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。     

58SiMn高强度钢车削表面完整性的试验研究

目的研究58Si Mn高强度钢表面完整性评价指标受切削参数影响的变化规律。方法分别设计单因素和正交试验,采用涂层硬质合金刀具对58Si Mn高强度钢进行车削加工试验,通过采集相关数据,分别讨论了切削深度、进给速度和切削速度变化对表面粗糙度、残余应力、显微硬度和表层微观组织变化等方面的影响。结果进给速度对表面粗糙度的影响最显著,切削速度次之,切削深度的变化对表面粗糙度无直接影响。已加工表面的残余应力随切削速度和进给量的增大而增大。显微硬度随切削深度的增大而减小,随进给量的增大而增大,层深上的显微硬度则呈现先减小后增大的趋势。表层微观组织受切削速度影响不大,未出现明显的相变和晶粒歪曲。结论降低进给速度是减小工件表面粗糙度最直接有效的方法,提高切削速度并不能使表面粗糙度明显减小。工件表面的轴向和切向残余应力均为拉应力,为提高零件使用性能,应采取相应的措施使之转化为压应力。     

薄车削铝合金时已加工表面残留应力的实验研究

为了研究薄切削铝合金时切削用量和刀具材料对已加工表面残留应力的影响,选用两种硬质合金刀具,利用高精度专用车床进行了不同切削速度、进给量、切削深度车削铝合金的实验。实验表明,在切削速度方向,随着切削速度增大,残留应力由残留压应力逐渐渐变为残留拉应力;在进给方向,改变切削速度时,残留应力仍然是残留压应力,不存在残留拉应力;当进给量增大时,进给方向的残留压应力逐渐减小。随切削深度的由小逐渐增大,残留压应力呈现出一种抛物线变化规律,当切削深度为某一数值时,进给方向的残留压应力有一极大值。超细晶粒硬质合金刀具切削后已加工表面残留压应力,小于普通晶粒硬质合金刀具。     

GH4169高速铣削加工残余应力分布规律试验

目的通过研究GH4169高速铣削过程中切削工艺参数对加工残余应力的影响规律,改进工艺参数的选取,提高此类零件的疲劳寿命。方法设计了GH4169高速铣削工艺参数与加工残余应力之间的单因素试验。通过仅改变一个切削参数、其余切削参数不变的方式,得到了工件表面残余应力和切削深度方向残余应力与切削参数之间的变化规律。结果铣削进给方向(x方向)和垂直进给方向(y方向)的表面残余应力主要表现为拉应力,且随着铣削深度和每齿进给量的增加而增加,随着铣削速度的增加而减小;在切削深度方向上,不同切深值所在平面的x方向和y方向的残余应力主要表现为压应力,随着层深的增加先增大后减小。残余应力峰值随铣削深度和每齿进给量的增大而增大,随铣削速度的增大而减小,残余应力最大深度基本在80μm以内。结论 GH4169高速铣削加工中,如果要获得较小的表面残余拉应力,应该选用较小的铣削深度和每齿进给量,较大的铣削速度;在切深方向,如果要获得较大的残余压应力,应该选用较大的铣削深度和每齿进给量,较小的铣削速度。反之亦然。     

300 M超高强钢车削加工表面质量

目的研究切削参数对300M超高强度钢加工表面质量的影响。方法选用硬质合金刀具车削加工300M超高强度钢,研究切削参数对表面加工硬化、残余应力及表面粗糙度的影响。通过HXD-1000显微硬度检测仪、X-350A型X射线应力测试系统、TR240表面粗糙度测量仪对实验过程进行检测分析。通过单因素试验研究影响表面粗糙度的主次因素,并通过正交试验,以进给量f、切削速度v、刀尖圆弧半径rε、背吃刀量a_p为变量建立表面粗糙度的预测模型。结果背吃刀量a_p=0.2 mm,切削速度v为60~120 m/min,进给量f为0.1~0.25 mm/r时,300M钢经切削加工后,维氏硬度在467~550HV范围内变化。切削速度从60 m/min增大至200 m/min时,表面残余应力从压应力-59.13 MPa变为拉应力257.33 MPa,次表层残余应力的最大残余压应力从-147.46 MPa增大到-422.65 MPa,并且层深至50μm左右处,工件材料的加工变质层结束。结论表面硬度随着进给量和切削速度的增大而减小,并且越往里层,硬度越低,直至达到基体的硬度。影响表面粗糙度的最主要因素为进给量,其次是刀尖圆弧半径,再次为切削速度,背吃刀量对表面粗糙度的影响最小。建立的表面粗糙度预测模型通过了试验验证,具有很高的加工精度。     

