切削加工表面完整性建模现状与发展趋势_张为
机械加工零件表面完整性表征模型研究
二、表面完整性特征及其定量表征模型
• 表面粗糙度、低倍组织、显微硬度的定量表征。
二、表面完整性特征及其定量表征模型
• 微观组织、残余应力的定量表征。
三、表面完整性模型研究
• 表面完整性模型可看作是由表完整性工艺条件域、表面完整性疲劳性 能域以及表面完整性特征域共同构架的。
(1)设表面完整性特征类的集合为SI,则有
(3)假设零件疲劳性能类的集合为F,则
其中,Fi表示第i种疲劳性能评价参数。
一、表面完整性的提出及发展
• 随后,Field等又详细总结了当时与 被加工零件表面完整性检测相关的 测量方法,同时提出一种用于评定 表面完整性特征及其实验测量的方 法。该方法指出可采用表面完整性 最小数据组、标准数据组以及扩展 数据组三种不同层次的测量数据集, 定性并定量地表征和评价被加工零 件表面的性能特征。 • 在表面完整性美国国家标准ANSI B211.1 1986中并未全盘采纳Field等 关于表面完整性数据组的建议,它 只强调使用最小数据组和标准数据 组。ANSI B211.1标准已于1996年被 撤销,至今仍未有替代它的美国国 家标准出现。
二、表面完整性特征及其定量表征模型
• 随着现代测量技术的发展,表面完整性特征的表征参数正不断地得到 丰富,然而,考虑到生产中所具备的实际加工和测量条件,同时借鉴 美国表面完整性切削加工标准数据组,本文选择并建立以表面粗糙度、 低倍组织、微观组织、显微硬度、残余应力为首要特征的表面完整性 定量表征模型。
机械加工零件表面完整性表征模型研究
作者:西北工业大学,曾泉人 (博士)、刘更(教授)、刘岚(副教授) 期刊:中国机械工程第21卷第24期2010年12月下半月
2015.5.7
主要内容
高速高效切削加工技术的现状及发展趋势
高速高效切削加工技术的现状及发展趋势一、前言目前,我国已成为世界飞机零部件的重要转包生产国,波音、麦道、空客等世界著名飞机制造公司都在我国转包生产从尾翼、机身、舱门到发动机等各种零部件,这些飞机零部件的加工生产必须采用先进的加工装备和加工工艺。
为此,国内各飞机制造公司均进行了大规模的技术改造,引进了大量国外先进的加工装备,使我国的飞机制造业设备的数控化率越来越高。
与此同时,大量高速、高效、柔性、复合、环保的国外切削加工新技术不断涌现,使切削加工技术发生了根本的变化。
刀具在航空航天加工领域的应用技术进入了以发展高速切削、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套技术为特征的新阶段。
与此形成鲜明对比的是,我国的装备制造业和以制造业为主要服务对象的传统的工具工业却无法满足航空航天工业对现代制造装备和先进加工工艺的要求。
下面结合我国航空航天工业加工技术的现状及发展趋势,着重介绍我国高效、高速切削刀具的生产应用情况,对我国工具工业的发展现状和存在的问题提出自己的看法。
二、航空航天工业加工技术的现状及发展趋势1.航空结构件材料的发展趋势及其特点①以整体件为代表的铝合金结构件为了提高零件的可靠性、降低成本和减轻重量,传统的铆接结构逐步被整体薄壁的机加工结构件所代替。
这类零件由于大部分是用整体实心铝合金材料制成的薄壁、细筋结构件,70%~95%的材料要在加工中去除掉,而高速切削产生的热量少、切削力小、零件变形小,因此提高生产效率的唯一途径是采用四轴或五轴联动机床进行高速铣削加工。
②以钛基和镍基合金零件为代表的难切削材料零件由于钛(镍)合金具有比强度高、热强度好、化学活性大等特点,目前飞机发动机重要部件采用钛基和镍基合金材料的逐渐增多。
采用高速切削后,其切削速度可提高到100m/min以上,为常规切削速度的10倍。
这类材料的加工特点是:切削力大、切削温度高、加工硬化和粘刀现象严重、刀具易磨损。
③以碳纤维复合材料零件为代表的复合材料结构件复合材料现已成为新一代飞机机体结构主要材料之一,如飞机上的大型整体成形的翼面壁板、带纵墙的整体下翼面等。
计算机仿真技术在机械切削加工中的发展现状及趋势
计算机仿真技术在机械切削加工中的发展现状及趋势随着科技的不断进步,计算机仿真技术在各个领域中发挥着越来越重要的作用,机械切削加工也不例外。
计算机仿真技术通过模拟和计算来模拟真实的加工过程,可以在实际加工之前预测和优化加工结果,提高加工效率和质量。
本文将探讨计算机仿真技术在机械切削加工中的发展现状及未来趋势。
现状目前,计算机仿真技术在机械切削加工中已经得到了广泛的应用。
在加工过程中,计算机仿真技术可以通过建立相应的模型来模拟切削过程,从而预测加工结果。
其中,有以下几个方面的应用:1.刀具路径优化。
计算机仿真技术可以通过模拟和计算,确定最佳的刀具路径,以降低加工时间和成本,提高加工质量。
2.冷却效果分析。
切削加工过程中,冷却是非常重要的一环。
通过计算机仿真技术,可以模拟不同冷却方式对切削过程的影响,以找到最佳的冷却方式。
3.切削力分析。
切削力是切削加工中一个重要的参数,对工件和机床的影响很大。
通过计算机仿真技术,可以准确地预测切削力的大小和方向,以优化切削加工参数。
4.切削表面质量分析。
切削表面质量是衡量切削加工质量的重要指标之一、通过计算机仿真技术,可以模拟不同切削参数对切削表面质量的影响,以帮助优化加工过程。
5.切削稳定性分析。
在切削过程中,切削稳定性是一个重要的问题。
通过计算机仿真技术,可以模拟不同切削参数对切削稳定性的影响,以找到切削过程中的稳定区域。
未来趋势随着科技的不断发展,计算机仿真技术在机械切削加工中的应用还有很大的潜力和发展空间。
下面是几个未来的趋势:1.多物理场仿真。
目前的计算机仿真技术主要关注机械方面的仿真,如切削力、切削表面质量等。
未来的发展方向是将多物理场仿真相结合,如热力学、流体力学等,以更全面地模拟和优化加工过程。
2.智能化仿真。
未来的计算机仿真技术将更加智能化,能够根据实际情况自动调整仿真参数,提高仿真的准确性和效率。
3.虚拟现实技术的应用。
虚拟现实技术的兴起为计算机仿真技术的应用提供了更好的交互方式,未来的发展趋势是将虚拟现实技术与计算机仿真技术相结合,以更直观、更真实地模拟和优化加工过程。
机械加工中的切削力模型研究
机械加工中的切削力模型研究导言:在机械加工领域,切削力的模型研究是至关重要的。
了解切削力的大小和方向,能够帮助我们更好地设计切削工具和工艺参数,提高加工质量和效率。
本文将探讨机械加工中切削力模型的研究现状和发展趋势。
1. 切削力的概述切削力是指在机械加工过程中,切削刀具对工件进行切削时所受到的力。
它由多个因素共同影响,如切削速度、切削深度、切削宽度、切削角度等。
切削力的大小对加工过程的稳定性和工件表面质量有着重要影响。
2. 切削力的模型研究方法为了准确描绘切削过程中的力学现象,研究者们提出了多种切削力模型。
其中最常用的方法包括实验测量、经验公式和数值模拟。
2.1 实验测量方法实验测量方法是通过搭建实验装置,对切削过程中的力进行直接测量。
通过对不同切削条件下的切削力进行实验观测,可以获得一定的切削力规律。
