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单板层积材切削过程数值模拟及刀具参数优化研究

付廷辉  
【摘要】:单板层积材因其良好的物理力学性能,被用做木质建筑中的结构件、家具以及室外装饰材料,是近年兴起的性能优异的木质材料。单板层积材和所有木质材料一样,可以进行各种类型的切削加工;研究单板层积材切削过程,不仅可以丰富木质材料切削理论框架,而且对切削技术的发展和进步,产品质量的保证,切削加工工艺的优化具有十分重要的意义。 根据木质材料切削理论及有限元方法,研究建立了单板层积材切削数值模拟有限元模型,利用该有限元模型对单板层积材切削过程进行了数值模拟,根据得到切削过程中各变形阶段的应力和应变分布图,分析了单板层积材的切屑形成机理。模拟了单板层积材切削过程的切削力,分析了不同切削参数对单板层积材切削力的影响规律,分析结果表明,切削厚度在0.1mm的薄切削条件下,切削速度对切削力影响较小;切削厚度对切削力的影响较显著,切削力随切削厚度的增加而明显增大;模拟了单板层积材切削过程中刀具的温度场分布情况,实现了温度场的动态数值模拟。 设计了单板层积材的切削试验,采用测力仪测量了其切削过程中不同切削参数下的切削力。通过比较模拟结果和试验结果,两者的切削力变化规律比较一致,不同切削参数对切削力的影响也具有相同的变化趋势,验证了此有限元模型对模拟单板层积材切削过程的合理性,并分析了引起两种结果之间误差的原因。 基于切削数值模拟方法对一种木工柄铣刀的几何参数进行了优化,综合考虑切削力和切削温度,得到15023°范围内的前角为较好的刀具设计角度。与传统刀具参数优化方法相比较,使用有限元数值模拟优化方法,可比较快的定位木工具参数优化范围,大大减少了刀具设计时间及成本。 通过对单板层积材切削过程的数值模拟及试验研究,深入分析了其切削机理;利用有限元数值模拟方法对木工刀具参数进行了优化,为有限元数值模拟方法在木质材料切削中的应用提供了一种有效手段及技术支持。


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