技术的发展。     

Numerical Investigation on the Effects of Machining-Induced White Layer during Rolling Contact

It is well known that a thin phase-transformed white layer can be formed on component surfaces produced by hard machining. However, it is not clear as to how the white layer affects component performance, for example, in rolling contact fatigue. This study aims to determine the effects of white layer and associated residual stress on rolling contact stresses and strains. It is nearly impossible for an experimental study to identify the effects of white layer alone on rolling contact. Furthermore, small-scale contact stresses and strains (less than 30 μm) of the phase-transformed region are difficult to measure using the current experimental techniques. Therefore, a finite element analysis simulation model of rolling contact incorporating machining-induced surface integrity has been developed in this study. Three cases were investigated to decouple the effects of surface integrity factors: surface with white layer only, surface with residual stress only, and surface with white layer and residual stress. The simulation results show that distinct material properties of the white layer significantly influence the magnitudes and distributions of near-surface stresses and strains instead of those in the subsurface. Furthermore, it can be inferred that the white layer would affect near-surface fatigue damage instead of subsurface fatigue damage. The simulated near-surface fatigue damage mechanisms have been substantiated by the fatigue test data.     

Edge chipping mechanism and failure time prediction on carbide cemented tool during drilling of CFRP/Ti stack

To investigate the edge chipping during drilling of the CFRP/Ti stack with carbide cemented tools, a drilling experiment was carried out and a tool failure model was proposed. Thrust force, drilling temperature, and tool wear were analyzed. A tool stressing model and a tool failure model of edge chipping were constructed respectively. On the basis of these, the prediction model on the edge chipping was established to forecast the failure time. Drilling temperature, Vickers hardness, and cutting speed were considered during the prediction model building. The results demonstrate that adhesive wear has a great influence on the edge chipping. The damage of adhesive wear for tool rake face leads to the load variation on rake face and the initial crack. Under the action of shear stress, the crack starts at rake face and then expands to the flank face, resulting in tool edge chipping. The affinity interaction (between titanium alloy with carbide cemented) and the thermal residual stress are two critical factors for tool edge chipping. Tear easily occurs inside the binding phase or at the boundary between hard phase and binder phase. As the drilling temperature increases, the hardness of the carbide cemented will gradually decrease. The prediction result of failure time is similar to the experimental result, and the effectiveness of the prediction model is verified.     

硬质合金化学机械抛光工件-磨粒-抛光垫接触状态研究

基于弹塑性力学理论,对工件-磨粒-抛光垫间的接触状态进行理论分析,计算各状态下磨粒压入工件深度,建立接触状态临界条件的数学模型,并进行实验验证。研究结果表明：在硬质合金化学机械抛光过程中,工件-磨料-抛光垫间存在着非接触状态、部分接触状态和完全接触状态三种形式;不同接触状态下磨粒压入深度主要受抛光载荷、磨粒粒径以及工件表面软质层硬度影响,临界条件由抛光垫特性、磨粒质量分数以及抛光载荷共同决定。实验结果表明所建立的数学模型是可信的。     

ZrN涂层刀具的滑动磨损特性研究

山东大学摘要:采用电弧离子镀法在硬质合金刀具表面制备了厚度为2.19~5.23μm的ZrN系列涂层,测定了涂层的显微硬度,并通过划痕试验和摩擦磨损试验考察了涂层与基体的结合强度及其摩擦磨损性能。在扫描电镜下观察磨损表面形貌,结果表明:ZrN系列涂层能够显著提高硬质合金刀具的表面硬度;涂层与基体的结合强度较高,划痕临界载荷高于60N;与此同时,电弧离子镀法ZrN系列涂层可以显著改善硬质合金刀具的耐磨性能。磨损机理主要是磨粒磨损和涂层的微剥落。