然而,实验测量方法在操作上比较繁琐,需要大量的时间和资源,并且只能获取离散的数据点。
2.2 经验公式方法经验公式方法是基于实验数据的统计分析,通过建立切削力与切削参数之间的经验关系式。
这种方法简便易行,常被工程师广泛应用。
然而,由于经验公式建立过程中的主观性,其适用范围有限,且无法解释切削力背后的物理本质。
2.3 数值模拟方法数值模拟方法是基于计算机模型来预测切削力。
通过建立切削区域、切削力分布等数学模型,利用有限元分析等方法进行仿真计算。
这种方法准确性较高,可以考虑多个因素的影响,但需要大量的计算资源和专业知识。
3. 切削力模型的研究现状目前,机械加工领域的研究者们对切削力模型进行了大量的研究。
除了以上提到的实验测量、经验公式和数值模拟方法外,还涌现出一些新的方法和理论。
3.1 极限切削力模型极限切削力模型是一种通过切削力与加工条件的解析表达式来描述切削力的模型。
该模型基于力学原理推导,可以直接计算出切削力的数值结果。
然而,该模型建立一般需要假设较多,适用范围有限。
3.2 人工智能方法近年来,人工智能技术的发展为切削力模型研究带来了新的思路。
难加工金属材料磨削加工表面完整性研究进展
难加工金属材料磨削加工表面完整性研究进展摘要:高温合金、钛合金、不锈钢等难加工金属材料在高端装备制造特别是在国防军工领域应用广泛。
砂轮磨削是难加工金属材料零件的重要加工方式。
然而,磨削过程的力-热强耦合作用对表面完整性影响显著,而表面完整性的优劣对零件服役性能具有直接影响。
本文综述了近年来难加工金属材料磨削加工表面完整性的研究进展,全面总结了表面完整性核心要素(如表面粗糙度、残余应力、显微硬度、微观结构等)的创成机理、影响因素及其作用规律以及预测与控制,并对表面完整性控制技术的发展趋势进行了展望。
关键词:磨削;表面完整性;金属材料高温合金、钛合金、不锈钢等难加工金属材料在国民经济各行各业,尤其是国防军工领域具有极其广泛且重要的应用。
镍基高温合金(如变形高温合金GH4169、铸造高温合金K424 及粉末冶金高温合金FGH96 等)由于优良的抗热疲劳性能、高温强度、耐腐蚀性、抗冲击性以及抗蠕变性能被广泛应用于燃气轮机与航空发动机热端部件以及核反应堆部件等;钛材料(如钛合金TC4、TC6;钛铝金属间化合物Ti2AlNb、γ-TiAl 等)具有密度低、强度高、抗腐蚀性好等优良特性,大量应用于航空发动机叶片、叶轮、叶盘和机匣等重要部件;超高强度钢(如300M)兼顾高强度、高韧性以及优异的耐蚀性能,应用于飞机起落架、核电设施等[1-3]。
目前我国航空航天、国防军工领域正处于攻坚克难的关键时期,发动机各个部件的加工方式在一定程度上决定了我国航空发动机的性能。
然而航空发动机所用的材料多为难加工材料,这些材料由于强度和硬度高、导热系数低等,在加工过程中往往会产生较大的切削力和切削温度,造成加工过程完成后表面完整性难以保证[4-5]。
其中,磨削是难加工材料及其零件的重要加工方式,具有加工表面粗糙度低、加工精度高等优点,尤其是现代磨削技术(如高速磨削、超高速磨削等)的加工效率也大幅提高[6],改变了粗切精磨的传统加工方式。
金属切削加工有限元模拟技术发展现状分析大学论文
金属切削加工有限元模拟技术发展现状分析摘要:随着科学技术的突飞猛进,人们对金属切削的掌握能力越来越高,同时也有了更高的要求,要求更高的效率,更高的精度,在这种情况下金属切削的有限元模拟技术应运而生,它的成本更低,操作更方便,对金属切削有很大的价值。
本文初步介绍了有限元法以及有限元法的当前发展,讨论了金属切削过程中有限元模型的类型,对所涉及的网格划分,刀-屑接触,以及分离准则等关键技术进行了研究。
关键词:金属切削:有限元法:刀-屑接触:有限元模拟Analysis of development status of finite element simulationtechnology for metal cutting processAbstract: With the rapid development of science and technology, people grasp of metal-cutting more and more, but also have higher requirements, requiring higher efficiency, higher accuracy, in this case the finite element simulation of metal cutting technology came into being, its lower cost, more convenient operation, the metal cutting is of great value.This paper introduces the current preliminary finite element method and finite element method, discussed the type of metal cutting process finite element model of the mesh covered knife - key technologies chip contact and separation criteria were studied.Keywords: Metal Cutting;Finite Element Method;tool-chip contact;Finite Element Simulation目录摘要................................................ 错误!未定义书签。
基于长疲劳寿命的钛合金Ti6Al4V铣削加工表面完整性研究
基于长疲劳寿命的钛合金Ti6Al4V铣削加工表面完整性研究一、本文概述钛合金Ti6Al4V因其优异的机械性能,如高强度、低密度和良好的耐腐蚀性,在航空、医疗和能源等多个领域得到了广泛应用。
然而,钛合金的高硬度、低热导率以及化学活性等特点,使得其加工过程具有挑战性,特别是在保证长疲劳寿命的前提下,对钛合金Ti6Al4V的加工表面完整性提出了更高的要求。
因此,本文旨在深入研究钛合金Ti6Al4V在铣削加工过程中的表面完整性,以期为提高其长疲劳寿命提供理论支持和实践指导。
本文将首先介绍钛合金Ti6Al4V的基本性能和加工特点,然后重点分析铣削加工过程中影响表面完整性的关键因素,包括切削参数、刀具材料和几何形状等。
在此基础上,通过实验研究和理论分析,探究这些因素对加工表面粗糙度、残余应力和表面微观结构的影响规律。
结合实验结果和理论分析,提出优化钛合金Ti6Al4V铣削加工表面完整性的策略和方法,为提高其长疲劳寿命提供科学依据。
本文的研究不仅有助于深入理解钛合金Ti6Al4V的铣削加工机理,还为钛合金零件的制造工艺优化和质量控制提供了有益的参考。
二、钛合金Ti6Al4V的铣削加工理论基础钛合金Ti6Al4V作为一种高强度、低密度的轻质金属,在航空航天、医疗器械和汽车制造等领域具有广泛的应用。
