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Improving fatigue properties of normal direction ultrasonic vibration assisted face grinding Inconel 718 by regulating machined surface integrity

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International Journal of Extreme Manufacturing 2024年第3期6卷 458-475页

作者： Nianwei Xu Renke Kang Bi Zhang Yuan Zhang Chenxu Wang Yan Bao zhigang dong State Key Laboratory of High-Performance Precision Manufacturing Dalian University of TechnologyDalian 116024People’s Republic of China Department of Mechanical and Energy Engineering Southern University of Science and TechnologyShenzhen 518055People’s Republic of China

Fatigue properties are crucial for critical aero-engine components in extreme serviceenvironments,which are significantly affected by surface integrity(SI)indexes(especially surface topography,residual stressσ_(res),and microhardness)after machining ***-direction ultrasonic vibration-assisted face grinding(ND-UVAFG)has advantages in improving the machinability of Inconel 718,but there is a competitive relationship between higher compressiveσ_(res)and higher surface roughness R_(a)in affecting fatigue *** lack of a quantitative relationship between multiple SI indexes and fatigue strength makes theindeterminacy of a regulatory strategy for improving fatigue *** this work,a model of fatigue strength(σ_f)_(sur)considering multiple SI indexes was ***,high-cycle fatigue tests were carried out on Inconel 718 samples with different SI characteristics,and the influence of ND-UVAFG process parameters on SI was *** on SI indexes data,the(σ_f)_(sur)distribution in the grinding surface layer for ND-UVAFG Inconel 718 samples was determined using the developed model,and then the fatigue crack initiation(FCI)sites were *** predicted FCI sites corresponded well with the experimental results,therebyverifying this model.A strategy for improving the fatigue life was proposed in this work,which was to transfer the fatigue source from the machined surface to the bulk material by controlling the SI ***,a critical condition of SI indexes that FCI sites appeared on the surface or in bulk material was given by fitting the predicted *** to the critical condition,an SI field where FCI sites appeared in the bulk material could be *** this field,thefatigue life of Inconel 718 samples could be improved by approximately 140%.

关键词： surface integrity fatigue strength Inconel 718 ultrasonic assisted grinding

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Laser-assisted grinding of RB-SiC composites:Laser ablation behavior and mechanism

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Chinese Journal of Aeronautics 2024年第1期37卷 362-376页

作者： zhigang dong Wenchao SUN Xintong CAI Feng YANG Yan BAO Renke KANG dongjiang WU Guangyi MA Fangyong NIU Key Laboratory for Precision and Non-traditional Machining Technology of the Ministry of Education School of Mechanical EngineeringDalian University of TechnologyDalian 116024China

Laser ablation is an important process during Laser-Assisted Grinding(LAG)of hard and brittle *** realize controllable material removal during laser ablation of RB-SiC composites,ablation experiments under different Laser Energy Density(LAED)and LAG experiments are *** rules and mechanism of physical phase,ablation morphology and crack characteristics caused by laser irradiation are *** forces of LAG and Conventional Grinding(CG)are *** results show that ablation surface changes from slight oxidation to obvious material removal with LAED increasing,and ablation depth increases *** ablation products change from submicron SiO_(2)particles to nanoscale particles and *** LAED promotes SiC decomposition and sublimation,which leads to the increase of C *** SiC phase forms corrugated shape in recast layer and columnar shape in Heat Affected Zone(HAZ)at 56 J/mm^(2).The cold and heat cycle leads to formation of fishbone *** ablation specimen under 30 J/mm^(2),the grinding force can be reduced by a maximum of 39%and brittle damage region is *** material removal and microcrack generated will significantly reduce the hardness and improve machinability,which can promote grinding efficiency.

关键词： RB-SiC Laser Ceramic Composites Grinding

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钨合金精密磨削砂轮磨损及对表面质量的影响机制

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湖南大学学报（自然科学版） 2024年第4期51卷 82-89页

作者：李干康仁科董志刚王浩王中旺鲍岩大连理工大学机械工程学院辽宁大连116024

为了满足钨合金零件的高精度和高完整性表面加工需求,实现钨合金磨削质量的控制和加工工艺的优化,通过分析砂轮磨粒种类和结合剂类型对砂轮磨损形式的关系,明确了超硬磨料砂轮在钨合金磨削加工中的优势.研究了磨粒粒度和磨削参数对钨合... 详细信息

