金属切削加工中边缘毛刺形成机理及尺寸预报理论研究

摘要

由于工件材料的变形，在金属加工后的边缘常伴随着毛刺或崩裂的产生，它们的存在使工件轮廓偏离了理想边界，影响了零部件的尺寸精度和位置精度，从而影响了工件的使用性能。随着国家工业结构转型升级，制造业越来越注重高质量、高精度发展，所以对金属毛刺/崩裂的形成研究就显得非常重要。本研究结合理论分析和有限元模拟对金属切削毛刺从以下几方面进行了系统研究:
　　(1)基于二维金属直角切削原理，同时结合现有毛刺形成力学模型，对比韧性材料铝合金6061-T4毛刺形成和脆性材料加工边缘缺陷，运用有限元仿真观察了几种不同材料切削的边缘毛刺形成过程。通过不同材料毛刺形成加以对比，并且结合仿真过程中温度场、应变场、应力场等分析，探索研究切削毛刺萌生、发展和形成原因。研究发现Ti6Al4V切削的边缘毛刺由两个断裂面组成，即张开型裂纹的第一断裂面与滑移型裂纹的第二断裂面。本章的研究旨在运用经济、高效的仿真方法获取切削中毛刺形成过程，并揭示其形成机理，为切削方案的合理选择及加工工艺参数的优化设计提供有价值的指导意见。
　　(2)基于Johnson-Cook材料本构模型和Cockroft-Latham断裂准则，同时结合大塑性变形的拉格朗日方程，建立了二维有限元直角切削热力耦合模型。获得了工件和刀具的温度场分布和最大温度历程，以及切削过程中切向和法向切削力。详细分析了切削速度、刀具边缘几何、前角及切削深度对Ti6Al4V毛刺几何形状和尺寸的影响规律。研究发现Ti6Al4V切削毛刺尺寸对工艺参数极为敏感，较小的切削深度和刀具圆弧半径可以有效地减小边缘毛刺尺寸。此外，提高切削速度和刀具前角同样可以抑制毛刺尺寸的增大。研究成果为以Ti6Al4V合金为材料的零部件加工工艺方案的合理选择提供指导意见，以获得小毛刺甚至无毛刺、可控的边缘形态，实现高质量高精度的表面完整性。
　　(3)基于Merchant切削力模型以及塑性问题中的Flamant-Boussinseq方程，同时考虑了机械载荷和热载荷的耦合作用，建立了切削中的泊松毛刺横截面厚度和高度理论预测模型。详细分析了切削深度和刀具前角对切削中泊松毛刺横截面尺寸的影响规律。获得了沿着纵向切削泊松毛刺形态及工艺参数对其的影响规律，结合应变场分布，获得了不同工艺条件下的毛刺横截面尺寸，结合有限元仿真和理论预测尺寸，进行了详细的对比分析及误差原因分析，验证了理论模型具有很高的精度。研究发现泊松毛刺尖端在纵向切削方向上不连续，而根部却具有稳定的尺寸。此外，毛刺的横截面尺寸对材料属性和加工工艺参数极为敏感，减小切削深度和增加刀具前角可以有效地抑制泊松毛刺尺寸。研究成果为韧性材料零部件设计及工艺加工方案提供理论基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状综述

1．2．1 毛刺形成机理研究现状

1．2．2 毛刺尺寸预测研究现状

1．3 本文的主要研究内容

1．4 本文的主要创新点

第2章 金属切削原理及毛刺形成机理研究

2．1 引言

2．2 毛刺的定义及几何参数

2．3 金属切削原理

2．3．1 连续切削中的切屑形成过程

2．3．2 刀具退出终端面时的毛刺形成过程

2．4 直角切削毛刺形成的力学模型

2．4．1 基于能量守恒模型

2．4．2 基于滑移线场模型

2．5 仿真结果与分析

2．5．1 韧性材料毛刺形成过程

2．5．2 硬质合金Ti6Al4V材料毛刺形成过程

2．6 本章小结

第3章 切削加工工艺参数对Ti6Al4V合金毛刺的影响

3．1 引言

3．2 有限元模型的建立

3．2．1 边界条件与摩擦模型

3．2．2 材料模型

3．2．3 材料断裂损伤判据

3．3 仿真结果及讨论

3．3．1 切削力分析

3．3．2 切削热及温度场分布分析

3．3．3 加工参数对钛合金毛刺的影响

3．4 本章小结

第4章 泊松毛刺理论预测模型及有限元验证研究

4．1 引言

4．2 泊松毛刺理论模型的建立

4．2．1 泊松毛刺厚度理论预测模型

4．2．2 泊松毛刺高度理论预测模型

4．3 有限元验证模型

4．3．1 三维有限元模型的建立

4．3．2 泊松毛刺产生位置及尺寸定义

4．3．3 材料模型及刀屑分离准则

4．4 结果和讨论

4．4．1 工件材料属性对毛刺尺寸的影响

4．4．2 加工工艺参数对毛刺尺寸的影响

4．5 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

读硕士学位期间发表的学术论文