由于其优异的力学性能和耐腐蚀性,Ti6Al4V在承受高负荷和恶劣环境条件下表现出色,但同时也给铣削加工带来了一定的挑战。
因此,深入研究钛合金Ti6Al4V的铣削加工理论基础,对于提高加工效率、保证表面完整性和延长刀具寿命具有重要意义。
在铣削加工过程中,钛合金Ti6Al4V的高硬度、高强度和低热导率等特点使得切削力、切削热和刀具磨损等问题变得尤为突出。
切削力的大小直接影响着加工表面的粗糙度和刀具的寿命,而切削热则会导致工件表面产生热应力和热变形,进一步影响加工精度和表面质量。
因此,建立准确的切削力模型和热传导模型,对于分析铣削加工过程中的物理现象和预测加工结果至关重要。
难加工金属材料磨削加工表面完整性研究进展
难加工金属材料磨削加工表面完整性研究进展摘要:当前,中国航天和国防领域正处于攻坚克难的关键时期。
发动机各部件的加工方式在一定程度上决定了我国航空发动机的性能。
然而,航空发动机所使用的材料很难加工。
由于高强度、高硬度和低导热系数,这些材料在加工过程中往往产生较大的切削力和切削温度,导致加工过程完成后的表面完整性难以保证。
其中,磨削是难加工材料及其零件的重要加工方法,具有表面粗糙度低、加工精度高的优点,特别是现代磨削技术(如高速磨削、超高速磨削等),加工效率得到了极大的提高,改变了传统的粗切削细磨加工方式。
关键词:磨削;表面完整性;金属材料1表面完整性的创成机理及影响因素1.1表面粗糙度磨削表面粗糙度是表面完整性的重要参数之一,也是研究最广泛的内容。
用轮廓的算术平均偏差Ra和最大轮廓高度Rz来评价和表征。
这些参数能反映磨削工件表面的划痕高度和沟槽深度。
通常很难通过实验研究磨粒工作状态等因素对砂轮表面粗糙度的影响,所以现有的研究多采用建模方法。
目前,通过大量的研究,已经得出了一些可靠的结论。
例如,磨料颗粒在砂轮表面的切削刃更锋利,暴露高度越高,在磨削力和磨削温度的作用下,磨料颗粒被推入工件基体的深度越深。
工件表面划痕深度越大,两侧材料抬升越明显,导致表面粗糙度值越大;材料的塑性变形越大,磨料微切削去除材料后产生的划痕就越明显,表面粗糙度就会增加。
磨削机床振动或主动振动过程中应用超声振动改变磨料微切削材料的轨迹,从而影响表面粗糙度,采用立方氮化硼(CBN)杯形砂轮对超声振动和超声振动磨削实验条件进行了对比,结果表明:与非超声振动相比,超声振动使磨削表面粗糙度值降低了18%。
1.2残余应力残余应力是指在没有施加任何外力、应力或刺激(包括电、磁等)的情况下,材料内部的自平衡力。
磨削加工后的残余应力是机械作用引起的塑性变形、磨削热引起的塑性变形和材料组织相变(密度改变)共同作用的结果。
一般认为,在冷却条件适当的情况下,去除切屑过程中引起的材料机械塑性变形和磨削热量引起的材料热塑性变形是磨削加工残余应力形成的主要原因,机械塑性变形引起的残余应力一般为压应力;而由热塑性变形引起的残余应力表现为拉应力。
高速切削加工机床研究现状与发展趋势
高速切削加工机床研究现状与发展趋势王英飞(天津职业技术师范大学,天津 300222)摘要:高速切削机床由于其高效率、高精度的特点被广泛用于机械加工行业,随着经济、科学技术的发展,现在高速切削机床正朝着更高转速、更高切削速度、更高精度、更加智能化的趋势发展。
关键字:高效率;高精度;发展;趋势High-speed Cutting Machine Tool Research Status and Development TrendWANG Ying-fei(Tianjin University of Technology and Education, Tianjin 300222, China)Abstract:High speed cutting machine tools due to its high efficiency and high precision features are widely used in mechanical processing industry, with the development of economy, science and technology, high-speed cutting machine tool is now towards higher speed, higher cutting speed, higher precision, more intelligent development trend.Key words:high efficiency;high-precision;development;trend1、我国高速切削机床发展历史与现状我国在20世纪90年代初开始有关高速切削机床的研究。
研究内容包括水泥床身、超高速主轴系统、全陶瓷轴承及磁悬浮轴承、快速进给系统、有色金属及铸铁超高速切削机理与适应刀具等方面。
通过科技工作者的艰苦工作,各项关键技术都取得了显著进展。
车削加工表面粗糙度建模现状研究
车削加工表面粗糙度建模现状研究张帅;张顺国【摘要】表面粗糙度是表征加工质量的一个重要参数,对加工工件的性能有着重要影响,对表面粗糙度进行建模,可在加工前预测加工工件的粗糙度,进而提高加工质量,因此有必要对车削表面粗糙度的建模方法进行研究.文中将建模方法分成了理论建模和经验参数建模两种方法,针对理论建模方法,主要从机床、刀具、材料等方面分析影响表面粗糙度的因素,并分别介绍了各个影响因素的建模方法;对于经验参数建模方法,主要从具体使用的数学模型的角度,介绍了各种方法的建模过程.最后,对理论建模和经验建模两种方法进行了比较,阐明了各自的特点.【期刊名称】《机械工程师》【年(卷),期】2017(000)012【总页数】6页(P96-100,104)【关键词】表面粗糙度;理论建模方法;影响因素;经验参数建模方法【作者】张帅;张顺国【作者单位】中航工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司,哈尔滨150066;哈尔滨工业大学,哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TG501随着空间技术、清洁能源、电子技术、生物医学和超精密加工等技术的发展,对加工工件的表面质量提出了更高的要求。
粗糙度是表征工件加工质量的一个重要参数,对工件的使用性能有着显著影响。
要获得高质量的加工表面,就需要对加工表面的表面粗糙度进行数学建模,找出影响粗糙度的各个因素,并采用适当的数学方法对参数进行优化,从而得到在一定约束条件下最佳加工粗糙度数值。
为此,国内外学者针对粗糙度建模这一问题开展了大量研究,得到了很多有意义的结果,本文对国内外进行粗糙度建模的方法进行综述,阐述影响表面粗糙度的各个因素,并对不同方法的特点和使用情况进行总结,最后对各种粗糙度建模方法的优势和不足进行了分析。
1.1 我国国家标准对粗糙度的规定我国现行国家标准GB/T 3505-2009规定了5类、共计15个参数或者曲线来评价表面粗糙度,包括幅度参数(峰和谷)、幅度参数(纵坐标平均值)、间距参数、混合参数以及曲线和相关参数,其中幅度参数(峰和谷)中的轮廓总高度R t以及幅度参数(纵坐标平均值)中的评定轮廓的算术平均偏差R a和评定轮廓的均方根偏差R q是3个最常用的参数。
