高速钢丝锥攻丝过程的数值模拟与参数优化

发布时间：2017-11-02 00:18

  本文关键词：高速钢丝锥攻丝过程的数值模拟与参数优化

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【摘要】：丝锥,是一种常用加工内螺纹刀具,攻丝加工是一种半封闭加工,攻丝加工条件恶劣,切削效率低下。主要表现有不合理的切削条件使扭矩及轴向切削力增大,切削温度升高,造成丝锥粘屑、崩刃、折断等后果。近年来,在高速钢丝锥攻丝工艺上采用改变几何参数、切削参数和选用优质加工材料等方法,业内已经展开了深入研究。在我国,对高速钢丝锥攻丝工艺的研究起步较晚,因此,为有效的节省大量时间与成本,选择对其进行计算机模拟有着广泛的发展前景,并已成为必然所趋。但是由于仿真与真实试验之间的修正不易实现,故对高速钢丝锥攻丝工艺选择有限元的分析方法,其发展仍旧较为缓慢。本文以高速钢丝锥攻丝工艺过程为研究对象,以减小丝锥攻丝过程的扭矩和轴向切削力、降低切削温度为目标,来实现降低高速钢丝锥攻丝成本、改善高速钢丝锥攻丝效果的目的。利用Pro/E的建模功能对丝锥进行目标性建模,结合热效应、运动方程、子循环、刀屑接触等相关基本理论以及AdvantEdge FEM软件的3D模拟攻丝工艺的功能,对高速钢丝锥攻丝过程进行数值模拟。本文分析的丝锥材料为含钻高速钢HSS/Co-M35,被加工材料选择H13热作模具钢及Ti-6A1-4V钛合金,工件尺寸(长×宽×高：20×20×10mm),论文的主要研究内容有：(1)基于Pro/E软件对丝锥进行三维建模,并通过改变丝锥的几何参数(前、后角)和结构参数(刃口钝化半径)等进行建模；(2)根据热效应、运动方程、子循环、刀屑接触等基本理论,对丝锥攻丝工艺的数值模拟进行工件定义、刀具定义、切削参数定义等仿真设置(包括从Pro/E中导入丝锥模型),并对丝锥和工件进行网格划分,通过试验获得的扭矩值及切屑验证模型的可用性；(3)利用AdvantEdge FEM软件,建立含钴高速钢丝锥攻Ti-6A1-4V钛合金的切削力经验模型,并分析不同参数对其三向切削力的影响规律；对攻三种材料(A12024-T4铝合金、H13热作模具钢和Ti-6A1-4V钛合金)时轴向切削力和扭矩最大值进行对比研究；(4)对含钴高速钢丝锥攻Ti-6A1-4V钛合金过程中的切削区域及丝锥前、后刀面的切削温度分布云图进行研究,并建立后刀面上切削温度沿切削刃分布历程曲线；对丝锥刃口钝化前后和其取不同后角时的刀具温度峰值进行对比分析；采用多指标正交试验设计方法研究了丝锥全生命周期多类型参数即丝锥前、后角(刀具设计参数)、刃口钝化半径(刀具制造参数)、主轴转速(刀具使用参数)对攻丝综合性能(将扭矩Tmax、轴向切削力Fzmax和切削温度tmax三项攻丝性能指标转化为单一综合切削性能指标y1*)的影响。本课题的研究得到国家自然科学基金项目的资助,项目编号：51275333；
【关键词】：HSS/Co-M35含钴高速钢丝锥 Ti-6Al-4V钛合金 多指标正交试验设计 AdvantEdge FEM
【学位授予单位】：太原科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG62
【目录】：

• 中文摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 研究背景与意义11-12
• 1.2 高速钢丝锥简介12-13
• 1.2.1 普通高速钢丝锥的特点12
• 1.2.2 含钴高速钢丝锥的特点12-13
• 1.3 切削加工仿真的研究现状13-14
• 1.3.1 国外研究现状13
• 1.3.2 国内研究现状13-14
• 1.4 主要研究内容与章节安排14-17
• 1.4.1 主要研究内容14-15
• 1.4.2 论文章节安排15-17
• 第二章 工件材料的选用及试验方案的设计17-27
• 2.1 工件材料的选用17-18
• 2.1.1 H13热作模具钢简介17
• 2.1.2 钛合金发展简介17-18
• 2.1.3 Ti-6Al-4V钛合金性能特征及其用途18
• 2.2 试验方案设计18-20
• 2.2.1 正交试验设计简介18-19
• 2.2.2 多指标试验设计简介19-20
• 2.3 攻丝设备及测力仪简介20-25
• 2.3.1 攻丝设备的分类与选择20-23
• 2.3.2 试验用测力仪及其工作原理简介23-25
• 2.4 本章小结25-27
• 第三章 基于AdvantEdge FEM的攻丝建模及其可行性验证27-47
• 3.1 数值模拟相关理论27-30
• 3.1.1 运动方程理论27
• 3.1.2 子循环理论27-29
• 3.1.3 刀屑接触基本原理29-30
• 3.1.4 自适应网格划分技术30
• 3.2 丝锥三维几何模型建模30-35
• 3.2.1 丝锥基本尺寸的选定30-31
• 3.2.2 M8普通螺纹用三槽丝锥(粗牙)三维模型的建立31-35
• 3.3 基于AdvantEdge FEM的物理建模35-39
• 3.3.1 工艺定义35-36
• 3.3.2 工件定义36-37
• 3.3.3 刀具定义37
• 3.3.4 切削参数定义37-38
• 3.3.5 仿真选项定义38-39
• 3.4 数值模拟模型的可行性验证39-44
• 3.4.1 攻丝扭矩仿真与试验验证40-41
• 3.4.2 切屑验证41-44
• 3.5 本章小结44-47
• 第四章 丝锥切削力及扭矩的仿真研究47-57
• 4.1 攻丝切削力47-48
• 4.1.1 攻丝切削力来源47
• 4.1.2 攻丝切削力及其分解47-48
• 4.2 切削力的经验公式48-49
• 4.3 试验条件及试验方案49-50
• 4.3.1 攻丝试验条件49
• 4.3.2 攻丝试验方案49-50
• 4.4 仿真试验结果分析50-54
• 4.4.1 切削力及攻丝扭矩仿真试验结果50-51
• 4.4.2 切削力经验模型的建立51-52
• 4.4.3 仿真试验结果直观分析52-54
• 4.5 不同材料轴向切削力与扭矩的对比分析54-55
• 4.6 本章小结55-57
• 第五章 切削温度的仿真研究57-67
• 5.1 切削区域温度仿真57-58
• 5.2 前后刀面温度分布58-61
• 5.2.1 前刀面温度分布58-59
• 5.2.2 后刀面温度分布59-61
• 5.3 刃口钝化前后切削温度仿真对比61-62
• 5.4 丝锥取不同后角的对比分析62-63
• 5.5 丝锥攻Ti-6Al-4V钛合金的多指标试验研究63-65
• 5.5.1 试验攻丝参数及切削性能指标的选取63-64
• 5.5.2 多指标正交试验结果分析64-65
• 5.6 本章小结65-67
• 第六章 总结与展望67-69
• 6.1 全文总结67-68
• 6.2 展望68-69
• 参考文献69-73
• 致谢73-75
• 攻读学位期间发表的学术论文目录75

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2 于俊达;刃口钝化高速钢丝锥攻丝研究[D];太原科技大学;2013年

本文编号：1129168