超硬材料车削过程的数值仿真研究

摘要

长期以来，超硬材料的切削加工一直是切削加工中所面临的难题；因为利用超硬材料刀具加工高硬材料工件时，刀具不仅要承受很大的切削力，而且还要承受切屑变形及磨损所产生的高温，刀具的刀刃磨损的很快，切削力迅速增大，以至刀具发生剧烈磨损报废。随着现代社会的发展，各种行业对这些超硬材料用量需求也越来越大，但是超硬材料的加工成本高和加工效率低下的矛盾将更加突出，超硬材料的切削加工问题如果得不到很好的解决，势必会限制其应用范围。有限元法逐渐成为切削过程研究的有效手段，应用有限元技术可以高效、低成本地对超硬材料车削过程的切削机理、工艺规律进行深入研究，从而可很好的解决这个矛盾。
　　 本文以金属切削理论和有限元理论为基础，针对超硬材料的切削性能特点，利用ANSYS LS-DYNA和AdvantEdge FEM两种有限元软件分别建立了适应于硬态切削的二维和三维有限元模型，模拟了切削过程的切削力和切削温度。考虑工件材料机械物理性能随时间的变化和流动应力受应变、应变速率和温度影响特性来模拟材料的非线性问题；采用网格重划分技术和剪切失效准则、单元去除和自适应重划分技术模拟了切削过程；为了处理硬态切削过程中的几何非线性问题，分别采用了更新的Lagrange格式的有限元法与ALE法；在LS-DYNA后处理形成的K文件中添加与热分析相关的关键字，进行热力耦合场分析。得到了超硬材料切削过程中各种切削参数对切削性能的影响规律，如不同切削条件下切削力、切削温度的特征和变化趋势，为优化超硬材料车削工艺参数及其切削力、切削温度的预报提供了有效的方法。
　　 采用切削温度实验系统做了一系列实验，将实验数据结果和AdvantEdge 3D有限元软件的仿真数据结果作对比，其结果具有一致的规律性，从而验证了该研究方法的可靠性。
　　 论文的研究结果表明，本文建立的CBN刀具车削淬硬GCr15钢的有限元分析模型可以较好地对超硬材料车削过程进行数值分析，利用有限元仿真数据作为虚拟切削实验数据，建立了切削温度正交回归方程，从而可以部分取代切削实验研究，是一种深入研究超硬材料切削机理的高效、低成本方法，对超硬材料切削加工技术的实际应用具有一定的促进作用。