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[硕士论文] 杨二景
机械设计及理论 集美大学 2018(学位年度)
摘要:《中国制造2025》国家战略是中国未来制造业的发展蓝图,我国制造业将面临新的机遇和挑战。面对国内外轮胎模具产品需求日益饱和的情况,国内轮胎模具企业迫切需要改变当前的生产组织方式,以适应轮胎模具产品高质量、多品种、快速响应市场需求的特点。本文以某轮胎模具产品为研究对象,将当前最先进的数字化设计方法——基于模型定义(MBD)的技术首次引入到轮胎模具产品的设计制造过程中。
  文章从基于模型的设计、基于模型的加工工艺、MBD数据模型以及MBD模型的轻量化与可视化等四个方面对MBD技术的应用情况进行总结,重点介绍了MBD的核心内容——三维标注技术。接着对轮胎模具CAD研究现状进行介绍,面对二维工艺信息的表达方式与先进制造工艺及装备已不相适应的矛盾,文章研究了MBD技术条件下轮胎模具三维工艺信息表达方式。
  论文首先对轮胎模具的制造工艺特点进行介绍,并对活络模主要零部件加工工艺进行了分析,根据活络模零部件设计制造特点对零部件进行有效分类,在此基础上提出轮胎模具零部件面向制造工艺的规范化设计模型。为了适应MBD技术的应用环境,保证设计与工艺数据的一致性,讨论了在NX软件上构建轮胎模具主要零部件三维MBD模型的方法。由于轮胎模具花纹特征结构复杂,将花纹整体特征简化为电极工艺特征,开发了电极花纹腔体参数提取和修改程序,并在MBD规范下进行PMI标注。接着在轮胎模具三维MBD模型基础上,采用特征抑制方式来构建电极工序模型,并利用UG二次开发技术和PMI三维标注技术对工序信息进行三维标注。最后,开发了基于MBD轮胎模具工艺系统,该系统以三维工序模型为核心通过PMI三维标注来表达电极设计制造信息。
  本文采用基于视图管理的方式来组织管理工序模型,以JT数据格式为媒介,将轻量化的三维可视化工艺信息输出到工艺卡中,企业利用工艺卡来进行工艺会签和车间指导。
[博士论文] 陈健
机械工程 广东工业大学 2018(学位年度)
摘要:传统硬质合金是由均匀分布的碳化物陶瓷相骨架与金属粘结相交错形成的复合材料。其均匀结构决定了传统硬质合金的耐磨性和断裂韧性两者之间存在着此消彼长,难以同时提升的矛盾。传统硬质合金的这一显微结构-宏观性能的局限性严重限制了其在高硬度、难加工材料切削加工中的应用。梯度结构硬质合金为解决传统硬质合金耐磨性和断裂韧性无法同时提升这一矛盾提供了一种有效途径。目前,梯度硬质合金的制备方法主要包括表面渗碳与表面渗氮两种方法。相对于表面渗碳技术,表面渗氮可以制备表面富立方相(Ti(CN))的特殊结构梯度硬质合金,可以更大程度提升刀具切削性能。目前对于渗氮制备梯度结构硬质合金的研究主要集中在固相渗氮方面,所得的梯度表层以WC基硬质合金为主,尚无法明显提升其使用性能。而对于通过液相渗氮制备梯度硬质合金的研究在国际国内尚处于早期探索试错阶段,对于金属粘结相的含量、类型、WC晶粒尺寸、渗氮工艺、尤其是氮气压强等关键材料及工艺因素对梯度结构形成机理的研究尚未展开,也很少涉及对于渗氮处理过程中硬质合金梯度结构演变的热力学与动力学理论,无法达到对梯度硬质合金显微结构的精准控制,从而严重限制了梯度硬质合金耐磨性-断裂韧性优化组合的巨大潜力。
  本研究基于当前梯度硬质合金渗氮研究的现状,深入探索渗氮过程中硬质合金材料体系、渗氮工艺对硬质合金梯度结构演变的控制机理,集中研究材料体系中Co含量,不同粘结相,WC晶粒尺寸以及烧结工艺中的渗氮压强等对梯度硬质合金微观结构的影响机制,揭示了梯度硬质合金的材料成分、烧结工艺、梯度微观结构之间的关联关系,系统建立了渗氮过程梯度硬质合金热力学与动力学理论模型,成功合成了具有特殊双层结构的梯度硬质合金,并对双层结构梯度硬质合金刀具的切削性能与摩擦磨损性能进行了深入研究。与此同时,本研究对双层结构硬质合金刀具的CVD金刚石涂层工艺过程进行了重点探索。本研究发现:
  (1) WC-TiC-Co硬质合金材料体系可以通过在氮气气氛下液相烧结形成以Ti(C,N)基金属陶瓷表层与粗晶WC基硬质合金过渡层为特征的双层结构梯度硬质合金,其中表层具有更高的硬度、耐磨性而过渡层具有更高的韧性,而且表层与过渡层的厚度与微观组织可以通过材料设计及烧结工艺进行精确调节。这一双层结构梯度硬质合金显示出比常规硬质合金更好的耐磨性和断裂韧性组合。
  (2)在硬质合金材料体系中,WC晶粒度、TiC含量及粘结相类型对渗氮工艺过程中梯度结构的形成及演变具有关键作用。WC晶粒度的增加以及TiC含量的增加都明显促进了表层富立方相的双层梯度结构的形成和生长,而Ni基粘结相相对于Co基粘结相可以更为显著地增加金属陶瓷表层的厚度。
  (3)渗氮工艺过程中氮气压强对于双层梯度结构演变的热力学与动力学行为具有关键作用,随着氮气压强的增加,双层结构梯度硬质合金的表层厚度明显增加。
  (4)基于双层结构梯度硬质合金微观结构分析以及渗氮工艺过程中Ti原子在液体粘结相中扩散迁移的热力学与动力学行为,本研究系统建立了双层结构梯度硬质合金金属陶瓷表层的向外生长模型。解决了金属陶瓷表层的生长、表层与过渡层边界迁移,以及过渡层与内部组织边界迁移的问题。阐明了硬质合金材料设计-渗氮工艺-梯度显微结构的关联关系。其中双层结构梯度硬质合金表层的向外生长模型首次精确揭示了表层厚度的平方与氮气压力的平方根以及渗氮时间成正比。
  (5)本研究所合成的双层结构梯度硬质合金刀具比常规均匀结构硬质合金刀具的平均切削寿命明显提高。
  (6)双层结构梯度硬质合金基体上的金刚石涂层综合性能要优于均匀结构WC-Co硬质合金基体上的金刚石涂层。
  基于双层结构梯度硬质合金中梯度显微结构-渗氮工艺-宏观力学性能-切削行为-涂层性能等研究成果,本研究显著拓展了当前梯度硬质合金显微机理、力学性能、切削行为的关联关系。本研究提供了新型的刀具材料体系、显微结构模型以及相应的渗氮工艺参数,为难加工材料的高效加工提供理论基础和技术支撑。
[博士论文] 李素燕
机械制造及其自动化 哈尔滨理工大学 2018(学位年度)
摘要:高硬度材料的高强度、高硬度等特性,使其在使用PCBN刀具进行硬切削时,通常将刀具切削刃进行T-land负倒棱处理,以增加刃口强度,提升刀具使用寿命。但是,另一方面带倒棱的圆弧刃口结构以较大的负前角进行切削时,又增加了对被切削材料的挤压作用,使切削区产生较大的切削变形,并使切屑流出时易发生积聚阻塞,形成较大的切削热力场,加剧刀具的磨损破损,降低切削表面质量,从而严重制约硬切削加工效率和加工零件的使役性能。为此,本文基于协调切屑流动和改善切削区状态的思想,设计了空间曲线形强化刃PCBN刀具,并针对淬硬钢材料,开展所设计刀具的切削性能试验研究。
