基于ABAQUS/Explicit的AZ31b镁合金微铣削三维仿真研究

传统铣削仿真往往基于宏观建模而忽略了切削刃钝圆半径,对于微切削过程中出现的尺度效应以及最小切削厚度等特有现象无法进行准确描述,与实际加工差距较大。本文利用有限元软件ABQUS/Explicit对AZ31b镁合金材料微铣削过程进行三维变切削厚度仿真,采用ALE自适应技术控制网格畸变过大问题,进而获得了反映尺度效应的微铣削模型,并研究了主轴转速、铣削深度、每齿进给量对于铣削力的相关影响。     

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。     

微径球头铣刀铣削力建模与仿真

以微径球头铣刀铣削力为研究对象,分析了刀具刃线模型.将刀具沿刀轴方向离散为若干切削单元,分别依照单齿切削及两齿切削求得各切削单元的实际瞬时切削厚度.基于实体造型的方法提取了参与切削的切削刃段,并通过实验识别了瞬时切削力系数及主轴径向跳动参数,建立了综合考虑主轴径向跳动、微细铣削所特有的尺度效应的影响及可能出现的单齿切削现象的微径球头铣刀铣削力模型.实验结果验证了所提模型的有效性和可行性.     

微铣削加工机理研究新进展

微铣削加工技术在制造航空航天等领域所用的三维复杂微结构零件方面具有明显优势,而微铣削在加工机理、对表面质量要求等诸多方面都与常规铣削有着明显不同,因此非常有必要对微铣削加工机理进行研究。主要从切削刃钝圆半径引起的尺寸效应机制、刀具径跳对微铣削加工的影响机理、加工中毛刺形成机理以及加工中表面形成机理这四个方面对微铣削加工机理进行综述,介绍每个方面相对于常规铣削的不同,并重点分析切削刃钝圆半径的尺寸效应和微刀具径跳的产生原因、危害及研究现状,以及从仿真和试验两个方面对微铣削中毛刺形成过程和表面形成过程进行总结,对影响因素进行分析,并提出抑制毛刺的一些方法。探讨微铣削加工机理研究仍需注重解决的问题,为其后续发展方向提出一些建议。     

刀具切削刃钝圆半径对微细切削尺度效应的影响

针对微细切削加工中存在的尺度效应,研究了微细切削加工中尺度效应产生的机理,通过建立微细切削加工有限元模型,模拟并分析了微细切削加工过程的尺度效应,揭示了切削刃钝圆半径引起尺度效应的内在作用机理。     

考虑尺寸效应三维微铣削有限元仿真

采用有限元软件ABAQUS/Explicit进行3D微铣削模拟仿真,将应变梯度塑性理论引入到材料的本构方程中,来表征材料的微观尺度变形特性,计算出微铣削过程中的应变率,进行Johnson-Cook(J-C)本构方程的修正。修正后的本构方程表现出随着未变形切削厚度的增加,材料力学性能曲线逐渐向宏观J-C模型靠近的特点。通过MATLAB软件绘制出修正的J-C本构模型的应力-应变-温度的关系曲线,并将这些数据导入到ABAQUS材料库中,进行考虑尺寸效应现象的3D微铣削模拟仿真。分别研究了不同的主轴转速、每齿进给量以及轴向切削深度对微铣削力和应力的影响。     

刃口形貌对切削力的影响分析

根据铣削加工的特点,采用专用切削加工有限元分析软件AdvantEdge建立仿真模型,对瀑布刃(K<1)和喇叭刃(K>1)的切削加工过程进行模拟,研究形状因子K值对切削性能的影响,最后通过实际铣削试验验证仿真所得数据的可靠性。研究结论对于钝化工艺参数的优化有着参考意义。     

球头铣刀多轴铣削加工的切削刃微元点轨迹模型

切削刃微元点轨迹是描述瞬时未变形切削厚度的基础,瞬时未变形切削厚度是铣削力预测的关键.为此,针对球头铣刀多轴铣削加工过程,建立利用位置矢量来准确描述切削刃微元点的轨迹模型.首先,通过建立工件和刀具瞬时坐标系的空间变换模型来描述刀具的位置和位姿;然后,在此基础上结合球头铣刀切削刃的几何特点建立切削刃微元点的空间位置矢量,并进一步推导描述切削刃微元点轨迹的矢量形式;最后,利用C++编程语言和OpenGL图形接口实现切削刃微元点轨迹仿真,并通过对比分析仿真结果与跟踪球头铣刀1∶1三维模型上标记点的位置数据,验证了切削刃微元点轨迹模型的正确性.     