干式切削20Cr表面粗糙度和残余应力研究

针对低渗碳钢20Cr材料制作齿轮轴等零件表面质量要求,如表面粗糙度低于1.6μm,零件表面耐疲劳性能良好。试验采用干式切削20Cr钢材方式,在背吃刀量固定的工序中,研究切削速度和进给量对20Cr材料表面粗糙度的影响,同时结合有限元技术,分析切削速度和进给量对20Cr表面残余应力的影响。干式切削试验采用单因素方法,进行多组干式切削20Cr工件,对比分析各组工件表面粗糙度,结果表明当进给量较小时,切削速度对工件表面粗糙度有显著影响,表现为表面粗糙度随切削速度增加而变大;当切削速度一定时,进给量增加导致表面粗糙度变大,并且进给量对表面粗糙度的影响大于切削速度;对于工件表面残余应力,增加切削速度和进给量均导致残余应力变大,因而较小的切削速度和进给量可以降低工件表面残余应力,改善应力分布状态。     

微织构刀具对工件表面残余应力影响的有限元分析

针对刀具对切削工件表面残余应力的影响,文章利用有限元仿真技术,模拟微凹坑PCBN刀具干式车削AISI 52100试验,通过对有限元结果进行处理分析,得到已加工表面残余应力分布情况,与无织构PCBN刀具对比,分析微凹坑对已加工表面残余应力的影响,并研究不同切削速度对微织构刀具切削后的残余应力产生的影响。有限元仿真结果表明:无织构刀具在较高的切削速度下,可以使工件表层获得残余压应力,从而提高工件的耐疲劳等性能;与无织构刀具相比,微凹坑刀具在较低的切削速度下,可以使工件表层获得残余压应力。有限元仿真得到的残余应力结果对微织构刀具在切削加工领域的应用有实际的推动作用。     

钛合金高速铣削加工表面残余应力的模拟研究

采用有限元法建立了更接近实际的铣刀结构模型及三维铣削模型,对不同刀具参数和切削参数条件下高速铣削钛合金Ti6Al4V的表面残余应力进行了仿真分析,得到了各因素对表面残余应力分布的影响规律。结果表明:工件的残余应力在表层由拉应力迅速的转变为压应力,在100~200μm之间出现残余压应力的最大值。工件表层残余应力随刀具前角、切削速度和每齿进给量的增加而减小,切削深度对表层残余应力的影响不是很明显。     

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。     

微槽刀具切削GH4169的工件表面完整性研究

针对如何改善零件的已加工表面完整性,提高零件的服役能力,文章基于温度场形状开展切削GH4169的刀具前刀面微槽设计研究,设计并制备了新型微槽刀具,并将原刀具和微槽刀具加工后的工件表面完整性进行对比试验研究,结果表明:微槽结构改变了刀具的平衡力系,使其切削力和切削温度降低,进而使得在推荐切削参数下,使用微槽刀具切削的表面质量优于原刀具,粗糙度降低了22.96%,残余拉应力降低了30.7%,工件表面显微硬度随切削速度的增加而加剧,且微槽刀具切削后的工件硬化程度和深度均有所降低。     