  基于刀具刃区切削状态分析,针对定值倒棱PCNB刀具切削过程中存在的问题,根据协调切屑流动的思想,开展了PCBN刀具强化刃设计,并提出了渐变倒棱结构的空间曲线形强化刃,进行了近余弦强化刃和近正弦强化刃刀具设计。依据端面磨削方法,提出了逼近式磨削轨迹规划方案,建立了磨制轨迹的数学模型,结合三维软件对磨制过程进行仿真,应用Matlab提取仿真刃形曲线,并与理论刃线进行对比,优选工艺参数,实现了强化刃形的精密制备。提出刀具刃口缺陷、倒棱宽度和角度的检测方法,完成了对刀具制备精度的定量评价。
  设计近余弦强化刃、近正弦强化刃和定值倒棱三种PCBN刀具切削淬硬钢GCr15的对比试验,开展了切削参数和刃口结构对切削力、切屑形态和刀具磨损影响规律的研究。应用高速摄影机摄取切屑流动状态,分析切屑宏微观形态演变过程,揭示了强化刃口结构对切屑产生、卷曲及流出作用机制。开展强化刃刀具磨损过程和形貌特征的研究,揭示了强化刃刀具的磨损机制。
  为进一步协调切屑流动,提出了在前刀面上增加强化结构的设计方案,引入三维精密激光加工技术和喷砂表面处理相结合的方法,实现了前刀面上三维强化结构的制备。进行了近余弦强化刃和双斜壁近余弦强化刃刀具切削性能对比试验,发现双斜壁近余弦强化刃刀具在切削过程中体现出了良好的导屑和减缓冲击能力。研究不同切削条件下双斜壁近余弦强化刃刀具切削加工白层的形成机制,获得了双斜壁近余弦强化刃刀具切削加工表面形貌和残余应力随刀具磨损和切削速度的变化规律。
  最后,开展了不同倒棱刃口结构PCBN刀具切削过程动态特性实验研究,获得了切削参数对强化刃刀具切削振动特性的影响规律。进行强化刃刀具切削颤振系统动力学建模和振幅求解研究,并将求解得到的振幅引入到表面粗糙度的预测模型中。在此基础上,建立以表面质量和材料去除率为目标的优化模型,实现了基于改进遗传算法的切削参数多目标优化。
[硕士论文] 刘树
机械制造及其自动化 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:TiAlN涂层硬质合金刀具具有优异的综合力学性能,能较好的提高加工效率和刀具使用寿命,是应用最广泛的硬质合金涂层刀具之一。国内外学者对TiAlN涂层硬质合金刀具主要进行了宏观界面结合性能的研究,对涂层与基体之间的界面微观结合机理研究较少。本文基于第一性原理,对TiAlN涂层WC基硬质合金刀具的界面结合性能进行模拟研究,分析界面内在微观结合机理,本研究对硬质合金涂层刀具的优化设计具有重要的理论和实际意义。
  TiAlN涂层WC基硬质合金刀具中,硬质合金基体主要包括硬质相WC和粘结剂Co。其中WC含量远大于Co含量,WC与TiAlN的界面结合性能对刀具中涂层/基体界面结合性能起主导作用。本文主要研究了硬质相WC与TiAlN涂层之间的界面结合性能,建立了九种TiAlN/WC理想界面分子动力学模型,分析计算了这9种界面模型的界面失配度和界面结合能,研究结果表明:TiAlN(100)/WC(001)界面结合能最大为3.829J/m2,界面结合性能最稳定,TiAlN(001)/WC(001)界面结合能最小为2.441J/m2,界面结合性能最不稳定。另外分析了界面模型的电子结构,从原子层面上,探究了影响界面结合性能的本质。
  基于界面结合性能最不稳定的TiAlN(001)/WC(001)理想界面模型,建立了含不同掺杂原子X(X=Al、Cr、Ti、Ta、Nb、Co)的界面模型。分析计算了含不同原子掺杂的界面结合能,结果表明:掺杂Al、Co、Cr原子均能提高界面的结合性能,掺杂Ti、Ta、Nb原子时使界面结合性能变弱。分析了掺杂Al、Ta、Co原子的界面模型的电子结构,研究发现:Al原子失去自由电子与N原子形成化合键,费米能级附近具有更多的局域尖峰,使界面结合性能更稳定;掺杂Ta原子界面费米能级处的局域尖峰较尖锐,界面结合性能较弱;Co原子周围电荷差分密度较大,界面结合性能增强。
  基于界面结合性能最不稳定的TiAlN(001)/WC(001)理想界面模型,建立了含多种单原子Y(Y=Ti、Al、N、W、C)空位缺陷的界面模型。分析计算了含单原子空位的界面结合能。结果表明:含单原子空位缺陷均会造成界面结合性能下降,含单个W原子空位的界面结合性能最不稳定。对含单个W原子空位缺陷的界面模型进行了电子结构分析,结果表明:W原子与N原子有很强的键合,N原子态密度趋势的主要局域尖峰右移,界面结合性能下降;含单个C原子空位缺陷的界面结合能最大,界面结合性能相对稳定,当W原子空位缺陷处萌生裂纹时,裂纹容易向界面C原子处扩展。
  基于涂层/基体界面之间的多个相连原子空位缺陷即为微裂纹,构建了四种不同类型微裂纹的超晶胞界面模型,包括平行界面裂纹1W-2C、平行界面裂纹1N-2Ti、垂直界面裂纹1N-1Ti-1C、斜跨界面裂纹1N-2C,分析计算了上述模型的界面结合能和原子空位缺陷界面结合能削弱百分比。研究结果表明:含平行裂纹1W-2C的界面结合能最小,界面结合性能最不稳定,在外载荷作用下,微裂纹更容易从此处扩展。
[硕士论文] 牛路遥
工业设计 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:在角磨机的操作过程中,手柄是一个重要的人机交互界面,其造型直接影响使用者持握的舒适性。目前传统小型角磨机存在造型单一、人机适应性差等缺陷,长期使用设计不当的手柄容易引起手部疲劳,形成积累性伤害并降低工作效率,因此本文从手部生理特性及持握方式的角度出发,提出了一种小型角磨机手柄造型的优化方案,对提高角磨机手柄的持握舒适性具有重要意义。
  本文在研究人体手部生理解剖特征和手部持握姿势的基础上,首先得出手部运动的基本运动规律,归纳手部持握姿势的特点及手部压力的划分区域,总结出持握式工具的设计原则,以此作为角磨机手柄优化设计的重要理论依据。
  其次,本文归纳了角磨机的三种手柄造型和持握方式,并确定以小型670W角磨机为研究样本,根据角磨机的持握方式对手部受力情况进行分析:通过手柄模型加压实验,明确手部与手柄接触力较大的11个目标点;通过持握样本角磨机,运用压力测量系统得出接触力较大区域点的压力和压强数值,并在此基础上结合手持三维激光扫描仪与NURBS建模法获得手柄和人体手部三维立体模型,利用有限元软件分析了手部应力和应变的分布情况以及手柄造型对实验参数的影响,进而总结出手柄的优化原则,为角磨机手柄造型的设计研究提供了依据。
  最后,本文结合头脑风暴法提出了手柄造型的优化方案,利用3D打印技术将其打印出实体模型并配重,运用相同的实验与仿真分析手段对优化后的手部与手柄模型进行了分析。结果证明持握优化后的手柄手部压力峰值减小,超过压力红线的压力集中点减少,应力、应变分布更加均匀,一定程度上提高了手部持握的舒适性,同时验证了本文系统设计流程的可行性,为手柄造型的优化设计提供了有价值的理论参考。
