硬态车削淬硬钢切屑形成机理及表面完整性研究

发布时间：2017-10-03 17:23

  本文关键词：硬态车削淬硬钢切屑形成机理及表面完整性研究

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【摘要】：硬态车削也称“以车代磨”,是指把淬硬钢的车削作为最终精加工工序的工艺方法。一般情况下,淬硬钢工件的粗加工是在淬火前进行的,淬火后进行磨削精加工。但磨削加工成本高、效率低。随着高硬刀具材料和相关技术的发展,可以采用PCBN刀具、陶瓷刀具或新型硬质合金刀具在车床或车削加工中心对淬硬钢进行车削,其加工质量也可以达到精磨的水平。本文针对硬态车削典型淬硬模具钢H13和Cr12MoV材料,采用仿真-理论和实验相结合方法,借助有限元软件Advantedge FEM和微观形貌检测手段,系统研究了硬态车削切屑形成机理及其加工表面完整性,为优化切削参数、提高刀具寿命和模具钢表面质量提供了理论支撑。本文选用的陶瓷刀具(Si_3N_4)进行硬态车削过程仿真,分析不同切削参数对切屑形态,切削力和切削温度的影响规律,基于对车削过程中的应变、应变率、最大剪应力以及切削力的分析,深入研究了硬态车削切屑形成机理,明确了形成锯齿状切屑的切削参数与条件;借助切屑最大厚度及其锯齿形切屑连续部分的高度参数,对切屑锯齿化程度进行了定量表征,阐明了锯齿状切屑的形成机理,研究了各切削参数(切削速度v,进给量f,背吃刀量ap)对切屑锯齿化程度的影响规律;通过有限元仿真分析了硬态车削切屑的形成过程,通过分析切削过程中的应变率云图,对切屑过程中切屑的变形过程进行了研究。本文中通过硬态车削实验,验证了有限元仿真的可靠性,采用超景深显微镜观察了硬态车削中切屑的微观形貌,对硬态车削切屑形成的微观机理进行了分析;锯齿状切屑的产生是由于材料发生了塑性失稳。对已加工表面进行表面完整性的研究,对硬态车削表面残余应力进行了仿真研究,比较了车削H13钢和Cr12MoV钢表面残余应力的分布及应力大小,得到了不同切削速度、进给量和背吃刀量对残余应力的影响规律:其中进给量对切屑形态影响最大,切削速度次之。对残余应力影响最大的是材料自身的性能,切削参数中进给量对残余应力的影响最大,测量了表面粗糙度值和表面硬度,观察了表面微观形貌,研究分析了切削速度,进给量,背吃刀量对表面完整性的影响规律。
【关键词】：硬态车削 淬硬钢 切屑形成 有限元模拟 表面完整性
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG51
【目录】：

• 摘要8-9
• Abstract9-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 研究目的和意义11-12
• 1.2 切屑形成机理12-14
• 1.2.1 硬态车削切屑形态研究现状12-13
• 1.2.2 硬态车削切屑形成机理研究现状13-14
• 1.3 硬态车削已加工表面完整性的研究现状14-17
• 1.3.1 表面粗糙度14-15
• 1.3.2 残余应力15-16
• 1.3.3 白层与表面硬度16-17
• 1.4 有限元法在硬态车削中的应用17-18
• 1.5 课题的提出及主要研究内容18-21
• 1.5.1 存在的问题及课题的提出18
• 1.5.2 课题的研究内容18-21
• 第二章 车削切屑形成过程模拟及机理分析21-39
• 2.1 硬态车削有限元模型的建立21-24
• 2.1.1 有限元模拟的关键技术21-23
• 2.1.2 几何模型的建立23-24
• 2.2 模具钢车削切屑形成特征及模拟24-26
• 2.2.1 研究材料的性能特征24-25
• 2.2.2 切屑形态分类25
• 2.2.3 硬态车削切屑的形成过程模拟25-26
• 2.3 车削参数对切屑形态的影响分析26-30
• 2.3.1 切削速度对切屑形态的影响26-28
• 2.3.2 进给量对切屑形态的影响28-29
• 2.3.3 背吃刀量对切屑形态的影响29-30
• 2.4 硬态车削切屑形成机理分析30-36
• 2.4.1 切屑形态的几何表征31-32
• 2.4.2 锯齿化程度的定量模型32-34
• 2.4.3 锯齿状切屑的切削力分析34-35
• 2.4.4 锯齿状切屑的应力应变分析35-36
• 2.5 工艺参数优化方案确定36-37
• 2.6 本章小结37-39
• 第三章 硬态车削切屑形成机理的实验研究39-51
• 3.1 车削实验方案39-41
• 3.1.1 实验工件的设计39
• 3.1.2 半精加工与精加工参数的确定39-40
• 3.1.3 实验刀具的选择40-41
• 3.2 切屑形态实验分析41-42
• 3.2.1 切屑试样的制备41
• 3.2.2 切屑形态微观微观实验检测41-42
• 3.3 车削用量对切屑形态特征的影响研究42-49
• 3.3.1 切削速度对切屑形态的影响规律42-46
• 3.3.2 进给量对切屑形态的影响规律46-47
• 3.3.3 背吃刀量对切屑形态的影响规律47-49
• 3.4 实验与数值模拟的对比分析49-50
• 3.4.1 锯齿化程度的对比验证49
• 3.4.2 切屑上卷半径的对比验证49-50
• 3.5 本章小结50-51
• 第四章 硬态车削表面完整性的实验研究51-67
• 4.1 表面三维组织形貌检测51-55
• 4.1.1 表面粗糙度的研究51-53
• 4.1.2 已加工表面微观形貌53-55
• 4.2 加工表层残余应力模拟与分析55-59
• 4.2.1 加工表层残余应力的产生机理55-56
• 4.2.2 影响加工表层残余应力的主要影响因素56-59
• 4.3 已加工表面加工硬化研究59-64
• 4.3.1 微观检测试样的制备59-60
• 4.3.2 切削速度对表面硬度的影响60-62
• 4.3.3 进给量对表面硬度的影响62
• 4.3.4 背吃刀量对表面硬度的影响62-64
• 4.4 硬态车削切屑形态表征量与表面完整性的关系64-65
• 4.4.1 切屑宏观形态与表面完整性的关系64-65
• 4.4.2 切屑微观形态与表面完整性的关系65
• 4.5 本章小结65-67
• 第五章 结论与展望67-69
• 5.1 结论67-68
• 5.2 创新点68
• 5.3 展望68-69
• 参考文献69-75
• 致谢75-77
• 附录77

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本文编号：965758