微沟槽织构对切削力和表面粗糙度的影响

为研究微织构对切削过程中产生的切削力和已加工表面粗糙度的影响,在聚晶立方氮化硼(PCBN)刀片前刀面制备与主切削刃平行的宽度为32.6μm的微沟槽织构。分别用微沟槽刀具和无织构刀具在主轴转速为450、500、600 r/min的条件下切削淬硬钢GCr15,分析切削力和已加工表面粗糙度。试验结果表明:微沟槽改善了刀具的切削性能,主切削力、进给力和切深力均小于无织构刀具;进给力、切深力随着主轴转速的增加均变大,主切削力表现为先减小再增大;用微沟槽织构刀具切削的已加工表面粗糙度大于无织构刀具,表明微沟槽不利于获得表面质量较好的工件;随着主轴转速增加,微沟槽刀具和无织构刀具切削的表面粗糙度均减小。     

车削速度对GH4169加工表面完整性的影响

加工表面完整性对材料的服役性能有着重要的作用。使用陶瓷刀具,对高温合金GH4169进行车削加工,分析不同车削速度对表面完整性各特征参量的影响,采用光学显微镜、扫描电子显微镜、显微硬度仪和XRD等仪器对表面微观结构、显微硬度和残余应力进行观测。结果表明:表面粗糙度随切削速度的增大而减小;加工表层存在滑移,且有明显的加工硬化现象,表层显微硬度随着车削速度的增大呈现增大趋势;轴向表面残余应力均为拉应力,且随着车削速度的增大拉应力先增大后减小,原因在于当速度增大至一定程度时,热量短时间内无法传递到工件内部,导致热效应的作用效果减弱。     

纵向旋转切削加工对环形零件畸变的影响

通过旋转试验和有限元分析介绍了工件在切削加工过程中产生的畸变情况，分析了工件的装夹方式、切削速度、切削深度和进刀量对100Cr6钢环圆度的影响。通过去应力退火释放冷加工诱发的残余应力后工件的圆度与切削参数有关。另外测试了被试验环的表面残余应力，其表面残余应力与装夹方式有关。将测量的装夹力作为计算参数输入，通过有限元分析方法测试了装夹方式对工件变形的影响。协同测量结果示出了装夹方式影响工件变形的一个主要因素，表面残余应力与工件的径向变形有关，最大的拉伸应力位于夹口位置。旋转切削试验结果表明，提高切削速度圆度会稍有增加；随着切削深度的加大，圆度呈下降趋势，尽管切削力增加了；进给量的增加会导致更高的切削力，因此圆度值也增加；常规的去应力退火可使被加工环的圆度值增加。     

Experimental and numerical modelling of the residual stresses induced in orthogonal cutting of AISI 316L steel

Residual stresses in the machined surface layers are affected by the cutting tool, work material, cutting regime parameters (cutting speed, feed and depth of cut) and contact conditions at the tool/chip and tool/workpiece interfaces. In this paper, the effects of tool geometry, tool coating and cutting regime parameters on residual stress distribution in the machined surface and subsurface of AISI 316L steel are experimentally and numerically investigated. In the former case, the X-ray diffraction technique is applied, while in the latter an elastic–viscoplastic FEM formulation is implemented. The results show that residual stresses increase with most of the cutting parameters, including cutting speed, uncut chip thickness and tool cutting edge radius. However, from the range of cutting parameters investigated, uncut chip thickness seems to be the parameter that has the strongest influence on residual stresses. The results also show that sequential cuts tend to increase superficial residual stresses.     

钛合金铣削加工表面残余应力有限元仿真

为了分析铣削工艺参数对钛合金已加工表面残余应力的影响,根据金属切削有限元分析的相关理论,以钛合金Ti6Al4V为工件材料,建立了铣削加工的有限元模型。采用正交试验设计法对钛合金Ti6Al4V铣削仿真的工艺参数进行优化,并用极差法分析不同的铣削速度、铣削深度、铣削路径对钛合金Ti6Al4V工已加工表面残余应力的影响。研究表明:在钛合金Ti6Al4V铣削过程中,对工件已加工表面残余应力影响因素由小到大依次为:铣削深度<铣削路径<铣削速度,切削深度对已加工表面残余应力影响较小,铣削速度对已加工表面残余应力影响最大;在研究范围内,随着铣削速度的增大,已加工表面残余应力逐渐增加。     

