基于不同刀-屑摩擦模型的金屬切削過(guò)程動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、金屬切削加工在過(guò)去、現(xiàn)在乃至未來(lái)都是機(jī)械制造業(yè)的主導(dǎo)加工方法。制造業(yè)水平的提升對(duì)切削加工技術(shù)的發(fā)展提出了越來(lái)越高的要求，尤其是先進(jìn)制造技術(shù)的出現(xiàn)，要求切削加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)高度數(shù)字化和信息化。切削是伴隨著大變形、高應(yīng)變率、高切削溫度和復(fù)雜摩擦情況的工藝過(guò)程，具有動(dòng)態(tài)性和高度非線性的特點(diǎn)，初始切入時(shí)刀具對(duì)工件具有明顯的慣性沖擊效應(yīng)。在以往的研究中，切削過(guò)程的沖擊動(dòng)力學(xué)特性被忽略，都采用靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)平衡解析法進(jìn)行研究，這就使切削力、切屑變形等參數(shù)

2、的理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較大，不能準(zhǔn)確而定量地揭示和解釋切削過(guò)程中復(fù)雜的物理、力學(xué)變化機(jī)理。隨著計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步和數(shù)值分析理論的迅猛發(fā)展，高精度的數(shù)值模擬技術(shù)和理論解析方法正成為研究切削機(jī)理的重要手段，而且也已成為虛擬制造技術(shù)的一個(gè)熱點(diǎn)研究方向。本文利用非線性顯式動(dòng)力有限元方法和塑性結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)理論對(duì)低碳鋼切削過(guò)程進(jìn)行研究，主要包括以下幾方面內(nèi)容：
　　 ⑴利用通用非線性有限元程序，建立了低碳鋼切削過(guò)程的三維顯式動(dòng)力分析模型

3、。模型采用單點(diǎn)積分Lagrange算法的三維顯式實(shí)體單元，切削層材料的流動(dòng)應(yīng)力依賴(lài)于應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度的變化，以復(fù)合幾何物理分離準(zhǔn)則模擬切屑的形成過(guò)程。通過(guò)合理建立切削幾何模型并設(shè)置合適的計(jì)算參數(shù)，有效解決了數(shù)值模擬中的網(wǎng)格畸變問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)直角切削和刃傾角在10°-45°范圍內(nèi)斜角切削三維大變形過(guò)程的模擬。數(shù)值分析結(jié)果模擬出切屑從刀具開(kāi)始切入直至切削達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的形成過(guò)程。模型中三維實(shí)體單元的變形和流動(dòng)情況，可以清晰地表現(xiàn)出切削層金

4、屬晶粒的剪切滑移、纖維化和流動(dòng)現(xiàn)象。對(duì)切削過(guò)程中切削力的變化情況，切削層材料的應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率、位移場(chǎng)、速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及刀-屑間接觸壓力等的分布情況做了系統(tǒng)研究。切削達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)切削力及切屑變形等參數(shù)的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了模型的正確性和可靠性。
　　 ⑵切削過(guò)程中，切屑與前刀面的摩擦界面是由滑動(dòng)摩擦區(qū)和黏結(jié)摩擦區(qū)組成。采用修正的庫(kù)侖模型模擬刀-屑間的摩擦接觸關(guān)系，通過(guò)將刀-屑摩擦系數(shù)從0.1到0.6依次取值，研究刀

5、-屑摩擦對(duì)切削力、切屑變形、切削溫度、流屑特性、前刀面磨損及剪切面形狀等參數(shù)的影響趨勢(shì)和影響機(jī)理，并對(duì)以往研究中關(guān)于流屑特性、剪切面形狀及前刀面磨損等的認(rèn)識(shí)分歧給予了合理解釋。該研究既可為不同切削潤(rùn)滑條件下切削結(jié)果參數(shù)的預(yù)測(cè)和控制提供參考，又可為實(shí)際切削加工中刀-屑摩擦系數(shù)的確定提供一種有效方法。
　　 ⑶通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，研究了切削速度對(duì)切削過(guò)程的影響機(jī)理。研究結(jié)果表明，切削速度提高時(shí)，較高的變形速度對(duì)增加材料變形抗力的

6、影響，基本抵消了由于材料熱軟化降低強(qiáng)度的影響；由切削速度提高引起的刀-屑間摩擦系數(shù)的減小是切削力和切屑變形減小的主要原因。本文建立了刀-屑摩擦系數(shù)隨切削速度呈指數(shù)下降關(guān)系的摩擦模型。采用該模型得到的不同切削速度時(shí)的切削力與切屑變形的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，表明該模型可以對(duì)在形成連續(xù)切屑條件下，切削速度對(duì)切削過(guò)程的影響機(jī)理進(jìn)行準(zhǔn)確而定量的解釋和描述。
　　 ⑷通過(guò)切削實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬均可以發(fā)現(xiàn)，刀具對(duì)工件的切削存在明顯的慣性沖擊效應(yīng)

7、。本文對(duì)切削過(guò)程的動(dòng)力響應(yīng)特征進(jìn)行了詳細(xì)的描述和驗(yàn)證，并將刀具對(duì)切屑的沖擊作用解析為承受階躍載荷的理想彈塑性懸臂梁模型。通過(guò)對(duì)懸臂梁在沖擊載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)模態(tài)進(jìn)行分析，推導(dǎo)出刀-屑接觸長(zhǎng)度和主切削力上、下極限值的解析計(jì)算公式。結(jié)果表明，單位面積切削力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果均在解析計(jì)算的極限值范圍之內(nèi)。而且發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)?屑間摩擦系數(shù)較小時(shí)，切削力數(shù)值接近于解析計(jì)算的上限值；當(dāng)?shù)?屑摩擦系數(shù)較大時(shí)，切削力數(shù)值接近于解析計(jì)算的下限值。