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基于有限元方法的金属切削过程研究

万蕾  
【摘要】:制造业是国民经济的支柱,而制造业中最重要的一种加工方式是金属切削加工。直到目前,许多工业产品仍来自于金属加工过程。而金属加工过程是一个极为复杂的热力耦合过程,伴随着高应变、高应变率和高温作用,并涉及到多类学科的的综合应用。传统实验方法费时费力且精度差,而随着计算机及有限元学科的迅速发展,有限元方法在金属切削加工过程的研究中扮演着越来越重要的角色。本研究首先对金属切削过程有限元研究的国内外研究现状进行梳理,通过金属切削基本理论、有限元仿真和实验验证三者结合的方法开展研究。介绍了金属切削加工过程的基本理论,包括几何模型、摩擦模型和热量的产生。同时对有限元方法基本理论进行详细介绍,包括有限元的基本计算步骤、三种描述物质变形的方法(Lagrange方法、Euler方法和ALE方法)以及有限元仿真关键问题,主要有材料模型、摩擦模型、分离准则和热传导。其次,本研究基于不同刀尖形态对加工过程影响的国内外研究,应用ALE有限元建模方法及自适应网格划分技术对加工过程进行仿真,得到工件、切屑和刀具内部的应力、应变和温度的分布情况以及刀具的磨损情况,同时将所获得的仿真结果与对应的实验进行对比,发现相同的加工条件下,圆角刀尖磨损最厉害,而刀尖形态对切屑成形时的形态没有明显影响。在研究倒棱刀具对加工过程的影响时,发现金属切削“死区”(DMZ)现象的存在,通过几何分析和有限元仿真的方法对DMZ的形成机理进行研究。研究DMZ在形成过程中各个物理变量如应力、应变和温度的分布情况,以及摩擦系数对其形成的影响,结果表明摩擦系数越大,DMZ的形成区域越大。通过研究加工速度对DMZ的形成影响发现速度的增高会导致DMZ区域的减小。最后,针对锯齿形切屑建立锯齿形切屑的改进型几何分析模型,使用Lagrange有限元方法建立有限元模型,采用Johnson-Cook材料模型,摩擦模型、剪切应变失效准则在不同切削速度下对加工过程进行研究。探索从低速到高速的过程中,切屑形状从带状变为锯齿状以及在高速条件下,绝热剪切带逐渐形成且变得更加明显等现象的内在规律。基于有限元仿真提出了新的材料硬化率模型,可直观简便的判断锯齿状切屑形成时候的材料硬化率的情况,为后续研究提供了一定的参考价值。同时对单个锯齿在加工过程中形成的过程进行仿真研究,研究发现锯齿的形成与切削力的波动情况以及能量的递增波动是一一对应的关系。通过对单个锯齿在形成过程中其他物理量分布的讨论,解释了锯齿形成过程时绝热剪切带、切削力和能量的变化规律。本研究利用有限元仿真,得到相应的动画模拟过程,可形象地描述加工的过程,对指导切削加工过程具有理论和实际意义。


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