激光辅助微切削系统设计及仿真方法

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难加工材料如合金钢、工程陶瓷、纤维增强金属复合材料等具有优良的性能,已经应用于微小尺度结构和器件的加工、制造。难加工材料在切削过程中,由于其高强度、高硬度等特性,部分特征精度和切削速度都受到机床刚度和普通微型刀具强度和刚度的限制,而且刀具的快速磨损会导致微小零件的加工精度降低。因此,需要采用有效方法对微小零件进行加工。激光辅助微切削是将激光束聚焦在切削刃前的工件表面,使材料局部因高温而软化,从而降低工件材料的强度和硬度,减小微切削加工切削力的一种复合加工方法。本文依据激光辅助微切削难加工材料原理对激光辅助微车削系统进行设计,并应用商业有限元软件ABAQUS建立激光加热微切削Ti-6A1-4V材料热模型进行热分析,同时对激光加热微切削过程建立热力耦合模型进行显示动力学分析。结果表明:激光功率对温度场分布、热影响区范围以及软化层深度影响最明显。激光加热明显改善了Ti-6A1-4V材料微切削加工性能,当预加温度升高时,切削应力降低且切削应力梯度有减小趋势,适当的增大切削厚度对提高加工效率比较明显而对加工表面质量影响不大。微切削过程中随着切削速度增大切削区域应力减小,有利于微切削进行,而当速度增大到一定值后,切削区域内应力将随着速度的增大而增大,提高了切削难度,加工表面质量也将会受到不同程度的影响。
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