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        微織構(gòu)硬質(zhì)合金立銑刀銑削高硅鋁合金的切削力研究

        2022-11-15 07:53:40劉銳周利平劉小瑩李凱
        工具技術(shù) 2022年9期
        關(guān)鍵詞:微織構(gòu)硬質(zhì)合金切削力

        劉銳,周利平,劉小瑩,李凱

        1西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院;2成都醫(yī)學(xué)院

        1 引言

        隨著我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展,機(jī)械加工也朝著更高水平發(fā)展。對(duì)航天航空、醫(yī)療器械和精密儀器等領(lǐng)域的關(guān)鍵零部件加工顯得尤為重要,同時(shí)對(duì)加工方式以及加工刀具提出了更高的要求。高硅鋁合金因其較低的熱膨脹系數(shù)、高耐磨性及穩(wěn)定性,具有很好的發(fā)展前景[1]。但高硅鋁合金屬于難加工材料,加工時(shí)會(huì)增加刀具的切削力和切削溫度,因此很大程度上縮短了刀具的壽命,降低了加工質(zhì)量,增加了加工成本。

        針對(duì)改善刀具切削性能的問題,學(xué)者們從不同方向進(jìn)行了相關(guān)研究,基于摩擦學(xué)和仿生學(xué)理論,提出了微織構(gòu)(微紋理)刀具。研究發(fā)現(xiàn),在刀具表面置入微織構(gòu)能夠降低加工過程中的切削力和切削溫度[2-4]。但現(xiàn)有的微織構(gòu)刀具切削鋁合金相關(guān)研究?jī)H分析了微織構(gòu)尺寸的寬度(直徑)、深度和間距三者中的兩個(gè)參數(shù)[5],并未將三個(gè)參數(shù)進(jìn)行整體研究。目前針對(duì)微織構(gòu)的研究主要集中于對(duì)微織構(gòu)的制備技術(shù)[6]、不同潤(rùn)滑下微織構(gòu)性能[7]、切削參數(shù)優(yōu)化等方面[8],而對(duì)具有微織構(gòu)的整體式硬質(zhì)合金立銑刀研究較少。

        為了研究微織構(gòu)參數(shù)對(duì)硬質(zhì)合金立銑刀銑削高硅鋁合金的切削力的影響,還需要對(duì)微織構(gòu)的寬度、深度和間距三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行深入研究。本文采用GU20硬質(zhì)合金刀具,運(yùn)用Deform-3D仿真軟件對(duì)微織構(gòu)硬質(zhì)合金刀具銑削高硅鋁合金進(jìn)行有限元仿真,并通過銑削實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,為加工高硅鋁合金的微織構(gòu)刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)提供標(biāo)準(zhǔn)化的參考。

        2 有限元分析

        有限元分析具有高效精確的數(shù)學(xué)算法,不僅降低了實(shí)驗(yàn)成本,同時(shí)節(jié)省了研究時(shí)間,提高了工作效率。Deform-3D軟件主要運(yùn)用在切削加工、熱處理和鍛造等方面,擁有標(biāo)準(zhǔn)的刀具庫(kù)及材料庫(kù),具有自適應(yīng)網(wǎng)格劃分的功能,使得求解過程更加精準(zhǔn),因此本文使用Deform-3D切削模塊進(jìn)行仿真分析。

        正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是分式析因設(shè)計(jì)的主要方法,當(dāng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)太多時(shí),可以選擇部分有代表性的水平組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn),以降低實(shí)驗(yàn)成本。通過對(duì)微織構(gòu)的參數(shù)變量分析,可以確定正交實(shí)驗(yàn)的因素與水平。在微織構(gòu)立銑刀銑削高硅鋁合金實(shí)驗(yàn)中主要研究溝槽形微織構(gòu)寬度、間距和深度對(duì)加工過程切削力的影響,因此將微織構(gòu)的寬度、間距和深度作為正交實(shí)驗(yàn)的三個(gè)因素,并對(duì)每個(gè)因素確立三個(gè)水平進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。通過前期查閱資料,最終確定正交實(shí)驗(yàn)水平參數(shù)如表1所示。

