微织构刀具超声振动辅助加工切削性能仿真研究

对微织构刀具在超声振动辅助加工时的切削性能进行仿真研究。在研究中,在CAXA软件中建立刀具参数相同的二维刀具和微织构刀具,导入AdvantEdge软件,分别进行二维普通刀具切削、二维微织构刀具切削、二维普通刀具超声振动切削、二维微织构刀具超声振动切削,对比分析四种切削的仿真结果。通过仿真研究发现,微织构结构可以有效降低刀具温度,高温区域明显减小,同时可以减小刀具应力,减小高应力区域,对切削力的影响则不大。超声振动辅助加工可以有效减小切削力,降小刀具应力,对刀具温度的影响则不大。微织构结构和超声振动辅助加工同时作用,刀具温度最低,切削力和应力最小,并且可以延长刀具寿命。     

织构参数对刀具主切削力及切削温度的影响

织构刀具具有良好的摩擦学特性,针对织构参数对刀具主切削力及切削温度的影响,利用仿真软件建立硬质合金织构刀具切削Al7075-T6铝合金的二维正交切削仿真模型,分析了织构宽度、织构间距、织构刃边距、织构深度对刀具主切削力及切削温度的影响。结果表明,合理的织构参数具有良好减磨效果,能够改善刀具切削性能;不合理的织构参数会引发织构刀具的二次切削,使刀具的主切削力及切削温度增大。在所选织构参数范围内,织构宽度40μm、织构刃边距80μm、织构间距70μm、织构深度20μm时,刀具的主切削力及切削温度最低。     

非对称织构对YT15硬质合金刀具切削性能及其衍生切削的影响

为研究非对称织构对刀具的切削性能及其对衍生切削的影响,基于Johnson-Cook模型,利用有限元分别进行无织构刀具(NT)、正向非对称织构刀具(FT)和反向非对称织构刀具(RT)切削45钢的仿真分析,并进行相应的切削实验,对比分析了NT、FT和RT的切削力、切削温度、切屑形态、衍生切削和刀具磨损等。研究发现非对称织构刀具的切削性能要优于无织构刀具,但织构的存在同时会诱发衍生切削现象,对切削性能产生一定的负面影响,加剧刀具磨损。NT、RT和FT的平均主切削力分别为601.9、196.4和419.1 N,织构刀具的切削力较无织构刀具减少了约30.4%～67.4%。结果表明,引入织构后有利于增大剪切角、降低切削力、改善刀尖温度分布和减少切屑的黏附,提高切削稳定性;但织构诱发的衍生切削会加剧织构在切屑流出端的刀面磨损,会在一定程度上影响切削温度、增大切削力,织构与衍生切削的耦合作用使得RT的切削性能优于FT。     

微织构刀具织构参数优化仿真研究

高温镍基合金在切削加工过程中,较大的切削力会产生较高的切削温度,造成刀具磨损严重、加工表面质量差等加工难题。在刀具前刀面加工区域,设计微观织构(微织构)可以改善切削加工中刀-屑接触面的摩擦润滑状态,从而改善刀具的切削性能。采用有限元仿真软件对正弦型微织构刀具进行切削镍基合金的仿真实验,通过正交实验研究正弦型微织构刀具的织构刃边距、织构宽度、织构间距、正弦曲线幅值和周期长度5个织构参数对刀具切削性能的影响,并优化了正弦型微织构刀具的织构参数。结果表明:正弦型微织构刀具的主切削力降低程度与织构参数密切相关,且织构参数对主切削力大小的影响程度依次为:织构刃边距织构间距织构宽度正弦曲线幅值周期长度。优化后得到的刀具切削力、切削温度和断屑能力优于优化前无微织构刀具。     

