高压冷却条件下刀具摩擦性能的仿真研究

不锈钢材料具有良好的性能,在航空、航天等领域得到广泛的应用.改善其加工特性、降低刀-屑间的摩擦阻力的试验研究已得到很大程度上的重视和实践,但对于摩擦性能的仿真分析以及冷却方式需进一步研究.本研究将使用Third Wave AdvantEdge有限元软件,基于316奥氏体不锈钢模拟干切削和高压冷却的切削进程,研究切削条件对刀-屑间的摩擦特性的影响.研究结果表明:切削参数的三个因素在两种切削环境下对刀-屑间的摩擦系数μ的影响程度是一致的,从大到小依次为:进给量、切削速度、背吃刀量;在同样的切削参数下,对于主切削分力、进给抗力、刀-屑间的摩擦系数,在高压冷却(HPC 200 bar)条件下与干切削(DRY)相比数值有所降低.     

基于DEFORM的整体CBN刀具切削钛合金的有限元分析

利用DEFORM-3D有限元软件对整体CBN刀具车削钛合金进行了三维仿真,采用单因素试验法模拟分析CBN刀具车削钛合金时切削速度、背吃刀量和进给量对切削力和切削温度的影响。仿真结果表明:对切削力影响最大的是背吃刀量,其次是进给量,切削速度的影响最弱。切削温度方面,切削速度对其影响最大,背吃刀量最小。     

基于AdvantEdge的斜角车削仿真实验确定刀屑摩擦因数的方法

当使用AdvantEdge软件进行切削仿真实验时,刀屑摩擦因数对仿真结果的影响明显,但现有有限元软件未提供刀屑摩擦因数数据库。为建立一种基于AdvantEdge的斜角车削仿真实验的刀屑摩擦因数确定方法,首先提出基于斜角车削的摩擦力计算方法,然后建立AdvantEdge三维斜角车削仿真模型,设定不同切削速度、切削深度、进给量及摩擦因数,通过AdvantEdge仿真正交试验,获得刀屑摩擦因数的经验计算公式。为验证刀屑摩擦因数经验计算公式的正确性,设定不同切削速度和切削深度及进给量的斜角车削正交试验,获得切削力数据,并基于摩擦因数经验计算公式求得对应刀屑摩擦因数。利用求得的摩擦因数数据修改AdvantEdge中刀屑摩擦因数参数,进行残余应力切削仿真实验。仿真实验获得的残余应力与实际切削实验获得的残余应力相比,误差在10%以内,证明提出的刀屑摩擦因数确定方法是正确的。     

切削用量对PCBN刀具车削钛合金的切削性能影响

为了研究不同的切削用量对PCBN刀具干式车削钛合金的影响。利用有限元仿真软件,模拟PCBN刀具干式车削钛合金实验,结果表明:随着背吃刀量和进给量的增加切削力在增大,其中背吃刀量对切削力的影响程度最大;切削速度对切削温度的影响程度最大。     

基于用户材料二次开发的Ti6Al4V切削加工三维有限元模拟

采用Ti6Al4V在大应变、高应变率和高温条件下的流动应力模型,通过用户材料二次开发写入Deform-3D材料库中,在此基础上开展了不同参数条件下Ti6Al4V高速车削加工的热—力耦合有限元模拟试验,对切削力、切削温度和刀具磨损随切削参数的变化进行深入研究。与试验结果的比较表明,采用二次开发的用户材料模型,可以提高切削力仿真精度,实现对整个切削过程的更准确预测。对切削力影响由大到小依次是背吃刀量、进给量、切削速度。从切削力的角度来选择切削参数时,优先选取较高的切削速度,其次考虑较大的进给量。对切削温度影响最大的是切削速度,且切削速度与切削温度呈正比关系,背吃刀量影响最小。从切削温度角度选择切削参数时,应选用较大的进给量和背吃刀量,适当减小切削速度。切削速度对刀具磨损的影响最大,所以,为了延长刀具的使用,必须合理地选择切削速度。     

高速切削铝合金2024-T4切削力的仿真研究

利用有限元软件Advant Edge设计以切削力为目标,以切削速度、进给量和背吃刀量为自变量参数的三因素四水平正交试验,对硬质合金刀具切削2024-T4铝合金的加工过程进行2D仿真,研究了切削参数对切削力的影响规律。采用极差分析获得切削参数的最优组合,通过方差分析获得切削参数对切削力的显著性。结果表明:背吃刀量对切削力影响最大,切削速度影响最小,最优切削参数都是u_c=1250m/min,f=0.09mm/r,a_p=0.2mm;背吃刀量和进给量对F_x的影响显著,切削速度对F_x的影响不显著,切削速度、进给量和背吃刀量对F_y的影响显著。     

不锈钢车削表面残余应力的模拟与参数优化

采用有限元软件对304不锈钢干切削过程进行模拟,获得不同影响因素下的工件表面残余应力值。采用静态信噪比(S/N)和方差分析对仿真结果进行分析,得到切削速度、进给量、背吃刀量、刀尖圆弧半径和刀具前角对工件表面残余应力的影响情况,根据分析结果对各影响因素进行优化,并将优化后的参数进行实验对比验证。结果表明:切削速度、进给量、背吃刀量、刀尖圆弧半径、刀具前角对工件表面残余应力的贡献度分别为10.14%,15.19%,8.48%,62.42%,3.77%。     

