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金属基复合材料,切削力建模与优化及车削,参数影响与研究
发布时间:2024-02-28 10:08 来源:本站
金属基复合材料,切削力建模与优化及车削,参数影响与研究(图1)

切削力的实验模型和二阶模型是通过几个参数建立的,包括切削速度、进给速度、切削深度和两种不同的SiCp含量,而且通过响应面法建立和优化了切削力模型,并对SiCp/Al 45%和SiCp/Al 50%两种不同比例的成分进行了比较。

金属基复合材料,切削力建模与优化及车削,参数影响与研究(图2)

主效应图与使用不同图和图的评估一起使用,包括残差分析、等高线图和切削力优化的期望函数,为选择合适的加工参数提供了依据,在切削深度与进给速度成比例增加的过程中,能够引起切削力的增加,较高的切削速度通过降低切削力,在SiCp的重量百分比方面显示出积极的响应。

因为较高的切削速度增加,随着SiCp重量百分比的增加,观察到切削力非常小的增加趋势,对SiCp/Al MMC材料的实验和模型预测结果这两种方法进行了全面评估,以分析SiCp/Al 45%和SiCp/Al 50%的切削力,并计算了误差百分比,也发现误差百分比在可接受的范围内,误差百分比最小。

金属基复合材料,切削力建模与优化及车削,参数影响与研究(图3)

金属基复合在工程行业的需求迅速增长,金属基复合材料具有优异的综合性能,如耐腐蚀、热膨胀系数小、抗冲击性能、导热性和导电性,由于成本低、易于加工、工程可靠性高、韧性和塑性好,金属基复合材料的应用越来越多。

其复合材料的主要应用是电子封装、结构、军事设备、航空航天和汽车零件制造工业,在颗粒增强复合材料中,增强体是主要因素,而基体主要用于传递载荷和改善复合材料的加工性能。

金属基复合材料,切削力建模与优化及车削,参数影响与研究(图4)

而且最常用的颗粒增强材料是SiC、Al2O3铝金属、镁和钛作为基质相,增强颗粒直径间距和体积分数决定了颗粒增强复合材料的强度,SiCp/Al显示出优异的力学性能和一些优良的物理性能。

由于SiC增强颗粒的存在,SiCp/Al材料的微观结构非常复杂,界面就存在于基体和增强体之间,SiCp/Al复合材料是最著名的颗粒增强材料,因为碳化硅颗粒提供了更大的强度并增加了机械和物理特性。

金属基复合材料,切削力建模与优化及车削,参数影响与研究(图5)

值得一提的是,颗粒增强相具有很大的强化基体的作用,但同时也在加工过程中产生阻碍,因此金属基复合材料的加工行为与其它金属材料不同,金属基复合材料的切削加工是一项困难而艰巨的任务。

因为传统的切削工具无法正常工作,由于各种问题,如刀具磨损、表面粗糙度以及不同切削参数下的异常切削力模式,金属基复合材料的加工过程存在许多困难,所以有必要全面分析和制定切削工艺,以确保具有两种不同SiC颗粒百分比的颗粒增强,金属基复合材料的加工特性,从而了解加工行为对切削力趋势、切削参数和SiCwt %的影响。

金属基复合材料,切削力建模与优化及车削,参数影响与研究
金属基复合材料,切削力建模与优化及车削,参数影响与研究(图7)

在采用切削参数的加工过程中,所产生的力用于材料的塑性变形,因此发生材料去除现象并产生不同的切屑图案,加工过程中的切削力趋势对观察和理解切削过程,起着至关重要的作用。

此外,为了理解该过程,需要关注三种不同类型的切削力,例如加工期间产生的进给力、切向和径向分量,这是由于切削工具在工件上的摩擦、挤压和剪切现象,尽管切削参数、刀具的切削角严重影响加工和工艺以及切削力。

金属基复合材料,切削力建模与优化及车削,参数影响与研究(图8)

Pramanik等人开发了一个计算金属基复合材料加工过程中,切削力的力学模型,采用聚晶金刚石(PCD刀具)对体积分数为20%的SiC/6061Al进行了切削加工,研究了材料去除率和变形机理,增强颗粒分散了加工表面的残余应力,因此主要是压应力。