为了满足钨合金零件的高精度和高完整性表面加工需求,实现钨合金磨削质量的控制和加工工艺的优化,通过分析砂轮磨粒种类和结合剂类型对砂轮磨损形式的关系,明确了超硬磨料砂轮在钨合金磨削加工中的优势.研究了磨粒粒度和磨削参数对钨合金磨削加工质量的影响规律,为制定合理的磨削工艺提供依据.通过磨削试验获得钨合金高精度和高完整性表面磨削加工工艺.研究结果表明,钨合金磨削过程中砂轮易磨损,超硬磨料砂轮更适合钨合金的磨削加工.金属结合剂金刚石砂轮在钨合金磨削加工的表面质量和加工精度方面表现出优越性.通过改进磨削参数,钨合金精密磨削后表面粗糙度可达18.9nm,实现了镜面磨削效果.

关键词：磨削加工表面粗糙度钨合金砂轮磨损磨削参数

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沉头孔螺旋铣削加工有限元仿真分析

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航空学报 2024年第1期45卷 275-286页

作者：盛方怡杨国林孟凡通董志刚康仁科高性能精密制造全国重点实验室大连116024

航空航天构件装配过程中需要加工大量沉头孔,难加工材料的大量使用给装配制孔技术带来了新挑战。螺旋铣孔是一种装配制孔新方法,配合特殊刀具可实现沉头孔加工,并且能够利用螺旋铣孔切削原理上的特点来提高沉头孔加工质量。首先,进行了... 详细信息

航空航天构件装配过程中需要加工大量沉头孔,难加工材料的大量使用给装配制孔技术带来了新挑战。螺旋铣孔是一种装配制孔新方法,配合特殊刀具可实现沉头孔加工,并且能够利用螺旋铣孔切削原理上的特点来提高沉头孔加工质量。首先,进行了沉头孔螺旋铣削加工的运动学分析,然后利用有限元仿真了钛合金材料沉头孔螺旋铣削过程。接下来,通过沉头孔螺旋铣削试验中的切削力和切屑形态对有限元仿真的准确性进行了验证。最后,使用建立的仿真模型分析了锪窝深度和工艺参数对钛合金沉头孔螺旋铣削过程中刀具所受切削力的影响规律。

关键词：螺旋铣孔锪窝沉头孔切削力有限元仿真

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碳纤维增强陶瓷基复合材料超声振动辅助铣削加工技术的研究进展

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机械工程学报 2024年第9期60卷 26-56页

作者：董志刚王中旺冉乙川鲍岩康仁科大连理工大学高性能精密制造全国重点实验室大连116024 大连理工大学辽宁省先进复合材料高性能制造重点实验室大连116024

碳纤维增强陶瓷基复合材料(C_(f)/SiC复合材料)具有良好的化学和热稳定性、高比强度、耐高温以及低密度等优点,被广泛应用于航空航天、高速列车以及核能等领域。目前陶瓷基复合材料构件普遍采用近净成形技术制备,但仍需进行二次加工以... 详细信息

碳纤维增强陶瓷基复合材料(C_(f)/SiC复合材料)具有良好的化学和热稳定性、高比强度、耐高温以及低密度等优点,被广泛应用于航空航天、高速列车以及核能等领域。目前陶瓷基复合材料构件普遍采用近净成形技术制备,但仍需进行二次加工以满足最终装配的尺寸精度和几何公差。然而,由于C_(f)/SiC复合材料具有各向异性和多相非均质的材料特性,其高效低损伤加工需求备受关注。因此,系统地综述了文献报道的C_(f)/SiC复合材料超声振动辅助铣削加工技术相关研究进展。首先概述了陶瓷基复合材料传统机械加工以及特种能场辅助加工技术的研究现状。其次,从陶瓷基复合材料超声振动辅助铣削加工过程中直角切削试验和有限元仿真两方面总结了材料去除机理和超声作用机制;介绍了陶瓷基复合材料超声振动辅助铣削中切削力建模的方法和陶瓷基复合材料加工表面损伤及其剩余强度方面的研究。最后,分析了陶瓷基复合材料超声振动辅助铣削加工的发展趋势以及展望未来研究方向。