硬质合金刀具车削Cr12Mn5Ni4Mo3Al不锈钢的试验研究

使用硬质合金刀具YW2进行Cr12Mn5Ni4Mo3Al不锈钢的干车削试验。分析了切削速度对车削力及表面粗糙度的影响,并采用扫描电子显微镜(SEM)观察刀具的磨损形貌。研究结果表明:使用硬质合金刀具YW2干车削Cr12Mn5Ni4Mo3Al不锈钢时,在小进给量和小背吃刀量切削的条件下,车削三向力的大小顺序为:径向力轴向力切向力;受积屑瘤的影响,表面粗糙度呈现出随车削速度的变化先减小后增大的变化趋势;硬质合金刀具后刀面磨损较轻微,而沿刀尖周围出现了较严重的粘结现象,前刀面上出现了较严重的划痕现象,低速时,前刀面还出现了贝壳状的剥落现象。     

304不锈钢超声辅助切削研究

通过霍普金森杆试验确定304不锈钢的本构模型,在ANSYS软件中建立工件和刀具模型,设置切削加工参数和超声参数,进行超声辅助车削仿真试验得到相应切削力,并与理论模型进行比对,确定仿真试验的正确性。分析仿真数据,利用单因素分析法研究超声辅助切削过程中超声振幅、切削速度、切削深度和进给量对切削力的影响。结果表明:在相同切削参数下,相比于传统车削,超声辅助切削304不锈钢可有效降低切削力;随着超声振幅的增大,切削力先变小后变大;超声振幅A=23μm时,切削力最小。在给定的车削加工参数范围内、保证加工效率和工件质量的前提下,超声辅助车削304不锈钢最优车削加工参数为:超声振幅A=23μm,切削速度v_c=21m/min,切削深度a_p=0.1mm,进给量f=0.08mm/r。     

基于原子沉积法的纳米Al2O3涂层微织构刀具刀-屑界面间摩擦系数研究

采用原子沉积法(Atomic Layer Deposition,ALD)分别在点状微织构和条状微织构YT5硬质合金刀具(微织构刀具)上制备了纳米Al_2O_3涂层,通过直角切削实验研究了纳米Al_2O_3涂层对微织构刀具刀-屑界面间摩擦系数的影响,并将纳米Al_2O_3涂层微织构刀具与微织构刀具、YT5硬质合金刀具进行对比。结果表明,微织构能降低刀具刀-屑界面间的摩擦系数;纳米Al_2O_3涂层能进一步降低微织构刀具刀-屑界面间的摩擦系数,其中厚度为100 nm的Al_2O_3涂层微织构刀具刀-屑界面间的摩擦系数最小,当点状微织构间距为0.15 mm时摩擦系数值最优,当条状微织构方向垂直于主切削刃时摩擦系数值最优;刀具刀-屑界面间的摩擦系数随着切削速度的增加而增大。纳米Al_2O_3涂层与微织构相结合将刀-屑界面间的摩擦由滑动摩擦转变为滑动-滚动复合摩擦的形式,降低了微织构刀具刀-屑界面间的摩擦系数,改善了摩擦性能,有利于提高刀具耐用度。     

微量油膜附水滴切削液加工对切削力影响的试验研究

为探索研究微量油膜附水滴(OoW)切削液在车削中对切削力的影响,选出较适宜的切削用量,通过正交试验方案,分别研究在干切削和OoW切削两种不同加工方式下,切削速度、进给量和背吃刀量等切削参数对车削45#碳素结构钢时主切削力的影响。经多元线性回归处理,建立切削力经验公式。结果表明:在使用OoW切削液润滑的情况下,主切削力变化范围较大,但采用较高切削速度、较低进给量、较大的背吃刀量时,主切削力较干切削时有明显下降。     

基于均匀设计法的精密车削参数优化

为了探索难加工材料-奥氏体不锈钢精密车削的参数优化问题,引入伪变量A表达车削冷却降温条件,用均匀设计法设计含定性因素混合水平的精密车削试验方案。在干式、环保型湿式和低温冷风微油雾三种不同车削冷却降温条件下,实现低成本高效率的精密车削试验。在这三种条件下,以切削速度、进给量、背吃刀量和刀尖半径为优化变量,以表面粗糙度、表面残余应力、切削力、切削温度、刀具寿命和切削效率为优化目标函数,建立了奥氏体不锈钢精密车削参数优化模型,还对车削参数进行了优化和验证,效果明显。以刀具磨钝前能车削出的总金属表面积作为刀具寿命,在工件连续表面不出现接刀现象的前提下进行精密车削参数优化。研究成果对指导大型工件精密车削的参数选择具有实际意义。     

