基于不等分剪切区的Merchant切削模型的研究与应用

摘要

金属切削在机械制造加工方法中占主导地位,其机理分析成果在实际生产中为优化切削参数、预测切削系统振动、监控刀具磨损和加工误差分析等提供理论依据。
　　剪切角和切削力是表征切削特征的两个关键参数,切削领域的几乎所有计算都与它们相关,它们彼此也直接影响。经典的Merchant切削模型忽略了剪切角对主剪切面上屈服剪应力以及刀具/切屑摩擦角的影响,所以分析结果往往与实际不符。
　　首先,本文利用不等分剪切区模型和材料的Johnson-Cook模型建立了主剪切面屈服剪应力与剪切角的函数关系式,并通过Schulz经验公式建立刀具/切屑摩擦角与剪切角的函数关系式,对Merchant剪切角计算模型进行了改进,使其理论分析更加完善。通过与经典剪切角分析模型的计算结果以及国外学者的实验数据作对比,验证了本文对Merchant切削理论改进的有效性。
　　接着,在该理论的基础上建立了直角切削力预测模型,并利用该切削模型去预测相关金属材料的直角切削力,通过与国外学者的直角切削实验数据对比,验证了直角切削力预测模型的有效性,并对其中存在的误差进行了分析。同时也在有限元仿真软件上模拟了直角切削过程,研究了切削要素和刀具几何形状对切削力与温度的影响,并对仿真结果作了对比与分析,验证了本文所建立的切削有限元仿真模型和直角切削力预测模型的有效性。
　　最后,将本文所建立的切削模型应用到车削力的预测当中,建立了车削力的预测模型,通过与相关文献中车削力实验数据和经验公式计算结果作对比,验证了本文所建立的车削力预测模型的有效性。
　　本文通过对经典Merchant切削理论之中的不足进行有效的改进,然后将理论应用到直角切削建模和车削力预测之中,取得了良好的效果,充分验证了本文改进经典切削理论的有效性,这在很大程度上完善了Merchant切削理论,为该理论的进一步深入研究奠定基础。

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1 绪 论

1.1 课题概述

1.2 国内外相关领域研究现状

1.3 本文的主要研究内容

2 Merchant剪切角计算模型的改进研究

2.1 经典剪切角计算模型的分析

2.2 改进的Merchant剪切角计算模型

2.3 计算结果对比与分析

2.4 本章小结

3 基于改进Merchant模型的直角切削建模与分析

3.1 直角切削力建模

3.2 计算结果对比与分析

3.3 本章小结

4 直角切削的三维有限元建模与仿真分析

4.1 基于DEFORM-3D的直角切削有限元建模

4.2 切削要素与刀具几何参数的仿真结果分析

4.3 本章小结

5 改进的切削模型在车削力预测中的应用

5.1 车刀车削的几何模型

5.2 斜角切削法向剪切角求解

5.3 车削力的计算模型

5.4 计算结果对比与分析

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表学术论文目录