切削-滾壓復(fù)合工藝的有限元建模與分析.pdf

1、滾壓加工是一種利用硬度高且表面光滑的滾球/滾輪滾壓材料粗糙表面，致使材料表面的粗糙峰產(chǎn)生塑性流動(dòng)并填補(bǔ)到波谷中，從而達(dá)到改變工件表面質(zhì)量的精密成形方法。與其它切削方式的精加工工藝相比，滾壓工藝可獲得很高的表面光潔度、表面硬度以及在工件表層殘留有利的壓應(yīng)力。與噴丸加工相比，滾壓加工可以節(jié)省時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，對(duì)于表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件同樣可以保持高加工精度，設(shè)備簡(jiǎn)單，節(jié)省成本，易于與切削工藝組成復(fù)合工藝和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。隨著滾壓加工的廣泛應(yīng)用以及

2、使用要求的提高，與之相對(duì)應(yīng)的理論研究，也顯得越來(lái)越緊迫和重要。傳統(tǒng)的解析法在求解考慮材料加工硬化以及幾何非線性等復(fù)雜滾壓模型時(shí)往往導(dǎo)致不可解。實(shí)驗(yàn)方法，雖然行之有效，但是工作量非常大，延長(zhǎng)了試驗(yàn)周期，增加了生產(chǎn)成本。而采用有限元法對(duì)滾壓加工進(jìn)行建模和分析，不但可以求解復(fù)雜的材料非線性問(wèn)題以及幾何非線性問(wèn)題，而且可以減少試驗(yàn)周期，降低費(fèi)用，在分析多因素影響的時(shí)候優(yōu)勢(shì)尤為明顯。　　本文主要研究了切削加工過(guò)程以及考慮切削加工歷史數(shù)據(jù)的滾壓加

3、工過(guò)程的力學(xué)建模理論以及數(shù)值模擬方法，并在此基礎(chǔ)上，分析了滾壓工藝參數(shù)對(duì)加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律，探索出將切削加工與滾壓加工相結(jié)合的復(fù)合工藝及其裝置。　　分析了切削加工過(guò)程有限元分析的關(guān)鍵技術(shù)(切削條件下的工件材料本構(gòu)關(guān)系以及流動(dòng)應(yīng)力模型、切屑分離及斷裂模型、刀屑接觸及摩擦模型、熱產(chǎn)生機(jī)理及熱傳導(dǎo)模型以及熱力耦合分析模型)。并在此基礎(chǔ)上，建立了二維、三維非自由單次以及三維非自由多次切削的有限元分析模型。模擬分析了切削加工過(guò)程中切屑形成過(guò)

4、程及其機(jī)理，以及其它各種變量(切削力、切削溫度、殘余應(yīng)力、殘余應(yīng)變以及剪切角)的變化規(guī)律。采用與模擬分析相同的條件進(jìn)行物理試驗(yàn)，并將測(cè)量得到的切削力、切削溫度、殘余應(yīng)力與模擬分析結(jié)果進(jìn)行比較。發(fā)現(xiàn)模擬計(jì)算得到的切削力以及切削溫度跟實(shí)測(cè)結(jié)果具有很好的一致性；比較模擬分析與試驗(yàn)測(cè)量得到的殘余應(yīng)力沿深度變化曲線，發(fā)現(xiàn)兩者在數(shù)值上存在一定的差異，但分布規(guī)律具有很好的一致性?！　》治隽擞绊懬邢骷庸け砻娲植诙鹊闹饕蛩兀⒘舜庸け砻娴拇植诜鍘?/p>

5、何模型。分析了滾壓加工條件下工件材料的本構(gòu)關(guān)系以及流動(dòng)應(yīng)力模型、滾球與工件表面的接觸及摩擦模型、熱產(chǎn)生機(jī)理及熱傳導(dǎo)模型。建立了三維滾壓加工有限元分析模型，分析了工件表面粗糙峰的變形機(jī)理以及滾壓力、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變等變量的變化規(guī)律。分析了滾壓工藝參數(shù)(滾壓力、速度、進(jìn)給量、滾球直徑、滾壓次數(shù))對(duì)表面粗糙度以及工件表層殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。并將切削加工模擬完成后得到的加工歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)入到滾壓加工有限元分析模型中，與不考慮加工歷史數(shù)據(jù)情況下的分析

6、結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，研究了切削加工歷史數(shù)據(jù)對(duì)滾壓加工的影響。采用與模擬分析相同的試驗(yàn)條件進(jìn)行物理試驗(yàn)，并將測(cè)量得到的滾壓力、粗糙度以及殘余應(yīng)力跟試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)滾壓力之間存在較小的偏差，殘余應(yīng)力在數(shù)值上有一定的差異，但分布規(guī)律相近。　　最后分析了切削加工表面殘余應(yīng)力的形成機(jī)理以及調(diào)整和控制已加工表面殘余應(yīng)力的方法。設(shè)計(jì)了手動(dòng)式切削-滾壓復(fù)合刀具以及液壓式切削-滾壓復(fù)合刀具。這兩種復(fù)合刀具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，對(duì)操作工人要求低，可實(shí)現(xiàn)