Teti等人编写了金属基复合材料切割工艺的详细评估,先前的研究描述了增强金属基复合材料在加工操作中的限制,这是由于刀具的严重磨损,并且还讨论了切削力及其模式,讨论了进给量、切削深度、切削速度、润滑和切屑形成对切削过程、切削力和表面质量的影响。

金属基复合材料,切削力建模与优化及车削,参数影响与研究(图9)

同样,增强铝基复合材料车削加工中,刀具磨损与PCD刀具切削力之间的关系,计算刀具磨损和切削力与切削时间和其他加工参数的关系,在较大切削速度下观察到刀具磨损,切削力受切削深度和进给速度的影响。

另外在他们关于切削力和刀具磨损的研究中,也注意到了相似性,通过不同现象观察到的加工操作表明,进给量和切削深度越大,对切削力和刀具磨损的风险就越大。

金属基复合材料,切削力建模与优化及车削,参数影响与研究(图10)

其实作为超高强度SiC铝合金的代表,它具有超高强度、比刚度和比硬度的特点,机械加工过程中的塑性变形更加剧烈,刀具磨损较严重,加工质量差,难加工材料,对于难加工材料的切削来说,还存在很多困难,特别是对难加工材料需求的精密要求。

切削过程中的变形难以控制,导致切削过程表面质量严重,还存在较大的残余应力,对难加工材料切削的研究就显得尤为重要,由于在切割过程中有更多的切割热,所以切割区域的温度较高,这在一定程度上导致切割。

金属基复合材料,切削力建模与优化及车削,参数影响与研究(图11)

响应面方法被认为是建模和优化响应的有效工具,一些研究人员利用响应面方法来测量和优化SiCp基金属基复合材料加工过程中不同因素(如切削力、刀具磨损和表面粗糙度)的建模过程。

很少有人研究高比例SiCp/Al基复合材料的加工工艺以及基于SiC重量百分比的加工工艺比较,因此,对于SiC颗粒含量为45%和50%的颗粒增强金属基复合材料,有必要全面分析和制定切削工艺,以确保其加工性能,了解切削参数和SiC颗粒含量对切削力趋势的影响。

金属基复合材料,切削力建模与优化及车削,参数影响与研究(图12)

其实使用干车削环境来切削SiCp/Al复合材料,为了测量三向力,使用称为Kistler 9257B台式动态应变仪来记录力,其具有5000 N的最大范围,根据ISO 3685规则(ISO,1993 ),切削工具磨损的参数被选择为对于碳化物切削工具达到3 mm的侧面磨损,定制的T型夹具用于安装带有工具架的测力计。

其中包括用硬质合金刀具车削铝基金属基复合材料,工件材料为SiCp/Al复合材料,由两种成分组成,SiC体积分数分别为50%和45%,颗粒尺寸为10微米和其余的其他百分比的铝合金。

金属基复合材料,切削力建模与优化及车削,参数影响与研究(图13)

其通过搅拌铸造工艺制造,SiCp/Al的性能范围从布氏硬度(HB)85–105,密度(g/cm3)28–29,弹性模量(GPa)150–155,热膨胀系数(×10–6/ C),含50% SiCp的工件是圆棒,直径80 mm,长度80 mm,是线切割加工的结果。

切割实验需要去除外层氧化物,第二种成分是由45% SiCp组成的圆棒,直径和长度分别为48.2毫米和98.9毫米,本研究选择SiCp/Al金属基复合材料是因为其相对较低的可加工性,在加工难加工材料时,预期质量特性会有较大差异。

金属基复合材料,切削力建模与优化及车削,参数影响与研究(图14)

RSM是数学方法和统计方法的结合,响应的多变量影响的修改分析和优化,使用RSM建立连续变量曲面,评估响应的因素和交互作用,并确定最佳水平范围。

一般来说,响应面法通过设计合理的试验获得一定的数据,并使用多元回归方程来拟合因素与响应之间的函数关系,通过分析回归方程来寻求最优的工艺参数,从而解决多元优化问题,二阶解析工艺参数。

金属基复合材料,切削力建模与优化及车削,参数影响与研究(图15)

响应面模型是响应值及其变量的形式;它是一个常数,是一个线性参数系数,用RSM的二次方程表示,通过试验获得的数据拟得到二次模型,通过ANOVA分析的每个响应系数,其可以通过与实验数据比较的模型拟合来辨别,并且其显著性与因子。

