金属正交切削仿真及实验研究

摘要

金属切削加工是利用刀具和工件相对运动去除工件上多余金属或余量以获得合乎要求的零件的加工方法之一。金属切削过程是一个高度非线性、热力耦合的过程。为了弄清出切削机理,提高加工效率以及对加工过程的参数优化,获得最好的加工效果,国内外都对金属的切削过程进行了广泛的研究。本文通过有限元技术对正交切削过程进行模拟分析,以便为改进切削工艺和加工参数优化提供理论依据。本文根据金属切削的理论,对金属正交切削过程进行了的分析和研究;结合有限元理论和实际金属正交切削的特点,提出了有限元分析模型。针对此模型,应用DEFORM有限元软件,将工件、刀具材料的一些特性参数结合起来,分析和定义了载荷边界条件,对刀具前刀面与切屑之间复杂的摩擦状况,用库仑摩擦定理作一定的简化处理,定义了切屑分离准则和网格重划标准,完成了有限元分析仿真的预处理工作。对正交切削过程中应力、应变的变形特性进行了模拟仿真,得到了加工过程中应力应变规律和不同加工参数对切削力的影响曲线。通过仿真剪切角的形成过程,验证了剪切角理论,得到了剪切角的仿真结果。建立了切削温度仿真模型,通过对切削过程中温度的仿真研究,得到了切削过程中不同加工参数对切削温度的影响曲线。利用CA6150车床进行切削实验,对仿真结果进行了实验验证,证明仿真结果可以反映实际切削加工过程,可为实际加工参数的选择提供依据和参考。

目录

摘要

ABSTRACT

1. 绪论

1.1. 研究金属切削过程的意义

1.2. 金属切削过程的研究方法

1.3. 数值模拟在金属切削研究中的应用

1.4. 有限元法的基本思想及应用

1.5. 本课题的主要工作

2. 金属切削过程中切屑变形的理论分析

2.1. 金属切削变形原理

2.1.1. 金属切削层变形

2.1.2. 刀具刀面与切屑和已加工表面间的挤压与摩擦

2.1.3. 切屑变形的影响因素

2.2. 材料塑性变形理论

2.2.1. 弹塑性变形理论

2.2.2. 相关的弹塑性变形理论

2.2.3. 应力分析

2.2.4. 应变分析

2.2.5. 屈服准则

2.2.6. 应力与应变的关系(本构方程)

2.3. 强化准则

2.3.1. 等向强化

2.3.2. 随动强化准则

2.4. 本章小节

3. 有限元理论在整个切削过程的应用

3.1. 弹性阶段的数学模型的建立

3.1.1. 单元位移模式

3.1.2. 几何方程

3.1.3. 单元应变与节点位移

3.1.4. 物理方程

3.1.5. 单元应力与节点位移

3.1.6. 单元刚度矩阵

3.2. 塑性阶段的有限元模型

3.3. DEFORM. 软件介绍

3.4. 本章小节

4. 正交切削过程中切屑变形的仿真

4.1. 正交切削模型的建立

4.2. 材料的参数

4.3. 有限元网格的划分及分离标准

4.3.1. 几何干涉判据

4.3.2. 网格畸变判据

4.3.3. 重划标准的设置

4.4. 施加载荷边界条件

4.5. 接触对以及摩擦状态处理

4.6. 仿真计算

4.7. 实验

4.8. 实验原理及方法

4.9. 结果分析

4.9.1. 切削力的仿真及实验结果

4.9.2. 剪切角的仿真结果

4.9.3. 切屑成形的仿真结果及实验结果对比

4.10. 本章小节

5. 正交切削过程中的温度数值仿真研究

5.1. 切削温度研究的内容

5.2. 利用数值计算的方法研究切削温度

5.3. 切削温度有限元模型的建立

5.4. 仿真结果分析

5.5. 本章小结

6. 结论与展望

6.1. 结论

6.2. 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间参与项目与发表论文