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拼接模具硬态铣削过程刀具磨损及表面形貌研究

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拼接模具硬态铣削过程刀具磨损及表面形貌研究

作者：刘俊哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

大型汽车模具加工过程中不同受力区域硬度不同,为了提高模具加工效率,通常会对具有一定硬度差的拼接模具钢进行加工。在拼接模具加工过程中由于工件硬度高、型面结构复杂以及拼接硬度差的存在,使拼接模具铣削过程刀具-工件间摩擦特性复... 详细信息

大型汽车模具加工过程中不同受力区域硬度不同,为了提高模具加工效率,通常会对具有一定硬度差的拼接模具钢进行加工。在拼接模具加工过程中由于工件硬度高、型面结构复杂以及拼接硬度差的存在,使拼接模具铣削过程刀具-工件间摩擦特性复杂、刀具磨损严重、表面加工质量难以保证。针对上述问题,本文对拼接模具铣削过程中刀具工件摩擦特性、刀具磨损及工件已加工表面形貌进行研究,主要内容有以下几个方面:首先,对刀具工件的摩擦磨损特性进行研究。先通过有限元仿真对模具钢盘的摩擦磨损特性进行了研究,分析了模具钢与硬质合金磨损区域的应力分布规律;之后通过摩擦磨损实验得到了不同试验条件下的模具钢与硬质合金的摩擦磨损规律,最后借助扫描电镜研究了模具钢以及硬质合金的磨损机理。然后,通过铣削试验研究了拼接模具铣削过程刀具磨损形貌和机理。对不同主轴转速下的平面拼接工件铣削过程刀具磨损规律进行了分析;通过超景深显微镜对比了同一铣削参数下不同几何形状的拼接工件铣削过程中刀具磨损形貌的变化历程,之后借助扫描电镜和能谱分析仪对刀具磨损机理进行了分析,并对拼接工件铣削过程中不同刀具磨损量下的不同硬度区域的铣削力以及铣削力的突变进行了分析。最后,对拼接模具工件加工表面形貌进行了研究,主要分析了主轴转速、每齿进给量、铣削宽度、铣削深度以及刀具磨损对表面形貌的影响,分析了不同工艺参数下表面形貌的变化历程以及不同工艺参数下的表面粗糙度。通过对刀具工件摩擦磨损特性、拼接模具硬态铣削过程刀具磨损以及表面形貌的研究,研究结果可以对充分发挥刀具的切削性能、掌握其失效规律提供理论指导,并为降低刀具磨损,提高工件表面质量等提出解决的新思路。

关键词：拼接模具硬态铣削摩擦特性刀具磨损表面形貌

基于有限元仿真的拼接模具硬态铣削用刀具优化

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基于有限元仿真的拼接模具硬态铣削用刀具优化

作者：王彦武哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

汽车覆盖件模具具有结构尺寸大、表面形状复杂以及加工精度要求高等特点,且在局部位置上有特殊的硬度要求。因此,需要根据模具不同部位受力和复杂的形状特征采用不同硬度的曲面镶块拼接而成。球头铣刀是汽车覆盖件曲面拼接模具加工中最... 详细信息

