刀尖圆弧半径对单晶铜纳米切削过程影响的分子动力学分析

采用分子动力学方法对不同刀尖圆弧半径时在纳米级尺度下切削加工单晶铜表面的过程进行分子动力学建模、计算与分析,研究不同刀尖圆弧半径对单晶铜纳米切削过程中微观接触区域原子状态和作用力变化的影响规律.研究结果发现:在单晶铜纳米切削过程中,切削作用力、位错及位错发射等缺陷随着切削厚度或刀尖圆弧半径的增大而增加;在相同切削厚度,相同切削距离下,刀尖圆弧半径越大,在刀具前方堆积的切屑体积越小.此外,在切削距离为1 nm时,切削作用力发生突变;在切削距离1 nm到2 nm时,可以明显看到随切削距离的增加,刀尖圆弧半径越小,切削作用力上升幅度越大.在切削距离为3.5 nm时,切削作用力基本保持稳定波动,其主要原因是位错等缺陷的产生引发作用力的波动.     

微纳米尺度单晶铜各向异性表面切削特性实验研究

利用纳米压痕仪和原子力显微镜对微纳米尺度下单晶铜各向异性表面在不同载荷和刻划速度下的切削特性进行实验研究。结果表明:单晶铜各晶面表面在较低载荷下,划痕细小且不明显。随着载荷的逐渐增大,划痕深度和宽度逐渐变大,并形成明显的沟槽,在沟槽的两侧出现明显的侧流现象,探针前方出现切屑堆积,尤其单晶铜Cu(100)切屑堆积较明显;单晶铜Cu(100)在刻划速度为10μm/s、50μm/s时,切削力无明显变化规律,其余两晶向都是在同等载荷下,刻划速度越大,切削力越大。随着刻划速度的增大,切削力趋于稳定;载荷越大,切削力越大,其相应摩擦系数也增大。     

切屑数值模拟研究之中碳钢的高速加工

通过建立的正交切削有限元模型,采用Cockroft-Latham切屑断裂标准作为工件材料失效准则对45号钢高速加工过程进行了数值模拟,得到了崩碎状切屑的形成过程。并对切削过程中获得的切削力曲线及切削温度场分布进行了分析。加工过程中由于崩碎状切屑的不断产生导致切削力及切削温度产生较大的波动。数值模拟结果为进一步研究45号钢高速加工切削机理及切削参数优化、刀具几何尺寸的设计提供了基础。     

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.     

单晶锗纳米尺度分层多次切削的分子动力学模拟

运用分子动力学方法研究了单晶锗材料在多次切削过程中晶体结构的演化和相变.比较了在相同的总加工深度下采用两次不同预设切削深度加工单晶锗后表面/亚表面损伤程度、温度和应力的变化.研究结果表明:切削过程中切削区原子发生高压相变,原子结构从Ge-Ⅰ结构转变为无定形结构,使工件发生塑性变形,切屑以塑性方式去除;切削结束后由于压力...     

基于LabVIEW的切削温度与切削力综合测量系统

介绍了以LabVIEW7．1为软件开发平台，利用PCI-8335A卡采集压电式测力仪和人工热电偶实现切削力与切削温度采集的综合测量系统，实现了三向切削力与切削温度数据的采集、预处理、分析和数据库存储。实现了切削过程的实现了切削过程的实时监控，以反映刀具在切削状态下磨损或破损及切削用量选取的合理性。     

用立方氮化硼刀具对硬质合金材料进行延性超精密加工

对单相晶体结构和硬质合金的粘合特性的理论分析表明，对其进行延性超精密加工是可行的，并在普通加工中心上通过对切削力的监控，用立方氮化硼刀具实现了对硬质合金材料的延性超精密加工．研究结果显示，在用不同刀具进行的切削中，刀具的磨损都非常小；在对硬质合金的延性超精密加工中获得了纳米级表面粗糙度的平滑表面和层状切屑。     

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。     

切削深度对单晶γ-TiAl合金亚表面缺陷及残余应力的影响

本工作采用分子动力学方法模拟了单晶γ-TiAl合金在不同切削深度下的切削过程,分析了不同切削深度下微观缺陷演化及稳定切削后的内应力演变,研究了切削后残余应力和von Mises应力等在不同切削深度下的分布规律,讨论了不同切削深度下位错和层错等微观缺陷演化及内应力演变之间的关系.结果表明:位错反应及层错演化随着切削深度的增加越来越剧烈,位错反应对Lomer-Cottrell位错的形成影响较大;刀具挤压工件表面形成的残余压应力受层错演化及位错反应的影响,位错反应的剧烈程度影响内应力的大小,且残余压应力存在于亚表面下的一定深度内;同时发现切削深度的变化对von Mises应力的影响较小.     

