自制硬质合金刀具加工钛合金时的铣削性能研究

利用有限元仿真手段,以切削力和切削温度作为评价标准,完成了钛合金加工用硬质合金四刃平头立铣刀几何参数的设计与优选,并基于优化后的参数自行制备得到了硬质合金刀具实体.通过开展自制立铣刀在Ti-6Al-4V材料表面的槽型铣削实验,系统研究了切削用量对加工表面质量,尤其是槽型边沿毛刺的影响趋势.根据自制与商用四刃平头立铣刀在...     

加工Ti-6Al-4V硬质合金立铣刀的几何参数优化仿真研究

Ti-6Al-4V属于难加工材料,具有热导率低、加工硬化现象严重和弹性模量低等特点,而硬质合金刀具对该材料具有较好的加工性能。刀具的几何参数对刀具上的应力、切削力、切削温度和加工表面质量有重要影响,故可以通过优化刀具几何参数来获得刀具的最优切削性能。建立三维铣削有限元模型,经过切削仿真试验分析硬质合金平头立铣刀的螺旋角、径向前角及径向后角对切削过程中的最大正应力、切削力及切削温度的影响,实现刀具几何参数的优化设计。     

考虑材料损伤演化的钛合金切削过程仿真及试验研究

为更精确地模拟钛合金的切削过程,将断裂力学的裂纹扩展能量理论作为材料损伤演化准则引入切削仿真,考虑刀具切屑接触面上的极限剪切应力随摩擦系数变化、摩擦系数随温度变化,建立了钛合金Ti-6Al-4V二维正交热力耦合切削仿真模型。通过钛合金车削试验及切屑金相观察试验对有限元模型进行验证,结果表明仿真的切削力、锯齿切屑形态与实验结果吻合程度较高。以该有限元模型为基础,分析了已加工表面的残余应力,预测了前角对切屑卷曲与损伤程度、剪切角、锯齿形状、刀具温度的影响。     

丝锥全生命周期参数对攻丝性能影响的研究

采用正交试验法完成了HSS/Co-M35含钴高速钢丝锥加工Ti-6Al-4V钛合金的攻丝试验。利用极差分析法研究了丝锥全生命周期参数即丝锥前角(刀具设计参数)、刃口钝化半径(刀具制造参数)、主轴转速(刀具使用参数)对攻丝性能的影响。利用综合评分法将扭矩max、轴向切削力max和切削温度max等3项攻丝性能指标转化为单一综合切削性能指标y*i,分析结果表明:攻钛合金时丝锥全生命周期参数取刃口钝化半径0.01 mm,丝锥前角10°,主轴转速150 r/min时最优。通过试验与数值模拟获得的扭矩值及趋势、切屑形态及切削刃对比图,验证了在Advant Edge FEM软件中建立的丝锥攻Ti-6Al-4V钛合金模型的可靠性。     

钛合金Ti-6Al-4V高压冷却车削过程有限元分析

随着钛合金的广泛应用,改善其切削加工性、提高加工表面完整性的试验研究也已得到广泛重视,但对该过程的仿真分析尚不成熟。通过Deform 3D仿真软件建立有限元仿真模型,模拟钛合金Ti-6Al-4V在干切削、普通冷却及高压冷却环境下的车削过程,研究切削环境对切削力、切削温度等加工过程量的影响,获取已加工工件距离加工表面不同深度的残余应力分布,分析高压冷却对钛合金Ti-6Al-4V加工表面残余应力的影响规律。通过钛合金Ti-6Al-4V车削试验测量切削力及刀具表面切削温度,并与有限元仿真模型对比,以验证其可靠性。仿真结果表明:随着切削液压强的增加,切削力增加,刀具表面切削温度降低,高压冷却可有效增强切削液的冷却作用。干切削时,已加工表面(d2=0)为残余拉应力;随着切削液压强的增加,已加工表面残余应力状态逐渐由残余拉应力向残余压应力转变,当切削液压强为200 bar时,已加工表面残余应力为残余压应力,且此时已加工表面残余压应力为最大值。随着测量深度的增加,残余应力值增大,在所有切削试验中,最大残余压应力值均在距离已加工表面相同距离。仿真结果与试验结果的对比证明了有限元仿真模型的可靠性,为钛合金Ti-6Al-4V高压冷却加工热力耦合分析和优化设计提供了理论依据。     