切削加工表面完整性研究现状解析
网络教育学院本科生毕业论文(设计)题目:切削加工表面完整性研究现状学习中心:层次:专科起点本科专业:机械设计制造及其自动化年级:年季学号:学生:指导教师:完成日期:年月日内容摘要机械加工得到的零件表面完整性特征可分为三类:(1)表面形貌特征:表面缺陷、表面纹理和表面粗糙度等;(2)表面机械性能:残余应力和显微硬度等;(3)金相组织变化:加工变质层、白层、夹杂物等。
本文围绕切削加工后零件表面完整性三类特征指标,系统论述了各自的研究发展历程,重点对表面粗糙度、残余应力、显微硬度、白层及变质层进行了归纳,概括了各自的研究方案、技术手段及研究成果。
关键词:切削加工;表面完整性;研究现状目录内容摘要 (I)前言 (1)1 切削加工表面完整性研究的发展 (2)1.1 表面完整性的提出及发展 (2)1.2 表面完整性研究意义 (2)2 表面粗糙度研究 (3)3 残余应力研究 (4)3.1 残余应力的生成机理研究 (4)3.2 残余应力影响因素的实验研究 (4)4 加工硬化研究 (5)4.1加工硬化的影响因素研究 (5)4.2 材料特性对工件加工硬化的影响 (5)4.3 显微硬度沿工件深度方向的分布规律研究 (5)5 切削加工白层研究 (6)5.1 白层的形成机制 (6)5.2 白层的影响因素研究 (6)5.2.1 切削参数对白层的影响 (6)5.2.2 工件材料特性对白层的影响 (7)6 变质层研究 (8)6.1 变质层的组织特点 (8)6.2 切削参数对变质层的影响 (8)参考文献 (9)前言机械加工得到的零件表面完整性特征可分为三类:(1)表面形貌特征:表面缺陷,表面纹理和表面粗糙度等;(2)表面机械性能:残余应力和显微硬度等;(3)金相组织变化:加工变质层,白层、夹杂物等。
零件的表面完整性影响着零件的后续加工以及最终使用性能,尤其在航空航天领域对关键零件的耐磨性能和耐疲劳性能要求很高。
表面完整性中的残余应力如果是残余压应力可以减小零件表面裂纹的扩展,提高耐疲劳性能,而拉伸残余应力则会加速表面裂纹的扩展,加速了零件的疲劳破坏,且在有应力集中或者有腐蚀性介质存在的工况下,残余拉应力对零件疲劳强度的影响更为突出;加工硬化会降低零件表面的塑形和韧性,对零件的疲劳强度和疲劳寿命不利,但是均匀的加工硬化有利于提高零件的硬度和耐磨性;白层有耐蚀和硬度高的特点,但是其内部常常含有裂纹,脆性大且与基体结合不牢固,容易发生早期剥落脱离;变质层的产生会引起加工表面产生残余应力和微观组织结构的改变,由于其组织均匀性较差且伴有裂纹,容易降低零件的耐磨性和耐疲劳性能。
对我国刀具涂层技术现状及发展趋势的认识
对我国刀具涂层技术现状及发展趋势的认识摘要:本文论述了我国刀具涂层技术的现状及未来发展趋势,为我国刀具涂层技术走持续、稳定及健康的发展道路提供了一定的见解。
关键词:刀具涂层技术:现状:发展趋势1前言制造业的发展离不开切削刀具,现代切削刀具已经成为提升制造业技术水平的关键因素之一。
切削加工的要求日趋提高;高速、高精度、高效、智能和环保成为切削加工的追求目标;被加工材料的能级不断提高;高强和超高强度材料、高韧性、难切削等材料层出不穷;新形势下对切削加工提出的特殊要求。
诸如加工硬度50HRC以上的硬加工、微润滑和无润滑的干切削不断涌现。
总之,切削加工中的个性化特点日见显现。
其对刀具进行徐层是机械加工行业前进道路上的一大变革。
它是在刀具韧性较高的基体上涂覆一层、二层乃至多层耐磨的难熔化合物,从而使刀具的性能得到极大改善。
经涂层的刀具可以提高加工效率、加工精度、延长寿命、降低成本,因而其受到世界各国普遍关注。
2我国刀具涂层技术的现状及存在的问题西方工业发达国家使用的涂层刀具占可转位刀片的比例已由1978年的26%上升到2005年的90%。
新型的数控机床所用的刀具中80%左右是涂层刀具。
瑞典山特维克可乐满和美国肯纳金属公司的涂层刀片的比例已达85%以上;美国数控机床上使用的硬质合金涂层刀片的比例为80%;瑞典和德国车削用的涂层刀具都在70%以上。
日本、俄罗斯涂层技术开发和应用也走在世界前列。
我国涂层刀具起步晚,但进步快。
其涂层网点遍布全国。
有不少城市都有自己的涂层中心,并承接对外加工业务,而且厂矿也不甘示弱。
国内几家大的工具厂拥有涂膜机都在10台以上,但多数应用在麻花钻等低端产品上。
德国等工业发达国家的涂层公司纷纷在我国安营扎寨,大搞涂层刀具对外加工。
我国从1970s初开始研究CVD涂层技术。
由于该项技术专用性较强,因此国内从事研究的单位并不多。
1980s中期,我国CVD刀具涂层技术的开发达到实用化水平。
其工艺技术水平与当时的国际水平相当。
高速切削加工技术的现状和发展
高速切削加工技术的现状和发展(1)中国工程院院士、山东大学艾兴教授一、概述机械加工的发展趋势是高效率、高精度、高柔性和绿色化,切削加工的发展方向是高速切削加工,在发达国家,它正成为切削加工的主流。
50年来,切削技术的极大进步说明了这一点:今天切削速度高达8000m/min,材料切除率达150~1500cm3/min,超硬刀具材料硬度达3000~8000HV,强度达1000Mpa,加工精度从10um到0.1um。
干(准)切削日益广泛应用。
随切削速度提高,切削力降低大致为25~30%以上;切削温度增加逐步缓慢;加工表面粗糙度降低1~2级;生产效率提高,生产成本降低。
高速切削技术不只是一项先进技术,它的发展和推广应用将带动整个制造业的进步和效益的提高。
在国外,20世纪30年代德国Salomon博士提出高速切削理念以来,经半个世纪的探索和研究,随数控机床和刀具技术的进步,80年代末和90年代初开始应用并快速发展到广泛应用于航空航天、汽车、模具制造业加工铝、镁合金、钢、铸铁及其合金、超级合金及碳纤维增强塑料等复合材料,其中加工铸铁和铝合金最为普遍。
不同材料的高速切削加工速度范围高速切削技术在国内起步较晚,20世纪80年代中期开始研究陶瓷刀具高速切削淬硬钢并在生产中应用,其后引起对高速切削加工的普遍关注,目前主要还是以高速钢、硬质合金刀具为主,硬质合金刀具切削速度≤100~200m/min,高速钢刀具在40m/min以内。
但在汽车、模具、航空和工程机械制造业进口了一大批数控机床和加工中心,国内也生产了一批数控机床,随着高速切削的深入研究,这些行业有的已逐步应用高速切削加工技术,并取得很好的经济效益。
二、高速切削加工理论基础(1) 切屑形成特征不同材料在不同状态下的切屑形态:(a) 供货状态,切削速度127.2m/min (b)硬度325HB,切削速度125.5m/min连续带状切屑(D.LEE)锯齿状切屑(c)硬度325HB,切削速度250m/min锯齿状切屑(d)硬度325HB,切削速度2600m/min即将分离的锯齿状切屑高速切削不同状态AISI4340钢(40CrNiMoA)时的切屑形态(纵截面微观照片)((b)、(c)、(d)从komarduri)切削渗碳淬硬20CrMnTi钢(HRC60~62)在100~110m/min时的切屑形貌工件材料及其性能和切削条件对切屑形态起主要作用,其中工件材料及其性能有决定性的影响。