汽车覆盖件模具具有结构尺寸大、表面形状复杂以及加工精度要求高等特点,且在局部位置上有特殊的硬度要求。因此,需要根据模具不同部位受力和复杂的形状特征采用不同硬度的曲面镶块拼接而成。球头铣刀是汽车覆盖件曲面拼接模具加工中最为常用的刀具,在多硬度拼接和曲面型面的特殊加工条件下,若球头铣刀刀具强度不足则刀具刃口关键部位会产生裂纹或微崩刃,明显降低刀具的锋利性,致使刀具破损失效,这不但导致加工成本的提高,还使得模具表面质量变差。基于以上问题,本文主要围绕加工凸曲面拼接模具(材料为Cr12MoV淬硬钢,高低硬度分别为60HRC和45HRC)所用球头铣刀的结构优化问题展开研究,主要内容如下:首先,基于ABAQUS软件展开拼接模具铣削仿真过程快速换刀和快速建模二次开发,解决以往手动重复建模带来的效率低和精度低等问题,该部分内容为后续刀具优化有限元仿真工作奠定基础。其次,对凸曲面拼接模具加工特性和刀具结构进行研究;其中凸曲面拼接模具加工特性部分分别从凸曲面和多硬度拼接两方面展开研究。对于刀具结构分析部分,首先通过数值方法对刀具结构进行数值解析,再针对不同刀具角度对凸曲面拼接模具铣削过程的影响进行分析,为刀具优化有限元仿真提供了理论基础。然后,对不同结构刀具铣削凸曲面拼接模具进行模拟仿真,利用ABAQUS有限元仿真软件建立铣削过程热力耦合模型,提取铣削过程中的铣削力和刀具温度等仿真结果,为后续刀具结构优化提供优化数据。最后,采用遗传算法对刀具结构进行优化,并通过四轴加工中心对优化出的刀具进行铣削实验,将优化后所得到的刀具实验结果与传统刀具铣削实验结果进行对比,进而验证优化的有效性。研究结果为提高凸曲面拼接模具加工质量以及降低加工成本提供有力支持。

关键词：拼接模具硬态铣削有限元仿真铣刀优化遗传算法

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汽车覆盖件拼接模具硬态铣削过程的动态特性

振动．测试与诊断 2017年第4期37卷 822-829页

作者：岳彩旭高海宁张海涛刘献礼哈尔滨理工大学机械动力工程学院哈尔滨150080

针对汽车覆盖件拼接模具铣削过程铣削力及振动信号测试失真问题,运用经验模态分解(empirical mode decomposition,简称EMD)结合小波阈值降噪原理,对铣削力及振动信号进行降噪处理。对降噪后的振动信号进行时频域分析,研究了不同切削参... 详细信息

针对汽车覆盖件拼接模具铣削过程铣削力及振动信号测试失真问题,运用经验模态分解(empirical mode decomposition,简称EMD)结合小波阈值降噪原理,对铣削力及振动信号进行降噪处理。对降噪后的振动信号进行时频域分析,研究了不同切削参数、切削进给方向对铣削拼接模具过程动态特性的影响,得到铣削方向由硬度大材料切向硬度小材料,走刀方向与拼接缝成30°夹角时铣削力突变值较小的结论。发现x,y,z方向的切削分力及振动幅值的突变值与轴向切深及进给速度呈现正相关,与切削速度是非线性关系的特性。该研究结果为汽车覆盖件拼接模具硬态铣削的工艺优化提供了理论支持。

关键词：拼接模具硬态铣削动态特性经验模态分解小波降噪

模具钢Cr12MoV硬态铣削过程切削力的研究

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工具技术 2013年第12期47卷 13-16页

作者：岳彩旭刘献礼史红邓洪财李玉甫程耀楠哈尔滨理工大学高效切削及刀具国家工程实验室

切削力是铣削机理研究的重要对象,与刀具磨损和已加工表面质量等指标关系密切。本文通过软件ThirdWave建立了球头铣刀高速铣削模具钢Cr12MoV的仿真模型。该模型采用了网格自适应技术和删除技术。成功实现了切削力的高精度仿真,并对仿真... 详细信息

切削力是铣削机理研究的重要对象,与刀具磨损和已加工表面质量等指标关系密切。本文通过软件ThirdWave建立了球头铣刀高速铣削模具钢Cr12MoV的仿真模型。该模型采用了网格自适应技术和删除技术。成功实现了切削力的高精度仿真,并对仿真模型进行了实验验证。模型分析了切入切出过程切削力的变化特性,同时也揭示了切削条件对切削力变化的影响规律。本研究成果可对切削工艺条件的合理选择提供借鉴。