刀具磨损对于单点金刚石切削单晶硅的影响（英文）

单点金刚石切削(SPDT)是加工单晶硅最常用的方法,刀具磨损是影响加工表面或工件表面质量的重要因素,但是其中的磨损机制尚不清楚。为了研究刀具磨损对于切削机制的影响,本研究建立了单点金刚石切削单晶硅的分子动力学(MD)仿真模型。仿真结果表明随着刀具磨损程度的增加,切削力、表面损伤层厚度、位错分布面积、剪切变形和相变程度均增加。当使用已经磨损的刀具切削单晶硅时,挤压起主要作用,当使用未磨损刀具时,剪切变形起主要作用,工件表面损伤层主要是由硅的非晶相组成,使用磨损的刀具时产生的轴向力F_t约是未磨损刀具的四倍。模拟结果同时表明使用未磨损金刚石刀具时会导致工件发生塑性变形,当刀具发生磨损后切削过程中会伴随有脆性断裂。     

基于分子动力学的单晶硅纳米振动切削过程

为了研究脆性材料单晶硅原子级的纳米振动切削加工去除机制,应用分子动力学,通过改变刀具椭圆振动切削的模式,进行单晶硅纳米振动切削仿真．仿真结果表明,主切削力和法向力的变化趋势总体上呈现正弦曲线变化,并且已加工表面不同深度的亚表层存在残余应力;同时在不同切削模式下,由于刀具法向的振幅增加,使得法向力和残余应力增大;当刀具通过已加工表面时,残余应力随着亚表层深度降低而减弱;刀具法向振幅高于主切削力方向振幅时,法向力峰值高于主切削力峰值,已加工表面亚表层没有明显驰豫现象．     

Nanometric cutting of copper: A molecular dynamics study

Molecular dynamics (MD) simulations were carried out to study the nanometric cutting of copper. In our approach, the many-body EAM potential was used for the atoms interaction in the copper workpiece. The effect of the tool geometry on the cutting process was investigated. It is observed that with negative rake angle, the chip becomes smaller due to the larger plastic deformation generated in the workpiece. It is shown that as the rake angle changes from −45° to 45°, the machined surface becomes smoother. Besides, both the cutting forces and the ratio of normal force to tangential force decrease considerably with the rake angle changing from negative to positive. In addition, MD simulations with the two-body Morse potential instead of the EAM potential were also carried out to study the effect of different potentials on the simulation results. It is found that there is no big difference in the simulated chip formation and the machined surface under the two different potentials. However, the Morse potential results in about 5–70% higher cutting forces than the EAM potential. It is recommended that the EAM potential should be used for the MD simulations of nanometric machining processes.     

碳纤维增强复合材料螺旋铣孔切削力及加工质量研究

针对传统钻孔方法加工复合材料时易导致分层、撕裂等缺陷的问题,采用螺旋铣作为新的制孔技术,根据飞机装配现场的实际加工条件,构建以机器人为移动载体、螺旋铣孔终端执行器为加工单元、螺旋铣孔专用刀具为切削工具的加工系统,采用该加工系统对碳纤维增强复合材料(CFRP)螺旋铣孔关键工艺参数进行正交试验,并讨论了刀具主轴转速、每齿进给量和轴向切削深度等工艺参数对切削力的影响规律;通过对加工缺陷的监测,探讨了切削力与CFRP分层、撕裂等缺陷之间的关系;最后对工艺参数进行优化,经试验验证,优化后轴向切削力较优化前降低26%以上,孔入口及出口处均无撕裂、毛刺,加工质量最优。     

振动裁切的机理与应用研究

从运动学方面对比分析了普通裁切与振动裁切过程中裁刀与纸叠间的相对运动关系。通过分析知,实现振动裁切效果的前提条件是裁切速度小于裁刀的最大振动速度,二者的相对关系决定了一个振动裁切周期内的裁切时间。裁切速度越小,振动频率越高,每一振动裁切周期内的裁切时间越短。振动裁切过程中产生的脉冲裁切力与纸张剪应力、裁刀振动周期、裁切时间以及裁切厚度有关。振动裁切优于普通裁切效果的原因是,脉冲裁切力的细微分割效果减小了一次性裁切面积,从而降低了裁切抗力,提高了裁切质量。     