        表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平參數(shù) (μm)

        在不考慮因素交互作用的情況下,按照L9(33)正交表安排實(shí)驗(yàn),得到如表2所示的正交實(shí)驗(yàn)方案,其中,第10組為無微織構(gòu)對(duì)照組。

        表2 正交實(shí)驗(yàn)方案 (μm)

        3 有限元模型仿真

        3.1 銑刀模型建立及網(wǎng)格劃分

        采用SolidWorks軟件建立微織構(gòu)立銑刀的三維模型(見圖1),將刀具和工件模型保存為.stl文件并導(dǎo)入Deform-3D軟件,指定刀具和工件材料,其參數(shù)分別見表3和表4。

        圖1 微織構(gòu)銑刀模型

        表3 刀具材料(GU20)參數(shù)

        表4 工件材料(高硅鋁合金)參數(shù)

        切削用量決定了刀具的壽命和加工質(zhì)量。通過本實(shí)驗(yàn)室以往對(duì)高硅鋁合金CE11銑削研究,確定切削深度以及切削寬度為8mm,經(jīng)過前期研究及查閱金屬切削手冊(cè)可確定實(shí)驗(yàn)切削參數(shù):轉(zhuǎn)速為3000r/min,進(jìn)給速度為1200mm/min。由于本文僅研究微織構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)切削力的影響,在排除切削用量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響后,僅對(duì)這組切削用量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

        網(wǎng)格劃分決定實(shí)驗(yàn)精度,網(wǎng)格過大會(huì)使仿真結(jié)果不夠精準(zhǔn),網(wǎng)格太小會(huì)使得計(jì)算時(shí)間太長(zhǎng)。考慮到切削參數(shù)及仿真時(shí)間,刀具和工件均采用相對(duì)網(wǎng)格劃分,工件網(wǎng)格數(shù)設(shè)為50000個(gè),由于微織構(gòu)最小尺寸為50μm,因此刀具網(wǎng)格更細(xì)化,數(shù)量設(shè)為100000個(gè),網(wǎng)格尺寸比設(shè)為1,如圖2所示。

        圖2 網(wǎng)格劃分設(shè)置

        網(wǎng)格劃分后,需要對(duì)工件進(jìn)行邊界條件設(shè)置。將工件底面、側(cè)面進(jìn)行固定約束,同時(shí)打開外部熱交換按鈕進(jìn)行設(shè)定,如圖3所示。

        圖3 邊界條件設(shè)置

        3.2 仿真結(jié)果分析

        對(duì)正交實(shí)驗(yàn)方案的10組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行有限元仿真。仿真結(jié)束后,利用Deform自帶的后處理功能查看數(shù)據(jù),如圖4所示,將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為文本格式以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。經(jīng)過整理切削力數(shù)據(jù)見表5。

        圖4 后處理切削力

        表5 切削力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) (N)

        運(yùn)用MATLAB軟件繪制切削力值,變化趨勢(shì)如圖5所示。為了更加直觀地比較微織構(gòu)刀具和無微織構(gòu)刀具切削力值,用虛線表示第10組(無微織構(gòu)對(duì)照組)作為參考。

        圖5 切削力變化

        分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,切削力Fx,F(xiàn)y,F(xiàn)z之中,主切削力Fx變化最大,切深抗力Fz變化最小。此外,有微織構(gòu)刀具的切削力均明顯小于無微織構(gòu)刀具;根據(jù)計(jì)算可以得出主切削力Fx最多降低了16.6%,進(jìn)給抗力Fy最多降低了13.7%,切深抗力Fz最多降低了29.2%。

