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考虑孔隙缺陷的CFRP微观切削仿真与实验研究

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复合材料学报 2023年第1期40卷 625-636页

作者：李树健周永超陈蓉李常平邱新义李鹏南湖南科技大学机电工程学院湘潭411201 湖南工程学院机械工程学院湘潭411104

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)在航空航天等领域应用广泛。在CFRP制造过程中难以避免会产生孔隙等缺陷,对后续的切削加工造成一定影响。在考虑了CFRP成型过程形成的孔隙缺陷基础上,运用有限元仿真模拟方法,从纤维-树脂-界面尺度建立... 详细信息

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)在航空航天等领域应用广泛。在CFRP制造过程中难以避免会产生孔隙等缺陷,对后续的切削加工造成一定影响。在考虑了CFRP成型过程形成的孔隙缺陷基础上,运用有限元仿真模拟方法,从纤维-树脂-界面尺度建立了含孔隙缺陷的CFRP微观切削仿真模型,研究了不同孔隙率条件下不同纤维排布方向的CFRP微观切削行为,并通过实验验证了仿真模型的正确性。研究结果表明:孔隙的存在会增加刀具的“空切”现象,从而对CFRP切削过程的切削力、材料破坏及亚表面损伤、材料能量等产生影响。随孔隙率的增加,切削力呈下降趋势,孔隙边缘的纤维产生整体断裂的倾向增加;孔隙对0°、45°和135°纤维排布方向的CFRP切削加工的面下损伤影响不大,在纤维排布方向为90°条件下,孔隙率高于3vol%时对加工表面的面下损伤具有较大影响;在材料内部能量耗散方面,“顺切”(纤维方向角小于90°)时的总耗散能低于“逆切”,随孔隙率增加,总耗散能降低。

关键词： CFRP 孔隙切削材料损伤有限元仿真

电弧离子镀和高功率脉冲磁控溅射AlTiN涂层及其切削性能研究

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表面技术 2022年第2期51卷 57-65页

作者：刘源丁继成许雨翔张宝荣赵志勇冯利民郑军王启民安徽工业大学先进金属材料绿色制备与表面技术教育部重点实验室安徽马鞍山243002 安徽工业大学材料科学与工程学院安徽马鞍山243002 广东工业大学机电工程学院广州510006 山西柴油机工业有限责任公司山西大同037000 上海新弧源涂层技术有限公司上海201114

目的比较两种沉积方法制备的AlTiN涂层的切削性能。方法利用高功率脉冲磁控溅射技术(HiPIMS)和电弧离子镀技术(AIP),在硬质合金车刀片上沉积AlTiN涂层,比较和研究两种AlTiN涂层的组织形貌特性及综合性能。利用扫描电子显微镜和X射线能... 详细信息

目的比较两种沉积方法制备的AlTiN涂层的切削性能。方法利用高功率脉冲磁控溅射技术(HiPIMS)和电弧离子镀技术(AIP),在硬质合金车刀片上沉积AlTiN涂层,比较和研究两种AlTiN涂层的组织形貌特性及综合性能。利用扫描电子显微镜和X射线能量色散谱仪,观察和检测涂层的生长形貌和元素含量。采用激光共聚焦扫描显微镜表征涂层的表面粗糙度。使用X射线衍射仪分析涂层的物相结构。使用纳米压痕仪测量涂层的纳米硬度以及弹性模量。通过干式车削试验研究涂层刀具的切削性能,并对其磨损机理进行分析。结果两种涂层均为柱状晶生长,HiPIMS制备的AlTiN涂层相较AIP制备的AlTiN涂层,具有更加光滑平整的表面。两者压痕硬度相近,约为30 GPa,但HiPIMS-AlTiN涂层的弹性模量更小。随着切削距离的不断增加,刀具后刀面磨损变得越来越严重,未涂层的车刀在切削1 min(180 m)时,磨损量超过200μm,达到了失效标准。在相同条件下切削9 min(1620 m),AIP-AlTiN和HiPIMS-AlTiN两种涂层刀具后刀面的磨损量分别为231μm和190μm,AIP-AlTiN涂层刀具已达到失效标准。结论干式车削316L不锈钢时,HiPIMS-AlTiN涂层刀具的切削寿命长于AIP-AlTiN涂层刀具,切削过程中,两种涂层刀具的主要磨损形式均为粘着磨损、磨粒磨损和氧化磨损。

