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高锰钢钻削加工仿真与实验研究

王慧东  
【摘要】: 高锰钢在较大的冲击载荷或接触应力作用下,其表面迅速产生加工硬化,并有高密度位错形变孪晶生成,形成高耐磨的表面层,从而具有很好的耐磨性。因此被广泛应用于冶金、矿山、建材、铁路、电力、煤炭等机械装备中,如铁路道叉、挖掘机的铲斗、破碎机锤头、球磨机衬板和坦克的履带板等。 高锰钢的原始硬度并不高,但其抗拉强度较高(约为45钢的2倍),塑性很大(约为45钢的4倍),韧性也特别高(约为45钢的8倍)。实验表明,在经受塑性变形之后,其奥氏体组织容易转变为细晶粒的马氏体组织,致使加工硬化特别严重,其硬化程度超过奥氏体不锈钢,能使硬度从原来的200HB左右提高到550HB左右,冷硬层深度可达0.3mm以上,高温下还容易形成高硬的氧化层。 高锰钢的这些力学物理性能,决定了它是一种很难加工的材料。使用常规实验方法研究高锰钢,研究周期长,刀具材料耗费严重,实验成本高。而有限元方法作为实验方法的有效补充,能够动态模拟金属切削过程,有助于理解材料去除过程中发生的物理变化。如果能够使用有限元方法研究高锰钢钻削加工,则对选择刀具材料,优化刀具几何形状,降低研究成本,节省时间等有很大的帮助。 本论文主要研究高锰钢钻削加工过程的数值模拟问题,寻找合适的数值模拟方法,以替代传统的实验方法,从而缩短研究时间,降低研究成本。围绕高锰钢钻削加工过程的仿真与实验,研究了仿真过程中模型建立的方法及相关理论。利用商用塑性成形有限元DEFORM软件,建立高锰钢(ZGMn13)材料的有限元模型。研究了麻花钻常规建模方法,并以麻花钻的刃磨原理及数学模型为理论基础建立了麻花钻的几何模型。动态模拟高锰钢钻削加工过程,获得了连续切屑、钻削力和扭矩等数据。模拟结果显示钻削高锰钢时进给量的增加导致钻削力增大,切削速度的增加使得钻削力减小。为了验证仿真的结果,采用与仿真相同的切削用量参数,进行高锰钢钻削实验。仿真结果与实验结果较接近,验证了仿真的有效性。可以为铁路道岔的生产实践提供理论指导和技术支持。 为了配合课题组的研究工作,本文利用实验室现有的钻削测力仪组建了新的测试系统。现有的测量仪是大连理工大学设计生产的YDZ-II02压电钻削测力仪,其量程不能满足课题组实验要求。为此设计并增加了一些外围机构,组建了新的测试系统,扩展了测量范围,及时满足课题进展的需要,节省了开支。


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