微织构Al_2O_3-TiC陶瓷刀具切削性能仿真研究

前刀面有微织构的刀具与无织构刀具的切削性能不同。为了研究Al_2O_3-Ti C陶瓷刀具前刀面凹坑微织构分布对刀具切削性能的影响,使用ABAQUS对陶瓷刀具进行三维建模,将模型导入有限元分析软件Advantedge中,在相同条件下,对无微织构和有微织构刀具进行三维切削仿真,对比其切削力、切削温度及应力分布,结果表明,具有特定凹坑微织构参数的Al_2O_3-Ti C刀具在切削过程中可降低切削力,改善温度和应力分布。     

多形态微织构刀具切削性能仿真研究

应用AdvantEdge FEM软件对多形态微织构刀具切削Ti-6Al-4V合金进行了一系列的切削仿真。在SolidWorks软件中建立具有刀具角度参数相同的无织构、横向织构、纵向织构、凹坑织构、纵横织构、凹坑纵横织构刀具，然后导入AdvantEdge FEM软件中，进行切削参数一致的切削仿真。对比分析6种仿真结果发现，无织构刀具切削力最大，纵横织构刀具切削力最小；无织构刀具前刀面有明显的超高温区，凹坑纵横织构刀具温度高温区域最小，纵横织构刀具峰值温度最低。说明纵横织构可以有效降低切削力，减小刀具高温区，降低刀具峰值温度。多形态织构比单一形态织构具有更好地的切削性能，可以更好地延长刀具寿命。     

凹槽微织构刀具皮质骨切削仿真研究

在骨钻削过程中,钻削力过大会对骨组织造成损伤,研究表明,微织构能够有效改善刀具的切削性能。将钻削简化为二维切削,研究凹槽微织构刀具对切削力的影响。基于切削理论建立了凹槽微织构刀具的切削力模型,利用ABAQUS软件进行皮质骨二维切削仿真。设计单因素试验确定微织构参数(宽度、间距和刃边距)对切削力的影响,对比分析微织构刀具和无微织构刀具的仿真结果。结果表明:微织构刀具能够有效减小切削力;微织构参数对切削力有不同影响。     

微织构自润滑刀具干切削0Cr18Ni9奥氏体不锈钢的切削性能

采用激光加工方法在硬质合金刀具的前刀面加工出微织构,并在微织构中填充固体润滑剂制成微织构自润滑刀具;使用微织构自润滑刀具、微织构刀具以及传统硬质合金刀具分别对0Cr18Ni9奥氏体不锈钢进行干切削试验,并对比了它们的切削性能。结果表明:与传统刀具相比,微织构自润滑刀具能有效提高切削性能(主切削力减小了8%~16%,切削温度降低了15%~24%),增加切屑的曲卷,改善刀具的粘着磨损现象。     

表面织构对刀具主剪切区特性的影响研究

表面织构能明显改善刀具的切削性能,进一步清晰织构刀具的切削机理。将数值仿真及理论解析相结合,研究表面织构对刀具主剪切区特性的影响,分析主剪切区剪切角、温度及切屑形变量参数的变化。结果表明:刀具表面织构影响了刀-屑界面的接触及摩擦特性,增大了刀具主剪切区的剪切角,进而减小了刀具的切削力、刀-屑界面温度及切屑剪切形变量;主剪切区的温度却因单位时间内被切材料的剪切滑移率增大而小幅增加。本研究为清晰织构刀具的切削机理奠定了理论及技术基础。     

不同摩擦因数下织构刀具和普通刀具切削性能比较

为选择合适的切削刀具以节约生产成本,采用有限元方法,在不同工况下分别对普通刀具和表面织构CBN刀具切削AISI4340材料的过程进行仿真,研究不同摩擦因数下普通刀具和表面织构刀具的切削性能,得到不同摩擦因数下切削力、切削温度和应力场分布规律。结果表明:随着摩擦因数的增大,普通刀具和表面织构刀具切削时的切削温度、所受的应力和切削力均呈增大的趋势,但相对普通刀具而言,在摩擦因数增大到一定程度时,表面织构刀具的温度、所受的应力应变上升有所减缓,有利于延长刀具的使用寿命。研究表明:当切削过程的摩擦因数低于0.3时,可采用普通刀具节约生产成本;当摩擦因数增大到0.3以上时,织构刀具的温度、切削力和应力分布相比普通刀具有明显优势,采用织构刀具可延长刀具的使用寿命。     