[硕士论文] 王光男
机械工程 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:本项目来自于数控皮革切割流水线项目,数控皮革切割流水线主要面向柔性材料制品行业(制鞋、箱包皮具、沙发座椅、服装等),由于人工成本的逐年增加,需要研发一种机床、一种数字化的生产工具,使以上行业能够部分摆脱传统的人工刀模下料的方式,提高生产品质和效率,降低能耗,节约劳动力,节约材料成本,提高产品附加值,最终促进这些传统产业的升级转型。项目应遵循防尘、防震、防噪、防电磁干扰、防潮、模块化、高可靠性、高安全性、易运输、易安装、易维护等设计原则,此项目的核心技术之一即为高速振动刀
  高速振动刀具有切割精度高、振动速度快、可以快速切割柔性材料,是柔性材料加工发展方向。高速振动刀具在我国的切削精度、振动速度、噪声、可靠性和寿命之间存在着很大差距,没有达到世界先进水平。这主要是由于缺乏对高速振动刀的现代设计和分析的研究。因此,根据技术要求,中国的商业化皮革切割机,以结构优化设计理论、有限元分析和实验验证相结合,其中高速振动刀是从静态到动态的振动特性、其装配工艺和精度分析都需要更加详尽系统的现代化设计,高速振动刀的性能指标和提升产品的竞争力都很重要。理论意义和实际价值也是非常重要的,促进在中国相关领域的发展。首先,在分析振动刀工作原理的基础上,计算出各运动轴的相关参数。结合高速振动刀的设计指标和实际需求,建立了高速振动刀的设计模型。采用有限元的优化设计方法对曲轴、摇杆、滑杆、滑杆关节等结构零件的刚度以及受力和变形情况进行分析。然后,针对高速振动刀所使用的高精度轴承,考虑装配问题,分析装配工艺。通过有限元分析对曲轴、摇杆、滑杆、滑杆关节等结构零件进行了优化,优化了设计使高速振动刀在装配过程中更加容易操作,对各个关节的装配有指导意义。
  在此基础上,建立高速振动刀的整体有限元模型,在分析了高速振动刀相关零件的受力和变形结果之后,调整设计方案,优化设计。
  最后利用实验分析对高速振动刀的振动、噪声、寿命进行了分析,并通过实验对比分析了高速振动刀的动态特性,并对其正确性进行了分析,验证了模型的正确性。
[博士论文] 张明慧
机械制造及其自动化 哈尔滨理工大学 2018(学位年度)
摘要:高速铣削过程中,断续冲击载荷作用下的铣刀磨损影响着刀具使用寿命和工件加工表面质量。此时,铣刀处于分布不均的应力场中,其内部能量不断变化,铣刀组件出现塑性或脆性断裂损伤,导致铣刀安全稳定性下降,制约着铣刀切削加工效率,这已成为铣刀高效、高精度和高可靠性加工中亟待解决的关键问题。
  针对铣刀刀齿磨损差异性过大所导致的铣刀超期服役和过早退役问题,进行铣刀刀齿后刀面振动摩擦行为差异性研究。提出铣刀刀齿磨损差异性解算与评判方法,研究高速铣刀组件损伤行为特征,提出高速铣刀损伤跨尺度关联控制方法。具体研究内容包括如下几个方面:
  通过分析高速铣刀刀齿切削接触角和刀具振动,获得铣刀后刀面与加工表面接触关系,得到铣刀切削运动轨迹和切削刃瞬时切削位置,建立振动条件下的铣刀后刀面与加工表面摩擦副模型。利用铣刀刀齿后刀面与加工表面的瞬时法矢量反映铣刀后刀面与加工表面摩擦副的动态接触关系,揭示铣刀后刀面摩擦过程动态变化特性。为进一步研究振动条件下的铣刀刀齿后刀面磨损差异性提供分析基础。
  在高速铣削实验中提取铣刀切削振动时域特征参数,识别铣刀各刀齿切削时段。高速铣刀切削振动行为分析结果表明,铣刀振动周期和刀齿切削周期均不一致,导致振动条件下的铣刀刀齿后刀面摩擦时变行为存在差异。通过切削振动时域信号和高速摄像机识别刀齿瞬时切削状态,获取铣刀刀齿摩擦接触点接触位置序列和瞬时运动速度序列。采用离散度和灰色关联度分析方法,揭示铣刀刀齿后刀面振动摩擦时变行为差异性,提出铣刀刀齿后刀面振动磨损差异性解算与评判方法,并进行高速铣刀磨损实验验证。采用该方法可揭示出铣刀刀齿后刀面磨损的差异性,并以此为基础,研究铣刀损伤形成机理。
  为揭示高速铣刀组件材料损伤行为特征,建立铣刀损伤状态模型,分析切削载荷下的铣刀组件材料性能劣化程度。铣刀损伤具有局部性、隐蔽性和多样性,首先,对铣刀组件进行受载分析,通过有限元仿真结果,提取并分析铣刀在高速铣削时易发生损伤的敏感部位。然后,采用韦布尔分布函数描述铣刀组件刀片材料非均匀分布,研究铣刀组件局部损伤变化特征。最后进行高速铣刀损伤实验,阐明不同切削条件下铣刀组件局部损伤演变过程有明显差异,以识别铣刀组件损伤程度为目的,提出铣刀损伤行为评判方法。
  通过高速铣刀刀齿宏观上损伤形式分析,对铣刀损伤进行分类,利用有限元模拟分析方法,采用铣刀材料损伤模型,提取铣刀刀齿损伤特征变量,研究宏观损伤行为。从微观层次上分析铣刀刀齿不同部位的损伤情况,揭示铣刀产生损伤的原因。利用力连接的高速铣刀原子/有限元交叠带模型,揭示铣刀原子群运动过程,引入评判铣刀损伤的熵值算法,定量描述铣刀原子群运动状态。利用铣刀熵值模型,研究铣刀损伤跨尺度响应特性,获取铣刀结构和材料参数对其损伤行为的响应排序。依据公理设计方法,建立高速铣刀功能域与结构域设计矩阵,揭示铣刀跨尺度设计变量的层次结构关系,提出控制高速铣刀损伤跨尺度关联设计方法,并进行高速铣削实验验证。
[硕士论文] 袁少飞
机械工程 中北大学 2018(学位年度)
摘要:随着载人航天和探月工程的全面实施,对航天产品的制造要求越来越高。在火箭、卫星等航天相关产品中,大量具有减轻结构特征新型航天整体零件,如阀门壳体类、板类零件,因为能有效的缩短装配周期、增强机体的强度等优点被广泛应用。但新型航天阀门类零件孔腔繁多、结构复杂、材料去除量大,精度要求高,完成加工需要多次装夹,造成零件误差传递、累积,影响零件的加工精度,限制了航天阀门生产效率的提高。
  为解决上述问题,本文针对航天阀门零件多次装夹造成误差累积对精度影响的问题,以减少误差累积为目标,对阀门壳体多工序制造零件的夹具定位规划方法进行了研究,得出了一种以减少误差累积为目标的基于装夹特征的航天阀门壳体零件夹具设计方法。
  首先在分析航天阀门壳体零件基准、夹具、刀具误差之间耦合传递机理的基础上,建立了航天阀门壳体类零件误差累积、传递的模型,得到了误差的状态转移方程。通过设计夹具辅助减少装夹次数以减少误差累积,提出了针对阀门多工序零件制造的夹具定位方案。
  其次研究了阀门壳体零件候选装夹特征集合的推理规则。分析影响阀门零件加工特征聚类的因素,计算各个特征之间的模糊相似性,使用编网法在相近关系矩阵的基础上完成零件聚类分组。根据零件特征间工艺约束和几何公差的关系,使用矢量判别法,完成候选装夹特征集合的推理。