钛合金切削加工研究现状及发展趋势
钛合金是一种常用的高强度、耐腐蚀的金属材料,广泛应用于航空、航天、医疗器械等领域。
因其在加工过程中难以切削的特性而备受关注。
本文将针对钛合金切削加工的研究现状及发展趋势展开深度探讨。
1. 钛合金切削加工的研究现状1.1 钛合金的特性钛合金具有高强度、良好的耐腐蚀性和低密度等优异性能。
然而,由于其低导热性和低切削刚度,导致切削加工时易产生高温和难以排除切屑的问题。
1.2 切削加工方法目前钛合金常用的切削加工方法包括钻削、铣削、车削等。
这些方法在实际应用中存在加工效率低、刀具磨损快、表面质量差等问题。
1.3 切削工艺优化钛合金切削加工的研究现状也包括了切削工艺的优化研究。
通过选择合适的切削参数、刀具材料和润滑方式,可以有效改善钛合金切削加工的效果。
2. 钛合金切削加工的发展趋势2.1 刀具材料的发展随着材料科学的发展,新型刀具材料的不断涌现为钛合金切削加工带来了新的希望。
纳米复合刀具、涂层刀具等新材料的应用将有效提高切削效率和刀具寿命。
2.2 切削加工技术的创新随着科技的进步,新型的切削加工技术不断涌现。
如超高速切削、超精密加工等技术的应用,将有望突破钛合金切削加工的局限性。
2.3 智能制造的发展智能制造以人工智能、大数据等技术为支撑,为钛合金切削加工提供了新的发展方向。
通过数据分析优化切削工艺、实现自动化生产,将进一步提高钛合金切削加工的效率和质量。
3. 个人观点和展望在钛合金切削加工的研究中,我们需要不断推动创新,积极探索新的切削加工方法和技术。
应结合智能制造的发展趋势,推动钛合金切削加工的智能化和自动化,从而实现高效、精准、可持续的生产。
期待未来钛合金切削加工技术的更大突破,为实际生产带来更大的价值。
总结回顾:钛合金切削加工一直是一个备受关注的领域,目前的研究主要集中在切削工艺的优化和刀具材料的发展上。
随着科技的进步和智能制造的兴起,我们有理由相信钛合金切削加工技术将迎来新的发展机遇。
希望未来能够有更多的科研成果和创新技术涌现,为钛合金切削加工领域带来新的发展机遇。
刀具与切削加工技术的发展现状与趋势
刀具与切削加工技术的发展现状与趋势作者:单凯来源:《中国新技术新产品》2012年第21期摘要:伴随机床工业的进一步发展,材料的可加工性成为一个问题,因此产生了各种加工刀具,更智能化和高效化的刀具成为首要选择。
刀具的结构材料方面也有了新的转变,本文从性状以及结构方面对这些刀具进行深入分析,对其使用现状进行总结,希望能够推进其应用的范围。
关键词:刀具切削;加工技术;结构中图分类号:TG113.26+4 文献标识码:A1刀具与切削加工技术的发展现状1.1开创了高速切削等新工艺,全面提高了加工效率。
高速切削作为一种新的切削工艺显示出独特的优越性。
首先,切削效率有显著的提高,加工铝合金缸盖的PCD面铣刀,铣削速度已达402lm/rain,进给速度5670mm/min;精加工灰铸铁缸体的CBN面铣刀,铣削速度已达2000m/min,比传统的硬质合金面铣刀提高了1O倍。
其次,高速切削对产品质量的达标也有积极作用,能够减少花费,减少生产周期,另外,对此工艺进一步深化,开发了干切削(准干切削、微量润滑切削)、硬切削(以车代磨、以铣代磨)等新工艺,使得加工的速度大幅度上升,并打破了传统切削工艺带来的差异性,并且提出了绿色制造的口号,注重环保,现在,硬切削手段已成为汽车齿轮内孔精加工、淬硬模具加工实用的高效新工艺。
1.2刀具的材料选择了硬度较大的合金材料,使得刀具的能用性不断增强,使用范围不断增大,成为能够支付应用的材料,这对切削的效率有直接的影响,材料颗粒变得越来越细,合金的硬度和柔韧性得到保证,用它制造的整体硬合金刀具,尤其是通用的量大面广的中小规格的钻头、立铣刀、丝锥等刀具,用来代替传统的高速钢刀具,进而切削的速率和效果都有绝对性的提高,使得刀具的广泛使用和高速完工有了有效而密切的结合,而切削工艺因此进入了高效化的阶段,为其后来的发展做出稳定的铺垫。
整体硬质合金工艺并且在许多复杂的地方得到了推广。
其次,硬质合金加压烧结等新工艺的开发和使用,使得合金的质量有所保证,对于各种差异性的加工办法使用新的专门性的牌号,使得硬质合金的性状和效果都有所提升,一方面使用了化学涂层的办法,并且抗塑性变形更强的工艺被制作出来,任性更好,使得涂层的性状都能符合要求,并符合应用标准。
表面完整性对疲劳性能的影响研究进展
表面完整性对疲劳性能的影响研究进展摘要:加工零件的疲劳破坏至关重要,受残余应力、棱边效应、表面应力集中和腐蚀环境等因素的影响。
本文阐述了国内外学者在切削加工和强化加工方面关于表面完整性对疲劳性能的影响研究现状,可为预估不同工艺方法加工零件的疲劳性能提供参考。
关键字:表面完整性、疲劳性能、切削加工、喷丸、超声强化疲劳是一个非常复杂的过程,构件疲劳失效受残余应力、应变硬化效应、缺口效应、材料静强度、棱边效应、表面应力集中以及腐蚀环境等众多因素的影响。
本文针对切削加工和强化两种工艺,综合分析了表面完整性的不同特征对疲劳性能的影响机理,阐述了国内外研究学者在表面特征(包括表面粗糙度不同维度的表征参数、表面形貌特征、表面沟壑或者划痕深度等)、残余应力、显微硬度、微观组织等特征对疲劳性能的影响规律方面的研究成果。
切削加工中刀具和工件的接触作用使材料去除(又称为减材制造),在这个过程中材料的去除作用使零件表面形貌发证变化,刀具和工件的界面接触作用产生的切削力和切削温度使工件表层的微结构和微力学特征发生了变化,这些特征变化的综合作用最终会导致工件的疲劳性能发生变化。
切削加工包含车削加工、铣削加工、磨削加工、拉削加工,这些加工方式产形成的零件表面的不规则程度用二维表面粗糙度各特征、三维表面粗糙度各特征或者表面三维形貌各特征进行表征。
表面粗糙度能准确表征加工表面上微小峰谷之间的距离和不平度,众多学者通过仿真和试验研究结果表明粗糙的表面加工刀痕越深,刀痕底部曲率半径越小,产生的应力集中越显著,从而增加裂纹成核概率,降低构件疲劳寿命。
所以学者提出了基于表面粗糙度特征,轮廓算数平均偏差Ra、微观不平度十点高度Rz、轮廓峰谷总高度Ry和加工刀痕平均谷底曲率半径表面应力集中系数能直观的描述加工后零件疲劳寿命随表面粗糙度特征的变化规律。
任敬心等[1]研究GH33A高周疲劳寿命,粗糙表面产生较大的应力集中和残余拉应力都会使疲劳寿命降低,表面显微硬度的增加会对疲劳寿命产生有益效果。