微织构(W,Mo)C基刀具和YG8刀具对钛合金干切削性能的影响

刀具切削钛合金时存在切削温度高、单位面积上切削力大等问题,微织构刀具可以有效减小摩擦力,减小切削力。通过正交实验法设计微织构参数,研究微织构参数对Al 2O 3/La 2O 3/(W,Mo)C无黏结相硬质合金刀具以及YG8刀具切削钛合金实验的切削性能影响。实验结果表明,合适参数的沟槽型微织构能有效降低Al 2O 3/La 2O 3/(W,Mo)C无黏结相硬质合金刀具和YG8刀具切削TC4钛合金的切削力,相同沟槽参数下,无黏结相硬质合金刀具的切削力明显低于YG8刀具的切削力;合适参数的沟槽型微织构能有效降低刀具刀屑界面的摩擦系数,相同沟槽参数下,无黏结相硬质合金刀具的摩擦系数大都低于YG8刀具的摩擦系数;沟槽深度10μm、沟槽间距100μm以及沟槽宽度30μm的沟槽参数下,切削钛合金时,无黏结相硬质合金刀具前刀面无明显磨损,后刀面只有边界磨损,YG8刀具发生崩刃,前刀面出现切屑的滞留。     

微织构陶瓷刀具切削性能的有限元分析

为了研究表面织构对陶瓷刀具切削性能的影响,利用ABAQUS对其正交切削45淬火钢的过程进行二维仿真,分析了织构的参数对切削力、切削温度和刀具应力场的影响规律。结果表明:织构的宽度和间距对刀具的性能有重要影响,宽度较小的表面织构具有较好的减摩作用,当宽度大到一定程度,织构会对切屑产生二次切削,削弱甚至抵消织构的减摩作用;间距越小,起作用的织构的个数越多,刀具的性能越好,故在刀具表面置入合理参数的织构可以有效延长刀具的使用寿命。     

MoS_2基固体润滑剂微织构自润滑刀具切削性能的研究

采用激光加工方法在硬质合金刀具的前刀面加工不同形状的微织构,并填充不同的固体润滑剂,对制备的微织构自润滑刀具以及传统刀具进行干切削304奥氏体不锈钢的对比试验。试验结果表明,与传统硬质合金刀具相比,微织构自润滑刀具能显著地降低切削力,减小前刀面摩擦系数,降低切削温度,减少刀具前刀面的磨损。选用MoS_2/Sb_2O_3复合固体润滑剂能更好地提高微织构刀具的切削性能,减少切屑的粘结。     

切削速度对微织构涂层刀具切削性能的影响

为了探究前后刀面微织构涂层刀具在不同切削速度下的切削性能变化规律,利用光纤式激光器在涂层刀具的前刀面和后刀面上分别制备出圆孔和直槽混合微织构,使用该刀具在38CrMoAl氮化钢上进行切削实验。结果表明,随着切削速度的增加,无织构刀具和前刀面织构刀具的切削温度变动范围不大,前后刀面混合微织构刀具的切削温度最大值比无织构刀具的切削温度最大值降低了13%～27%;织构刀具切削力的降低幅度,随着切削速度的增加而增加,相对于无织构刀具的切削力,其最大降幅近40%;在切削速度为80 m/min时,织构刀具对应的表面粗糙度值几乎相等,在其他切削速度时,前后刀面织构刀具对应的表面粗糙度值均小于前刀面织构刀具对应的值,并且表面粗糙度值随着切削速度的增加而降低;振动信号结束段和起始段频谱幅值的变化范围随着切削速度的增加而变得明显。与无织构刀具相比,织构刀具在不同切削速度下均可以改善刀具的切削性能,特别是后刀面织构的存在,这种改善效果更加明显。     