  接着研究了夹具定位规划算法,完成夹具的设计。根据建立的层次分析模型,通过标准离差法和隶属度理论,完成各层次判断矩阵的构造,得出最优定位基准排序,结合其限制的自由度,完成定位基准和定位模式的选择。通过设计相应的定位元件,完成夹具的设计。
  最后进行了夹具设计实验验证。通过构建阀门零件系统结构框架,利用MATLAB编写计算程序,完成定位基准的推理。以某阀门壳体零件验证了该设计方法的可行性。
[硕士论文] 孙传法
机械工程 山东大学 2018(学位年度)
摘要:传统模具制造是典型的离散制造模式,标准化程度低,模具零部件个性化的特点决定了其质量、效率依赖操作工的技能水平。模具零部件任何一个加工工序,都需要多个步骤,其中一个步骤失误都有可能导致质量缺陷的发生。模具企业的核心是人,培养合格的专业操作人员周期长,往往需要超过两年的时间;一线员工用工荒,招聘优秀操作工人比较困难;九零后员工的逐渐增多,劳动力价格上涨,企业用工成本大幅增加。模具是典型的个性化定制产品,单件生产较多、生产周期较长、协作配套体系要求高,对工人技能要求较高。因此传统的制造模式已经不再适应互联网时代的要求。由于模具订单的随机性、产品的多样性、设计制造的经验依赖性、变更的频繁性等因素,导致模具订单生产情况复杂多变,整个过程难以得到有效管理和控制,必须创新技术新模式,实现模具加工制造业的可持续发展。
  本文从数字化技术革新,即通过计算机网络信息化手段,对数控机床运行的重要数据和参数进行数据采集和整理,提高设备运行的透明性,减少设备不必要的停机时间,提高加工程序的管理方式和效率,科学地对设备进行计划维护。即实现智能排产、程序自动传输和机加工状态的实时监控,从排产到生产准备到物流到装夹的全流程信息化管理;创新程序系统兼容,针对不同机床系统,程序完全实现自动转换,最大程度地解放操作人员;推进加工作业可视化管理,实现生产实时监控,程序传输推送系统;通过先进的可视化、仿真和文档管理系统,提高产品的质量和生产过程所涉及的各种动态性能。模具数字化制造技术将信息技术贯穿模具工艺设计、制造以及订单管理等全生命周期中,对提高模具工厂车间的生产效率和质量有着重要作用。
[硕士论文] 田杰
材料工程 山东大学 2018(学位年度)
摘要:选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)是一种快速增材制造技术,利用“离散-堆积”原理,通过逐层打印的方法构造三维实体。其在复杂异型结构、传统方法无法制造的复杂构件及工件制造的快速响应具有极大的优势,将选区激光熔化技术与模具制造相结合,能够解决传统方法加工过程中存在的长周期、高成本、难加工等难题。本文以18Ni300合金和H13合金为试验材料,通过研究和优化成形工艺、热处理规范以提高构件的打印质量,优化工艺和复合加工方法。利用光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)观察了SLM成形模具钢的显微组织和断口形貌,背散射电子衍射(EBSD)和X射线衍射分析(XRD)对物相组成和晶粒取向进行了分析。
  本文首先研究了主要工艺参数(激光扫描速度、激光功率和扫描间距)对SLM成形件的致密度、微观硬度和宏观硬度的影响。SLM成形18Ni300合金试样和H13合金试样致密度最大值分别可达99.19%和97.13%。对应的工艺参数分别为:扫描速度v=2000mm/s,激光功率=450w,扫描间距h=50μm和v=2500mm/s;p=450W;h=70μm。工艺参数对SLM成形件致密度的影响可以总结为输入激光能量密度对致密度的影响。
  基于以上,在最优的工艺参数下,利用SLM工艺制备出致密度较高的模具钢试样进行显微组织观察和相关力学性能测试。研究发现,SLM成形模具钢组织晶粒尺寸细小,直径约1μm,主要为等轴晶和柱状晶,晶粒生长顺利跨过层界,达到紧密的冶金结合状态。
  其中18Ni300合金中相组成除了bcc结构外的马氏体,还存在部分未转变的残余奥氏体,SLM成形18Ni300合金平均显微硬度约为368HV0.5,高出铸态51HV0.5。抗拉强度为1156MPa,伸长率为10.5%,与同样未经时效处理的锻态18Ni300钢力学性能相当。SLM成形H13合金存在轻微的成分偏析情况,主要包含bcc结构的马氏体相和fcc结构的残余奥氏体,SLM成形H13合金的硬度为54HRC,抗拉强度为1191MPa,伸长率为3.5%,韧性较低。
  为改善成形模具钢性能,针对SLM成形的18Ni300合金和H13合金制定了各自的热处理工艺,并进行了相关组织和性能分析。经过490℃/6h时效处理后,SLM成形18Ni300合金力学性能得到显著提高,抗拉强度由未时效SLM态的1156MPa,提高到时效后的2034MPa,但断裂形式转变成了完全的脆性断裂,伸长率下降明显,显微硬度由时效前的368HV0.5提高到629HV0.5。组织中出现了部分逆转变奥氏体。对于SLM成形H13合金,对其进行回火或淬火+回火处理,并与传统锻造成形件对比,发现组织中残余奥氏体发生分解,转变为回火马氏体,同时减轻了成形件中的残余应力;经过回火处理的SLM成形H13合金试样的抗拉强度由热处理前的1191MPa上升到1751MPa,硬度略微降至53HRC,伸长率的上升和硬度的略微下降对比传统的加工热处理方法,SLM成形的H13合金在经过回火处理后有了较高的强度和硬度。
[博士论文] 倪秀英
机械制造及其自动化 山东大学 2018(学位年度)
摘要:随着现代工业的迅速发展,各种高硬高强度的零件越来越多地被采用,并且零件的表面大多数不连续,传统的车削技术难以胜任对高硬度材料的断续车削,而刀具材料是制约断续硬车削加工技术发展的瓶颈,因此研制适合高速断续切削的高性能刀具对于推动现代制造业的发展具有重要意义。本文以高速断续车削淬硬钢20CrMnTi刀具失效机理为依据,进行梯度陶瓷刀具材料设计和二维梯度刀具结构设计,对二维梯度刀具结构与烧结工艺进行优化,研制二种适用于在不同切削参数下断续车削的二维梯度陶瓷刀具,并研究刀具的断续切削性能。
  通过陶瓷刀具断续切削淬硬钢实验,结果表明:刀具的主要失效机理为热-机械疲劳损伤。在较大的切削速度下,热载荷作用使刀具的损伤加剧,此时热疲劳是主宰刀具寿命的主要因素,因此刀具上刀-屑接触区破损;而在高进给量下断续切削时,由于刀具承受更高的冲击力,其主要失效机理为机械疲劳,因此前刀面发生较大面积的贝壳状的疲劳断裂。在切削仿真的基础上,进行低周疲劳模拟,结果发现:在断续切削时,刀具受到循环变化的载荷作用,刀具前刀面容易出现疲劳裂纹。因此,满足断续切削淬硬钢的刀具性能要求为:用于高速切削的刀具应具有较高的硬度和抗热疲劳性能;用于高进给量切削的刀具应具有较高的硬度、韧性和强度。
