高强钢车铣加工中工件温度场建模与试验研究

摘要

航空工业是带动国民经济和尖端科技发展，巩固国防建设的国家战略性产业。航空零部件服役场合的特殊性不断对其制造品质提出高要求，所以严格控制产品表面质量已成为航空制造业的准则。航空材料中有相当一部分为难加工金属材料，其切削过程中特别是精加工阶段的切削力和工件温度会直接影响到工件表面质量。然而，难加工材料的机加工性能差，切削过程中的力、热载荷对零件表面质量影响强烈，因此准确预测切削力和工件温度对于保证航空关键零部件的加工质量和服役性能有着深远的意义。
　　飞机起落架是航空关键部件之一，其材料300M超高强度钢具有强度高、硬度高、导热性差等特点，材料去除过程中刀具磨损迅速，属于典型的航空难加工材料。立铣和正交车铣是起落架制造中具有代表性的加工工艺，因此有必要对两种工艺下的切削力、热状态进行研究。可是至今为止在三维复杂切削温度场建模方面所取得的成果，特别是对工件端的探索，还相当有限，有关300M钢的切削有限元仿真和表面完整性分析的工作也较为缺乏。为此，本文针对上述两种工艺，开展了300M钢加工中关键共性问题的基础研究。
　　文中建立了考虑后刀面磨损的立铣和正交车铣切削力模型。在对切削区域进行离散之后，根据所建立的机械力学模型对切削微元进行几何、运动及力学分析，实现了整体切削力和后刀面摩擦力的求解。基于切削微元法平面上的受力分析，提出一种由机械力学模型预估出的三向剪切作用力计算剪切面上剪切力的方法，从而满足了切削温度研究对剪切力和后刀面摩擦力的需求。
　　基于离散切削热源和时间的思想，将离散后的热源视为瞬时面矩形热源，从而建立了考虑主剪切区和后刀面摩擦区热源的工件温度场模型。分析了剪切面和后刀面磨损带上的热源热量及热分配比例。提出正向和逆向积分算法，前者能够描述工件温度场的变化历程，后者能高效地揭示工件温度场随铣刀运动的周期性变化规律，通过构造周期性温升无穷级数实现了逆向积分算法的求解，算法的收敛性也得到证明。此工件温度场模型能够如有限元仿真那样模拟出工件温度场的动态变化情况，而计算时间远短于有限元方法，为切削温度场的研究提供了一种新选择。
　　为获取预测模型中的重要输入参数，通过逆向工程获得刀具几何轮廓并通过材料热分析测定了刀具和工件的热特性参数。在不同的主轴转速、每齿进给量、工件半径、工件铣刀转速比及后刀面磨损量等条件下，开展立铣和正交车铣试验，在试验中对切削力、热进行测量，验证了力、热理论模型的准确性。同时分析了不同工况对300M钢切削力、热的影响，并通过方差分析和极差分析考察了正交车铣中不同工艺参数对切削力、热影响的显著性。
　　建立了300M钢的立铣有限元模型。依据一系列材料力学性能测试结果确定了国产300M钢的材料本构方程。对比仿真得出的切削力和工件温度与试验实测数据，验证了有限元模型的有效性。通过有限元技术分析了不同切削速度对工件温度的影响，并可获得试验未涉及到的工况下及试验难以观测到的数据。
　　结合力热理论预测结果与试验实测数据，分析了使用未磨损和后刀面已磨损的刀具在不同的主轴转速和每齿进给量的条件下，所加工出的工件表面粗糙度、表面残余应力，硬化层深度的变化，讨论了显微硬度沿表层的分布规律。
　　本文所提出的理论模型还可拓展应用至其他难加工材料，以及除铣削和正交车铣以外的复杂加工工艺的切削力、温度预测，部分研究成果在一定程度上可作为生产过程中工艺参数优化和产品质量控制的参考。

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1 绪论

1.1课题来源

1.2课题研究的目的和意义

1.3 国内外研究现状

1.4 本文主要研究内容及创新点

2 立铣和正交车铣的切削力建模

2.1 引言

2.2 考虑后刀面磨损的铣削力建模

2.3 正交车铣运动学及力学分析

2.4 剪切面运动学及力学分析

2.5 本章小结

3工件温度场理论建模及其时空积分求解

3.1 引言

3.2 对切削热源进行时空离散的思想

3.3 剪切面与后刀面的热分配比例确定

3.4 工件温度场建模及求解

3.5 本章小结

4 不同工况对工件温度影响的预测与试验分析

4.1 引言

4.2 铣刀和工件的几何及材料热特性测定

4.3 立铣切削力、热试验研究

4.4 正交车铣切削力、热试验研究

4.5 本章小结

5 高强钢切削过程中工件温度场有限元仿真分析

5.1 引言

5.2 高强钢立铣有限元建模关键问题描述

5.3 高强钢本构方程确定

5.4 高强钢立铣工件温度场有限元仿真结果分析

5.5 本章小结

6 高强钢加工表面完整性试验分析

6.1 引言

6.2 高强钢表面完整性立铣试验方案

6.3 不同工况对高强钢表面粗糙度影响的分析

6.4 不同工况下工件温度对高强钢表面残余应力的影响分析

6.5 不同工况下工件温度对高强钢表面显微硬度影响的分析

6.6 小结

7 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文

附录2 攻读博士学位期间申报的发明专利