关键词：硬态铣削模具钢Cr12MoV 切削力有限元仿真

H13钢硬态铣削切屑相变及加工表面完整性研究

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H13钢硬态铣削切屑相变及加工表面完整性研究

作者：闫振国山东大学

学位级别：硕士

H13钢硬态切削具有大塑性变形、高应变、高切削热等特点,切削区材料的晶体会发生剧烈的变形和材料相变,形成变质层。且切屑通常呈现锯齿状,锯齿形切屑变质层的存在对刀具与切屑之间的摩擦产生影响,影响切削温度、切削力与刀具磨损等,因... 详细信息

H13钢硬态切削具有大塑性变形、高应变、高切削热等特点,切削区材料的晶体会发生剧烈的变形和材料相变,形成变质层。且切屑通常呈现锯齿状,锯齿形切屑变质层的存在对刀具与切屑之间的摩擦产生影响,影响切削温度、切削力与刀具磨损等,因此研究切屑变质层的形成机理具有重要的意义。本文依托国家自然科学基金的资助,研究了切削过程应力、应变、温度场等物理量的形成机理,并探究了切屑变质层的相变机制,分析了加工表面完整性,为优化铣削工艺,获得性能符合要求的工件提供技术支持。主要研究工作如下:(1)建立了 H13钢硬态铣削二维有限元仿真模型,对铣削过程进行了仿真模拟,并对有限元模型仿真结果的有效性进行了验证。模型结果表明,铣削过程(顺铣)中,切屑的厚度由厚变薄,在铣削初始阶段切屑成锯齿状,进而随着刀具的运动,切屑厚度减小,切屑慢慢变成连续形态。与实验结果对比,仿真切削力的误差不超过10%,验证了有限元模型的准确性。研究分析了铣削过程中切削温度随切削速度与刀具钝圆半径的变化规律(2)基于有限元仿真的结果,分析了 H13钢切屑形成过程及变质层相变。研究了切屑背面与绝热剪切带内的应力、应变、温度分布与实验变质层分布规律。结果表明,切屑背面与绝热剪切带内变质层分布与应力、应变、温度高度吻合。绝热剪切带内变质层与晶粒变形、再结晶有关,切屑背面变质层的形成与相变有关。通过理论分析研究了硬态铣削过程中合金元素、应力、应变能对奥氏体化相变温度的影响规律。结合有限元仿真结果,对硬态铣削变质层尺寸进行了预测,预测结果与实验结果误差不超过15%,对变质层的相变机制研究有着重要的意义。(3)结合不同切削参数,研究了考虑刀具钝圆半径影响的H13钢硬态铣削表面完整性各评价指标变化规律。对加工表面形貌进行了分析,铣削表面形貌具有明显的周期性。分析了不同参数对表面粗糙度的影响规律,建立了考虑刀具钝圆半径影响的表面粗糙度的经验模型并进行了显著性检验。分析了不同参数对残余应力的影响规律,并建立了基于二次多项式的残余应力经验模型。以加工硬化作为评价指标分析不同参数条件下的工件表面质量,研究了表层显微硬度、表面层硬化程度随参数的变化规律。研究发现,加工硬化程度随钝圆半径的增大而显著增大。对工件亚表层的显微硬度分析发现,显微维氏硬度随层深的增大而逐渐减小,即随着层深的增大,塑性强化作用逐渐减小,热软化作用逐渐加强,在一定深度内热软化作用大于强化作用,硬度小于基体硬度。本研究分析了切屑变质层的形成机制,研究了 H13钢铣削加工表面完整性,可以为揭示H]3钢铣削机理、指导铣削加工工艺并获得良好的加工表面完整性提供技术支持。