  根据断续切削淬硬钢试验和有限元仿真结果,合理确定每一层原材料初始粉末粒度及含量,初步建立了适合断续切削淬硬钢的梯度刀具的宏微观设计模型。利用Abaqas软件对梯度陶瓷刀具材料的三点弯曲疲劳实验进行仿真,优化了适用于大进给量切削的二维梯度刀具的结构尺寸。运用传热分析,对用于高速切削的梯度陶瓷刀具结构进行了优化,确定了二维梯度刀具的结构参数。
  采用粉末铺填、二阶段热压烧结工艺,制备了一维、二维梯度刀具材料,优化确定了一维梯度刀具材料的梯度结构参数,即层数为5层,表层层厚为0.085mm。梯度刀具材料的最合适的第一阶段烧结温度为1700℃,第二阶段烧结温度和保温时间分别为1450℃和60min。以最优的二阶段烧结工艺,成功烧结出综合力学性能最佳的二维梯度刀具材料GAWTN51-20和GAWTN51-45,其中GAWTN51-45的抗弯强度、表层硬度和断裂韧度分别达到1005MPa、23.20GPa和10.56MPa·m1/2。
  应用水淬实验对比研究了均质、一维梯度、二维梯度陶瓷刀具材料的抗热冲击性能。一维梯度材料GAWTN51和二维梯度材料GAWTN51-20的临界抗热震温差为600℃,其抗热冲击能力优于均质陶瓷材料AWT。应用压痕-淬火法比较研究了均质、一维梯度、二维梯度陶瓷刀具材料的抗热疲劳性能,试验结果表明:二维梯度材料的裂纹扩展长度略低于一维梯度材料的,明显低于均质陶瓷刀具材料的,并且二维梯度刀具材料沿梯度方向的热疲劳裂纹扩展受到抑制。
  最后研究了二维梯度刀具在不同切削参数下,断续干切削淬硬钢20CrMnTi的性能。在不同的进给量下,二维梯度陶瓷刀具的寿命均大于一维梯度陶瓷刀具和对应的均质陶瓷刀具,并且进给量越大,优势越明显。二维梯度陶瓷刀具具有较强的抑制前刀面疲劳裂纹萌生和扩展的能力,因此避免了前刀面破损。另一方面,在不同的切削速度下,二维梯度刀具相比一维梯度陶瓷刀具和对应的均质陶瓷刀具具有更长的寿命。二维梯度刀具具有较好的抗热疲劳性能,因此在较高的切削速度下,前刀面的破损较小。
[硕士论文] 王绪昌
工业工程 山东大学 2018(学位年度)
摘要:产品的外形美观多样化,使得具有复杂曲面的各种产品越来越多,因此对曲面加工的要求也越来越高,这就对自由曲面加工技术提出了更高的要求。数控铣削加工参数的选择和刀具轨迹的合理规划决定着模具自由曲面加工的效率和产品表面的质量。为了有效提高模具加工的效率和质量,本文对模具自由曲面的高效高品质加工的有关理论和实际加工应用进行了研究。
  分析总结了现有几种曲面造型方法的优缺点,确定了以NURBS曲面描述模具自由曲面并分析了曲面固有的几何参数特性。通过Matlab构造自由曲面并计算了曲面离散型值点的曲率,根据曲面上点的性质将曲面初步划分为凸椭圆面、凹椭圆面、凸抛物面、凹抛物面以及双曲面。采用K-means聚类算法将曲面进行细分,得到几何特性相似的曲面片,并确定了曲面边界,完成了曲面的分区域规划。
  完成了球头铣刀铣削模具自由曲面的刀具轨迹规划。根据等残留高度法对球头铣刀轨迹规划的走刀步长、加工行距、刀触点和刀位点等进行了计算和分析。选择不同的初始轨迹得到的刀触点不同,为了提高加工效率,使所有刀具路径的平均行距最大,在采用等残留高度法进行轨迹规划时,选择了所有刀触点间歇进给方向法曲率半径均值最大的刀具路径对应的初始轨迹,并通过该初始轨迹进行轨迹规划。通过实例验证了该初始轨迹对应的刀路总长度最小,相应的走刀时间也最短。
  设计多因素正交试验研究了多轴球头铣削加工参数对淬硬模具钢表面完整性的影响。选择不同的加工参数如主轴转速、每齿进给量、径向切深、前倾角和侧偏角作为影响因素,以表面粗糙度Ra,表面显微硬度HV,表面残余应力作为评价指标,根据试验结果分析了各加工参数对表面完整性的影响规律,得出各参数对表面完整性影响的显著程度,为加工表面完整性预测提供了理论基础,也为实际模具切削参数合理选择提供依据。
  完成了对自由曲面的分区域刀具轨迹规划仿真以及汽车前地板纵梁前段凸模的UG数控加工编程仿真和试验研究,对比分析了分区域加工与单一刀路下铣削加工的效率和表面质量,研究表明在精加工阶段,分区域加工可在保证加工质量的同时明显提高模具的加工效率。
[博士论文] 宫峰
机械制造及其自动化 山东大学 2018(学位年度)
摘要:淬硬钢由于具有极高的强度以及良好的耐磨性,因此被广泛应用于模具制造以及高端装备制造等行业中。然而淬硬钢的硬度高、塑性差,并且其加工方式往往为断续切削,刀具在切削淬硬钢时承受极强的冲击载荷,极易发生破损。因此,针对淬硬钢的断续切削加工,本论文采用切削试验和仿真模拟相结合的方法,研究了高速断续切削淬硬钢时刀具裂纹的扩展路径,并以此为依据设计并制备了斜向梯度陶瓷刀具材料,并对斜向梯度陶瓷刀具的力学性能和切削性能进行了系统研究。
  采用陶瓷刀具进行了断续车削淬硬钢20CrMnTi的正交试验,应用田口法与方差分析研究了切削参数在时间尺度上对切削力的影响,结果表明:切削深度对切削力的影响最大,并且随着刀具损伤的累积,其影响占比逐渐升高;采用断口形貌学研究了切削速度对刀具失效机理的影响。结果发现:断续切削淬硬钢时陶瓷刀具的失效机理为疲劳断裂,低速时,疲劳特征为疲劳条带,而高速时的疲劳特征为疲劳弧线;分析了刀具疲劳裂纹扩展路径:裂纹起源于刀具刀尖处,随后沿45°最大剪应力方向向刀具内部扩展,随着刀具破损的进行,裂纹扩展方向逐渐平行于前刀面,并最终向刀具表面扩展。
  采用涂层硬质合金刀具进行了高速面铣H13钢和SKD11淬硬钢试验,研究了刀具铣削两种工件材料时切削力随切削参数的变化规律,并对刀具的失效机理进行对比分析。结果发现,刀具在铣削H13钢时的主要失效形式为后刀面的磨损,而铣削SKD11淬硬钢钢时,刀具主要失效形式为前刀面的疲劳断裂。疲劳裂纹起源于刀具基体缺陷处,随后向刀具前刀面表面扩展。在刀具断口表面发现多个疲劳源,并且有河流花样形貌,表明裂纹模式为Ⅰ-Ⅲ复合型裂纹。
  采用涂层硬质合金刀具进行了正交铣削淬硬钢试验,分析了切削速度对切削力以及刀具失效机理的影响;建立了正交铣削淬硬钢的二维切削仿真模型,并对刀具切入、切削以及切出工件时的应力状态进行了研究,建立了扩展有限元模型探究了裂纹起始位置以及刀具前角对裂纹扩展路径的影响。结果发现:刀具裂纹起源于前刀面最大拉应力处,并在循环拉-压载荷的作用下沿45°方向向刀具内部扩展。
  基于对断续切削淬硬钢刀具裂纹扩展路径的研究,将刀具材料的刀-工与刀-屑接触区设计为具有高硬度和高耐磨性的陶瓷,沿裂纹扩展方向提高刀具材料的断裂韧性,制备出Al2O3-TiC斜向梯度陶瓷刀具材料TAA30。当取向角α为30°,梯度层为5层,层厚比e为0.4,烧结温度为1700℃,保温时间为15分钟时,TA30取得最优性能。刀具材料的硬度由表层到里层分别为21.22GPa,20.54GPa,19.90GPa,断裂韧度由表层到里层分别为9.07MPa·m1/2,9.29MPa·m1/2,9.26MPa·m1/2,抗弯强度为761MPa。
