考虑材料损伤影响的切削力模型研究

摘要

切削力是金属切削加工过程中的重要物理量之一，直接影响工件加工表面质量、刀具磨损以及机床功率消耗，是选择机床、刀具、夹具及切削加工工艺参数的重要依据。高速切削加工过程中的大应变、高应变率及高温环境有利于形成锯齿形切屑，材料发生绝热剪切失稳。而已有的切削力模型，对绝热剪切造成的材料损伤考虑不足，导致切削力模型与高速切削实际加工情况有较大偏差。本文在切削力建模研究中考虑了金属材料的绝热剪切损伤机理，使切削力预测中能充分考虑材料性能参数变化对切削力的影响。主要研究内容如下:
　　首先通过对AISI-1045钢进行高速正交切削实验，得到切削力、切屑形态及切屑损伤之间的对应关系。实验结果表明，切削力随切屑形态的变化而变化，切屑形态的改变与绝热剪切现象有关，由高温引起的材料热软化率增强和由材料韧性断裂造成的损伤对切削力有较大影响。
　　对已有的Johnson-Cook本构模型进行改进，使模型中考虑高速切削绝热剪切损伤，得到含损伤变量的材料本构模型。将新的材料本构模型应用于现有切削力预测中，建立新的切削力解析模型。新模型中不仅考虑了材料应变率效应、热软化效应，也考虑了绝热剪切损伤对切削力的影响。
　　最后以AISI-1045钢为例，利用MATLAB软件对切削力计算过程进行编程，计算得出不同参数下切削力的值，并与同参数下的实验结果及未考虑绝热剪切损伤时切削力的预测值进行比较。结果表明，在考虑损伤后切削力的预测值误差变小，更适合应用于高速切削加工。
　　本文利用含损伤的本构关系模型对已有的切削力模型进行改进，使得新模型更加符合高速切削实际情况，拓展了切削力模型在高速切削加工中的应用。研究结果有利于深入揭示高速切削加工机理，有利于促进高速切削加工技术的深入应用。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 切削力模型研究现状

1．2．1 经验公式法

1．2．2 半经验力学模型

1．2．3 有限元方法

1．2．4 分析建模法

1．3 存在的问题分析

1．4 课题研究目标及主要研究内容

1．4．1 课题研究目标

1．4．2 课题主要研究内容

2 高速正交切削实验研究

2．1 实验条件

2．1．1 实验材料和实验设备

2．1．2 实验原理及实验方案

2．2 实验结果

2．2．1 切削力与切屑形态分析

2．2．2 切屑形态形成机理的微观分析

2．3 本章小结

3 含损伤材料本构模型的建立

3．1 材料本构关系模型

3．2 材料损伤演化过程

3．2．1 损伤力学介绍

3．2．2 绝热剪切带微孔洞损伤演化模型

3．3 损伤函数的定义及演化方程

3．4 考虑损伤的材料动态塑性本构关系

3．5 本章小结

4 考虑材料损伤的切削力模型

4．1 Oxley模型的不足与改进

4．2 基于含损伤本构关系的切削力模型的建立

4．2．1 剪切面AB参数计算

4．2．2 刀-屑接触面

4．2．3 切削力计算

4．3 本章小结

5 切削力模型的实验验证与讨论

5．1 切削力计算

5．2 切削力预测值与实验结果对比讨论

5．3 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