微铣削单晶高温合金刀具磨损实验研究

为研究微小刃径刀具切削难加工材料后刀具的磨损,针对单晶镍基高温合金材料的难加工特性,设计了单因素实验方案,采用直径为0.6 mm的硬质合金微小刃径刀具对单晶镍基高温合金DD98进行微铣削加工;通过磨损后的刀具直径和铣削槽底宽度尺寸的变化来定义微铣削刀具(微小刃径刀具)切削加工的磨损标准,建立了微铣削刀具磨损标准的数学模型;基于单因素实验方案,探讨了不同切削参数条件下,微铣削长度对刀具磨损量的影响.相关研究和实验数据对于探索难加工材料的切削机理具有理论指导意义.     

基于刀具磨损映射关系的微细铣削力理论建模与试验研究

微细铣削加工过程中,刀具直径小且磨损较快,刀具磨损对微细铣削力有着明显的非线性影响,同时刀具跳动又对刀具每齿的磨损表现出不同的影响效应,这些影响因素会导致加工过程的不稳定性和精度。然而,目前缺乏考虑具有刀具跳动和磨损效应的通用微细铣削力模型,研究了刀具跳动与刀具每齿磨损量之间的变化规律,提出了一种同时包括刀具跳动和刀具磨损效应的新型的微细铣削力模型。该模型中,根据刀具每齿磨损量与切削位置的几何关系,改进了瞬时切削厚度模型,基于不同切削刃所对应的受力情况,同时将刀具直径方向上磨损变化量与力模型系数相关联,从而来提高力模型的精确度。最后,通过不同铣削参数下的铣削试验,论证了所提出模型的准确性和有效性。利用所提出的模型,可以通过监测铣削力的大小来辨别刀具尺寸是否在可持续铣削的范围内,从而提高微铣削的加工精度和效率。     

微铣削单晶高温合金刀具磨损实验研究

为研究微小刃径刀具切削难加工材料后刀具的磨损,针对单晶镍基高温合金材料的难加工特性,设计了单因素实验方案,采用直径为0.6 mm的硬质合金微小刃径刀具对单晶镍基高温合金DD98进行微铣削加工;通过磨损后的刀具直径和铣削槽底宽度尺寸的变化来定义微铣削刀具(微小刃径刀具)切削加工的磨损标准,建立了微铣削刀具磨损标准的数学模型;基于单因素实验方案,探讨了不同切削参数条件下,微铣削长度对刀具磨损量的影响.相关研究和实验数据对于探索难加工材料的切削机理具有理论指导意义.     

微铣削单晶高温合金刀具磨损实验研究

为研究微小刃径刀具切削难加工材料后刀具的磨损,针对单晶镍基高温合金材料的难加工特性,设计了单因素实验方案,采用直径为0.6 mm的硬质合金微小刃径刀具对单晶镍基高温合金DD98进行微铣削加工;通过磨损后的刀具直径和铣削槽底宽度尺寸的变化来定义微铣削刀具(微小刃径刀具)切削加工的磨损标准,建立了微铣削刀具磨损标准的数学模型;基于单因素实验方案,探讨了不同切削参数条件下,微铣削长度对刀具磨损量的影响.相关研究和实验数据对于探索难加工材料的切削机理具有理论指导意义.     

