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高速金属铣削加工的有限元模拟

蒋志涛  
【摘要】:高速铣削加工作为高速切削加工的主要应用形式已越来越多地应用于生产实践。各工业发达国家对高速切削的研究和应用走在了世界前列,而我国还处在发展和推广的初级阶段。作为一种先进的制造技术,它有着广阔的应用前景。 单纯依靠实验的方法研究高速铣削过程既费时费力,又增加成本,铣削过程中的温度、应力和铣削力等值的获得也受到实验条件的影响,随着计算机硬件和软件技术的快速发展,有限元法(FEM)已经成为金属切削过程仿真的有效工具。 本论文从研究高速切削机理和高速切削仿真的关键技术出发,用Johnson-Cook强度模型构建工件材料本构关系,用剪切失效准则和网格自适应技术实现切屑和工件分离,用J-C断裂应变模型作为材料的断裂模型,切屑和刀具的接触摩擦模型采用修正的库仑摩擦定律,在ABAQUS软件中实现了简化的二维直角正交铣削模拟。并在此基础上建立了三维铣削模型,来简化立铣过程,并最终建立了立铣模型,包括等厚度单刃斜角铣削、等厚度双刃斜角铣削、变厚度单刃斜角铣削和变厚度双刃斜角铣削四种斜角铣削有限元模型。 运用二维模型进行切屑成形模拟。研究结果表明,高速铣削45钢时,不同切削速度条件下形成了连续状切屑和不连续状切屑。分析了不同切屑形状时切削条件对切削力、切削温度和应力的影响。选用基于硬度的材料本构模型建立有限元模型,在二维仿真中实现了高速硬切削时锯齿屑的模拟仿真,并结合模拟结果对锯齿屑成形过程进行了分析。 在三维高速铣削模拟中,分析了刀具刃倾角和前角两个重要几何参数对切削力和切削温度的影响,为刀具几何角度设计提供了理论指导。利用多因素正交结合的方案模拟了几组铣削用量下的铣削力值,找出了一定铣削用量范围内铣削力的变化规律,得出了高速铣削45钢时铣削力低、稳定性高的铣削速度范围和铣削用量选用原则。 通过铣削力实验,将采集的数据与模拟的铣削力数据进行对比,验证了有限元模型的合理性。


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