关键词：陶瓷基复合材料 C_(f)/SiC复合材料超声振动辅助铣削材料去除机理铣削力模型加工损伤剩余强度

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蜂窝芯构件表面形状精度测量技术综述

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机械工程学报 2024年第14期60卷 1-10页

作者：秦炎康仁科王毅丹孙健淞董志刚大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室大连116024

蜂窝夹层结构是由具有特定几何形状的蜂窝芯与上下蒙皮粘接制备而成,蜂窝芯的表面形状精度也决定了整个夹层结构的强度和性能。蜂窝芯加工表面形状精度的测量和评价是保证加工精度的重要基础,但目前仍缺少理想的测量和评价手段。蜂窝芯... 详细信息

蜂窝夹层结构是由具有特定几何形状的蜂窝芯与上下蒙皮粘接制备而成,蜂窝芯的表面形状精度也决定了整个夹层结构的强度和性能。蜂窝芯加工表面形状精度的测量和评价是保证加工精度的重要基础,但目前仍缺少理想的测量和评价手段。蜂窝芯是一种非连续薄壁结构,其表面形状精度的测量采用接触式方法时,难以在薄壁上定位;非接触式测量时,其壁厚的尺度导致常规测量方法难以满足精度要求。针对蜂窝芯表面形状精度评价技术的研究需求,对现有的接触式和非接触式蜂窝芯表面形状测量技术的研究现状进行综述,详细介绍各个方法的测量原理、关键技术及目前的进展。预测未来蜂窝芯表面形状测量技术的发展趋势。

关键词：蜂窝材料蜂窝测量加工精度评价蜂窝面形精度非连续表面形状测量

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钨合金超声辅助划擦试验及仿真研究

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表面技术 2024年第6期53卷 133-143页

作者：卢文涛刘金帛张园鲍岩董志刚康仁科大连理工大学辽宁大连116024

目的揭示钨合金在超声辅助磨削加工下的材料去除行为。方法通过超声辅助划擦试验与有限元仿真相结合的方式,分析超声振动作用对材料表面形貌、截面轮廓、划擦力、温度、塑性应变及应变率的影响,探究超声振动作用下的材料去除和表面创成... 详细信息

目的揭示钨合金在超声辅助磨削加工下的材料去除行为。方法通过超声辅助划擦试验与有限元仿真相结合的方式,分析超声振动作用对材料表面形貌、截面轮廓、划擦力、温度、塑性应变及应变率的影响,探究超声振动作用下的材料去除和表面创成机理。结果钨合金在划擦过程中发生严重的塑性变形,在划痕两侧出现由耕犁作用而形成的隆起现象。超声辅助划擦形成的划痕表面鳞刺更少且未出现犁沟现象,且划痕深度相较于普通划擦增大14.1%,划痕宽度增大39%。随着划擦深度的增加,试验划擦力与仿真划擦力均线性增大,且仿真值与试验值误差为18.1%,验证了有限元仿真模型的有效性。超声振动作用下的划擦力呈周期性变化特征,使平均划擦力降低了43.2%。此外,仿真结果表明,超声辅助划擦相较于普通划擦,温度最高降低50%,表面塑性应变最高降低20%,超声冲击过程中材料的塑性应变率相较于普通划擦提高1个数量级,分离过程中塑性应变率最大降低2个数量级。结论超声振动作用可以有效降低划擦过程中的划擦力和划擦区域温度,增大冲击过程中材料的瞬时应变率,改善压头的切屑黏附现象,从而抑制划擦表面鳞刺的生成和犁沟的形成,改善表面质量。此外,超声振动作用还可以有效提高材料去除率。

关键词：钨合金单颗金刚石超声辅助划擦材料去除机理有限元仿真

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砂轮磨损检测技术研究:现状和展望

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中国科学：技术科学 2024年第7期54卷 1263-1287页

作者：李干鲍岩王中旺康仁科董志刚大连理工大学机械工程学院高性能精密制造全国重点实验室大连116024

砂轮磨损检测技术是保证磨削精度和工件质量的重要技术之一,砂轮的形状精度和磨粒状态直接决定了工件的磨削精度和加工效率.砂轮磨损测量结果也是对砂轮进行修整、更换和对磨削轨迹进行补偿的重要依据,掌握砂轮磨损检测技术对提高磨削... 详细信息

砂轮磨损检测技术是保证磨削精度和工件质量的重要技术之一,砂轮的形状精度和磨粒状态直接决定了工件的磨削精度和加工效率.砂轮磨损测量结果也是对砂轮进行修整、更换和对磨削轨迹进行补偿的重要依据,掌握砂轮磨损检测技术对提高磨削加工的稳定性与经济性十分重要.目前砂轮磨损检测技术研究结果尚不完善,难以为磨削加工中砂轮磨损的检测和补偿提供强有力的理论支撑,严重制约了砂轮磨损检测技术在磨削加工中的应用.针对砂轮磨损检测技术的研究需求,本文对国内外现有的砂轮磨损检测技术进行了综述,系统总结了砂轮磨损离线非接触式测量技术、离线接触式测量技术、在线在机测量技术和砂轮磨损的机外测量技术等研究现状,重点介绍了各种检测技术的测量原理和目前存在的技术难题.同时,提出了解决上述问题的可能性对策,并探讨了未来砂轮磨损检测技术的发展趋势和研究重点.