不同结构参数对铣刀铣削H13淬硬材料性能的影响

为了更好探究不同结构参数对铣刀铣削H13淬硬材料性能的影响,选用直径与圆弧半径均相同的三种硬质合金铣刀,设定不同的切削螺旋角、周刃前角以及周刃后角,选用立式加工中心对H13淬硬材料进行加工,收集与分析三种不同结构参数刀具的切削力、断屑性能以及磨损量,结果表明当刀具周刃前角和后角等变大时,刀具切削力会越来越小,同时周刃前角对刀具切削力的影响更大;切削螺旋角对铣削温度的影响最大,当切削螺旋角为30°时切削温度最小;当铣刀的周刃前角较大时,能够更好将切屑排除出去,并减小切削力,降低磨损量。     

医用钛合金切削加工中切屑变形机理研究

在分析医用钛合金材料Ti-6Al-4V特性的基础上,首先从理论上阐明了钛合金切削加工的切屑变形机理,然后采用试验研究方法,从切屑变形系数ξ与刀具前角γ0的关系、显微组织结构特征两方面对切屑变形机理进行深入研究,发现钛合金Ti-6Al-4V高速切削时切屑变形的主要特征是集中剪切滑移;切屑变形系数ξ随刀具前角γ0的增大而减小,在保证切削刃强度的前提下,增大刀具前角可改善钛合金的切削性能;同时Ti-6Al-4V钛合金的典型（α-β）相金相组织使其成为难切削加工材料,应积极采取措施减少其给切削加工带来的不利因素。     

高速铣削钛合金Ti-6Al-4V切削力仿真研究

切削力对工件的机械加工性和刀具磨损有重要的影响。基于有限元仿真技术,针对钛合金Ti-6Al-4V高速铣削力进行数值仿真,重点研究切削参数对铣削力的影响规律。结果表明:随着每齿进给量和径向切深的增加,切削力有不同程度的增加;随着轴向切深的增加,切削力呈正比增加趋势,但主轴转速对铣削力影响并不明显。分析结果为钛合金Ti-6Al-4V高速铣削加工工艺参数优化奠定了基础。     

基于钛合金三维铣削仿真的立铣刀设计参数优化

以钛合金圆角立铣刀的槽前角、芯厚、齿间角和螺旋角为因子,采用正交实验设计方法,对9种采用不同参数组合的铣刀设计方案侧铣加工Ti-6Al-4V(TC4)进行了三维铣削仿真。根据仿真结果,以切削力和切削温度为刀具性能评价指标,初步优选了3个刀具优化设计方案。通过切削实验,将3个初选方案铣削加工TC4的切削性能与现有方案进行了对比,结果表明3个初选方案中有2个方案的性能要显著好于现有方案,从而证明了有限元切削仿真在刀具设计优化方面有效性,并最终确定了一个最佳方案。     

微细切削中侧刃的切削影响研究

尺度效应是微切削工艺中的一种特殊现象,通常用最小未变形切屑厚度来判定尺度效应发生的临界点。为了更好地理解微细铣削的切削机理,对铣刀钝圆半径与尺度效应之间的关系进行深入研究是有必要的。由于在铣削加工过程中,刀具大多数为径向进给,侧刃为主要切削刃,因此这里对仅有侧刃参与切削的情况进行了仿真与试验研究。通过对仿真中切屑形貌与试验中表面粗糙度的分析,分别确定了仿真与试验的最小未变形切屑厚度值。仿真与试验结果表明,微细铣削的两种工艺方式对最小未变形切屑厚度的影响有限,最小未变形切屑厚度为（0.28～0.40）倍的铣刀钝圆半径。同时,工件的材料属性对刀具侧刃的最小未变形切屑厚度有一定的影响。本研究可以用于指导微细铣削加工中对于不同刀具钝圆半径及工件材料加工参数的选择和量化,提高工件加工质量具有重要参考价值。     