  采用热压烧结工艺制备出Al2O3-TiC-TiB2梯度陶瓷刀具材料TT3,并对其梯度结构组份、层厚比以及烧结工艺进行了优选。结果发现,当刀具材料表层与过渡层硬度最大,里层韧性最高时,层厚比为0.2,烧结温度为1700℃,保温时间为20min时,刀具材料获到最优力学性能,其表层硬度为23.59GPa,断裂韧度7.45MPa·m1/2,抗弯强度为764.11MPa。总结了斜向梯度陶瓷刀具材料的抗裂纹扩展机理,包括:a.裂纹止裂效应;b.裂纹偏转效应;c.裂纹桥接效应。
  研究了自制TAA30以及TT3系列斜向梯度陶瓷刀具断续车削SKD11淬硬钢的切削性能,并与商用刀具进行了对比,分析了切削深度与切削速度对切削力、切削温度、切屑形貌以及刀具失效机理的影响。结果发现,相比于商用刀具和TAA30刀具,TT3系列刀具的切削力与切削温度更低,切屑形态更为完整,刀具寿命更高。由于斜向梯度陶瓷刀具刀尖处的残余压应力使刀尖处拥有较高的硬度,并且断裂韧度由表及里升高使刀具拥有良好的裂纹止裂作用,刀具失效形式为刀尖处的破损以及沿切削刃的剥落。当取向角为15°时,即TT3A15,刀具切削性能最优。
[硕士论文] 刘灿宇
机械工程 山东大学 2018(学位年度)
摘要:化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)刀具涂层具有硬度高、耐磨性好和耐热性强等特点,是先进刀具技术的重要发展方向。面对难加工材料和难加工构件实现高效精密加工的需求,涂层刀具仍需进一步提升切削性能。微喷砂后处理工艺作为一种表面改性手段,具有加工效率高、成本低等优势,可有效降低涂层刀具粗糙度、增加刀具耐磨性。以化学气相沉积TiN/Al2O3/TiCN和Al2O3/TiCN涂层刀具为研究对象,开展湿式微喷砂后处理试验,研究喷砂时间、磨料种类和磨料直径等微喷砂工艺参数对涂层刀具几何形貌、力学性能和寿命的影响规律。基于准静态压痕理论,分析不同类型涂层对微喷砂工艺参数的响应特征。对微喷砂处理前后的涂层刀具进行面铣刀具寿命试验,综合评估湿式微喷砂后处理工艺对CVD涂层刀具的强化效果,优选提升刀具寿命的微喷砂工艺参数组合。
  首先,搭建微喷砂后处理工艺试验平台,选取喷砂时间、磨料种类和直径等作为工艺参数变量,选择TiN/Al2O3/TiCN和Al2O3/TiCN等典型CVD涂层进行微喷砂后处理试验。对微喷砂前后CVD涂层刀具的几何形貌进行观察发现,微喷砂后处理可减小刀具涂层表面粗糙度,去除Al2O3/TiCN涂层表面的大颗粒缺陷。Al2O3/TiCN刀具涂层被粗白刚玉磨料微喷砂处理60s后,表面粗糙度由0.178μm降低至0.082μm。TiN/Al2O3/TiCN刀具涂层使用白刚玉磨料微喷砂处理后,最外侧的TiN涂层易产生裂纹甚至涂层剥落,不适宜通过微喷砂后处理强化。Al2O3/TiCN刀具涂层经微喷砂处理后表面更为光滑,无裂纹等缺陷产生。
  然后,选取残余应力、摩擦磨损性能和抗多次冲击性能等力学性能指标,分析不同微喷砂工艺参数对刀具涂层力学性能的影响规律。经湿式微喷砂处理后,TiN/Al2O3/TiCN和Al2O3/TiCN涂层内残余应力分布水平有效提升,Al2O3/TiCN刀具涂层磨损率降低,微喷砂对涂层抗多次冲击性能无明显影响。力学性能测试相对于刀具寿命试验更为便捷,测试结果有助于进一步理解湿式微喷砂后处理工艺对涂层刀具的影响规律,为优选微喷砂工艺参数提供参考。
  最后,在湿式微喷砂后处理工艺对CVD涂层刀具几何形貌和力学性能影响的研究基础上,进行铣削寿命试验,分析微喷砂前后Al2O3/TiCN涂层刀具的磨损情况,综合评估湿式微喷砂后处理工艺对涂层刀具的强化效果。微喷砂后处理可有效提升Al2O3/TiCN涂层刀具寿命,其中,球状氧化锆磨料和较长喷砂时间的喷砂工艺参数组合最有利于提升Al2O3/TiCN涂层刀具寿命。经氧化锆磨料微喷砂处理60s后,Al2O3/TiCN涂层平均刀具寿命较喷砂前提升27.5%。微喷砂后处理工艺提升涂层刀具内残余应力分布水平和刀具寿命的趋势呈正相关。
[硕士论文] 王佳伟
机械工程 山东大学 2018(学位年度)
摘要:活塞是内燃机的关键零件,在燃烧室内部高温高压的环境中工作。改善活塞的各方面性能,可以大幅度降低内燃机的功率损耗,减少燃料的浪费和废气、噪音等污染的产生。中凸变椭圆活塞凭借其优越的性能而被广泛的应用于当前内燃机中。这种活塞的结构复杂,传统机床完成其非圆截面的精密车削非常困难。因此,对于中凸变椭圆活塞的高精度成形技术的研究以及相应加工设备的研发具有重要的意义。
  研究了中凸变椭圆活塞外形车削的加工成形机理。把中凸变椭圆型面的车削加工分解为2种孤立的成形运动:刀架相对于高速旋转的活塞径向成椭圆路径的运动和刀架相对于活塞轴向成中凸线路径的运动。并研究了刀架相对于活塞的进给的运动特性。
  采用新型双驱动微量进给系统作为伺服刀架进行高频往复运动,从而降低摩擦非线性影响,并利用集中参数法、S-GMS摩擦模型对伺服刀架进行精确的动力学建模。建立控制量与工作台位移的关系,为控制系统的设计提供基础。
  在建立精确动力学模型的基础上,利用扩张状态观测器出色的稳定性能与跟踪性能,并结合了滑模控制对于干扰不敏感的优点,设计出一种基于线性扩展状态观测器的自适应滑模控制器(ASMC-LESO),并通过仿真对比了该方法和其他的控制方法对于输入位置信息的轨迹追踪,从而验证其跟踪性能。
  利用工作台进行单驱动模式和双驱动模式的半实物仿真对比实验。采用基于线性扩张状态观测器的滑模控制器,对控制系统的参数进行调试,模拟加工椭圆度为0.2mm的椭圆活塞截面时的刀具进给曲线,并分别对比了在不同时单驱动模式和双驱动模式的跟踪误差,实验结果进一步被验证了SMC-LESO控制系统的可行性,并且验证在相同条件时,双驱动模式相比于单驱动模式有着更好的轨迹跟踪性能。
  本课题研究内容为中凸变椭圆活塞的加工提供新的方法,并为新型双驱动伺服刀架设计出可靠的控制器,有助于提高刀具进给运动的控制精度。
[硕士论文] 朱文龙
材料工程 山东大学 2018(学位年度)
摘要:不锈钢丝切丸是抛喷丸工艺中常用的金属磨料之一,现广泛用于不锈钢、钛合金、铝合金、镁合金、铜合金、锌合金等工件的表面抛喷丸清理、强化及成形,可使工件表面达到均匀的粗糙度与清洁度、或使表层形变导入残余应力提高抗疲劳性能、或获得所需的形状。