外圆纵向磨削工艺对18CrNiMo7–6钢表面完整性的影响

为了探究工件转速n_w、磨削深度a_p和纵向进给速度v_f等磨削工艺参数对18CrNiMo7–6钢表面粗糙度和表层残余应力的影响,用端面外圆磨床开展其单因素外圆纵向磨削试验。结果表明：随着n_w的增大,工件表面粗糙度R_a先减小后增大,当nw为120 r/min时,R_a达到最小值,此时工件表面的残余压应力最大;当n_w大于120 r/min时,工件表面残余应力出现起伏。随着a_p的增大,工件表面粗糙度R_a先减小后增大,工件表面残余拉应力随着磨削深度的增大而增大。随着v_f的增大,工件表面粗糙度R_a先减小后增大,当v_f为210mm/min时,R_a值最小;且随v_f的增大,工件表面残余压应力逐渐减小,并最终转变为逐渐增大的残余拉应力。     

The influence of tool flank wear on residual stresses induced by milling aluminum alloy

The machining processes could induce residual stresses that enhance or impair greatly the performance of the machined component. Machining residual stresses correlate very closely with the cutting parameters and the tool geometries. In this paper, the effect of the tool flank wear on residual stresses profiles in milling of aluminum alloy 7050-T7451 was investigated. In the experiments, the residual stresses on the surface of the workpiece and in-depth were measured by using X-ray diffraction technique in combination with electro-polishing technique. In order to correlate the residual stresses with the thermal and mechanical phenomena developed during milling, the orthogonal components of the cutting forces were measured using a Kistler 9257A type three-component piezoelectric dynamometer. The temperature field of the machined workpiece surface was obtained with the combination of infrared thermal imaging system and finite element method. The results show that the tool flank wear has a significant effect on residual stresses profiles, especially superficial residual stress. As the tool flank wear length increases, the residual stress on the machined surface shifts obviously to tensile range, the residual compressive stress beneath the machined surface increases and the thickness of the residual stresses layer also increases. The magnitude and distributions of the residual stresses are closely correlated with cutting forces and temperature field. The three orthogonal components of the peak cutting forces increase and the highest temperature of the machined workpiece surface also increases significantly with an increase in the flank wear. The results reveal that the thermal load plays a significant role in the formation of the superficial residual stress, while the dominative factor that affects thickness of residual stresses layer is the mechanical load in high-speed milling aluminum alloy using worn tool.     

Effect of Machining Parameters on Surface Integrity in Machining Nimonic C-263 Super Alloy Using Whisker-Reinforced Ceramic Insert

Whisker-reinforced ceramic inserts were used to conduct turning trials on nimonic C-263 super alloy to study the effect of different combinations of cutting parameters on surface integrity (roughness, microhardness, and residual stress) by employing energy dispersive spectroscopy, scanning electron microscopy, x-ray diffraction, and Vicker’s microhardness test. Abrasion, adhesion and diffusion were found to be the main tool wear mechanisms in turning nimonic C-263 alloy. Based on characterization of surface roughness, a combination of 190 m/min cutting speed and 0.102 mm/rev feed rate was found to be the critical condition for turning nimonic C-263 alloy. Microhardness varied between 550 and 690 HV at the feed rates of 0.102-0.143 mm/rev for a cutting speed of 250 m/min after 9 min of turning. A tensile residual stress of 725-850 MPa on the machined surface was recorded at the preceding combination of cutting parameters. Cutting speed and cutting time had a dominant effect on the magnitude of the residual stress. No evidence of thermal relaxation and reduction in the degree of work hardening was noted during machining at high cutting speed.     

Residual stress distribution caused by milling

The effects of cutting speed, feed rate and depth of cut on the residual stress distribution in the machined surface region caused by milling of five different materials are determined using an electrolytic etching-deflection technique. The analysis of the experimental data is carried out using response surface methodology (RSM).The results show that the residual stress is low tensile at the machined surface and increases with an increase in depth beneath the surface reaching a maximum tensile, then decreases with a further increase in depth, eventually becoming vanishingly small. The peak residual stress is found to be strongly dependent on both milling conditions and tensile strength of work material. A mathematical model correlating the process input parameters and their interactions with the residual stress is proposed.