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。     

钛合金TA7铣削加工特性研究

TA7钛合金高强度和低热导率的特点使其成为典型的难加工材料。为了研究钛合金TA7的铣削加工特性,开展了钛合金TA7铣削实验,研究切削参数对TA7切削特性的影响规律。基于MINITAB分别建立了切削力、表面粗糙度与切削参数的回归模型,并分析了切削力、表面粗糙度、残余应力与切削参数的响应关系,揭示了切削参数对切削力时域和频域信号、已加工表面形貌与残余应力影响规律。     

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。     

复杂薄壁零件数控加工变形误差控制补偿技术研究

高性能航空发动机整体叶盘、大小叶片转子、离心叶轮、叶片等零件广泛采用钛合金薄壁结构。加工过程中的切削力、残余应力将产生零件加工变形及加工误差。本文重点讨论了薄壁零件加工过程中的切削力建模和工件加工表层残余应力的分布规律,提出了对叶盘零件加工变形误差的补偿方案。通过建立精确的切削力、残余应力预报模型,对切削加工过程进行力学仿真,优化切削参数、补偿刀位轨迹,进而实现薄壁结构叶盘零件的精密数控加工。     

激光冲击诱导的残余应力洞数值建模仿真分析

通过建立ANSYS/LS-DYNA有限元仿真模型,对激光冲击处理后靶材的残余应力场进行了有效的预测,对隐式分析前后模型的表面形貌进行了分析,对不同激光冲击参数下激光冲击强化产生的残余应力洞进行了分析。结果表明,增加峰值压力、冲击次数和光斑直径虽然可以改善激光冲击强化效果,增加最大残余应力,但同时也会增大残余应力洞现象,使用方形光斑可以有效减弱残余应力洞现象。     

考虑切削条件变化的刀屑摩擦系数反求方法

基于AdvantEdge FEM分析了刀屑摩擦因数对工件已加工表面残余应力仿真的影响,提出了一种利用有限元仿真实验数据建立切削力与刀具几何参数（前角、钝圆半径）、切削用量和刀屑摩擦因数之间关系的经验模型,从而通过切削力的实验值来反求刀屑摩擦因数的方法,以提高工件残余应力分布的有限元仿真精度。仿真实验结果表明,与软件默认的摩擦因数和平均库仑摩擦因数相比,用文中方法所求得的摩擦因数仿真得到的车削45钢工件的残余应力分布与实验结果更为接近。     

不同体积分数SiCp/Al复合材料单颗磨粒划切仿真与试验研究

SiCp/Al复合材料由性能差异巨大的碳化硅颗粒与铝合金基体组成,切削过程复杂,影响加工质量因素多,材料仿真建模困难。本文提出了虑及颗粒随机分布特性、形状、粒径、体积分数等因素的SiCp/Al复合材料参数化建模方法,研究了不同体积分数SiCp/Al复合材料的去除过程、切削力、表面形貌及损伤等,并进行了试验验证。仿真分析与试验结果表明,参数化建模效果较好。SiCp/Al复合材料具有表面损伤严重、切削力大、基体涂覆掩盖表面缺陷、实际切削深度小等特点,不能单纯以表面粗糙度评价SiCp/Al复合材料的加工质量。粒径大、体积分数高的SiCp/Al切削力、比磨削能更低,表面质量更差,实际切削深度更小,铝合金涂覆现象更严重且覆盖层易脱落。SiC粒径对表面损伤、切削力、比磨削能有重要影响。本文可为SiCp/Al复合材料表面去除特点研究与工程应用提供一定的借鉴。     

考虑切削条件变化的刀屑摩擦因数反求方法

基于Advant Edge FEM分析了刀屑摩擦因数对工件已加工表面残余应力仿真的影响,提出了一种利用有限元仿真实验数据建立切削力与刀具几何参数(前角、钝圆半径)、切削用量和刀屑摩擦因数之间关系的经验模型,从而通过切削力的实验值来反求刀屑摩擦因数的方法,以提高工件残余应力分布的有限元仿真精度。仿真实验结果表明,与软件默认的摩擦因数和平均库仑摩擦因数相比,用文中方法所求得的摩擦因数仿真得到的车削45钢工件的残余应力分布与实验结果更为接近。     