切削刀具刃口钝化复合结构优化设计

提出和建立了面向刀具刃口钝化结构研究的三维铣削加工有限元仿真模型,研究了材料本构关系模型有限元仿真关键技术;进一步进行了切削验证实验,结果表明所建立的有限元模型是正确的;最后,以钛合金加工为例,利用有限元模型,针对倒棱刃、消振棱刃、白刃三种刀具刃口型式,对不同刃带宽度和不同刃口型式下的切削效果进行了比较和分析。研究结果表明:倒棱刃口型式与圆弧钝化结构是最佳匹配的,倒棱与钝圆形成的复合结构是切削钛合金的最优刀具刃口微结构。     

TiAlN涂层刀具高速铣削颗粒增强铝基复合材料时的磨损行为

使用YS8硬质合金TiAlN涂层立铣刀分别对SiC颗粒和Al2O3颗粒增强铝基复合材料进行高速铣削试验,结合切削过程对刀具磨损形式、微观磨损形貌以及磨损机理进行了分析。结果表明:磨粒磨损、涂层脱落和微崩刃是涂层刀具的主要磨损形式;增强颗粒尺度越大,刀具微观磨损划痕和微崩刃凹坑越明显;涂层刀具铣削颗粒增强铝基复合材料不具备优势。     

基于铣削力的微径球头铣刀切削机理分析

微小结构常采用介观尺度下微细铣削加工,而介观尺度切削机理有别于常规金属切削机理.本文使用微径二刃球头铣刀对310S不锈钢进行微细铣削加工,利用测力仪采集切削过程中的切削力数据信息.通过对切削力信息进行分析,研究微径球头铣刀进行微细铣削的机理.结果表明:微径球头铣刀进行微细铣削会产生刀具偏心、单齿切削和最小切削厚度现象....     

基于弹塑性平面应变力学原理的新型直角铣削实验设计

根据弹塑性平面应变力学原理设计了直角铣削实验,研制出专用实验装置,研究了切削力在加工坐标系和测量坐标系之间的数学变换、单位切削力计算以及切削刃尺寸效应等实验内容和细节,总结出了正交铣削实验设计和测试原则。以航空铝合金材料为对象进行直角铣削力测试,通过与切削理论公示计算结果比较验证了直角铣削实验设计的可靠性。将该直角铣削实验在计算切屑与前刀面摩擦系数和验证正交切削有限元模型方面进行了应用。本文设计的直角铣削实验将为深入研究变厚度铣削加工机理和铣削加工建模仿真提供实验技术支持。     

微铣削热源模型的仿真与比较

为了研究硬脆材料微铣削的温度场,基于微铣削石英玻璃,建立了微铣削热源分布模型。该模型将热源形状假设为半圆形,并在该热源形状下对矩形热源、三角形热源进行了有限元分析,通过微铣削石英玻璃试验将测量的温度数据与有限元结果做了对比分析。结果表明:矩形热源模型比三角形热源模型更加接近实际的微铣削区热源分布情况,加工参数中的主轴转速对微铣削温度影响程度最大,主轴倾角次之,切削深度和进给速度则相差不大。     

切削刃钝圆半径对微切削过程的影响

基于有限元法对切削刃钝圆半径在微切削中产生的影响进行了研究。研究结果表明:较大的切削刃钝圆半径无法加工出微结构中比较尖锐的棱角结构;切削刃钝圆半径形成尺寸效应,并引起有效切削前角的变化;将三维切削仿真转化为二维切削仿真,可有效提高仿真效率;利用有限元仿真可获得最小切削厚度与切削刃钝圆半径的数值关系。     

考虑犁切力的微铣削颤振稳定域建模与分析

以微结构铣削加工为研究对象,建立了微观尺度下考虑犁切效应的铣削动态铣削力模型和颤振稳定域解析模型。在微铣削加工实验的基础上,对应于刀齿的每一个瞬时转角,对微铣削颤振稳定域进行了时域求解,进而研究了犁切-剪切机制对微铣削颤振稳定域的影响。实验结果表明犁切效应对微细铣削过程的加工不稳定现象没有显著的影响。     

微铣削高温合金GH4169表面残余应力分析与预测优化

运用ABAQUS有限元软件对硬质合金立铣刀微铣削高温合金GH4169进行仿真,建立了三维微铣削有限元模型,分析了主轴转速、每齿进给量、轴向切削深度的改变对工件逆铣侧面残余应力的影响。分析结果表明:工件表面残余应力随着主轴转速的增大而增大;因刀刃半径的存在和尺寸效应的作用,残余应力随每齿进给量的增大先增大后减小;残余应力随铣削深度的增大而增大。最后运用神经网络群遗传算法以最小残余应力为目标对残余应力进行了预测和切削参数优化,得到了基于最小残余应力的最佳切削用量组合。