基于DEFORM-3D的微织构刀具切削性能仿真分析

现代摩擦学和仿生学证实,具有一定非光滑形态的高性能的表面织构有更好的抗磨减摩性能。通过Solidworks对仿生织构PCD刀具进行了三维建模,利用DEFORM-3D有限元分析软件,对无微织构和有微织构(凹坑、沟槽)PCD刀具在相同条件下进行了三维切削仿真,结合其切削力、切削温度进行切削性能分析。结果表明,一定尺寸的凹坑、沟槽微织构可以有效改善刀具在切削过程中的应力分布情况。然后,采用激光加工方法在刀片的前刀面置入不同微织构,在CA6136车床上进行切削实验。试验发现:干切削条件下,沟槽型微织构刀具切削铝合金工件的表面质量要优于无织构刀具。     

加工复合地板耐磨层时PCD刀具切削参数的研究

切削参数是影响PCD刀具切削性能的主要因素。本文采用Element Six公司的SYNDITE CTH025型聚晶金刚石(PCD)复合片制成强化复合地板用切削刀具，进行了一系列加工强化复合地板耐磨层的切削实验。通过实验研究了切削参数对刀具切削力的影响，得出了切削力随切削参数的变化规律，指出随着切削深度的增加，PCD刀具切削力增加；进给速度的增加使切削力增加；切削速度的增加将会使切削力降低。同时，分析了切削参数对刀具磨损、工件加工质量以及加工效率的影响。最后，本文总结了采用PCD刀具加工强化复合地板时加工参数的选择原则，认为当n=6000r／min、f=10000mm／min能够实现较高的加工效率，并保证工件的加工质量。     

微织构铣刀干铣削RuT500切削性能研究北大核心

为探究微织构对刀具加工蠕墨铸铁RuT500切削性能的影响,改善RuT500的可加工性,利用激光技术在刀具前刀面制备了3种形式的微织构并通过单因素试验方法,在不同切削速度下将微织构刀具和无织构刀具对RuT500进行铣削加工,对比分析了微织构的方向和类型在加工中切削性能的差异。结果表明,表面微织构可以有效降低切削力,改善切屑形态和工件表面质量,在一定程度上降低了前刀面磨损;3种微织构在部分相同切削速度下对切削性能的影响有较大差别;切削速度较大时,微织构更有利于RuT500的切削加工。在3种微织构中,以平行于主切削刃的沟槽织构刀具切削性能最优。     

切削速度对微织构刀具切削力的影响

目的 研究微织构刀具在不同切削速度下切削力的变化规律,从而改善刀具的切削性能。方法 利用激光技术在PCBN刀具前刀面进行微织构处理,加工微槽宽度分别为30、40 μm的垂直微槽和平行微槽,并选择60、72、85 m/min三种不同的切削速度,分别用微织构PCBN刀具干式切削AISI 52100材料,使用测力仪收集切削过程产生的主切削力、径向力和轴向力。结合有限元仿真技术,设置与实际切削试验相同的切削用量、微织构刀具材料和工件材料等切削条件,从刀具表面应力角度分析微织构刀具在不同切削速度下的切削力变化,并与切削试验结果进行对比。结果 在不同的切削速度条件下,不同微织构刀具产生的切削力受切削速度的影响程度不同。30 μm垂直微槽和40 μm平行微槽PCBN刀具在较高的切削速度下均能取得较小的切削力,切削速度的变化对主切削力、径向力和轴向力的影响均较大。结论 随着切削速度的增大,垂直微槽和平行微槽可有效减小主切削力和径向力。在相同的切削速度下,垂直微槽比与平行微槽更有利于获得较小的切削力。试验结果对微织构PCBN刀具切削淬硬钢材料奠定了基础。     