精密硬态车削多元非线性回归模型与综合优化

采用均匀设计试验方法,分别建立了表面粗糙度、刀具切削行程、刀具径向振动的多元回归模型;以加工表面粗糙度最小、刀具寿命最大、刀具径向振动最小和切削效率最高为目标,对精密硬态车削过程进行了优化研究。结果表明:切削速度280 m/min,进给量0.03 mm/r,背吃刀量0.15 mm,刀尖圆弧半径0.8 mm为最佳参数组合,取得了良好的切削加工综合效果。研究成果可对精密硬态切削加工的参数选择提供借鉴和指导。     

TiB_2基陶瓷刀具车削C-276哈氏合金切削参数的优化及其磨损性能对比

为了获取Ti B2基陶瓷刀具车削C-276哈氏合金的最优切削参数及对比其磨损性能,采用正交试验法及微观测试技术对Ti B2基陶瓷刀具的切削性能及后刀面磨损性能进行了研究。结果表明:BW3刀具在切削速度为60m/min、进给量为0.1mm/r、背吃刀量为0.2mm的切削参数下可以获得较高的使用寿命;在相同切削条件下,刀具的抗磨损能力由强到弱依次为BW3、TTW7、TWTN3;同样,在相同切削条件下,磨粒磨损对刀具后刀面形貌的影响程度不同,其影响程度由小到大依次为BW3、TTW7、TWTN3。     

钛合金锯齿状切屑形态模拟研究

利用有限元软件建立了钛合金(Ti6Al4V)的切削模型,得到锯齿状切屑的应力场、应变场及温度场,探讨了锯齿状切屑的形成机理,同时模拟了不同切削参数对锯齿状切屑形态的影响。结果表明:切削速度、进给量和刀具前角对锯齿状切屑形态的影响规律相似,即锯齿频率随切削速度、进给量和刀具前角的增加而增大。刀-屑摩擦因数对锯齿状切屑形态无明显影响,但切削力、刀-屑接触长度随刀-屑摩擦因数的增加而增大。换热系数对切削温度影响较大,换热系数越大,对切削温度降温效果越明显。对切削温度的抑制效果由低温冷风雾化射流冷却、水射流冷却、低温冷风冷却依次减弱,但都优于干切削。     

YG8硬质合金刀具干切削铝合金表面粗糙度及刀具磨损研究

采用YG8硬质合金刀具对铝合金进行干切削正交试验,采用共聚焦显微镜测量加工表面粗糙度,分析切削参数进给量、切削速度、背吃刀量对铝合金加工表面粗糙度的影响规律。结果表明:进给量对加工表面粗糙度影响较大,其次是切削速度,而背吃刀量的影响相对较小。采用扫描电子显微镜(SEM)观察刀具磨损表面形貌,采用能谱分析仪(EDS)对刀具磨损表面进行元素分析,分析研究了刀具磨损机理。     

20Cr钢的干切削性能研究

选用Ti N涂层YT15刀具和与之几何参数相同的未涂层YT15、YW2硬质合金刀具,利用单因素控制变量法改变切削用量参数对20Cr钢进行干切削试验,得到了三种刀具的切削试验结果,并对切削温度、切削力与切削用量之间的规律进行分析。在Deform-3D软件中建立20Cr钢的材料模型,对其切削过程进行仿真试验,比较并分析仿真值与试验值。结果表明:影响切削力的最大因素是背吃刀量,其次是进给量和切削速度;而影响切削温度的最大因素是切削速度,其次是进给量和背吃刀量;Ti N涂层能够有效降低切削过程中产生的切削力和切削温度;切削力仿真结果与试验数据的误差在2.1%-11.8%之间,验证了用有限元仿真软件对20Cr钢干切削切削力的预测是可行的。     

基于DEFORM-3D的镍基合金钢的车削加工仿真

运用IN718镍基高温合金流动应力模型进行数值模拟,考查了IN718镍基高温合金车削过程中工艺参数对切削性能和刀具的影响。结果表明:在各因素中,对切削温度而言,切削速度影响最大,进给量次之,背吃刀量影响最小;对切削力而言,切削速度影响最小,背吃刀量影响最大。换热系数对工件和刀具的最高温度和平均切削力影响不大,但工件和刀具的平均温度随着换热系数的增大而减小。研究结论有助于优化IN718镍基高温合金车削过程中工艺参数的选择与优化。     

PDC刀具切削参数对切削力和表面粗糙度的影响

研究了PDC刀具的切削参数对切削力和表面粗糙度的影响。结果表明进给量和背吃刀量是影响切削力的主要因素,切削速度对切削力的影响较小。小进给量、高切削速度有助于提高工件表面光洁度。     

SiCp/Al复合材料薄壁件车削加工变形的仿真研究

通过建立Si Cp/Al复合材料薄壁件的三维有限元模型,运用ABAQUS有限元软件对其车削加工过程进行模拟分析,研究了切削速度、进给量和背吃刀量等切削参数对薄壁件加工变形的影响规律。结果表明,在工件端部对Si Cp/Al复合材料薄壁件进行切削时,最大径向变形和最大挠曲变形都发生在切削区域,并随着背吃刀量的增加而增大,随着进给量的增大而增大,随着切削速度的提高呈增大趋势。其中背吃刀量对Si Cp/Al复合材料薄壁件变形的影响最显著,切削速度影响较小。