CHARACTERISTICS OF MICROCUTTING FORCE VARIATION IN ULTRAPRECISION DIAMOND TURNING

An investigation of the characteristics of microcutting forces in diamond turning of crystalline materials is presented. The characteristics of the cutting forces were extracted and analyzed using statistical and spectrum analysis methods. A series of cutting experiments were done on a copper alloy and copper single crystals with different crystallographic orientations. Experimental results indicate that there exists a dominant frequency component and a periodicity of fluctuation of the cutting forces per workpiece revolution in the diamond turning of a single crystal material. The periodicity is closely related to the crystallographic orientation of the material being cut. As the depth of cut increases, the influence of crystallographic orientation of the single-crystal materials on microcutting forces is found to be more pronounced. Moreover, the cutting force ratio between the mean thrust force and the mean cutting force is found to vary with the depth of cut, and a large ratio was observed at a small depth of cut. These findings help to explain quantitatively the periodic fluctuations of microcutting forces (and hence the materials-induced vibration) in ultraprecision diamond turning, which are not encountered in conventional machining.     

截割厚度与截线距对镐型截齿破岩力学参数的影响

基于对一种砂岩的直线截割试验,研究截割厚度和截线距对镐型截齿破岩力学参数的影响。单因素回归表明:截割力、法向力与截割厚度成正比,线性拟合和幂函数拟合均能很好地描述它们之间的统计学关系;随着截割厚度的增加,法向力截割力比值呈线性减小;随着截线距的增加,截割力和法向力呈线性增加,法向力截割力比值呈幂函数减小。载荷波动性系数随着截线距与截割厚度比值的增大呈线性减小。多元线性回归表明:截割力、法向力与截割厚度和截线距之间有极强的统计学关系;载荷波动性系数与截割厚度及截线距之间存在显著的统计学关系,且与截割厚度成正比,与截线距成反比。对比发现,Evans的理论模型较Roxborouth等、Goktan的改进模型对截割力有更好的预测性能。     

Thrust force model for ultrasonic-assisted micro drilling of DD6 superalloy

As a typical refractory material, the DD6 nickel-based single-crystal superalloy has important applications in the aviation industry. Ultrasonic-assisted drilling is an advanced machining method that significantly improves machining of refractory materials. The drilling thrust force influences the hole surface quality, burr height, and bit wear. Therefore, it is necessary to predict the thrust force during ultrasonic-assisted drilling. However, there are few reports on the modeling of the thrust force in the ultrasonic-assisted drilling of micro-holes. A thrust force prediction model for ultrasonic-assisted micro-drilling is proposed in this study. Based on the basic cutting principle, the dynamic cutting speed, dynamic cutting thickness, and acoustic softening effect caused by ultrasonic vibrations are factored into this model. Through model calibration, the specific friction force and specific normal force coefficients were determined. The model was verified through ultrasonic-assisted drilling experiments conducted at different feed rates, spindle speeds, frequencies, and amplitudes. The maximum and minimum errors of the average thrust force were 10.5% and 2.3%, respectively. This model accurately predicts the thrust force based on the parameters used for ultrasonic-assisted micro-hole drilling and can assist in the analysis and modeling of DD6 superalloy processing.The full text can be downloaded at https://link.springer.com/article/10.1007/s40436-021-00381-y     

切削过程传递函数辨识的新方法

本文提出一种切削过程传递函数辨识的新方法,即用输入脉冲响应位移使切削过程传递函数从切削系统中解耦来测量内调制动态切削力系数.讨论了提高测量信噪比的可行方法,用指数窗函数压缩切削力测量中的噪声,其带来的误差是可以忽略的.最后示出了不同切削参数下动态切削力系数的测量值,并进行了简要的讨论.     

SiCP/2024复合材料切削力与刀具磨损的试验研究

本文通过SiC_P/2024复合材料的车削试验,得出了刀具材料、切削用量及SiC_P含量对切削力和刀具磨损的影响规律。并认为K类硬质合金可用于粗加工和半精加工,而且要采用较低切削速度和较大进给量,但SiC_P含量较高时会出现切深分力大于主切削力。SiC_P含量越高差值越大;PDC是精加工最佳刀具材料,也不会出现切深分力大于主切削力现象