高速切削锯齿形切屑的试验研究与有限元模拟

发布时间：2017-10-31 23:09

  本文关键词：高速切削锯齿形切屑的试验研究与有限元模拟

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【摘要】：高速切削是解决难加工材料加工的最有效手段之一,而难加工材料的锯齿形切屑试验研究是高速切削基础理论研究领域的重要组成部分。本课题以钛合金和镍基高温合金两种工件材料为研究对象,采用切削试验和有限元模拟相结合的方法,对这两种材料锯齿形切屑的形成过程、演变机理及锯齿形切屑几何表征与切削用量关系展开了深入研究。锯齿形切屑是高速切削加工过程中切屑的典型特征,在切削过程中它不仅会导致切削力在切削稳态下高频率的波动,还会使刀具的磨损和破损加剧,从而降低刀具寿命和已加工表面质量。因此,对锯齿形切屑的实验研究有助于优化切削工艺,提高刀具寿命,保证已加工表面质量。首先,通过钛合金Ti6A14V和镍基高温合金的切削试验,对切屑的宏微观形态和切削力进行了研究分析。结果表明：切屑螺旋外径随着切削速度和进给量的提高而增大。切削力随着进给量、背吃刀量的增大而增加,随切削速度的增加而减小。建立了切削力的经验公式,并通过对比分析验证了其正确性。锯齿化程度、锯齿化步距随切削速度、进给量和背吃刀量的增加而增大,锯齿化频率随进给量的增加而减小,随切削速度和背吃刀量增加而增大；绝热剪切带随着切削速度的提高而具有从形变带到转变带再到带裂纹转变带的转化趋势。其次,利用ABAQUS软件建立了镍基高温合金的正交切削有限元模型。几何模型采用设置剪切损伤区而不单独设置分离线的方法,材料本构关系选用能正确反映材料本质属性的Johnson-Cook本构模型；通过切削力和切屑形态的对比分析,验证了该模型的正确性。最后,通过试验与模拟的对比分析,研究了锯齿形切屑形成过程及机理。结果表明：锯齿形切屑的演变过程由锯齿雏形、锯齿雏形到锯齿节块及锯齿节块到锯齿切屑三个形成阶段组成。温度弱化作用使剪切滑移变形始于切削层下部靠近刀尖区域,并呈尖峰状向切削层顶表面方向扩展；当刀尖处金属发生热塑失稳时,剪切滑移瞬间扩展至切削层顶表面形成了完整的剪切滑移窄带,锯齿雏形形成。剪切滑移窄带内的金属基本均处于热塑失稳状态,锯齿雏形将沿着整个变形窄带发生集中剪切滑移变形,形成锯齿节块。锯齿节块进入第二变形区后,集中滑移窄带内的金属仍处于热塑失稳状态,在前刀面的推挤作用下,锯齿节块将继续沿着集中剪切滑移带发生集中剪切滑移变形,直至离开第二变形区,完成了锯齿切屑的形成。
【关键词】：高速切削 锯齿形切屑 绝热剪切带 形成过程 演变机理
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG506.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-18
• 1.1 本课题的研究背景与意义9-10
• 1.2 锯齿形切屑内的绝热剪切及其国内外研究10-14
• 1.2.1 绝热剪切现象及其产生原因10-12
• 1.2.2 锯齿形切屑形成的几何特征12-14
• 1.3 锯齿形切屑的有限元模拟现状14-15
• 1.4 本课题研究的主要内容15-18
• 2 锯齿形切屑形成过程的理论研究18-26
• 2.1 锯齿形切屑的形成过程18-22
• 2.2 锯齿形切屑的形成机理22-25
• 2.2.1 绝热剪切理论(Adiabatic shear theory)22-24
• 2.2.2 周期脆性断裂理论(Periodic brittle fracture)24-25
• 2.3 本章小结25-26
• 3 高速切削的试验研究26-48
• 3.1 试验设计26-35
• 3.1.1 工件材料的选择26-27
• 3.1.2 刀具及机床的选择27-30
• 3.1.3 试验方法及目的30-31
• 3.1.4 试验步骤31-35
• 3.2 切屑宏微观形态分析35-39
• 3.3 切削力试验结果分析39-47
• 3.3.1 切削用量对切削力的影响40-43
• 3.3.2 切削力经验公式的建立43-45
• 3.3.3 切削力经验公式的验证45-47
• 3.4 本章小结47-48
• 4 锯齿形切屑试验结果研究分析48-61
• 4.1 锯齿形切屑的几何表征48-54
• 4.1.1 锯齿化程度48-51
• 4.1.2 锯齿化频率51-52
• 4.1.3 锯齿化步距52-54
• 4.2 锯齿形切屑的形成模型54-56
• 4.3 绝热剪切带的变化规律56-59
• 4.3.1 绝热剪切带的演变过程56-58
• 4.3.2 切削条件对绝热剪切带形成与发展的影响58-59
• 4.4 本章小结59-61
• 5 高速正交切削的有限元模拟研究61-77
• 5.1 切削过程有限元基本理论及软件介绍61-66
• 5.1.1 有限元法基本思想及其分析过程61-63
• 5.1.2 非线性有限元软件ABAQUS简介63-64
• 5.1.3 二维正交切削有限元模型的构建64-66
• 5.2 有限元模型的建立66-74
• 5.2.1 材料本构模型及材料属性的赋予66-68
• 5.2.2 几何模型的建立68-69
• 5.2.3 切屑断裂准则69-70
• 5.2.4 粘结-滑移混合摩擦模型70-72
• 5.2.5 有限元模型网格的划分72-73
• 5.2.6 边界条件和约束73-74
• 5.3 有限元模型验证74-76
• 5.3.1 切削力验证74-75
• 5.3.2 切屑形态验证75-76
• 5.4 本章小结76-77
• 6 锯齿形切屑的有限元模拟分析77-88
• 6.1 锯齿形切屑的形成过程分析77-81
• 6.2 锯齿形切屑的形成机理分析81-86
• 6.3 集中剪切带的启动和扩展86-87
• 6.4 本章小结87-88
• 结论88-90
• 参考文献90-94
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况94-95
• 致谢95-96

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 寇自力;超硬刀具的发展与应用[J];工具技术;2000年08期

2 段春争;王肇喜;李红华;;高速切削锯齿形切屑形成过程的有限元模拟[J];哈尔滨工程大学学报;2014年02期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 朱雨恩;钛合金切削中锯齿形切屑的绝热剪切带组织演变及其形成机理的研究[D];华南理工大学;2010年

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本文编号：1124157