300M钢切削仿真参数识别及其车削表面质量研究

摘要

300M超高强度钢是广泛应用于生产飞机起落架的典型难加工材料，其机械加工中切削力大、切削温度高、表面质量难以控制，给飞机的安全性能带来隐患。近年来，人们对300M钢铣削加工中的力、热特性进行了重点研究，而对其车削加工及表面质量的关注较少；另外，本构方程系数和刀-屑摩擦因数等关键仿真参数的缺乏限制了有限元仿真技术在300M钢切削加工中的应用。为此，本文对300M钢本构方程系数、摩擦因数进行建模识别，并采用实验和有限元仿真相结合的手段对300M钢车削工艺中的切削力、粗糙度和残余应力等表面质量性能参数展开研究。
　　首先，将移动热源温度模型与不等距剪切区模型相结合建立了材料 Johnson-Cook(J-C)本构方程系数的求解模型，基于切削实验和遗传算法求得300M钢J-C系数，所求材料模型的切削力仿真精度相比软件自带模型有了大幅度提高。
　　其次，基于300M钢切削实验和有限元仿真数据建立了刀-屑摩擦因数关于切削参数的预报模型，从而使摩擦因数可以直接由给定的切削条件确定，该方法在扩展摩擦因数适用范围的同时进一步提高了切削力的仿真精度。
　　再次，采用单因素实验研究了切削用量对300M钢三向车削力和表面粗糙度的影响规律，基于对正交实验数据的多元线性回归分析，建立了300M钢硬车削的切削力和粗糙度关于切削用量的预报模型，并对上述模型进行了显著性检验和实验验证。
　　最后，以残余应力的主应力为指标，研究了切削用量对300M钢硬车削后工件表面残余应力的影响规律，建立了残余主应力关于切削用量的经验关系。基于所求300M钢仿真参数建立了三维车削有限元仿真模型，在实验验证的基础上，仿真分析了切削用量对残余应力沿工件表面层深分布特征的影响规律，并优选出面向合理残余应力分布的切削用量组合。
　　上述研究获取了300M钢切削有限元仿真所必需的材料本构方程系数和刀-屑摩擦因数，并为面向起落架表面质量的切削参数优化提供了实验和仿真依据。

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1 绪 论

1.1课题的来源、目的及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文的主要研究内容

2 基于切削实验的300M钢本构方程系数识别

2.1本构方程系数求解模型的建立

2.2切削实验

2.3模型求解及验证

2.4本章小结

3 基于仿真结果和切削实验的300M钢摩擦因数建模

3.1刀屑接触面摩擦状况分析

3.2刀屑平均摩擦因数建模

3.3摩擦因数求解及验证

3.4本章小结

4 300M钢车削力和表面粗糙度实验研究

4.1实验准备

4.2单因素实验研究

4.3正交实验研究

4.4本章小结

5 300M钢车削残余应力实验与仿真研究

5.1理论分析

5.2残余应力单因素实验研究

5.3残余应力三维有限元仿真

5.4本章小结

6 总结与展望

6.1全文总结

6.2研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的论文目录