织构分布对刀具切削性能影响的有限元分析

目的研究刀具表面织构分布对刀具切削性能的影响。方法基于大型非线性分析软件ABAQUS进行刀具二维切削TI6AL4V的有限元仿真,收集切削力数据,通过切削实验进行验证,误差符合后进行等间距、非等间距和混合型织构的有限元仿真,收集切削力、切削热等切削数据进行分析。结果提取结果后与无织构刀具相比,等间距织构刀具的最高温度降低12.4%,非等间距织构刀具的最高温度降低14.5%,混合型织构刀具的最高温度降低16.5%。与无织构刀具相比,等间距织构刀具的主切削力降低9.8%,非等间距织构刀具的主切削力降低11.2%,混合型织构刀具的主切削力降低12.6%。结论在刀具表面加工适当的织构可以提高刀具的切削性能,织构间距越小,织构的减摩作用越明显,与等间距织构相比,非等间距织构减摩效果更好。织构分布过于密集易造成加工中的震动问题,在微织构中添加尺寸更小的微细级织构,既能减小刀屑接触面积,又避免了因间距过小导致刀具强度降低的问题。     

织构刀具高速干式切削Al7075-T6的性能研究

表面微织构能够改善刀具的切削性能。为了研究织构刀具高速干切削Al7075-T6时织构参数对切削性能的影响,利用仿真软件建立正交二维切削仿真模型。对比了所选织构参数范围内的最优织构刀具与无织构刀具的主切削力、刀具温度、刀具应力,分析了织构参数对主切削力的影响程度。结果表明:合理的织构参数,可以减小刀具的主切削力,使刀具表现出更好的温度及应力分布梯度;所选织构参数范围内,织构宽度为60μm、织构间距为90μm、织构深度为30μm、织构刃边距为100μm的织构刀具切削性能最好;织构参数对主切削力影响程度从大到小依次为织构刃边距、织构宽度、织构间距、织构深度。     

预置表面织构对硬态切削加工的影响分析

利用电火花穿孔技术预置表面织构,有效抑制硬态切削过程中较大切削力的产生,避免刀具磨损加剧,提高刀具使用寿命。使用CBN刀具硬态切削GCr15淬硬钢,设计关于切削深度、切削速度、进给量三因素无织构正交切削仿真模拟及试验,利用极差、方差及信噪比值法对仿真及试验数据进行分析,确定最佳切削参数组合,以及各参数对硬态切削过程中产生的切削力的影响程度。使用最佳切削参数组合,硬态切削预置表面织构的GCr15淬硬钢,观测刀具磨损情况,测量切削力,并与无织构等同切削条件下的结果进行对比分析,验证预置表面织构能够有效降低刀具磨损,提高刀具使用寿命。     

基于计算机数值模拟的TiAlSiN涂层刀具切削性能研究

为研究TiAlSiN涂层对硬质合金刀具切削性能的影响,采用DEFORM-3D有限元分析软件进行切削仿真试验,模拟了TiAlSiN涂层与未涂层硬质合金刀具在相同切削条件下切削钛合金时的切削温度、切削力;并比较了不同膜厚的TiAlSiN涂层对刀具切削性能的影响。试验结果表明:TiAlSiN涂层具有低的摩擦系数,可以有效地减小切削力,3μm的TiAlSiN涂层刀具比未涂层刀具以及厚度为6μm的涂层刀具切削力小,但切削温度最高;6μm厚的刀具涂层切削温度最低,但切削力较大。     

PCBN刀具高速铣削TC4钛合金切削性能与工艺参数优化研究

针对钛合金TC4(Ti-6Al-4V)的加工特性,采用PCBN刀具,基于单因素试验,研究高速铣削条件下工艺参数对切削力、切削振动等的影响规律,提出综合考虑切削力、切削振动、表面粗糙度的工艺参数优选方法。研究表明:切削力和切削振动随切削速度v和每齿进给量f_z的增大呈现一定的波动,随径向切深a_e和轴向切深a_p的增大而增大,切削振动受切削力影响较为显著。考虑切削性能,以材料切除率为优化目标,以切削力、切削振动和表面粗糙度等为约束条件,建立工艺参数优选模型,可得到不同约束条件下工艺参数的优选组合。     