  本文用维氏显微硬度计、金相显微镜、X射线衍射仪测定了202、304、410、430不锈钢丝切丸的硬度、观察了金相组织、分析了相组成;用中温电阻炉对304/1.0mm不锈钢丝切丸进行了固溶处理;用周期浸润腐蚀试验箱对不锈钢丝切丸进行了耐蚀性能试验;用不同规格、不同材质的不锈钢丝切丸对304不锈钢及2024铝合金试片表面进行抛射清理试验,用扫描仪扫描其表面形貌,用触针式粗糙度仪测定其表面粗糙度,用白光干涉仪扫描其表面轮廓;用欧文寿命试验机测定不同规格、不同材质的不锈钢丝切丸的磨损失效过程,用扫描电镜观察其磨损及失效形貌,用面积法计算其欧文循环寿命;并做相应成本分析。
  结果表明:202、304不锈钢丝切丸硬度值为441~524HV,410、430不锈钢丝切丸硬度值为272~347HV;202不锈钢丝切丸为奥氏体组织、304不锈钢丝切丸为奥氏组织和少量马氏体组织,410、430不锈钢丝切丸为铁素体组织;304不锈钢丝切丸固溶处理后组织变为等轴奥氏体晶粒;304不锈钢丝切丸耐蚀性能明显优于410、430不锈钢丝切丸;相同材质的不锈钢丝切丸规格越小,抛射304不锈钢及2024铝合金试片达到100%覆盖率所需抛射次数越少、抛射清理效率越高、试片单位面积凹痕数量越多,凹痕深度越浅,表面粗糙度越低;相同规格时,202、304不锈钢丝切丸的抛射清理效率高于410、430不锈钢丝切丸;与410、430不锈钢丝切丸相比,202、304不锈钢丝切丸抛射304不锈钢试片获得的表面粗糙度更高、抛射2024铝合金试片获得的表面粗糙度差别不大;相同规格、相同材质的不锈钢丝切丸对2024铝合金试片的抛射清理效率高于304不锈钢试片,2024铝合金试片获得的表面粗糙度高于304不锈钢试片;不锈钢丝切丸的磨损失效过程分为钝化磨圆阶段、稳定磨损阶段、加速磨损阶段、剧烈磨损阶段四个阶段,磨损失效形式为表层剥落、宏观裂纹、心部脱落、断裂;相同规格的410、430不锈钢丝切丸欧文循环寿命明显高于202、304不锈钢丝切丸;相同材质的小规格不锈钢丝切丸的欧文循环寿命稍高于大规格不锈钢丝切丸。
[硕士论文] 陈晓涛
机械工程 山东大学 2018(学位年度)
摘要:金刚石圆锯片是锯解石材等脆硬材料最常用的工具,属于高转速、大径厚比薄型圆盘结构。锯解脆硬材料时,会产生一定量随机的附加轴向力,导致金刚石圆锯片产生强烈的振动变形。圆锯片适张处理可以在其材料内施加具有干预性的残余应力,包括径向残余应力与周向残余应力。研究表明,当残余应力整体分布上表现为拉应力状态时,圆锯片在高速旋转状态下具有更强的稳定性与刚性,能够有效地抑制附加轴向力对圆锯片产生的影响。目前,适张应力处理在生产应用中,其工艺参数的选取仍依靠经验法,因此本研究采用的应力分布状态与轴向变形抑制能力的综合评定,设定合理的适张处理工艺参数,对提高圆锯片锯解能力具有重要作用。
  论文以石材锯解中大量使用的φ1650mm圆锯片作为研究对象,进行圆锯片锯解石材变形检测实验,对圆锯片变形分布规律有如下结论:圆锯片沿半径方向上,从中心孔到锯齿边缘其变形呈现非线性的增长趋势。顺切与逆切两种工作状态下,圆锯片相同位置处的应变数据产生波动,验证了欠适张应力的圆锯片在锯解石材时,变形控制能力不能满足锯解性能的要求。
  基于Kirchhoff假设与辊压区域Three links理论,建立圆锯片应力场分布检测计算模型。通过研究应力应变的关系,以变形数据来换算圆锯片应力分布数值,实现以变形量来考量应力状态的转化,实现了应力检测操作的简易化,为后续的圆锯片适张处理工艺参数实验提供理论依据。
  进行圆锯片适张处理工艺参数实验,获取圆锯片应力分布曲线与圆锯片受载变形曲线,获得结论:处理位置从内向外,圆锯片抑制轴向受载变形的能力增强幅度在216%到232%之间;适张载荷增大,抑制轴向受载变形能力增强幅度在155%到187%之间。通过应力分布与变形数据的综合评定,确定出合理的应力处理位置参数为0.75R到0.8R之间,应力处理载荷参数选取为14MPa。
  通过实验研究的方式,获取圆锯片受轴向附加力后应力与变形分布状态,通过综合评价,为适张应力工艺参数的选择提供依据。
[硕士论文] 张涛
机械工程 山东大学 2018(学位年度)
摘要:随着世界经济的发展,人们对于工业生产的创新性、环境保护、产品质量等提出了更高的要求与期待。刀具作为工业生产中的重要工具,其性能的优劣直接关系到整个行业的发展。深冷处理又称超低温处理,作为传统热处理技术的一种延伸,能够有效地提高硬质合金刀具的硬度和使用寿命。目前,国内外学者对硬质合金刀具深冷处理的研究存在一些不足之处,对深冷处理的强化机理还存在争议,有学者认为深冷处理引发的硬质合金刀具微观晶体结构变化是刀具强化的主要原因,也有学者认为刀具表面残余应力的改变是主要原因;还没形成有关硬质合金刀具深冷处理的成熟工艺规范等等。随着硬质合金刀具应用越来越广泛,对硬质合金材料刀具深冷处理的研究具有重要意义。
  本文依托国家自然科学基金的资助,研究了深冷处理工艺对涂层硬质合金刀具微观组织、力学性能以及切削性能的影响,探究了深冷处理对涂层硬质合金刀具的强化机理。主要内容如下:
  (1)研究深冷处理工艺对硬质合金刀具的微观组织形貌、晶粒尺寸、相变等方面的影响,分析深冷强化机理。
  使用程控深冷箱对涂层硬质合金铣刀片进行深冷处理,借助金相显微镜、SEM、EDS、XRD设备及图像处理软件观察刀具微观组织形貌变化、相变化、晶粒尺寸变化。实验结果表明,深冷处理后基体中多角形、灰白色的WC相得到细化,黑色的粘结相Co分布更均匀,深灰色的η-相增多且弥散分布;粘结相Co中的α-Co相向性质更加稳定的ε-Co转变;刀具基体中的晶粒尺寸变小。
  (2)研究深冷处理工艺对硬质合金刀具的硬度、涂层的影响规律。
  以深冷温度、冷却速度、保温时间、回火温度为因素设计四因素五水平正交实验,通过极差分析研究深冷处理对涂层硬质合金刀具硬度的影响,并建立刀具维氏硬度预测模型。结果表明深冷后刀具硬度明显提升,深冷处理工艺对刀具硬度的影响显著程度为:深冷温度>冷却速度>保温时间>回火温度。使刀具硬度提升最大的深冷处理工艺参数组合为:深冷温度-190℃,冷却速度8℃/min,保温时间90min,回火温度20℃。针对深冷技术对涂层刀具抗剥落能力的影响,通过划痕法测定涂层膜基结合力,并对划痕形貌分析。结果表明所选择的深冷处理工艺参数加强了涂层刀具的抗剥落性能。
  (3)设计恒金属去除体积条件下的铣削试验,研究深冷处理工艺对刀具切削性能的影响规律。
  以H13钢为加工对象,设计恒金属去除体积条件下的铣削试验,研究深冷处理工艺对刀具后刀面磨损、加工表面粗糙度的影响规律,并与未处理刀具进行对比分析切削力变化。结果表明,深冷处理后刀具的后刀面磨损量减小,切削过程中切削力减小,已加工表面质量有所提升。深冷处理工艺对刀具后刀面磨损量和已加工表面粗糙度的影响显著程度均为:深冷温度>冷却速度>保温时间>回火温度。使刀具耐磨性和已加工表面质量提升最大的深冷处理工艺参数组合分别为:深冷温度-160℃,冷却速度8℃/min,保温时间90min,回火温度100℃和深冷温度-160℃,冷却速度8℃/min,保温时间90min,回火温度140℃。
