基于有限元法的椭圆振动切削机理研究

摘要

随着微纳加工技术等领域的迅速发展，具有微结构功能表面的精密模具的应用越来越广泛。精密模具在一些工况环境恶劣的条件下工作时，对其使用性能要求更为苛刻。然而，目前大多数的精密模具基体材料都局限于一些有色金属以及镀层材料，这是因为还没有较为高效的方法对具有高强度和高硬度等特性的理想材料进行加工。为了满足需求，二维振动切削（又称椭圆振动切削）技术受到了业内学者们的广泛关注，椭圆振动切削继承了一维超声振动切削的优点，使得刀具与工件表面和切屑之间间断性的接触，最大程度的避免了刀具的后刀面与已加工表面之间的接触，使工件的已加工表面质量以及刀具的使用寿命得到提高。但对椭圆振动切削的研究还处于初期阶段，将其应用到实际生产中，还需要不断的深入研究与实践。 本文在充分分析了椭圆振动切削研究现状的基础上，利用有限元软件对椭圆振动切削进行相关模拟仿真研究，主要工作总结如下: 首先，介绍了椭圆振动切削技术的切削原理，对刀具的椭圆形运动轨迹的形成机理进行了分析，建立了适用于椭圆振动切削的切削力模型，并分析了切削过程中理论误差的产生过程，得出速度系数k与理论误差之间的关系曲线。 其次，利用有限元软件建立了适用于椭圆振动切削的二维有限元模型，并通过和相同工艺条件下的切削试验结果进行对比，验证了所建模型的正确性。 然后，对所建的二维有限元模型进行椭圆振动切削模拟，研究切削过程中工艺参数对切削力以及切削温度的影响，得出了相关规律:提高振动频率和振幅或适当的降低进给速度都可促使切削力以及切削温度的降低。对铝6061、铜C37700、MP35N镍合金以及不锈钢304四种材料进行了模拟研究，从切削机理上解释了椭圆振动切削技术在切削难加工材料时所具有的优异特性。 最后，对椭圆振动切削已加工表面残余应力的形成机理进行了研究，通过有限元软件对普通切削、一维振动切削和椭圆振动切削三种切削方式的工件已加工表面的残余应力分布进行的模拟仿真，研究发现，相比其他两种切削方式，椭圆振动切削工件的已加工表层有较为明显的表面残余压应力分布，且在一定的工件表层深度内，残余压应力分布均匀，效果明显。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 本课题提出的意义及背景

1．2 国内外振动切削的发展状况

1．2．1 普通超声振动切削的发展状况

1．2．2 国外椭圆振动切削的发展状况

1．2．3 国内椭圆振动切削的发展状况

1．3 国内外已加工表面残余应力的发展状况

1．4 有限元分析法在切削方面的应用概况

1．5 本文的主要研究内容

第二章 椭圆振动切削理论分析

2．1 引言

2．2 椭圆振动切削原理

2．3 椭圆振动轨迹产生机理

2．4 椭圆振动切削运动特性

2．4．1 变速切削特性

2．4．2 刀-屑分离特性

2．4．3 摩擦力反转特性

2．4．4 变切削角特性

2．5 切削力模型的研究

2．5．1 犁切力模型

2．5．2 正前角切削力模型

2．5．3 负前角切削力模型

2．6 表面创成机理研究

2．6．1 EVC表面形成机理分析

2．6．2 切削方向上残留高度Rth的影响因素

2．6．3 进给方向上的残留高度Rz的影响因素

2．7 本章小结

第三章 椭圆振动切削有限元模型的建立和验证

3．1 引言

3．2 有限元软件AdvantEdge FEM简介

3．3 有限元模拟过程

3．4 二维有限元模型的建立

3．4．1 模型建立的假设条件

3．4．2 材料的本构关系

3．4．3 工件材料本构模型

3．4．4 工件材料断裂准则

3．4．5 刀-屑摩擦模型

3．4．6 模型的确定及网格划分

3．5 模型验证

3．6 本章小结

第四章 椭圆振动切削工艺参数的模拟研究

4．1 引言

4．2 EVC工艺参数对切削力的影响规律

4．2．1 刀具振动频率对切削力的影响规律

4．2．2 进给速度对切削力的影响规律

4．2．3 振幅对切削力的影响规律

4．3 工艺参数对切削温度的影响规律

4．3．1 刀具振动频率对剪切变形区切削温度的影响规律

4．3．2 振幅对剪切变形区切削温度的影响规律

4．3．3 进给速度对剪切变形区切削温度的影响规律

4．4 难加工材料的EVC模拟研究

4．4．1 不同工件材料的切削力模拟研究

4．4．2 不同工件材料的剪切变形区温度分布及切屑形态模拟研究

4．5 本章小结

第五章 已加工表面残余应力的模拟研究

5．1 引言

5．2 已加工表面残余应力的形成机理

5．2．1 已加工表面形成过程

5．2．2 EVC表面残余应力的产生机理

5．2．3 残余应力的理论分析

5．3 EVC工件表面残余应力的模拟研究

5．3．1 不同切削方式的表面残余应力模拟研究

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 结论

6．2 进一步工作展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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