钛合金铣削过程刀具前刀面磨损解析建模

钛合金Ti6Al4V作为典型的航空航天难加工材料,在其铣削过程中硬质合金刀具的磨损会降低加工过程稳定性,进而影响加工效率和已加工表面表面质量。刀具前刀面磨损会导致刀具刃口强度降低,并影响切屑的流向和折断情况。针对前刀面磨损机理进行分析并构建了月牙洼磨损深度预测模型。首先运用解析方法构建了前刀面应力场模型,得到切屑在前刀面滑动过程中的刀具前刀面应力分布情况及磨损位置。基于刀-屑接触关系的基础上建立了前刀面温度场模型。然后,基于所得刀具前刀面应力与温度分布,构建综合考虑磨粒磨损、粘结磨损与扩散磨损的铣刀月牙洼磨损深度预测模型,获得月牙洼磨损预测曲线;结合铣刀月牙洼磨损带沿切削刃方向分布的特点,建立了随时间变化的铣刀前刀面磨损体积预测模型。最后通过试验验证了切削宽度对前刀面磨损的影响规律,预测结果与试验测量值具有较好的吻合性。结果表明随着切削宽度的增加,月牙洼磨损深度及前刀面磨损体积都随之增加。研究结果为钛合金铣削用刀具的设计和切削参数的合理选择提供了理论基础。     

高速铣削Ti-10V-2Fe-3Al的刀具磨损试验研究

针对切削加工Ti-10V-2Fe-3Al钛合金时刀具磨损迅速、加工效率低的问题,开展硬质合金刀具高速铣削Ti-10V-2Fe-3Al的刀具寿命试验,以研究刀具的磨损机理,分析刀面磨损的发展以及对切削力的影响。利用扫描电子显微镜观察了后刀面磨损区域的微观形貌并对元素成分进行了能谱分析。实验结果表明：高速铣削Ti-10V-2Fe-3Al时硬质合金刀具的磨损形式为后刀面带状磨损与局部崩刃,伴有明显的切屑黏附与热裂纹;磨损区域有工件材料的元素向硬质合金内扩散的迹象出现;切屑流的黏附与撕扯导致硬质合金的颗粒脱落,切削刃逐步退化为洼形区域,其与后刀面交界的棱边代替原切削刃进行切削直至剥落。     

基于力-热耦合的三面刃铣刀三维铣削仿真分析

三面刃铣刀是一种广泛用于铣削金属、非金属以及难加工材料的沟槽面和台阶面的标准刀具。本文采用三维拟实的三面刃铣刀模拟铣削加工过程,得出铣刀应力与其工艺参数的关系,以此分析铣刀的破损。首先,考虑到铣削过程中温度场对刀具破损的重要影响,建立并实现了基于瞬态温度-位移耦合的综合力-热应力分析,实现对铣刀刀刃易破损部位的预测。再通过多次仿真试验,得到了刀尖切出应力随铣削参数的变化趋势,并据此给出提高铣刀寿命的建议。最后通过不同切削参数组合下工件表面变形量的有限元预测值与试验对照,验证了模型的真实可靠性。     

硬质合金刀具铣削Ti6Al4V材料性能研究

Ti6Al4V材料具有良好的性能,广泛应用于航空、航天、医学等领域。这一材料属于典型难加工金属材料,对刀具的切削性能要求较高。对YG6硬质合金刀具干式铣削Ti6Al4V材料时的刀具磨损形态、切削力、切屑形态进行了研究,结果表明,在其它切削参数相同的条件下,低速切削时刀具磨损主要表现为粘结磨损、磨粒磨损、边界磨损。随着切削速度的加快,刀具磨损加剧,主切削刃出现微崩刃。在较高的切削速度和较大的进给量下,刀具磨损进一步加剧,刀尖处磨损最为严重,前刀面出现剥落现象。在进给量和切削深度保持不变的情况下,切削速度加快,切削力出现减小的趋势。YG6刀具切削Ti6Al4V材料容易形成节状切屑,这会对加工表面质量产生不利影响。     

精密切削过程三维有限元分析

采用有限元方法模拟三维精密切削过程,包括三维正交切削和三维斜角切削。切屑和刀具的摩擦应力采用修正库仑摩擦方程来计算,工件的流动应力是应力、应变、应变率和温度的函数,采用局部网格重划分技术。通过三维切削模拟可以获得在不同刃倾角精密切削过程的条件下切屑形状、切削力和切削温度场的分布情况。仿真结果表明:刃倾角对主切削力和切深抗力影响不大,但对切屑形状、进给抗力和切削温度场分布影响较大。     

