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机械微细加工过程性能分析仿真研究

代玉娟  
【摘要】:微细切削加工是针对微小型零件的高精度加工方法,其加工特征为毫米级甚至微米级,由于加工过程中切削用量小,微细切削加工过程中出现了材料的尺寸效应以及刀具的切削负前角现象,这导致了微细切削加工机理与传统切削加工机理的不同,传统切削加工机理以及加工工艺已不能很好地描述微细切削加工过程。鉴于产品小型化的发展趋势,急切需要针对微细切削加工机理进行理论研究和切削性能分析,明确微细切削过程中各个切削参数的影响效果,提高微细切削加工水平,改善微细切削加工质量。 本文对微细切削加工机理与传统切削加工进行切削理论的比较分析,得出了微细切削加工中特有的切削现象。在金属切削有限元仿真分析的研究基础上,针对微细切削加工的特点,对切削加工仿真分析中用到的切削几何模型、材料本构模型、刀-屑分离准则以及摩擦模型进行了理论分析和修正。建立了适合微细切削加工特点的切削仿真模型,其中几何模型简化为二维正交切削平面应变问题进行求解,刀具简化为圆弧刃口半径刀;材料本构模型,采用修正的Johnson-Cook材料模型以及Johnson-Cook切屑分离模型等。 本文运用有限元分析思想,应用大型非线性仿真分析软件ABAQUS,针对微细切削建立了有限元分析模型,对微细切削中出现的尺寸效应、实际负前角、最小切削厚度以及微切削力进行了仿真分析,对仿真结果进行了研究分析,识别出了影响微细切削加工质量的主要因素,为研究微细切削加工机理以及改善实际加工工艺提供了参考依据。 通过运用单元素分析方法,对延展性材料AISI4340和硬脆性材料单晶硅进行了有限元仿真分析,验证了微细切削加工过程中存在的尺寸效应,得到了不同切削前角下的切屑成形过程以及切削速度对切屑形状的影响情况。通过仿真分析,得出微细切削中切削力受切削前角、切削速度以及刀具刃口半径的影响规律,发现增大切削前角有利于减小切削力,提高微细切削加工质量;较小的刀具刃口半径有利于微细切削过程的进行。


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