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第36卷第5期2014年9月沈阳工业大学学报Journal of Shenyang University of TechnologyV o l.36No.5Sep.2014收稿日期:2013-12-04.基金项目:国家自然科学基金资助项目(51205096);中国博士后科学基金资助项目(2013M531056);黑龙江省博士后基金资助项目(LBH -Z12138).作者简介:张为(1977-),男,辽宁阜新人,副教授,博士,主要从事高速切削技术、表面质量控制等方面的研究.*本文已于2014-06-1916ʒ54在中国知网优先数字出版.网络出版地址:http :∥www .cnki.net /kcms /detail /21.1189.T.20140619.1654.024.html檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪殏殏殏殏机械工程doi :10.7688/j.issn.1000-1646.2014.05.08切削加工表面完整性建模现状与发展趋势*张为a ,b ,程晓亮a ,郑敏利a ,张兆星a(哈尔滨理工大学a.机械动力工程学院,b.测控技术与仪器黑龙江省高校重点实验室,哈尔滨150080)摘要:针对切削加工表面完整性建模方法种类繁多且相互关系揭示不明等问题,总结了各表面完整性指标,包括表面形貌、残余应力、加工硬化和相变的主要建模方法,并从各建模方法的应用范围以及主要成果的角度概括了表面完整性建模的研究现状.论述了解析建模与数值建模方法在预测表面完整性各指标时的优缺点及内在联系,重点分析了数值模拟技术在表面完整性建模中的作用.指出了国内外表面完整性研究体系的区别及联系,并对表面完整性建模的发展方向作了展望.关键词:切削加工;表面完整性;表面形貌;残余应力;加工硬化;相变;解析建模;数值建模中图分类号:TH 161.14文献标志码:A文章编号:1000-1646(2014)05-0519-07Status and development trend of surface integrity modelingin metal cuttingZHANG Wei a ,b ,CHENG Xiao-liang a ,ZHENG Min-li a ,ZHANG Zhao-xing a(a.College of Mechanical and Power Engineering ,b.Measurement-control Technology and Instrument Key Laboratory of Universities in Heilongjiang Province ,Harbin University of Science and Technology ,Harbin 150080,China )Abstract :In order to solve the problems that the types of surface integrity modeling methods in metal cutting are various and the revelation for the relationship between the methods is not clear ,the main modeling methods for such surface integrity indexes as the surface morphology ,residual stress ,work hardening and phase transformation were summarized.From the view of both application scope and main achievements of each modeling method ,the research status of surface integrity modeling was generalized.The advantages ,disadvantages and their internal relationship of both analytical and numerical modeling methods in predicting each surface integrity index were discussed.In addition ,the effect of numerical simulation technology in the surface integrity modeling was mainly analyzed.The difference and relation in the research systems for the surface integrity at home and abroad were indicated.Moreover ,the development direction of surface integrity modeling was prospected.Key words :metal cutting ;surface integrity ;surface morphology ;residual stress ;work hardening ;phasetransformation ;analytical modeling ;numerical modeling切削加工的目的是获得精度和表面质量都符合要求的零件[1].切削加工后零件的表面质量也称表面完整性,主要包括两方面内容:一方面是几何方面的,即表面形貌,通常以表面粗糙度表示;第5期吕丹,等:PE /MMT 纳米复合材料制备及热性能另一方面是材料特征方面的,常称为表面变质层,包括表面层的加工硬化程度、结晶组织变化和残余应力等[1].表面完整性直接影响到零件的使用性能和寿命,因此,研究已加工表面的形成过程,对切削加工表面完整性进行实施预测和控制,一直是切削加工领域的一个研究重点.切削建模是研究切削加工的重要手段.切削模型可集成到加工工艺规程中以提高生产率和产品质量,对切削过程进行实时控制[2].表面完整性建模是切削建模的一个主要内容,有效的表面完整性模型能对切削加工表面质量进行预测和控制,对优化工艺参数和提高表面质量意义重大.目前常见的切削建模方法种类繁多,相互间联系密切,在预测表面完整性各指标时又各有侧重.国内外在表面完整性研究体系上有所差异,因此,有必要对这些内容进行系统总结,以促进切削加工表面完整性建模的发展.1表面完整性建模研究现状表面完整性常用建模方法有解析建模、数值建模、实验建模以及将这些方法有机组合的混合建模等.表面完整性主要建模方法的基本原理、主要预测内容、主要成果、优势及局限性对比如表1所示.表1表面完整性主要建模方法对比Tab.1Comparison of surface integrity main modeling methods建模方法基本原理主要预测内容主要成果优势局限性解析方法滑移线理论、能量最小原理或分形学等残余应力、相变与加工硬化及表面粗糙度几何建模残余应力和相变与加工硬化的2D模型、基于分形算法的表面微观形貌模型实用新型刀具的开发,简单情况下变量的快速预测通常仅限于2D分析,只存在一些简单的3D模型数值方法有限元、有限差分、SPH等无网格有限元法残余应力和相变与加工硬化残余应力和相变及加工硬化的2D、部分3D有限元模型能考虑材料本构关系,各过程变量的耦合关系需要输入材料模型,计算限制,例如网格的控制实验方法实验数据的曲线拟合表面形貌(表面粗糙度)表面形貌(表面粗糙度)经验模型快速估算性能参数只适用于实验范围混合方法结合其他方法的优势残余应力和相变与加工硬化残余应力快速准确预测、BP神经网络预测模型提高基本模型的功能和精度功能受所用基础模型的限制2表面形貌建模2.1表面形貌的主要建模方法及特点表面形貌的主要指标是表面粗糙度,即已加工表面的微观几何不平度,包括进给方向和切削方向.