考虑微刃口几何的Ti-6Al-4V钛合金加工切削力仿真预测与试验研究

切削刀具刃口半径对材料加工过程有着重要影响,其中如切削力、切削应力以及刀—屑交界面的温度分布,这些参数最终都会作用在刀具寿命和工件已加工表面完整性上。刀具刃口圆形钝化处理能够使刀具不易在切削过程中出现崩刃。本研究借助有限元方法对钝圆刃口刀具切削过程进行深入研究,其中有限元模型采用耦合欧拉—拉格朗日(Coupled Eulerian Lagrangian, CEL)方法建立。为研究刀具刃口对切削过程影响,本研究的切削工况包括四种刀具刃口半径(10μm, 20μm, 30μm, 40μm)和三种未变形切屑厚度(0.1mm, 0.15mm, 0.2mm),对12种工况分别进行仿真和试验研究,验证所提出的有限元模型的准确性和合理性。在此基础上,进一步对仿真结果中的切削温度、切削应力和材料流动状态等过程量进行深入分析研究发现,随着刀具刃口半径的增加,两向切削力的刃前切削应力和最高切削温度都呈增长趋势,最高切削温度由前刀面向后刀面移动。本研究或为钛合金切削过程的机理理解及难加工材料刀具和切削参数设计提供支持。     

基于AdvantEdge的硬态精车过程仿真

为探讨硬态精车过程中工艺参数对工件和刀具的影响,采用专门的金属切削仿真软件Advant Edge,建立精车H13淬硬钢的三维有限元模型,对其车削力、刀片切削温度、刀片应力以及切屑进行分析。结果表明:硬态车削过程中,切深抗力在切削过程中起着重要作用,在进给量小于一定值时,切深抗力可以大于主切削力;切削速度越大,刀片温度越高,切削力越小,刀片应力越小,有利于加工表面成型;切削刃半径越小,切削力小,刀片应力小,有利于提高切削加工性能,但小的切削刃半径容易导致刀片磨损;硬态车削切屑呈锯齿状,切屑温度带状分布,切削速度越高,进给量越大,切屑温度越高。研究结论可用于硬态切削过程中的工艺参数优化和刀具及其涂层材料的选择与设计。     

大进给铣削沉淀硬化不锈钢刀具失效分析及切削参数优化

针对大进给硬质合金刀具铣削沉淀硬化不锈钢（05Cr17Ni4Cu4Nb）寿命短、效率低的问题,采用单因素法和正交试验法开展刀具磨损试验,并进行回归分析,得到了刀具寿命经验公式。利用有限元仿真方法获得了切削力、刀具切削刃温度和应力场分布情况,结合磨损测量结果及磨损形貌分析了刀具的失效机理。根据有限元仿真结果和刀具寿命经验公式,综合考虑切削效率和刀具磨损,运用等寿命-效率曲面响应法进行切削参数优化,得到了刀具的最佳切削参数及在该切削参数下刀具的寿命。     

整硬麻花钻容屑槽与法向前角对钛合金钻削性能的影响

采用UG NX11.0软件建立了三种不同卷屑角的容屑槽,以锥面刃磨的方式构建钻尖三维模型。测量主切削刃的法向前角并绘制法向前角的分布曲线,分析三种曲线之间的关系。利用AdvantEdge有限元仿真软件模拟钻削过程中的切削力、切削形貌、切削温度和应力分布,并通过切削试验验证了有限元模拟的可靠性。结果表明：容屑槽卷曲角直接影响主切削刃法向刀具前角的分布,且主切削刃的法向刀具前角越大,切削越锋利,切削力越小;在一定范围内,随着容屑槽卷曲角α增大,轴向切削力减小,且切屑卷曲直径也越小,有利于排屑和提高刀具寿命。     

平头铣刀圆形铣削的切削力预测

针对平头铣刀的圆形铣削,提出一种适用于圆形铣削的切削力预测方法。建立铣刀与工件交点的数学模型,求解工件与铣刀的时变交点进而计算铣削过程中不断变化的切入角与切出角。同时分析了铣刀轨迹曲率效应对瞬时切削厚度的影响。通过槽铣试验来确定切削力系数。基于微分思想,将圆形铣削过程中的瞬时切削厚度运用到切削力模型中计算微元切削力,然后通过积分法获得切削力值。数值仿真与圆形铣削试验结果表明,预测的铣削力和试验结果在幅值和变化趋势上都吻合良好,从而验证了该切削力预测方法的有效性。