超声振动辅助切削SiCp/Al复合材料的加工机理及试验

切削加工过程中材料损伤形式对加工表面质量会产生较大影响,现有仿真分析难以模拟真实颗粒失效行为,通过建立二维微观多相有限元模型能够深入了解材料损伤与表面质量的关系。基于常规切削（Conventional cutting,CC）与超声振动辅助切削（Ultrasonic vibration-assisted cutting,UVAC）两种加工方式,通过有限元仿真软件 Abaqus 对 20%SiCp / Al 复合材料的切削过程进行仿真模拟,阐释加工过程中刀具与工件的相互作用机理,并在同一参数下验证有限元仿真的准确性。通过设计单因素试验,对比两种加工方式及不同加工参数对切削力和表面粗糙度的影响规律,得出最佳加工参数组合,并对最佳加工参数下表面形貌进行分析。模拟和试验结果表明,SiC 颗粒断裂、颗粒耕犁、颗粒拔出以及 Al 基体撕裂是影响 SiCp / Al 复合材料加工质量的主要原因,刀具与颗粒不同的相对作用位置会产生不同的损伤形式。与常规切削相比,施加超声振动后可以有效抑制颗粒失效和基体损伤,使加工中的平均切削力（主切削力）降低 33%,工件已加工表面粗糙度值最大减小量为 531 nm,显著提高了表面质量。所建立的二维微观多相有限元模型,能够有效模拟铝基复合材料的加工缺陷和裂纹损伤问题, 对提高难加工材料的高质量表面制备有重要借鉴意义。     

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。     

激光冲击工艺对钛合金疲劳寿命的影响

研究激光加工工艺对Ti6A14V航空钛合金叶片表面粗糙度和残余应力的影响，并分析影响表面质量的激光加工工艺参数；探讨表面粗糙度和表面残余应力对叶片疲劳寿命的影响。结果表明，采用激光冲击航空叶片，叶片表面残余压应力大大增强，从而使得其抗疲劳破坏能力增强，而表面粗糙度减小；在激光脉冲功率允许的范围内，选择合适的冲击参数能有效降低叶片表面粗糙度，而表面残余压应力对疲劳寿命的影响起主导作用。     

基于Python的Abaqus二次开发在高温合金GH3039激光冲击强化中的应用

目的 提高高温合金GH3039激光冲击强化仿真建模的效率。方法 利用Python脚本语言对Abaqus进行二次开发,利用插件对高温合金GH3039激光冲击强化过程进行仿真分析。采用侧倾固定Ψ法,通过实验测量激光冲击强化后的残余应力,并对仿真结果进行验证,分析不同激光工艺参数作用下高温合金GH3039表面和深度方向残余应力的分布规律。结果 仿真插件界面简洁,操作性强,结果准确。在其他参数不变的情况下,残余压应力受到光斑尺寸的影响较大。相较于光斑直径为4、2 mm,在光斑直径为6 mm时,其中心位置残余压应力分别提高了4.3%、53%。随着光斑尺寸的增大,表面残余压应力增大,且变化梯度减小,深度方向的残余压应力增大。随着激光能量的增加,表面残余压应力增大,且变化梯度增大,残余压应力峰值位于中心区域附近,在激光能量为6、7、8 J时,残余压应力层的平均厚度分别为0.55、0.67、0.82 mm,深度方向残余压应力层增厚。随着冲击次数的增加,冲击区域表面残余压应力平均值高于单次冲击,且波动梯度增大,冲击1、2、3次后残余压应力层的平均厚度分别为0.55、0.71、0.85 mm,深度方向残余压应力层深度增大。结论 利用Python脚本语言对ABAQUS进行二次开发,提高了仿真建模的效率,可为快速预测不同激光工艺参数下高温合金GH3039残余应力的分布规律提供参考。     

重复纳米切削对γ-TiAl合金表面质量及亚表面损伤的影响

本文运用分子动力学方法对单晶γ-TiAl合金重复纳米切削过程进行了模拟,研究了重复纳米切削过程中的切削力和微观组织缺陷演化,分析了已加工表面的粗糙度和残余应力,讨论了重复纳米切削和单次切削之间的差异。结果表明：重复纳米切削伴随着位错的形成和湮灭,第二次切削过程中的位错线长度波动小于第一次切削,切削状态更稳定;加工初始阶段的切削力迅速增大,随后切削力进入稳定加工阶段。同时发现,第二次切削的切削力小于第一次切削的切削力;二次切削后,残余应力分布更加均匀,且刀具的二次挤压作用使得加工表面层残余压应力增大;二次切削加工可以提高表面质量和降低亚表面损伤,而残余压应力的增大及加工所需能量的增加降低了已加工表面的可塑性,使得第三次切削加工对二者没有明显改善。     