此外还有基于分形理论和基于一致结构理论的表面微观形貌表示方法[3],其中表面粗糙度在很大程度上决定了工件已加工表面的质量[1].表面粗糙度建模方法主要有几何建模与实验建模.几何建模主要建立考虑几何参数、振动和最小切削厚度等切削因素的几何模型[4-5].切削加工中,影响已加工表面形成的因素众多且有部分不可控因素,这些因素之间存在着相互耦合关系,这使得表面形貌的建模几乎是一个黑箱问题,因此,从理论上综合研究所有变量对表面粗糙度的影响是十分困难的.实验建模方法是在大量实验数据基础上,基于回归分析原理建立经验模型.在特定的工艺系统中,实验模型能克服几何模型无法考虑复杂过程变量的缺陷,是一种有效的表面形貌预测模型,其缺点主要是需要大量的实验数据.随着计算机软件和硬件技术的发展,神经网络等人工智能方法在预测表面形貌上也有所应用.很多工程表面形貌都不是严格意义下的自相似,而是统计意义下的自相似,统计意义下的自相似意味着一个局部的概率分布与整个表面的概率分布保持自相似性,这就是随机分形[6].使用分形几何能在所有尺度上对表面形貌特征进行分析、评价和建模,特别是对纳米尺度下的表面微观形貌.有学者用W-M等数学模型模拟分形表面并用所设计的分形算法对其进行分形分析[6].2.2表面形貌建模的发展状况近几十年不少学者发展了表面形貌的预测模型.在几何建模方面,哈尔滨工业大学王洪祥等建立了圆弧刃车刀金刚石车削表面微观形貌模型,并开发了考虑刀具几何参数、振动和最小切削厚025沈阳工业大学学报第36卷度的仿真程序,在亚微米CNC 超精密机床上的实验表明所建立的模型能预测金刚石车削加工将要获得的表面粗糙度[4].随着计算机应用技术的发展,学者们建立了考虑复杂切削因素的几何模型,借助CAM 仿真软件或数学仿真软件实现了表面形貌的仿真.Sylvain Lavernhe 等建立了五轴铣削加工中主要考虑刀具倾角、进给速率影响的表面形貌预测几何模型,经大量实验验证偏差基本都在5%以内,其模拟与实测表面形貌轮廓对比如图1所示[7].图1模拟与测量的表面形貌轮廓对比Fig.1Comparison in simulated and measured surface morphology profiles实验建模方面,山东大学王素玉以高速铣削加工试验数据为依据,利用多元正交回归分析法,建立了平面铣削45#钢和3Cr2Mo 模具钢表面粗糙度经验预测模型,得出了铣削参数对表面粗糙度的直接影响关系[8];Tugrul O 等基于线性回归和神经网络方法建立了预测表面粗糙度的预测模型,并指出神经网络模型预测效果较好[9].关于表面形貌建模的分形分析与建模方面,陆涛、曹伟、师汉民等在超精密加工的表面形貌预测中,发展了基于分形特征的表面微观形貌模拟.其分形模拟的表面和用扫描隧道显微镜测量的加工表面微观形貌的对比分析表明:分形维数(FD )是一个与测量尺度无关的参数,并且其大小反映了表面的粗糙程度,分形维数越大则表面越粗糙(如图2所示,图中N 为尺度数,H 为回归系数的最小二乘估计,r 为自相关系数).由于分形维数是一统计参数,因而可以用它建立起表面分形模型,用于摩擦磨损的表面建模和分析[6].目前,三维表面形貌预测模型已用于研究切削参数、刀具夹具磨损和振动等对表面粗糙度、尖点和波纹的形状与高度的影响,为正确的切削策略提供了有效参考;在硬态车削和立铣加工表面粗糙度预测中已考虑了刀具切削刃缺陷对表面粗糙度的影响;在薄壁零件的铣削研究中,所建立的模型能分析工件振动对表面形貌的影响[10-13].在上述表面形貌建模研究中,实验建模法以多元回归分析为主,一般只适用于实验条件范围内情况,移植到其他工艺系统上会产生很大偏差;分形建模也是一种数学统计方法,不能表达表面形貌形成的物理本质.因此,如何从切削加工的实际物理过程出发,结合切削加工中基本过程变量来进行表面形貌的建模,成为切削加工表面完整性建模的重要研究方向.图2分形维数不同的模拟表面分形分析Fig.2Fractal analysis for simulated surface with different fractal dimensions3残余应力建模3.1残余应力主要建模方法及特点残余应力是零件经加工(或热处理)、消除外力和温度场等作用后,仍留在物体内的平衡内应力,残余应力有类型、大小和方向之分[1].预测零件加工表面残余应力的主要方法是解析建模与数值建模.解析模型能在较短的时间内得到较为准确的结果.同时,解析模型可以详细准确解释各个参数的影响作用,因此也便于实现工艺参数的优化.然而残余应力是在复杂的工艺和几何变量综合影响下产生的,并且其他重要因素(如前次加工留下的残余应力)也很难在解析模型里考虑.有限元数值模型可以考虑这些影响,有限元模型能考虑复杂的材料本构,并可构造一个亚模型考虑相变与动态再结晶等复杂过程,使其能更深入地准确预测残余应力的分布.因此,尽管数值模型比解析模型花费的时间更多,但仍在残余应力建模中得到广泛应用[14].为了改进模拟的速度与精度,混合模型得到125第5期张为,等:切削加工表面完整性建模现状与发展趋势了发展.混合模型综合了解析模型和有限元数值模型的优势,能以较低的时间成本较精确预测切削加工中产生的残余应力[15].3.2残余应力建模的发展状况在过去的二十多年里,已加工表面残余应力的建模得到了极大关注和发展.由于需要考虑一些复杂因素对残余应力的影响,如切削条件、刀具几何参数、冷却条件,还有最近备受关注的微观结构改变和尺寸效应等,国内外相关单位为对此投入了很多研究[14].在解析建模方面,Wu和Matsumoto用解析模型研究了工件硬度对工件表面残余应力类型的影响[16];Liang S Y,Su J C建立了正交加工残余应力解析预测模型,通过大量不同工件材料的实验验证模型预测的残余应力与试验测得值吻合很好[17].在数值建模方面,比较有代表性的有Li J L 等利用二维热-力耦合有限元模型分析高速端面铣削淬硬钢SKD11的残余应力,该模型将三维端面铣削等效简化成二维正交切削,并将二次铣削对残余应力的影响进行了分析[18];哈尔滨工业大学孙雅洲等基于热-弹塑性有限元理论,建立了切削加工三维有限元分析模型,对切削航空合金材料A1212产生的残余应力进行了预测,并分析了二次切削对残余应力分布的影响[19];Umbrello D 用有限元方法模拟了切削参数和刃口参数对工件表面残余应力分布的影响规律,并结合神经网络方法对硬态加工表层残余应力进行了预测[20];Chen等研究指出正确的切屑模拟与温度分布预测是准确预测残余应力状态的关键[21];Umbrello 等研究表明正确的材料本构模型对残余应力的预测至关重要[22];Umbrello D等利用有限元软件子程序的扩展功能,将切削时的材料相变耦合进残余应力预测,探讨了微观组织相变对残余应力分布的影响[23].