  本研究分析了深冷处理硬质合金刀具的微观组织变化及其原因,研究了不同深冷工艺对刀具硬度、涂层及切削性能的影响,可以为揭示深冷处理对硬质合金刀具的强化机理、合理选择深冷处理工艺参数提供技术支持。
[硕士论文] 李明爽
机械制造及其自动化 山东大学 2018(学位年度)
摘要:裂纹自愈合陶瓷刀具材料能够有效地利用切削热,产生液相,填充裂纹,实现裂纹自愈合,提高陶瓷刀具的力学性能。本研究成功研制了裂纹自愈合陶瓷刀具ATTM15,设计了裂纹自愈合陶瓷刀具材料组分;优化了裂纹自愈合陶瓷刀具材料的烧结工艺参数;研究了愈合温度、愈合时间和预制裂纹长度对裂纹自愈合后陶瓷刀具材料抗弯强度的影响;实验研究了裂纹自愈合陶瓷刀具材料ATTM15加工321奥氏体不锈钢的切削性能。
  设计了裂纹自愈合陶瓷刀具材料的组分,即以Al2O3为基体,以TiB2/TiSi2为添加相。TiSi2的氧化产物对TiB2相具有保护作用,对裂纹具有填充作用。分析了裂纹自愈合陶瓷刀具材料的化学相容性和物理相容性,Al2O3和TiB2的弹性模量和热膨胀系数具有较好的匹配性。
  研究了TiSi2含量、烧结温度和保温时间对陶瓷刀具材料力学性能和微观组织的影响;对愈合陶瓷刀具材料的物相进行了分析,优化了烧结温度和保温时间,即烧结温度为1600℃,保温时间为30min,烧结压力为32MPa。结果表明,TiSi2的加入有助于提高裂纹自愈合陶瓷刀具材料的断裂韧度,TiSi2的最佳含量为15wt%,断裂方式为沿晶断裂和穿晶断裂。抗弯强度、维氏硬度、断裂韧度随着烧结温度的升高均呈现先增加后减小的变化趋势。保温时间对裂纹自愈合陶瓷刀具材料抗弯强度、维氏硬度和断裂韧度的影响规律基本相同,均呈现先增加后降低的变化趋势。在优化的烧结参数下,陶瓷刀具材料获得了较优的力学性能,即抗弯强度为711.98±41.48MPa,维氏硬度为16.89±0.27GPa,断裂韧度为4.82±0.10MPa·m1/2。
  采用压痕法在裂纹自愈合陶瓷刀具材料的表面预制裂纹,研究了愈合温度、愈合时间和预制裂纹长度对陶瓷刀具材料Al2O3-TiB2-TiSi2力学性能恢复和裂纹自愈合行为的影响,揭示了陶瓷刀具材料Al2O3-TiB2-TiSi2的裂纹自愈合机理。结果表明,随着愈合温度的升高,裂纹自愈合后陶瓷刀具材料Al2O3-TiB2-TiSi2的抗弯强度呈现先增加后降低的变化趋势;当愈合温度为800℃时,裂纹自愈合后陶瓷刀具材料的抗弯强度恢复到原始强度的92.66%。随着愈合时间的延长,裂纹自愈合后陶瓷刀具材料的抗弯强度随着愈合时间的延长而增加。当愈合时间为90min时,陶瓷刀具材料的抗弯强度完全恢复到原始强度,甚至超过了原始抗弯强度,强度恢复率达到了107.25%。预制裂纹长度为150μm和300μm的陶瓷刀具材料的抗弯强度实现了完全恢复,而预制裂纹长度为500μm的陶瓷刀具材料的抗弯强度没有完全恢复。裂纹自愈合陶瓷刀具材料能够实现抗弯强度完全恢复的愈合温度是800℃、愈合时间是90min、预制裂纹长度小于300μm。陶瓷刀具材料裂纹自愈合机理是陶瓷刀具材料中的TiSi2发生氧化反应生成了SiO2和TiO2,并以液态形式流入、填充裂纹,实现了裂纹的自愈合。该裂纹自愈合机理的优点是,反应产物均可作为填充相,且在裂纹愈合过程中不会产生气体,有利于提高陶瓷刀具材料的力学性能和表面质量。
  研究了裂纹自愈合陶瓷刀具ATTM15干式切削321奥氏体不锈钢材料的切削性能,初步分析了裂纹自愈合陶瓷刀具ATTM15的磨损机理。结果表明,最优切削速度为60m/min,进给量为0.3mm/r,切削深度为0.25mm。切削速度是影响裂纹自愈合陶瓷刀具ATTM15抗磨损性能的主要因素,切削深度和进给量对其影响较小。裂纹自愈合陶瓷刀具ATTM15的主要磨损形式是边界磨损、前刀面磨损和后刀面磨损,主要磨损机理是氧化磨损、粘结磨损和扩散磨损,氧化磨损有利于刀具裂纹自愈合。
[硕士论文] 王冲
机械工程 山东大学 2018(学位年度)
摘要:RB-SiC陶瓷和氧化铝陶瓷,因其高导热性、硬度高、化学稳定性好等优点,被广泛应用于航空航天光学反射镜、薄膜电路和电池隔膜等领域。RB-SiC陶瓷和氧化铝陶瓷材料硬度高、脆性大,属于典型的难加工材料,因此其精密成形加工主要采用精密磨削加工工艺。精密磨削工艺的选择与优化、金刚石砂轮的精密修整是影响RB-SiC陶瓷的面形精度和表面质量的主要因素。本文根据反应烧结碳化硅反射镜和氧化铝陶瓷电池隔板的精密加工要求,设计了金刚石砂轮的精密磨料水射流在线修整系统,应用该系统完成了金属基金刚石砂轮的精密在位和在线修整,并优化了砂轮修整和两种先进陶瓷材料精密磨削的工艺参数。
  本文首先根据金刚石砂轮的磨料水射流修整法的需要,研制了用于三轴联动精密成形磨床和五轴联动铣磨加工中心的磨料水射流砂轮在线修整系统。该系统由射流增压稳压系统、XY两轴运动机构和控制系统组成。控制系统包括手动控制和自动控制两种操作模式,最小进给分辨率为2μm。该套系统与机床配合良好,修整精度高。
  研究了高压磨料水射流在位修整金刚石砂轮时射流压力和磨料粒度对砂轮表面形貌的影响规律,实现了粗细两种粒度的金属结合剂金刚石砂轮的高效在位修整。分别使用30MPa、40MPa和50MPa的射流压力对120#金属基金刚石砂轮进行修整,并应用三维表面粗糙度参数定量评价砂轮表面的磨粒突出高度和分布状态。在射流压力为40MPa时,获得的平均磨粒突出高度超过砂轮磨粒粒径1/3,砂轮表面的有效磨粒数最多。分别使用粒度为300#、700#、1500#的SiC磨料对1500#金刚石砂轮进行磨料水射流修整,修整后的砂轮表面形貌说明以700#SiC为磨料的磨料水射流修整可获得最佳修整效果。
  应用高压磨料水射流修整后的120#和1500#金属结合剂金刚石砂轮开展了RB-SiC和氧化铝陶瓷的正交磨削实验研究,分析了磨削工艺参数对磨削力和表面粗糙度的影响规律。分别以最小磨削力和最小表面粗糙度为目标,获得了粗细粒度两种金刚石砂轮磨削两种陶瓷材料的最优磨削工艺参数。分析对比了两种材料的磨削机理,反应烧结碳化硅磨削表面主要呈现塑性去除和脆性去除的复合去除机理,氧化铝陶瓷表面主要为脆性去除。
  研究了磨料水射流在线修整工艺,重点研究磨削RB-SiC时磨料水射流工艺参数对磨削力、工件表面形貌和砂轮表面形貌的影响规律,验证磨料水射流在线修整的有效性。观察利用在线修整法获得的RB-SiC磨削表面,发现在原有的磨削去除基础上,RB-SiC表面的塑性去除痕迹被冲蚀,破碎凹坑直径变小。
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