金属切削过程中锯齿形切屑形成机理研究

发布时间：2017-07-27 02:19

  本文关键词：金属切削过程中锯齿形切屑形成机理研究

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【摘要】：金属切削加工是整个机械制造业领域中应用最广泛的加工方法之一,而高速切削的广泛运用有效率的并且具有较高精度的满足了制造业企业的加工需求。与此同时,在金属高速切削的过程中,对于绝大多数材料,容易产生锯齿形切屑,然后在此过程中,切屑的锯齿化使得断屑更加容易,但是却对刀具与加工材料上产生的切削力造成极大的影响和改变,因而会使得整个加工系统发生震荡或者波动,这其中既包括了刀具的不定向振动,有可能损坏刀具或者影响刀具的寿命,同时,所加工材料的已加工表面也会随之发生一定幅度的变化。这不仅影响了加工材料的质量,也使得加工成本上升加工效率变低了。因此,在金属切削过程中,研究高速切削下的锯齿形切屑产生机理具有重要意义。锯齿形切屑形成机理的研究有助于更好的去认识高速切削加工本质,大力提高切削加工的生产效率和产品质量,能降低生产成本,对适应机械制造业新发展,促进国民经济和社会发展有着的意义。在锯齿形切屑形成机理方面,应力、应变、温度的分布规律取得了很多成果,为进一步研究切削理论奠定了基础。但在切屑锯齿化程度与已加工表面质量之间的关系问题还需要进一步研究。有鉴于此本文基于绝热剪切理论,对锯齿形切屑形成过程进行仿真,对比条件下的仿真结果,分析切屑锯齿化程度对已加工表面质量的影响规律。本文采用理论分析、实验研究与分析与数值仿真相结合的方法,以45钢材料为研究对象,对其在正交切削时进行锯齿形切屑形成机理的研究。本文的主要研究创新点如下:(1)确立以绝热剪切理论为基础的切屑演变规律。对45钢材料的正交切削进行实验研究,随切削速度逐步提高,切屑形态从一开始的带状切屑转变为锯齿形切屑到最后形成断裂切屑形态。又对切屑的表面进行了细致的观察,确定了带状切屑与锯齿形切屑在形成机理上存在明显区别;在锯齿形切屑形成之后,切削速度以及进给量的改变的变化对切屑锯齿化程度和材料已加工表面质量有着本质的影响。(2)本文选用大型有限元通用软件ABAQUS,对45钢锯齿形切削过程进行了有限元仿真。通过有限元分析得出了锯齿形切屑的形成机理为:在高温下软化条件下,工件材料会发生热塑性的失稳状态,而这时,工件材料在第一变形区就会发生剪切滑移变形,从而产生绝热剪切带,导致锯齿形切屑的形成。同时,结合45钢高速正交切削实验,在保证改变切削参数一致性的情况下,将有限元模拟结果与实验结果进行对比验证,发现具有较好的结果,从研究的内容和结果对比可以知道,锯齿形切屑形成机理的根本原因为热塑性失稳的结论。
【关键词】：绝热剪切 锯齿形切屑 切屑形成机理 有限元分析
【学位授予单位】：上海工程技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG506.1
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 第一章 绪论13-24
• 1.1 课题研究背景与意义13-14
• 1.2 锯齿形切屑形成机理研究14-18
• 1.2.1 绝热剪切理论16
• 1.2.2 周期性断裂理论16-17
• 1.2.3 绝热剪切现象及特征17-18
• 1.3 金属切削的有限元模拟研究18-20
• 1.4 尚待解决的问题20-21
• 1.5 本文的结构框架和研究内容21-23
• 1.5.1 文章的结构总体框架21
• 1.5.2 本文研究的主要内容21-22
• 1.5.3 研究目标及研究技术路线22-23
• 1.6 本章小结23-24
• 第二章 模型的建立24-36
• 2.1 ABAQUS有限元软件的介绍24-25
• 2.2 几何模型的介绍与建立25
• 2.3 有限元方法的介绍25-28
• 2.3.1 Lagrangian有限元方法25-27
• 2.3.2 Euler有限元方法27
• 2.3.3 ALE任意拉格朗日-欧拉有限元方法27-28
• 2.4 材料模型的介绍与建立28-30
• 2.5 摩擦模型的介绍与建立30-32
• 2.6 本研究中金属非稳态切削的模拟分析32-35
• 2.7 本章小结35-36
• 第三章 切屑锯齿化程度的实验研究及有限元分析36-53
• 3.1 切屑锯齿化程度的研究36-38
• 3.1.1 锯齿形切屑的形成过程36-37
• 3.1.2 有限元分析在锯齿形切屑上的应用37-38
• 3.2 问题的提出和本章研究内容38-40
• 3.2.1 问题的提出39
• 3.2.2 本章研究内容39-40
• 3.3 锯齿形切削的实验过程40-44
• 3.3.1 实验的设备准备40-42
• 3.3.2 实验的设计42
• 3.3.3 实验的结果42-44
• 3.4 金属有限元模型的建立44-47
• 3.4.1 Lagrangian有限元材料模型的建立44-45
• 3.4.2 几何模型的建立45-46
• 3.4.3 材料模型的建立46
• 3.4.4 摩擦模型的建立46-47
• 3.5 有限元仿真结果分析47-52
• 3.5.1 锯齿化程度的表示47-48
• 3.5.2 不同速度条件下的锯齿化程度有限元分析48-52
• 3.6 本章小结52-53
• 第四章 已加工表面质量的有限元分析53-65
• 4.1 金属切削已加工表面国内外研究现状53-55
• 4.2 问题的提出和本章研究内容55-57
• 4.2.1 问题的提出55-57
• 4.2.2 本章研究内容57
• 4.3 工件已加工表面的车削实验57-59
• 4.3.1 实验的设备准备57
• 4.3.2 实验的设计57-58
• 4.3.3 不同速度下已加工表面质量的对比结果58
• 4.3.4 进给量对已加工表面质量的影响分析58-59
• 4.4 金属有限元模型的建立59-62
• 4.4.1 Lagrangian有限元材料模型的建立59-60
• 4.4.2 几何模型的建立60
• 4.4.3 材料模型的建立60-61
• 4.4.4 摩擦模型的建立61-62
• 4.5 已加工表面有限元结果分析62-64
• 4.5.1 不同速度下加工表面质量有限元分析63
• 4.5.2 不同进给量下加工表面质量有限元分析63-64
• 4.6 本章小结64-65
• 第五章 总结与展望65-68
• 5.1 全文总结65-66
• 5.2 未来展望66-68
• 参考文献68-73
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果73-74
• 致谢74-75

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