不锈钢材料车削加工的实验研究与有限元仿真

发布时间：2017-09-18 19:02

  本文关键词：不锈钢材料车削加工的实验研究与有限元仿真

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【摘要】：因其良好的机械性能和化学性质,不锈钢材料在各行各业中都有着非常广泛的应用。尤其在石油天然气钻采及储运装备中大量使用着不锈钢材料。但是,从现场使用情况来看,不锈钢零件的加工表面质量对其抗腐蚀性能和疲劳寿命具有较大的影响,由于加工质量而导致不锈钢制品失效的现象屡屡发生。然而,不锈钢材料塑性大、硬度高、加工硬化现象严重使其在切削加工过程中表面质量难以提高。论文以AISI304不锈钢为研究对象,对其不同切削参数下的切削性能进行了实验研究与有限元分析,得出了在满足表面质量要求前提下具有最高加工效率的参数组合。 首先通过调研大量国内外对金属切削进行的研究,分析了金属切削仿真的关键技术。在此基础上,利用有限元分析软件Abaqus建立了YW2硬质合金刀具车削304不锈钢的二维正交切削有限元模型,模拟分析了切削力、切削温度、切屑形态和加工残余应力随切削参数和刀具几何参数的变化规律。 为研究不锈钢材料加工表面质量随切削参数的变化规律,同时验证有限元模型的准确性,进行了304不锈钢的车削实验,得到了正交实验条件下表面粗糙度值和加工硬化层厚度值,并分析了切削参数和刀具几何参数对其影响规律；同时将获得的主切削力值与仿真值进行对比,验证了有限元模型的正确性。 以中心复合实验设计方法实设计了面向表面粗糙度值和加工硬化层厚度的车削实验并以实验数据为基础,通过多项式响应面方法拟合出表面粗糙度和加工硬化层厚度的预测模型。 以预测模型为约束条件,以金属切除率为目标函数,以切削用量的取值范围为边界条件,通过多岛遗传算法进行了面向已加工表面质量的切削参数优化,得到了在相应约束值下的最优切削参数组合。
【关键词】：不锈钢 切削仿真 表面质量 预测模型 参数优化
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG51
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 绪论8-16
• 1.1 研究的背景8-9
• 1.2 金属切削加工国内外研究现状9-14
• 1.2.1 不锈钢材料切削性能研究现状10-12
• 1.2.2 金属切削的有限元仿真研究现状12-13
• 1.2.3 金属切削参数优化研究现状13-14
• 1.3 本文研究内容及研究思路14-15
• 1.4 本章小结15-16
• 第2章 金属切削加工理论基础16-22
• 2.1 金属切削过程16-17
• 2.2 切削力分析17-19
• 2.3 切削温度分析19-21
• 2.4 残余应力的产生与消除21
• 2.4.1 残余应力的产生21
• 2.4.2 残余应力的消除21
• 2.5 本章小结21-22
• 第3章 304不锈钢车削过程有限元仿真22-47
• 3.1 304不锈钢车削有限元仿真有限元模型的建立22-28
• 3.1.1 材料本构关系22-24
• 3.1.2 材料损伤断裂模型24
• 3.1.3 切屑分离准则24-25
• 3.1.4 接触摩擦模型25-26
• 3.1.5 热传导控制及温度边界条件设定26-28
• 3.2 切削力有限元仿真结果28-33
• 3.2.1 切削过程中切削力时间历程28-29
• 3.2.2 切削速度对主切削力的影响29-31
• 3.2.3 背吃刀量对主切削力的影响31-32
• 3.2.4 刀具前角对主切削力的影响32-33
• 3.3 切削温度有限元仿真结果33-38
• 3.3.1 刀具前刀面温度时间历程33-34
• 3.3.2 刀具前刀面温度分布与“月牙洼”磨损34-35
• 3.3.3 切削速度对切削温度的影响35-36
• 3.3.4 背吃刀量对切削温度的影响36-37
• 3.3.5 刀具前角对切削温度的影响37-38
• 3.4 切屑形态有限元仿真结果38-42
• 3.4.1 切削速度对切屑形态的影响38-39
• 3.4.2 刀具前角对切屑形态的影响39
• 3.4.3 背吃刀量对切屑形态的影响39-40
• 3.4.4 卷屑槽对切屑形态的影响40-42
• 3.5 残余应力有限元仿真结果42-44
• 3.5.1 残余应力的提取42-43
• 3.5.2 切削用量与刀具角度对表面残余应力的影响43-44
• 3.6 MISESS等效应力分析44-46
• 3.7 本章小结46-47
• 第4章 304不锈钢车削实验研究47-69
• 4.1 实验系统与实验装置47-49
• 4.2 实验方案设计与数据处理方法49-51
• 4.2.1 实验方案设计49-50
• 4.2.2 数据处理方法50-51
• 4.3 实验流程51-52
• 4.4 切削参数对切削力的影响52-56
• 4.4.1 切削力单因素实验与结果分析52-54
• 4.4.2 切削力正交实验及其结果分析54-56
• 4.5 切削参数对表面粗糙度的影响56-60
• 4.5.1 粗糙度单因素实验及其结果分析56-58
• 4.5.2 粗糙度正交实验与结果分析58-60
• 4.6 加工硬化层厚度分析60-67
• 4.6.1 加工硬化层厚度单因素实验与结果分析60-65
• 4.6.2 加工硬化层厚度正交实验与结果分析65-67
• 4.7 加工硬化程度分析67
• 4.8 本章小结67-69
• 第5章 基于响应面模型与遗传算法的面向表面加工质量的切削参数优化69-85
• 5.1 多项式响应面方法基本理论69-72
• 5.2 切削加工表面质量实验设计与预测模型的建立72-80
• 5.3 面向表面加工质量的切削参数优化80-84
• 5.3.1 遗传算法的基本原理80
• 5.3.2 遗传算法的基本流程80-82
• 5.3.3 切削参数优化的数学模型82-83
• 5.3.4 切削参数优化结果83-84
• 5.4 本章小结84-85
• 第6章 结论与展望85-88
• 6.1 结论85-86
• 6.2 展望86-88
• 致谢88-89
• 参考文献89-93
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目93

【参考文献】

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本文编号：877281