刀片表面粗糙度对工件表面残余应力分布影响的分析

目的探究硬质合金刀片表面粗糙度对加工工件表面残余应力分布的影响。方法首先通过Advant Edge FEM软件建立斜角三维切削模型,得出刀-屑间的摩擦模型。然后采用化学机械抛光方法对硬质合金刀片表面进行预处理,制备不同表面粗糙度的硬质合金刀片,通过对不同表面粗糙度的刀片进行四因素四水平的正交切削实验获得切削力,结合切削力的实验结果及刀-屑之间的摩擦模型,获得刀-屑间的摩擦系数,基于Advant Edge FEM对切削残余应力进行模拟仿真。最后,结合实验对仿真模型的合理性进行验证。结果采用表面粗糙度为0.02、0.04、0.08、0.2μm的硬质合金刀片切削45钢时,工件表面的最大残余应力分别为621.51、655.46、654.69、687.29 MPa。采用表面粗糙度为0.02μm的硬质合金刀片切削与采用表面粗糙度为0.2μm的硬质合金刀片切削相比,工件表面的最大残余应力减小了10.58%。结论硬质合金刀片的表面粗糙度越小,切削工件表面的残余应力越小。     

表面织构对模具钢激光熔覆层性能的影响分析

目的 减少激光熔覆过程中产生较大的应力和裂纹的现象,提高激光熔覆后模具钢的抗疲劳性能,延长其使用寿命.方法 选取激光功率(800、1000、1200 W)、扫描速度(5、10、20 mm/s)、光斑半径(0.5、0.75、1 mm)作为激光熔覆模拟因素,以残余应力为主要试验指标,进行三因素三水平正交模拟试验,并对试验结果进行信噪比及极差分析,确定最优熔覆参数.在最优熔覆参数下,进行预置织构及无织构的激光熔覆模拟,对比分析两次模拟的熔覆层温度及残余应力分布.在最优参数下进行熔覆加工,验证有效性.结果 正交模拟试验得出最优熔覆参数为:激光功率800 W,扫描速度20 mm/s,光斑半径1 mm.得到最小残余应力平均值为360 MPa.此外,激光功率对残余应力的影响最为显著,其次是光斑半径,对残余应力影响最小的是扫描速度.在最优熔覆参数下,对预制织构的模型进行激光熔覆模拟,得出残余应力平均值为149 MPa.相比较于无织构熔覆模拟,预置织构熔覆模拟的平均应力值降低了大约58.56％.对无织构和有织构模具钢表面进行激光熔覆加工,测量残余应力,验证了该方法的有效性.结论 通过在基体预置表面织构的方法,在保证熔覆温度的前提下,降低了残余应力,最终能达到降低残余应力、减少裂纹产生的目的.     

SPH方法的单晶硅激光辅助切削仿真与试验

单晶硅加工过程中很容易产生细微裂纹,从而影响表面加工质量。激光辅助加工(laser-assisted machining, LAM)可以软化代加工区域,有效减小切削力,延长刀具寿命,提高表面加工质量。建立热力耦合的SPH模型,来模拟单晶硅激光辅助车削过程,在不同温度条件下,探究裂纹扩展损伤和切削应力以及转速和切深对表面粗糙度的影响,并通过LAM试验,验证仿真结果的准确性。结果表明：提高温度有利于单晶硅的塑性切削,随着切削域温度的增加刀具应力逐渐减小,300℃时的刀具应力较常温下降低了约50%,表面加工质量有明显提升;且600℃时的切屑为塑性流动锯齿线条,其塑性大幅度提高。切削时应选择较小的切削深度,低于4500 r/min的转速,单晶硅表面粗糙度S_a可在1.000 nm以下。     