关键词：电弧离子镀高功率脉冲磁控溅射 AlTiN涂层 316L不锈钢切削

变接触长度限制接触刀具车削不锈钢时的切削力及切削性能研究

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华南理工大学学报（自然科学版） 2022年第8期50卷 49-61页

作者：庞学勤邓文君李松青华南理工大学机械与汽车工程学院广东广州510640

AISI 316L奥氏体不锈钢作为典型的难加工材料,存在着加工效率低和加工过程热-力载荷大的问题。现有关于改善不锈钢加工性能的若干方法,如采用润滑措施、设计刀具表面结构等,均存在明显缺陷,例如,切削液的大量使用不利于环境和人体健康,... 详细信息

AISI 316L奥氏体不锈钢作为典型的难加工材料,存在着加工效率低和加工过程热-力载荷大的问题。现有关于改善不锈钢加工性能的若干方法,如采用润滑措施、设计刀具表面结构等,均存在明显缺陷,例如,切削液的大量使用不利于环境和人体健康,刀具表面结构的不合理设计反而会加剧刀具磨损。针对现有方法无法很好改善奥氏体不锈钢加工过程热-力载荷大等问题,文中设计了一种新型变接触长度的限制接触刀具,用于加工AISI 316L奥氏体不锈钢,其与传统限制接触刀具相比可以有效减小切削力和摩擦系数。研究中首先基于非等距剪切区模型和切削力学理论,建立了用于预测变限制接触长度的限制接触刀具在车削时的切削力半解析模型;然后,在硬质合金刀具前刀面上通过线切割和微细电火花加工出常规和新设计的限制接触形状(矩形以及梯形限制接触形状),并进行了大量实验用于验证预测模型。结果表明:利用所建立的半解析模型预测出的切削力与实验数据吻合较好;与传统限制接触刀具相比,变限制接触长度的刀具能明显减小切削力。此外,文中还对比分析了传统和变接触长度的限制接触刀具在干切削条件下对切削性能的影响,发现变限制接触长度的刀具比传统限制接触刀具能更有效地降低切削温度和减少刀具磨损。文中研究结果可为切削难加工材料的刀具的设计提供参考。

关键词：切削限制接触刀具变接触长度半解析模型切削性能 AISI 316L奥氏体不锈钢

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切削前角对刀齿线性切削岩石的影响

上海交通大学学报 2018年第11期52卷 1422-1428页

作者：欧阳义平杨启马健邱一平上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200240 上海交通大学高新船舶与深海开发装备协同创新中心上海200240 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240 上海交通大学海洋水下工程科学研究院有限公司上海200240

为研究切削前角对刀齿切削岩石的影响,利用自主研发的刀齿线性切削岩石试验装置对砂岩进行切削前角处于-40°~50°区间的切削试验.实时采集试验中刀/岩的相互作用力,记录所形成的切削槽形状,收集切削形成的岩石碎块并得到其粒径分布,进... 详细信息

为研究切削前角对刀齿切削岩石的影响,利用自主研发的刀齿线性切削岩石试验装置对砂岩进行切削前角处于-40°~50°区间的切削试验.实时采集试验中刀/岩的相互作用力,记录所形成的切削槽形状,收集切削形成的岩石碎块并得到其粒径分布,进而分析岩石碎块的分形特征;同时,利用碎块的分形维数定量描述碎块的粒径分布.结果表明:随着切削前角从-40°逐渐增加到50°,切削槽的宽度不断增大,尤其是在切削槽初始形成端;随着切削前角的增加,岩石碎块的分形维数、刀/岩的平均切向力和平均法向力均逐渐减小,且其均可采用切削前角的指数函数表示,平均切削力与平均法向力的比值处于0.56~1.84之间,且无规律性变化.