关键词： H13钢硬态铣削有限元仿真相变变质层表面完整性

H13钢硬态铣削过程中的刀具磨损及其对表面完整性的影响

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H13钢硬态铣削过程中的刀具磨损及其对表面完整性的影响

作者：吕宏刚山东大学

学位级别：硕士

超硬刀具材料以及高性能机床的诞生和发展,促进了高速加工技术的广泛应用,硬态铣削技术作为高速加工的一个分支,引起了模具制造业的极大兴趣。相比于传统的磨削手段,对处于淬硬状态的模具钢进行切削可减少大量的磨削时间,缩短模具制造... 详细信息

超硬刀具材料以及高性能机床的诞生和发展,促进了高速加工技术的广泛应用,硬态铣削技术作为高速加工的一个分支,引起了模具制造业的极大兴趣。相比于传统的磨削手段,对处于淬硬状态的模具钢进行切削可减少大量的磨削时间,缩短模具制造工艺流程,减少热处理变形,降低工艺成本。H13钢是一种国内外广泛使用的热作模具钢,其服役过程中受到高温、高压和冲击的作用,工作条件恶劣。对表面粗糙度、微观组织、残余应力、加工硬化、相变等表面完整性指标的要求较高。模具钢硬态铣削过程中的刀具磨损除了使刀具丧失切削能力外,还会引起刀具刃口几何形状改变,增大切削力、切削热而使切削条件的恶化,进而影响加工零件的表面完整性。然而,人们对硬态铣削过程中的刀具磨损对表面完整性各指标的影响还缺乏全面认识,只有在充分了解刀具磨损及其对表面完整性影响的基础上,才能发挥硬态切削刀具的效能,降低刀具成本,同时能够更好控制加工表面完整性,获得可靠稳定的模具使役性能。本文系统研究了AISI H13钢硬态铣削过程中冷却润滑方式的作用效果,刀具磨损,及其对表面完整性的影响。研究了干切削、微量润滑(Minimum Quantity Lubrication, MQL)切削、低温油-气切削方式对切削力、表面粗糙度和残余应力的影响规律。MQL切削和低温油-气切削方式能显著降低切削力和表面粗糙度,增大残余压应力;切削参数会影响冷却润滑介质对切削过程的改善作用。研究了AISI H13/硬质合金刀具材料的滑动摩擦磨损行为,硬质合金磨损区域形貌比较规则,摩擦过程中硬质合金发生了磨粒磨损,粘结磨损和氧化磨损。分析了硬态铣削H13钢硬质合金刀具磨损形态和磨损机理,涂层破坏和粘结磨损为主要的磨损形式。低温油-气切削下的刀具寿命是干切削时的2倍以上,干切削时,刀具的失效形式以后刀面磨损为主,低温油-气切削刀具的失效形式为前刀面大块剥落。分析了刀具磨损对表面完整性的影响,随着刀具磨损的发展,加工表面几何纹理逐渐加深,干切削时,表面粗糙度在刀具磨损的初始阶段变化较大,而表面粗糙度和显微硬度在稳定磨损阶段保持稳定,在剧烈磨损阶段上升很快。采用低温油-气切削时,表面粗糙度和显微硬度随着刀具的磨损先上升,随后趋于稳定。工件表面的塑性变形在刀具磨损整个过程中都会发生,加工表面白层在刀具后刀面磨损剧烈时产生,但X射线分析没有发现相变。本文通过研究H13钢硬态铣削过程中的冷却/润滑作用效果、刀具磨损及其对表面完整性的影响,为改善加工质量,促进硬态铣削技术的推广与应用提供了技术支持。本课题得到山东省自然科学基金(Y2008F41)、教育部留学回国人员科研启动基金(教外司留2010-609)和山东大学自主创新基金(2009TS028)资助项目的支持。