基于微磨削方法的微织构刀具制备与切削性能研究

目的研究表面微织构对硬质合金刀具切削性能的影响。方法采用微磨削方法在硬质合金刀具前刀面加工出具有不同结构参数的横向、纵向和交叉微织构,通过AL6061切削试验和有限元切削仿真,研究表面微织构对硬质合金刀具的切削温度及刀具磨损的影响。结果采用V形金刚石砂轮微磨削方法能够加工出几何形状规则且表面质量良好的表面微织构。与无织构刀具相比,微织构刀具的切削温度明显降低,高温区域明显减少,其中横向织构刀具降温效果最为显著。微织构刀具的切削温度随沟槽间距的增大而升高,沟槽间距为150μm时,切削温度最低。表面微织构能够有效减轻刀具前刀面的粘结磨损,横向织构刀具减摩抗粘效果最好,且采用较小的沟槽间距更利于减轻刀具的粘结磨损。随着切削速度的增加,表面微织构的抗粘结作用更加明显,当切削速度为150 m/min时,沟槽间距为150μm的横向织构刀具的切屑粘结面积最小。结论在横向、纵向和交叉织构刀具中,沟槽间距为150μm的横向织构刀具切削性能最好,即降温效果、抗粘结性能最为显著。     

激光选区熔化钛合金超声辅助铣削性能研究

目的 针对激光选区熔化钛合金开展超声振动辅助铣削性能和作用机理研究,提高增材制造钛合金表面加工质量、加工精度及加工效率,推动增材制造钛合金构件在高端装备业领域的广泛应用。方法 在传统铣削和超声振动辅助铣削下,采用聚晶金刚石刀具开展激光选区熔化钛合金铣削试验研究,分析不同条件下的表面硬度、切削力、表面形貌、表面粗糙度和切屑黏结的差异性。结果 激光选区熔化钛合金硬度单次测量及其平均值均高于传统钛合金。常规干铣削激光选区熔化钛合金时,切削力随着转速的增大而呈现下降趋势,随着进给速度和切削深度的增加表现出逐渐增大的趋势。在传统铣削下,传统钛合金表面形貌存在明显的刀具划痕,而超声振动铣削时,激光选区熔化钛合金表面形貌总体表现出更加的光滑和平整。激光选区熔化钛合金在常规铣削和超声辅助铣削过程中,刀具前后刀面都出现了严重的钛合金切屑黏结现象。结论 激光选区熔化钛合金常规干铣削时,增大转速或降低进给速度和切削深度能够降低切削力。在相同切削参数下,激光选区熔化钛合金超声铣削质量优于传统钛合金常规铣削表面质量。激光选区熔化钛合金表面质量改善的作用机理主要归因于激光选区熔化钛合金的金相组织特性及超声振动时断...     

Cutting performance and wear mechanism of nanoscale and microscale textured Al2O3/TiC ceramic tools in dry cutting of hardened steel

Nanoscale and microscale textures with different geometrical characteristics were fabricated on the surface of the Al₂O₃/TiC ceramic tool, and molybdenum disulfide (MoS₂) solid lubricants were burnished into the textures. The effect of the textures on the cutting performance was investigated using the textured self-lubricated tools and conventional tools in dry cutting tests. The tool wear, cutting force, cutting temperature, friction coefficient, surface roughness and chip topography were measured. Results show that the cutting force, cutting temperature, friction coefficient and tool wear of nanoscale and microscale textured self-lubricated tools are significantly reduced compared with the conventional tool, and the developed tool with wavy microscale textures on the rake face is the most effective in improving the cutting performance. The textured self-lubricated tools increase the surface roughness of machined workpiece, while they can reduce the vibration for a stable cutting and produce more uniform surface quality. The chip topography is changed by the textured self-lubricated tools. As a result, the nanoscale and microscale textured self-lubricated tools effectively improve the cutting performance of conventional Al₂O₃/TiC ceramic tool, and they are applicable to a stable dry cutting of the hardened steel.     