微织构衍生切削下的钛合金正交微切削性能分析

针对微织构刀具加工过程中的衍生切削效应,利用正交微切削单元开展了微坑刀具及无织构刀具的钛合金微切削实验,从切屑底面形貌、微坑黏结状态等方面分析了微坑刀具微切削性能;通过ABAQUS软件对微织构刀具微切削钛合金过程进行有限元模拟,分析微坑织构的衍生切削作用对刀-屑接触应力分布及切削力的影响,优化设计微坑边缘过渡区参数并进行切削仿真分析。实验和仿真结果表明,微坑会减小前刀面黏结,存储微屑,减小刀-屑接触应力,提高刀具减摩性能;但微坑与切屑的衍生切削作用会增大瞬时切削力,降低切削过程平稳性。此外,微坑过渡区优化可改善切削过程波动,降低切削力,改变切屑形态,改善切屑在微坑的流入/流出状态,有助于减小微坑织构衍生切削效应,提高织构的减摩效果。     

织构化刀具切削性能测试及切削温度仿真分析

研究织构化硬质合金刀具对切削Ti6Al4V钛合金性能的影响。在干切削和低温微量润滑(CMQL)条件下,通过开展无织构和织构化刀具切削试验,分析不同刀具在不同润滑条件下切削力和摩擦因数变化规律。结果表明:微沟槽刀具在CMQL条件下的切削性能最好,在干切削条件下的切削性能最差,表明微沟槽在CMQL条件下能有效改善刀具的摩擦学性能,而在干切削条件下反而增大了刀具的摩擦磨损。通过仿真分析织构化刀具高速干切削条件下的切削温度,结果表明:织构化刀具干切削条件下的切削温度高于无织构刀具,这是因为表面织构增大了刀具表面的粗糙度,加剧了刀-屑界面摩擦。     

不同形貌微织构自润滑陶瓷刀具切削性能的对比

采用激光技术在Al2O_3/TiC陶瓷刀具前刀面加工出微凹坑和微沟槽2种微织构,并填充MoS2固体润滑剂制备得到微织构自润滑刀具,研究了不同形貌微织构自润滑刀具对淬硬钢的切削性能,并与传统无织构陶瓷刀具的进行了对比。结果表明:在不同切削条件下,采用微凹坑织构刀具切削时的主切削力较采用无织构刀具的平均降低了26.91%,而采用微沟槽织构刀具切削时的平均下降了15.85%;在切削速度较高、进给量和背吃刀量均较小的条件下,采用微织构刀具切削后工件的表面粗糙度较采用无织构刀具的有明显下降;微凹坑织构刀具切削后的切屑变形程度明显低于微沟槽织构刀具和无织构刀具切削后的,其前刀面的磨损程度明显低于微沟槽织构刀具和无织构刀具的,微凹坑织构刀具比微沟槽织构刀具表现出更佳的切削性能。     

微织构车刀椭圆超声辅助切削加工性能研究

为了进一步改善切削性能,将微织构刀具应用于椭圆超声辅助切削过程中,分析其对切削力、刀具磨损及表面质量的影响,然后分析刀具表面微织构角度与尺寸对刀具磨损的影响规律。研究结果表明：微织构刀具可以在保留椭圆超声辅助切削优异性能的基础上进一步改善切削性能,而且根据实验结果,微织构角度与尺寸变化会影响刀具抗磨损效果,当微织构与主切削刃平行、宽度为70μm、间距为70μm时,刀具黏结磨损最小。     

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。     

基于ABAQUS的表面微织构刀具切削钛合金仿真研究

利用有限元软件ABAQUS构建钛合金切削过程的二维仿真模型,通过钛合金切削试验验证模型的正确性。对微织构刀具切削钛合金的过程进行仿真,与无微织构刀具切削钛合金的仿真进行对比分析,研究了微织构刀具应力分布、切削力的变化规律以及对等效塑性应变的影响。仿真研究表明,微织构的存在对切削过程中刀具的应力分布有积极的改善作用,可以降低切削力,减少塑性应变。