关键词：硬态铣削刀具磨损表面完整性 H13钢绿色切削

H13钢硬态铣削三维表面形貌及残余应力建模

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H13钢硬态铣削三维表面形貌及残余应力建模

作者：张庆山东大学

学位级别：硕士

模具加工是目前我国现代制造业和企业模具生产的主要核心技术和关键工艺设备。模具成型可以有效的提高生产效率、提升产品质量、节约生产成本以及能源和重要原材料。H13钢（相当于国产4Cr5MoSiV1钢）是一种空冷硬化后仍可以发挥热力学... 详细信息

模具加工是目前我国现代制造业和企业模具生产的主要核心技术和关键工艺设备。模具成型可以有效的提高生产效率、提升产品质量、节约生产成本以及能源和重要原材料。H13钢（相当于国产4Cr5MoSiV1钢）是一种空冷硬化后仍可以发挥热力学作用的模具钢,因其良好的的机械-热力学性能被广泛用于热挤压模、热锻模和压铸模具的制作。模具的失效大多起源于表面,且与模具的表面形貌及粗糙度和残余应力等加工表面质量密切相关。随着先进的机床和优质刀具的进步与发展,硬态切削技术已经越来越广泛的应用于模具制造行业中。因此,通过研究硬态切削机理,对加工表面形貌和残余应力进行建模和控制,对于硬态切削技术在模具制造行业的推广应用具有重要意义。本文以H13钢硬态铣削为研究对象,结合数值建模、理论分析和铣削实验,构建了硬态铣削三维表面形貌数学仿真模型,研究了铣削表面粗糙度幅度参数和功率谱密度;并对硬态铣削表面层残余应力进行解析建模。主要研究工作如下:首先,构建了硬态铣削三维表面形貌模型,借助该模型进行仿真分析,给出了基于表面粗糙度幅度参数和金属去除率的切削参数优选方案。通过分析刀具切削刃与工件的相对运动轨迹,构建了三维表面形貌数学模型并对其进行了实验验证;利用该模型进行仿真分析,研究了每齿进给量和径向切削深度的比值（r）与乘积（p）对表面粗糙度幅度参数的影响,发现对于不同的铣削方式,表面粗糙度幅度随p和r的变化规律并不相同:圆形可转位刀片铣削条件下,表面粗糙度随p和r的变化趋势轮廓类似呈指数函数曲线;而对于球头铣削,不同p值条件下,粗糙度随r值的变化趋势轮廓类似“对号函数”。通过引入p和r两个变量,将表面粗糙度与金属去除率联系起来,给出同时兼顾两者的切削参数优选方法。其次,借助所构建的硬态铣削三维表面形貌模型研究了 p值和r值对表面粗糙度功率谱密度的影响规律。对实验所得表面和仿真模型构建的表面的功率谱密度进行了对比验证,对比结果显示通过本文的表面形貌模型可以比较准确的计算出与实际相符的表面功率谱密度。研究了表面功率谱密度随切削参数的变化规律:对于一维功率谱密度,径向切削深度方向第一峰值对应ae,进给方向的峰值对应fz,而径向切削深度方向第二波峰是fz和ae共同作用的结果;二维功率谱密度峰值对应的进给方向的波长与每齿进给量近似相等,而径向切削深度方向的波长只受p值影响;对于同一加工表面,角谱波峰的数量与三维表面形貌中残留高度的数量近似相等;p值对表面能谱分布方向的影响不大,影响表面能谱分布方向的主要因素是r值。最后,结合弹塑性力学、金属切削原理和接触力学构建了硬态铣削表面残余应力解析模型。通过构建辅助平面,定义辅助角度,采用不均匀分布的剪切带模型计算了硬态铣削过程中第一变形区内的材料流动应力;通过齐次坐标变换和面热源法进行切削温度模型的构建,通过该模型可求得工件内一点在铣削过程中任一时刻的温升;将上述计算结果作为输入载荷,利用弹塑性力学和接触力学原理实现了加工过程中工件内应力的弹性加载、塑性加载/卸载和应力释放过程,对硬态铣削表面残余应力进行解析建模并进行了实验验证。本研究可为硬态铣削表面几何特征和力学特性的表征与研究,以及基于表面粗糙度幅度参数、功率谱密度和残余应力的切削参数的优选提供理论指导以及数据支撑。