        為了研究微織構(gòu)參數(shù)對(duì)硬質(zhì)合金刀具切削性能的影響程度,結(jié)合正交試驗(yàn)方案表2對(duì)切削力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表5進(jìn)行極差分析,其中K1,K2,K3為該因素下(微織構(gòu)寬度、間距、深度)某一水平對(duì)應(yīng)的切削力之和,均按照水平值從小到大進(jìn)行分析,t1,t2,t3分別為K1,K2,K3的平均值,R為tmax和tmin的差值,R越大,表明對(duì)實(shí)驗(yàn)影響越大;R越小,則對(duì)實(shí)驗(yàn)影響越不顯著。令A(yù)為微織構(gòu)寬度,B為微織構(gòu)間距,C為微織構(gòu)深度,極差分析結(jié)果如表6所示。

        通過表6對(duì)三個(gè)方向的切削力分析可得出以下結(jié)論:①微織構(gòu)深度(因素C)對(duì)硬質(zhì)合金刀具加工時(shí)的切削力影響最大;②當(dāng)微織構(gòu)寬度為100μm(A2)時(shí),降低切削力的效果均比當(dāng)微織構(gòu)寬度為50μm(A1)和150μm(A3)更顯著;③當(dāng)微織構(gòu)深度為70μm(C3),微織構(gòu)寬度為100μm(A2),微織構(gòu)間距為150μm(B3)時(shí),主切削力Fx變化最小;④當(dāng)微織構(gòu)深度為70μm(C3),微織構(gòu)寬度為100μm(A2),微織構(gòu)間距為50μm(B1)時(shí),進(jìn)給抗力Fy變化最?。虎莓?dāng)微織構(gòu)深度為60μm(C2),微織構(gòu)寬度為100μm(A2),微織構(gòu)間距為150μm(B3)時(shí),切深抗力Fz變化最小。

        4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        在CNC-1270加工中心對(duì)有限元仿真結(jié)果進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,使用YLP-30激光打標(biāo)器進(jìn)行微織構(gòu)的制備,制備完畢后對(duì)刀具進(jìn)行打磨以及超聲清洗,以保證微織構(gòu)的質(zhì)量,微織構(gòu)刀具如圖6所示。選用Kistler壓電測(cè)力儀測(cè)量切削力,將工件按照要求固定在壓電晶體傳感器上,通過傳感器、數(shù)據(jù)采集卡以及計(jì)算機(jī)的交互作用,通過數(shù)據(jù)處理軟件將加工過程的切削力記錄下來,微織構(gòu)的參數(shù)及銑削實(shí)驗(yàn)條件與仿真分析條件保持一致。

        表6 切削力極差分析

        圖6 微織構(gòu)銑刀(第9組)

        在上述條件下進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn),利用Dynoware軟件截取穩(wěn)定切削區(qū)域的切削力平均值,則整個(gè)銑削過程的平均切削力如表7所示。

        表7 切削力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) (N)

        分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得:實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元仿真數(shù)據(jù)存在差異,但誤差較小且切削力值的大小變化規(guī)律保持一致,說明仿真結(jié)果數(shù)據(jù)準(zhǔn)確;通過對(duì)實(shí)驗(yàn)過程分析,銑削實(shí)驗(yàn)的誤差可能是由微織構(gòu)的精度、數(shù)據(jù)截取誤差和設(shè)備誤差等方面導(dǎo)致的。

        5 結(jié)語(yǔ)

        (1)通過微織構(gòu)硬質(zhì)合金刀具切削實(shí)驗(yàn)可以得出,在刀具表面合理布置微織構(gòu)能夠降低切削力,改善硬質(zhì)合金刀具的加工性能 ,其中微織構(gòu)刀具主切削力最大降低了16.6%,進(jìn)給抗力最多降低了13.7%,切深抗力最多降低了29.2%,有效解決了加工高硅鋁合金切削力增大的問題。

        (2)微織構(gòu)的寬度、間距和深度對(duì)切削力的影響程度存在差異,其中微織構(gòu)的深度對(duì)切削力的影響最大。

        (3)雖然仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所得的切削力存在差異,但是差異較小,并且數(shù)據(jù)的趨勢(shì)保持一致,因此也證明了仿真結(jié)果的可靠性。

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