织构化刀具表面摩擦磨损特性与减摩降磨机制研究

在刀具表面设计并加工出一定结构的微织构,可大幅改善刀具-切屑表面的摩擦状态。为了探究不同形态的织构刀具在干摩擦状态下的摩擦磨损特征,通过有限元仿真分析软件ABAQUS对不同织构类型的刀具进行分析,结合刀具的应力状态分布情况分析各类织构对减摩抗磨作用的影响。同时,利用飞秒激光器在刀具表面加工不同类型的织构并与钛合金磨球进行摩擦磨损实验,测定其摩擦因数,分析不同类型织构刀具表面的磨损情况和形貌。仿真及试验结果表明：刀具T1应力集中区分布广泛,应力集中严重;相对于T1,刀具T2、T3、T4、T5的等效应力值出现大幅降低,且应力分布较为均匀,其中刀具T4的表面等效应力值最低,且降温效果最优。上述结果表明：带有不同类型织构的刀具较无织构刀具的摩擦因数均有不同程度降低,一定程度上缓解了刀具表面的黏结磨损,其中T4摩擦因数降低最为显著,减摩效果最为突出。     

PVD涂层刀具高速铣削CoCrMo合金的性能研究

目的为了提高涂层硬质合金刀具的切削性能,研究了物理气相沉积PVD法制备的涂层硬质合金铣刀在高速干式环境下的铣削性能。方法采用阴极电弧技术制备了TiN、TiAlN以及TiAlSiN涂层硬质合金铣刀刀头,通过一同沉积涂层的硬质合金圆片,间接测量得出涂层的显微硬度、厚度和平均摩擦系数,并以CoCrMo合金为切削对象,进行了PVD涂层与无涂层刀具高速铣削下的对比试验。结果TiAlSiN显微硬度最高达3800HV,摩擦系数达0.3,TiAlN涂层平均膜厚为2μm,间接测得TiN、TiAlN以及TiAlSiN涂层的结合力依次为60、58、42N。在三者的切削性能中,TiAlSiN涂层的切削性能比TiAlN和TiN涂层的好,同等切削参数时,TiN刀具的高速铣削时间最短,TiAlSiN涂层的平均磨损值为0.1895,TiN的平均磨损值为0.3047。结论涂层中添加Al、Si,极大地提高了刀具的使用性能,改善了刀具切削过程中的耐磨性、红硬性,极大地延长了刀具的使用寿命。TiAlSiN涂层的硬度高,耐磨损性好,切削性能好,适合高速铣削加工。     

微织构刀具切削性能及减摩效果的仿真分析

目的 研究3种不同类型微织构在钛合金(TC4)切削过程中对刀具切削性能的影响.方法 基于有限元分析软件,在硬质合金刀具的前刀面上设计半圆凹型微织构、半圆凸型微织构以及梯形槽微织构3种不同类型的微织构,通过改变微织构直径或宽度、微织构间距和微织构覆盖长度,研究微织构刀具对背向力、切削温度以及摩擦力的影响.结果 对背向力而...     

Performance of carbide tools with textured rake-face filled with solid lubricants in dry cutting processes

Surface texturing with different geometrical characteristics was made on the rake face of the WC/Co carbide tools, molybdenum disulfide (MoS₂) solid lubricants were filled into the textured rake-face. Dry cutting tests were carried out with these rake-face textured tools and a conventional tool. The effect of the texture shape on the cutting performance of these rake-face textured tools was investigated. Results show that the cutting forces, cutting temperature, and the friction coefficient at the tool-chip interface of the rake-face textured tools were significantly reduced compared with that of the conventional one. The rake-face textured tool with elliptical grooves on its rake face had the most improved cutting performance. Two mechanisms responsible were found, the first one is explained as the formation of a lubricating film with low shear strength at the tool-chip interface, which was released from the texturing and smeared on the rake face, and served as lubricating additive during dry cutting processes; the other one was explained by the reduced contact length at the tool-chip interface of the rake-face textured tools, which contributes to the decrease of the direct contact area between the chip and rake face.     