关键词：岩石切削切削前角切削力分形维数碎块分布

基于多弧离子镀TiAlCN涂层的结构、力学及切削性能研究

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中国陶瓷 2023年第4期59卷 21-28页

作者：王晓伟郭建英濮阳职业技术学院濮阳457000 河南大学濮阳工学院濮阳457099

为提高硬质合金刀具的切削加工性能,研究基于多弧离子镀技术在316L不锈钢及硬质合金(WC/Co)刀具表面制备了C掺杂TiAlCN涂层。首先采用扫描电子显微镜(SEM)、能量色散光谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)、X射线光电子能谱... 详细信息

为提高硬质合金刀具的切削加工性能,研究基于多弧离子镀技术在316L不锈钢及硬质合金(WC/Co)刀具表面制备了C掺杂TiAlCN涂层。首先采用扫描电子显微镜(SEM)、能量色散光谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)、X射线光电子能谱仪(XPS)分析了TiAlCN涂层的表面形貌、元素成分、物相结构、碳峰位及化学态信息;然后通过二维触针轮廓仪、三维光学轮廓仪、纳米压痕仪及摩擦磨损试验机表征了TiAlCN涂层的表面粗糙度、三维形貌、纳米硬度、弹性模量及摩擦系数;最后利用高速切削测试验证了TiAlCN涂层的切削加工性能。结果表明:TiAlCN涂层表面致密光滑,无针孔、凹坑等缺陷,表面粗糙度Ra为0.066μm;TiAlCN涂层的物相组成复杂,主要为TiN、Ti(C,N)及Ti_(3)Al(C,N),且涂层中形成了以sp^(2)及sp^(3)形式杂化的非晶碳;TiAlCN涂层的纳米硬度(H)、弹性模量(E)及H/E、H^(3)/E^(2)分别为34.18 GPa、398.57 GPa及0.086、0.25,非晶碳(a-C)的形成有助于阻碍涂层位错的运动、为裂纹的萌生及扩展提供空间,使涂层表现出高的硬度、良好的韧性及低摩擦系数(约为0.1);相较于未涂层刀具,TiAlCN涂层刀具表现出较为理想的切削性能,其切削磨损寿命约为未涂层刀具的3倍,且工件的表面加工质量稳定。

关键词： TiAlCN 微观形貌硬度切削

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颗粒流切削润滑研究现状及展望

表面技术 2021年第1期50卷 208-220页

作者：马利杰逄明华冯启高王占奎苏建修刘贯军河南科技学院机电学院河南新乡453003

切削润滑是实现高速、精密切削的必要条件,然而传统切削润滑技术与绿色制造要求之间的矛盾越来越突出,而颗粒流润滑是一种具有广阔应用前景的绿色切削润滑技术。首先,指出了传统浇注式切削润滑的问题和不足,最小量润滑(Minimum Quantity... 详细信息

切削润滑是实现高速、精密切削的必要条件,然而传统切削润滑技术与绿色制造要求之间的矛盾越来越突出,而颗粒流润滑是一种具有广阔应用前景的绿色切削润滑技术。首先,指出了传统浇注式切削润滑的问题和不足,最小量润滑(Minimum Quantity Lubrication,MQL)、液氮冷却等常见绿色切削润滑技术的优势和缺点,以及颗粒流润滑的特点。然后,论述了颗粒流切削润滑的颗粒介质输送和导入方式,包括填涂式、铺粉式、送粉式、流化式和雾化式。从车削、铣削、磨削、钻削四种加工工艺,综述了颗粒流切削润滑的工艺效果及参数优化。从颗粒介质的界面作用机理和颗粒润滑液的物理性能两个角度,概括了颗粒流切削润滑能够实现连续润滑和冷却的基本机理。在此基础上,分析了颗粒流切削润滑技术的优势及其发展过程中的问题。最后,从促进实践应用的角度,对颗粒流切削润滑技术进行了展望,从而为该技术的成熟和推广提供参考。

关键词：颗粒流切削润滑颗粒润滑剂供给工艺效果作用机理

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CFRP切削加工力热特性建模预测研究进展

航空制造技术 2022年第22期65卷 44-59页

作者：郭南陈燕钱宁孟祥军晏超仁刘元吉勾江洋南京航空航天大学机电学院南京210016 江苏集萃精密制造研究院南京210016 航空工业成都飞机工业(集团)有限责任公司成都610092

碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced plastics,CFRP)在航空航天领域中的应用越来越广泛,其切削加工性能引起了研究人员的广泛关注。对切削过程中的切削力或切削温度的精确预测,是验证有限元仿真模型准确性的基础,同时也... 详细信息

碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced plastics,CFRP)在航空航天领域中的应用越来越广泛,其切削加工性能引起了研究人员的广泛关注。对切削过程中的切削力或切削温度的精确预测,是验证有限元仿真模型准确性的基础,同时也是理解和优化切削过程的重要手段。因此,对CFRP切削过程力热特性建模预测方面进行综述,有助于研究人员掌握CFRP切削加工过程并提供借鉴。主要介绍了材料本构及损伤失效模型建立过程及方法,并综述了不同模型在正交切削、钻削及铣削过程力热特性预测结果。最后总结了目前有限元力热特性仿真预测模型的研究结论,并指出了该领域存在的问题和需要进一步探索的方向。

关键词：碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP) 有限元仿真(FEM) 力热特性建模预测切削

硼铸铁汽车引擎汽缸套切削加工用PCBN刀具材料的制备与切削性能研究

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矿冶工程 2022年第6期42卷 163-166,172页

作者：李妍崔志华王强天津中德应用技术大学中西机床技术培训中心天津300350 河南工学院车辆与交通工程学院河南新乡453000

介绍了一种硼铸铁汽车引擎汽缸套切削加工用PCBN刀具材料的制备方法,并对PCBN刀具材料配比、合成块组装以及烧结工艺参数进行了探讨。结果表明,PCBN刀具材料显微硬度为3 669HV、抗冲击次数63次、抗弯强度906 MPa、磨耗比8 858,证明PCBN... 详细信息

介绍了一种硼铸铁汽车引擎汽缸套切削加工用PCBN刀具材料的制备方法,并对PCBN刀具材料配比、合成块组装以及烧结工艺参数进行了探讨。结果表明,PCBN刀具材料显微硬度为3 669HV、抗冲击次数63次、抗弯强度906 MPa、磨耗比8 858,证明PCBN刀具材料具有良好的力学性能,在铸铁类零件的加工中有很好的应用前景。通过硼铸铁汽缸套切削加工试验,验证了合成的PCBN刀具材料具有良好的耐磨性,以此刀具加工硼铸铁类零件的表面粗糙度可达0.486μm。

关键词：聚晶立方氮化硼(PCBN) 立方氮化硼(CBN) 切削超硬刀具硼铸铁气缸套高速精加工表面粗糙度

PCBN刀具材料的性能及切削20CrMnTi合金钢试验研究

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矿冶工程 2022年第3期42卷 125-128,133页

作者：倪红海纪飞飞陈友广聂佳梅苏州健雄职业技术学院江苏苏州215411 江苏大学江苏镇江212000

以CBN为原料、TiCN和Al为结合剂,在1550℃、5.5 GPa高温高压条件下合成了不同CBN含量的PCBN刀具材料。对PCBN刀具材料进行了显微结构观察、力学性能(磨耗比、硬度)以及高速精密切削20CrMnTi合金钢的切削性能检测。结果表明,PCBN刀具材... 详细信息

以CBN为原料、TiCN和Al为结合剂,在1550℃、5.5 GPa高温高压条件下合成了不同CBN含量的PCBN刀具材料。对PCBN刀具材料进行了显微结构观察、力学性能(磨耗比、硬度)以及高速精密切削20CrMnTi合金钢的切削性能检测。结果表明,PCBN刀具材料的结合剂均匀分布在CBN颗粒周围,致密性良好;PCBN刀具材料的硬度、磨耗比与CBN含量成正比,CBN含量70%时,PCBN的硬度和磨耗比均最大,分别为32.97 GPa和7400;高CBN含量的PCBN刀具使用寿命更长。切削试验结果表明,PCBN刀具高速切削20CrMnTi合金钢时的磨损是黏结磨损、氧化磨损、扩散磨损以及局部剥落等各种磨损机制综合作用的结果。

关键词：立方氮化硼(CBN) 聚晶立方氮化硼(PCBN) 超硬刀具切削 20CrMnTi 磨损