虽然在加工SiCp/Al金属基复合材料等难切削材料时需要考虑不同的参数,但切削参数、刀具切削角和刀具材料严重影响切削过程和切削力,工件材料SiC含量百分比偏差的影响将对切削力产生重大影响。

金属基复合材料,切削力建模与优化及车削,参数影响与研究(图16)

因此,进行了具有两种不同百分比的SiC颗粒的颗粒增强金属基复合材料的加工,例如SiC/Al 45和SiC/Al 50%,以了解加工行为对切削力趋势、切削参数和SiC重量百分比的影响,切削力的因素如(Fx, Fz)和50%wt的SiCp/Al 45的切削参数进行了建模,并使用响应面法对车削过程中的不同切削参数进行了比较。

金属基复合材料,切削力建模与优化及车削,参数影响与研究(图17)

在该实验研究中,使用了三个切削变量,它们被分成四个水平以及表中提到的SiC %的其它因素1和桌子2,为了更好地了解切削参数和SiC %含量对难加工材料SiCp/Al的切削力和可加工性的影响,本研究基于三种切削参数对SiC %含量的影响及其比较,参见表格1关于用该工艺车削SiCp/Al工件的工艺参数。

金属基复合材料,切削力建模与优化及车削,参数影响与研究(图18)

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而且为了提高SiCp / Al的加工质量,降低加工成本,许多研究者研究了切削条件对切削力的影响,研究集中在不同的加工过程,在金属基复合材料加工过程中BUE也是一种问题,这种现象也可以使材料在车削过程中,减小切削力的情况下更容易去除

并切削SiCp/Al复合材料时切削力的变化趋势,主要取决于SIC颗粒的浓度、体积和尺寸,Subramanian等人,用响应面法测量和观察了LM6/SiCp-MMC材料切削过程中切削参数对切削力的影响。

金属基复合材料,切削力建模与优化及车削,参数影响与研究(图19)

在加工过程中,当工件和工具之间的接触面积增加时,速度增量越大,切削力越大,进给速度的增加导致材料去除过程中切削力的波动;这是由于工件和刀具刃口之间的摩擦系数。

由于工件和刀具切削刃之间的摩擦系数增加,导致切削力增加,在测量SiCp/Al-MMC中SiC%含量变化对切削力的影响时,基体材料的类型和体积分数对切削力有很大影响,但增强体对切削力没有影响,然而,钢筋类型会影响切削刃,最终导致切削力的波动。

金属基复合材料,切削力建模与优化及车削,参数影响与研究(图20)

据研究,切削速度、进给速度和切削深度,绘制了主要效果图,以了解切削力Fx,以及FzSiCp/Al的45%,从图中可以看出,2= 0.0165毫米/转3切削SiCp/Al工件时,切削力随切削深度的增加而增加。

随进给速度的增加而增加,从生成的图表可以看出,切削速度不是主要影响因素;这对切削力没有任何负面影响。

金属基复合材料,切削力建模与优化及车削,参数影响与研究(图21)

而当45% SiCp/Al和其他多相复合材料,通过硬质合金刀具车削时,它们与材料中的脆性颗粒相互作用,导致磨损和力的变化,基于方程3和方程4所示的RSM的现有模型,这些模型是根据实验观察开发的,用于理解特定因素对切削力的影响。

值得一提的是,切削力响应Fx= 0.0165毫米/转Fz通过对SiCp/Al 50%工件材料在车床切削试验过程中的方差分析,建立了预测模型5= 0.0165毫米/转6,基于上述变量的研究表明,切削力的增加是由于切削深度随进给速度的增加而增加。

金属基复合材料,切削力建模与优化及车削,参数影响与研究(图22)

但增加的趋势,切割速度越高,切割力越低,这是可行的,因为当刀具和工件在金属切削区接触时,切削温度的升高会导致工件材料软化并易于加工,同样,F统计量给出相关信息,切削深度的比值显著,然后被切削速度和进给速度拖累,p预测模型中的值是显示切削速度和进给速度重要性的关键因素。

然而,在保持切削速度的同时,切削速度对进给速度和切削深度的影响,12= 0.0165毫米/转15,这种切削力加工现象在其他研究者的工作中也有发现,切削力呈上升趋势,这与进给速度有关。


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