Wear Mechanisms of New Tool Materials for Ti-6AI-4V High Performance Machining

Nowadays, Ti-6AI-4V turning is mastered for cutting speed lower than 60 m/min by using carbide and high-speed steel tools. At higher cutting speed, chemical and mechanical properties of Ti-6AI-4V cause complex wear mechanisms such as adhesion and diffusion. Thus, to machine over 100 m/min without using high-pressure cooling, new tool materials need to be tested and their behaviour understood. This paper presents the interactions between polycrystalline diamond (PCD), cubic crystalline boron nitride (CBN), and TiB₂ coated carbide with titanium based alloy. The different wear patterns are not only strongly linked to the chemical reactions, but also to the different phase changes, which occur with PCD and CBN tools.     

Ni－Ti－Nb宽滞后记忆合金的机械加工

用正交试验法研究了Ｎｉ－Ｔｉ－Ｎｂ合金在不同切削速度、进给量和切削深度下的机械加工性能。结果表明：切削速度、进给量、切削深度对切削力和平均切削温度的影响基本上与４５钢相同；切削时宜用Ｋ类硬质合金刀具，最佳切削速度为４０ｍ／ｍｉｎ     

复合织构刀具切削铝合金的性能∗

基于铝合金材料切削的现状和需求,针对单一织构刀具存在的抗黏减摩性能不足的问题,将不同织构应用于刀-屑接触区域,提出刀具前刀面分区异构的思想。利用皮秒激光在刀具黏结区与滑移区分别加工凹坑和沟槽,并调整沟槽的取向(平行 / 垂直于主切削刃),得到上下型(SXDV 和 SXDP)和左右型(ZYDV 和 ZYDP)四种复合织构刀具。对 6061 铝合金进行湿切削试验,研究不同区域内添加不同织构对刀-屑接触表面摩擦状态的影响。研究结果表明,对比无织构和单一织构刀具, ZYDP 复合织构刀具展现了更好的切削性能。具体表现如下：与无织构刀具相比,ZYDP 刀具的主切削力降低 30.7%,刀面黏结面积减少 63.9%,切屑卷曲半径减少 27.4%。合理的复合织构方案可以明显改善刀具切削过程中的黏结磨损问题,延长了刀具寿命。复合织构方案的提出以及相应的激光加工过程可为织构刀具的设计及实际应用提供新思路。     

TiB2 基切削刀具的制备和摩擦学性能研究

采用热压烧结法制备了3组不同成分配比的TiB₂基切削刀具，对比分析了B73H18N0、B49H18N24和B41H18C32刀具的显微组织、力学性能和摩擦学性能。结果表明:添加TiN和TiC的B49H18N24和B41H18C32刀具中未形成新的物相；3种TiB₂基切削刀具试样的硬度、抗弯强度和断裂韧性从高至低顺序依次为B73H18N0> B41H18C32> B49H18N24，B73H18N0> B41H18C32> B49H18N24和B41H18C32> B49H18N24> B73H18N0。在相同滑动速度或者载荷下，3种TiB₂基切削刀具与TA2钛合金的磨损率都随着载荷或者滑动速度增加而增大，但B41H18C32刀具的磨损率最低，即其与TA2钛合金对磨时耐磨性更好。3种TiB₂基切削刀具在干摩擦磨损过程中的磨损机制为磨粒磨损、黏着磨损和氧化磨损，且主要为黏着磨损。