关键词：表面形貌建模功率谱密度残余应力硬态铣削 H13钢

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H13钢硬态铣削表面变质层研究

工具技术 2019年第6期53卷 14-18页

作者：胡瑞泽张松山东大学机械工程学院高效洁净机械制造教育部重点实验室山东大学机械工程国家级实验教学示范中心济南市250061

硬态切削中表面变质层对工件的物理力学性能和服役性能有重要影响。针对表面变质层厚度与晶粒细化程度问题,进行了H13钢硬态铣削正交试验,分析了变质层厚度与加工表面层微观组织演变的关系;建立了表面变质层厚度S关于切削速度v、径向切... 详细信息

硬态切削中表面变质层对工件的物理力学性能和服役性能有重要影响。针对表面变质层厚度与晶粒细化程度问题,进行了H13钢硬态铣削正交试验,分析了变质层厚度与加工表面层微观组织演变的关系;建立了表面变质层厚度S关于切削速度v、径向切削深度ae、每齿进给量fz的预测模型。结果表明:变质层厚度越大,加工表面晶粒细化程度越高;白层的产生会弱化晶粒细化程度;回归模型可以较为准确地预测加工表面变质层厚度。

关键词： H13钢硬态铣削微观组织表面变质层

模具钢Cr12MoV凸曲面铣削表面质量研究

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模具钢Cr12MoV凸曲面铣削表面质量研究

作者：仲昭楠哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

随着我国汽车产销量的逐步提升,模具制造业的发展也日益受到广泛关注。硬态铣削技术因其具有加工效率高、加工质量好的优点被广泛应用于汽车覆盖件模具制造领域。在模具铣削工艺中,若加工参数选择不合理则会导致模具型面精度低,表面疲... 详细信息

随着我国汽车产销量的逐步提升,模具制造业的发展也日益受到广泛关注。硬态铣削技术因其具有加工效率高、加工质量好的优点被广泛应用于汽车覆盖件模具制造领域。在模具铣削工艺中,若加工参数选择不合理则会导致模具型面精度低,表面疲劳寿命不理想等缺陷,因此控制已加工表面质量是模具精加工工艺中的重要指标。本文围绕模具钢Cr12Mo V凸曲面硬态铣削工艺,借助实验研究和理论分析等手段,针对已加工表面粗糙度、表面形貌、残余应力以及表面硬度等表面质量指标展开研究,进而得到表面质量考察指标相对优化的切削条件。从凸曲面铣削工艺过程中球头铣刀与工件表面接触特性入手,揭示了铣削过程中不同位置下的刀具-工件接触关系,得到了不同刀具位置角下刀具的有效切削半径。通过正交试验研究,得到了主轴转速、每齿进给量、切削深度和切削宽度对曲面铣削过程平均铣削力的影响规律,试验结果为表面质量的研究提供了力学特性基础。针对曲面铣削过程不同位置刀具与工件接触特性不同的特性,在揭示切屑层厚度随刀具轨迹变化规律的基础上,采用全离散方法对曲面铣削过程的动态特性进行了研究,得到了不同刀具位置下刀具和工件接触特性及铣削稳定域仿真结果,并通过铣削实验验证稳定域预测结果的准确性。以主轴转速、每齿进给量、切削深度和切削宽度为研究变量,通过四因素四水平正交试验分析了铣削参数对表面粗糙度、残余应力和表面硬度的影响规律,并得到各考察指标的水平效应与极差分析结果,进而得到了考察指标的主次影响规律。本文研究结果为实际加工工艺中曲面已加工表面质量的控制提供了理论依据和实际参考。

关键词：表面质量硬态铣削凸曲面模具钢Cr12MoV 参数优化