尽管残余应力建模已取得一些研究成果,残余应力的精确预测仍是个问题.残余应力分布的预测模型即使是采用正交切削模型,也还有很多硬性缺陷[2].在有限元数值模拟中,模型选用的材料本构关系及其对后期塑性变形、切屑形成、分离和折断的影响会造成模拟结果的失准[14].由于残余应力本质上是塑性变形、切削温度和相变综合作用的结果,建立考虑这些因素的综合预测模型,将切削应力、切削温度等过程变量的模拟与残余应力的模拟建立准确量化联系,才能得到精确的残余应力预测模型.4相变和加工硬化的建模国内学者认为,结晶组织变化对表面质量的影响主要表现在对残余应力和加工硬质层的影响上,结晶组织变化不作为表面完整性的衡量指标,而由于加工硬化对零件加工后的服役性能和使用寿命影响很大,选取表面层加工硬化作为主要研究对象.国外学者则把加工硬化看做是结晶组织变化的产物,例如在淬硬钢的硬态切削中,往往从相变影响白层形成的角度研究表面完整性,不把加工硬化作为表面完整性的指标,而把相变或结晶组织改变作为表面完整性的内容之一.由于相变与加工硬化的联系紧密,本文将两者的建模方法一起讨论.4.1相变和加工硬化的建模方法及特点随着计算机计算能力和解析模型预测能力的极大进步,出现了预测相变与加工硬化的解析建模方法,然而,解析模型很难全面考虑冶金变化、动态再结晶等由加工引起的薄层材料性质的变化[14].最近几年,人们更关注预测相变的数值模型的发展,数值模拟技术的材料本构模块能描述复杂的材料属性,使数值模型对相变的预测变得更全面和准确.数值模拟技术也具有开发定制用户子程序的能力,利用这些子程序能扑捉更复杂的现象,比如微观组织改变和动态再结晶等.尽管如此,有学者还是指出了数值模拟的不足:1)需要预设分离面;2)忽略了淬硬材料中切屑分离对材料的重要影响;3)在加工前切屑中单元方向改变了,而基体材料中并未改变;4)需要大量的实验数据、复杂的金相分析和耗时的显微结构系数辨识程序开发,大多数数值模型还没有足够的实例验证,其精度还不能确定[14].最近提出了结合先进实验方法的实验-有限混合模型[24],该模型把实验模型的实用性通过有限元代码在数值模型里表现出来,使混合模型在相变与加工硬化的预测方面优越于其他预测模型.4.2相变与加工硬化建模的发展状况4.2.1相变建模的发展状况解析建模方面,Chou和Evans通过假设白层是热驱动相变引起的,用解析方法预测了白层的形成[25].有限元建模方面,Attanasio A等建立了硬态车削AISI52100钢的有限元模型,研究表明,随着后刀面磨损加剧,白层和暗层厚度增大;而切削速度的增加使白层厚度增加,暗层厚度减小[26].Schulze等最近提出了一个预测切削225沈阳工业大学学报第36卷42CrMo4钢相变的有限元模型,该模型能预测奥氏体化的进程以及产生马氏体形态所需的温度,如图3所示[27].该模型还具有模拟主导相变过程的瞬时奥氏体化现象的能力,该模型还能模拟铁素体/珠光体、贝氏体、马氏体的产生.图3马氏体形态特征及转变温度Fig.3Morphological characteristics and transformation temperatures of martensite4.2.2加工硬化建模的发展状况加工硬化是不经热处理而由切削加工产生的硬化现象.表面层的加工硬化可使零件耐磨性提高,但脆性增加,抗冲击性能下降,增加后续加工难度和刀具磨损,因此必须给予重视[1].国内早期研究中,高维林等建立了考虑金属塑性变形过程中位错增值、螺型位错交滑移和刃型位错攀移过程的5阶段硬化位错解析模型,并利用计算机对理论模型进行了计算,计算结果和实验结果吻合很好[28];随后杨继昌和刘伟成确定了低速正交金属切削时工件表面层加工硬化深度的预报准则,并利用有限元法模拟已加工表面的形成过程,获得了加工硬化深度的数值解[29];近年来国内对加工硬化的研究多采用试验方法,华中科技大学王志光等对难加工材料不锈钢0Cr18Ni9设计正交切削试验,从显微硬度和微观结构两方面研究加工硬化现象[30];最近,张为等针对车削钛合金Ti-6Al-4V 的加工硬化进行了相关研究[31].国外学者从相变着手进行加工硬化的有限元数值模拟,如Umbrello 等用建立的元素混合法则、材料属性模型和基于硬度的流动应力模型预测了AISI52100钢的白层厚度和加工硬化[32].随后他们用混合模型方法建立了经验-有限元模型,预测了AISI 52100钢材料加工过程中白层与暗层的形成,如图4[32]所示.图4白层与暗层的形成Fig.4Formation of white and dark layers加工硬化是塑性变形和切削温度影响下的强化、弱化及相变综合作用的结果,因此建立切削力、切削热等过程变量与加工硬化的精确量化关系是未来模拟加工硬化的重要方向.5结论在表面完整性建模研究中,应用有限元技术的数值建模方法可以考虑工件材料复杂本构关系、切削过程中复杂过程变量及其耦合关系,这些优势使其成为表面完整性建模的重要手段.数值建模的基础是基于物理的解析模型,在全面深入理解切削机理基础上,建立更符合切削实际的物理过程解析模型,才能从根本上建立更先进的有限元数值模型,实现表面完整性的准确预测,因此,解析-数值混合建模将成为未来的发展趋势.综上所述,未来表面完整性建模的发展方向是:1)深入研究切削机理,建立准确反映切削物理过程的预测模型;2)发展预测表面完整性的混325第5期张为,等:切削加工表面完整性建模现状与发展趋势合建模方法,尤其是其他建模方法与数值建模方法的混合;3)对表面微观结构建模进行更深入的研究,以及对表面完整性进行宏观、微观、纳观多尺度建模;4)在切削模拟中建立切削应力、切削温度等切削过程变量与表面完整性指标的准确量化关系.参考文献(References):[1]韩荣第.金属切削原理与刀具[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2007:91-100.(HANRong-di.Metal cutting principle and tool[M].Harbin:Harbin Institute of Technology Press,2007:91-100.)[2]Jawahir I S,Brinksmeier E,SaoubiR,et al.Surface integrity in material removal processes:recent ad-vances[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,2011,60(2):603-626.[3]Arizmendi M.Model for surface topography prediction in peripheral milling considering tool vibration[J].CIRP Annals Manufacturing Technology,2009,58(1):93-96.[4]Roques C C,Bodin 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