激光辅助高速微车削Cf/SiC陶瓷基复合材料切削力影响因素试验研究

Cf/SiC陶瓷基复合材料作为一种新型耐高温材料,在航空航天领域具有广泛的应用前景,但难加工特性带来了新的挑战。采用激光辅助高速微车削机床在Cf/SiC陶瓷基复合材料上进行外圆切削加工,以主切削力Fz 为目标,优化Cf/SiC陶瓷基复合材料的切削参数。分别采用单因素试验与多因素正交试验研究工件转速n、切削深度ap、进给速度vf与功率密度q对x、y和z 3个方向切削力的影响规律,通过方差分析法指出各加工参数对Fz影响的主次顺序及最优参数组合。试验结果表明:与常规高速微车削相比,激光辅助高速车削技术能够改善各个方向切削力大小,切削力最大降低81.436%;各试验因素对Fz的影响从大到小依次为q＞n＞ap＞vf;最优加工参数组合为：q=400 W/mm2,n=4 000 r/min,ap=20 μm,vf=20 mm/min时,Fz最佳为1.831 N。     

表面残余应力影响因素和调控技术的研究进展

残余应力的存在在一定程度上影响了工件的疲劳寿命和抗腐蚀能力等,调控工件内部残余应力的分布在工程应用上具有很高的研究价值,合理调控应力能够有效抵抗工件表面的裂纹萌生,提高工件表面整体完整性。具体阐述了残余应力的概念和分类;分别从铣削、磨削和焊接角度归纳了传统加工过程中残余应力的产生机理及其对材料性能的影响;对相关残余应力检测技术的原理和优缺点进行论述;概述了残余应力有限元计算方法;综述了各种加工方法下,工艺参数对工件表面残余应力产生的影响;针对优化工艺参数调控残余应力无法满足工件的整体性能需求,归纳了时效法调控残余应力的机理;综述了能够进行应力调控的表面强化处理技术,包括机械作用下的孔挤压强化、超声振动磨削、喷丸工艺、超声滚压和激光冲击、能量外部输入下的高能声束调控技术、高能量密度脉冲电流和激光辐照应力调控技术。此外,针对单一表面强化处理技术调控残余应力的不足,概述了超声挤压-激光冲压、激光冲击-超声滚压以及激光冲击-喷丸等相关的复合表面强化工艺。最后,指出了表面强化处理技术处理复杂曲面,以及复合表面强化工艺是未来表面完整性加工的发展方向。     

车削高温合金GH4169表面粗糙度及残余应力优化分析

为分析车削参数对已加工表面粗糙度、已加工表面形貌、残余应力的影响规律,针对高温合金GH4169设计正交车削试验,通过有限元仿真建立三维车削模型。结果表明：影响表面粗糙度的主次因素依次为进给量、切削速度、切削深度;影响残余应力的主次因素依次为进给量、切削深度、切削速度;确定在试验参数范围内最佳表面粗糙度和残余应力的参数组合分别为vc=55 m/min、f=0.1 mm/r、ap=0.3 mm和vc=60 m/min、f=0.2 mm/r、ap=0.25 mm。     

TC4钛合金纵扭超声磨削表面残余应力及其试验研究

目的 探究纵扭超声磨削工艺参数对TC4钛合金加工表面残余应力状态的影响规律,提高TC4钛合金的抗疲劳性能.方法 通过纵扭超声磨削力模型,对磨削过程中的机械应力和热应力展开理论分析,并进一步建立纵扭超声磨削表面残余应力模型,通过MATLAB仿真获取磨削加工残余应力分布状况.基于力-热耦合作用,建立纵扭超声单颗磨粒磨削有限元模型,分析磨削参数对残余应力的影响规律,并通过TC4钛合金纵扭超声磨削试验,对模型的合理性进行验证.结果 TC4钛合金超声磨削加工表面残余应力为残余压应力,且该应力沿工件深度方向的分布曲线与"对号"相似.工件表面残余压应力起初随磨削深度增加逐渐增大,当磨削深度增加到8μm时,残余压应力达到最大值,为-488 MPa,之后随磨削深度的增加,呈现减小趋势.随磨削线速度的增大,残余压应力整体呈现减小趋势,随纵扭超声振幅的增大,整体呈现增大趋势.加工表面残余应力仿真与试验结果的平均误差为9.8％,且变化趋势具有一致性.结论 纵扭超声辅助磨削加工可有效消除加工表面的残余拉应力,并获得较为理想的残余压应力,进而显著提高TC4钛合金的抗疲劳性能.