关键词：砂轮磨损磨损检测技术磨削状态监测轮廓检测

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薄壁CFRP管端面磨削及铣削加工质量对比

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复合材料学报 2024年第5期41卷 2503-2519页

作者：田俊超鲍岩康仁科张泽旭郭东明董志刚大连理工大学高性能精密制造全国重点实验室大连116024

阵列复材管是由薄壁碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)管在水平面内二维密排形成的蜂窝结构材料,可应用于航空航天等领域。为探索端面磨削和铣削阵列复材管的可行性,以CFRP管元胞为研究对象,考虑其薄壁特征引入切出角度为实验参数,并开展... 详细信息

阵列复材管是由薄壁碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)管在水平面内二维密排形成的蜂窝结构材料,可应用于航空航天等领域。为探索端面磨削和铣削阵列复材管的可行性,以CFRP管元胞为研究对象,考虑其薄壁特征引入切出角度为实验参数,并开展端面加工实验研究切出角度、刀具实际进给率、轴向切削深度和切削速度对已加工表面形貌和力的影响。结果表明:切出角度通过影响加工区域的材料支撑状态和纤维切削角影响损伤的类型及形成过程,过大或过小的切出角度均可能产生加工损伤;通过降低刀具实际进给率、轴向切削深度或提升切削速度均可一定程度上降低切削力并抑制端面磨削时小切出角度条件下的损伤,但上述措施无法抑制端面铣削损伤。端面磨削相比于端面铣削具有更大的高效低损伤加工工艺操作区间,建议优先选用。

关键词： CFRP 蜂窝铣削磨削加工损伤切削力

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飞秒激光加工参数对RB-SiC表面形貌的影响

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表面技术 2024年第3期53卷 162-169页

作者：吴东江刘成杨峰牛方勇董志刚马广义康仁科大连理工大学机械工程学院辽宁大连116081

目的揭示飞秒激光加工参数对反应烧结碳化硅(Reaction-Bounded Silicon Carbide,RB-SiC)表面形貌的影响规律。方法通过改变激光能量密度和有效脉冲数,研究RB-SiC表面烧蚀槽的形貌变化规律,确定飞秒激光加工RB-SiC的去除机理。采用扫描... 详细信息

目的揭示飞秒激光加工参数对反应烧结碳化硅(Reaction-Bounded Silicon Carbide,RB-SiC)表面形貌的影响规律。方法通过改变激光能量密度和有效脉冲数,研究RB-SiC表面烧蚀槽的形貌变化规律,确定飞秒激光加工RB-SiC的去除机理。采用扫描电镜、共聚焦显微镜、X射线能谱仪和拉曼光谱仪分析RB-SiC烧蚀前后的表面形貌演变行为。结果激光能量密度在0.62~10.48 J/cm^(2)时,Si富集区域形成凹陷结构,SiC颗粒区域形成周期性结构(Laser-Induced Periodic Surface Structures,LIPSS),周期约为970 nm。随着激光能量密度的增加,凹陷结构扩大加深,表面球形纳米颗粒增多,烧蚀槽宽度呈对数增长。有效脉冲数在69~1379,Si富集区域的去除量高于SiC颗粒区域的去除量。随着有效脉冲数增加,烧蚀槽深度显著加深,凹陷结构扩展成深坑结构,飞溅至烧蚀槽外侧的纳米颗粒聚集成团簇物,由Si、SiC和非晶态SiO_(2)构成的沉积物在烧蚀槽边缘形成堆积层。结论降低激光能量密度能够减少RB-SiC表面凹陷和纳米颗粒,有助于提升烧蚀形貌的一致性。增加有效脉冲数会促进烧蚀槽底部深坑结构的产生,进而扩大Si与SiC去除量之间的差异。

关键词：飞秒激光 RB-SiC 烧蚀槽表面形貌激光能量密度有效脉冲数

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