Collaborative Research: Improving Machinability of Titanium Alloys using Physics-Based Simulation Modeling

合作研究:利用基于物理的仿真建模提高钛合金的机械加工性能

基本信息

  • 批准号:
    0758220
  • 负责人:
  • 金额:
    --
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2008
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2008-07-01 至 2011-06-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The objectives of this collaborative research project are to understand the physical and thermal aspects of the material removal process in machining titanium alloys and to improve machinability using novel cutting tools with variable micro-geometry design and nano-layered self lubricating coatings. The research approach would be to establish a methodology for physics-based prediction of cutting forces, temperatures, stresses and cyclical serrated chip formation in machining titanium alloys. Friction and heat flow at tool-chip-workpiece interfaces for various tool edge micro-geometry and nano-layered coatings will be identified by conducting cutting tests. Wear rate models that relate predicted process variables and contact conditions to tool wear under realistic machining conditions will be developed. These models will be utilized in determining optimum form and thickness of coating layers that will be applied on the variable micro-geometry cutting tools. These advanced coatings will be deposited using the electron beam physical vapor deposition process. Experimental testing will be performed in industrial scale test-beds to validate improved machinability and tool life at high speed machining regimes.If successful, the benefits and broader impacts of this research will be the use of novel cutting tools with variable micro-geometry and nano-layered self lubricating coatings in high speed machining of several exotic and difficult-to-machine alloys. It is expected that this advanced cutting tool design and simulation capability would reduce the cost in product design and development and improve productivity in aerospace, automotive, military, chemical and medical device industry where titanium alloys are utilized. The project will also provide exposure for graduate and undergraduate students to methods of physics-based simulation modeling in material removal processes and to understand thermal and wear behavior of nano-layered coatings. Participation of underrepresented student groups into the project tasks will be encouraged to provide diversity, teamwork and a discovery-based learning atmosphere.
该合作研究项目的目标是了解加工钛合金时材料去除过程的物理和热学方面,并使用具有可变微观几何形状设计和纳米层自润滑涂层的新型切削刀具来提高可加工性。研究方法是建立一种基于物理的方法来预测钛合金加工过程中的切削力、温度、应力和周期性锯齿状切屑的形成。将通过进行切削测试来确定各种刀刃微观几何形状和纳米层状涂层的刀具-切屑-工件界面处的摩擦和热流。将开发将预测的工艺变量和接触条件与实际加工条件下的刀具磨损相关联的磨损率模型。这些模型将用于确定应用于可变微观几何形状切削刀具的涂层的最佳形式和厚度。这些先进的涂层将使用电子束物理气相沉积工艺进行沉积。实验测试将在工业规模的试验台上进行,以验证高速加工状态下可加工性和刀具寿命的改善。如果成功,这项研究的好处和更广泛的影响将是使用具有可变微观几何形状和纳米尺寸的新型切削刀具- 几种特殊难加工合金高速加工中的分层自润滑涂层。预计这种先进的切削刀具设计和仿真能力将降低产品设计和开发的成本,并提高使用钛合金的航空航天、汽车、军事、化学和医疗器械行业的生产率。该项目还将让研究生和本科生接触材料去除过程中基于物理的模拟建模方法,并了解纳米层涂层的热和磨损行为。将鼓励代表性不足的学生群体参与项目任务,以提供多样性、团队合作和基于发现的学习氛围。

项目成果

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