切削—擠壓成形過程分析與建模方法研究.pdf

1、金屬切削-擠壓復(fù)合成形技術(shù)是在刀具主切削刃切開被加工零件表面層金屬的同時(shí),通過前刀面和副切削刃的二次塑性擠壓變形,形成某種形狀和尺寸的功能表面,使傳統(tǒng)加工中的切屑變成功能表面一部分的新型加工方法,是一種具有廣泛應(yīng)用前景的綠色制造技術(shù)。傳統(tǒng)的解析方法和試驗(yàn)方法,很難對切削-擠壓中的切削機(jī)理進(jìn)行定量的分析和研究,本文以數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)技術(shù)為手段,定量地研究切削加工過程中的金屬變形和切屑形成機(jī)理,重點(diǎn)研究切削-擠壓成形過程的金屬變形規(guī)律與建模方

2、法。針對典型的正交切削工藝過程,以剛塑性有限元理論和Markov變分原理為基礎(chǔ),采用分析靜態(tài)大變形過程的Lagrange描述法,對金屬塑性變形的Mises屈服準(zhǔn)則進(jìn)行修正后,給出了統(tǒng)一的本構(gòu)方程,建立了基于平面應(yīng)變假設(shè)的正交切削過程的剛塑性有限元分析模型。選用平面四節(jié)點(diǎn)四邊形等參單元,對求解區(qū)域進(jìn)行離散化,采用雙線性位移模式,建立以節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為自變量的單元內(nèi)部幾何、物理參數(shù)關(guān)系表達(dá)式,采用修正的罰函數(shù)法,給出了求解正交切削問題的剛塑性有限

3、元數(shù)學(xué)表達(dá)式。完成了切削模擬過程中的關(guān)鍵技術(shù)的處理。(1)針對刀尖單點(diǎn)接觸問題,提出了一種網(wǎng)格錯(cuò)位分析方法解決有限元求解過程的穩(wěn)定性問題;(2)采用基于幾何準(zhǔn)則和等效應(yīng)力的綜合分離準(zhǔn)則,來處理切屑層與金屬基體材料之間的分離問題;(3)給出了一種粘接單元算法,減小因幾何準(zhǔn)則引起的計(jì)算誤差;(4)基于幾何判斷和應(yīng)力分布的復(fù)合判據(jù)法則,解決了切屑上的約束節(jié)點(diǎn)與前刀面的釋放問題;(5)在網(wǎng)格重新劃分時(shí),提出了一種面積加權(quán)平均和體積加權(quán)平均相結(jié)合

4、的算法,實(shí)現(xiàn)新、舊網(wǎng)格體系之間參數(shù)的傳遞。對金屬切削過程中工件內(nèi)部金屬變形特征進(jìn)行了分析,給出了編程計(jì)算過程中所涉及的整體剛度矩陣計(jì)算、整體剛度方程系數(shù)矩陣的存儲和方程求解算法。開發(fā)了正交切削剛塑性有限元分析系統(tǒng)。對單向拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,獲得了鋁合金A6061的硬化曲線;以刨削過程為例,借助所開發(fā)的正交切削剛塑性有限元分析系統(tǒng),完成了鋁合金A6061正交切削過程的全程模擬,計(jì)算出了變形體內(nèi)部的速度場、應(yīng)力場和應(yīng)變場的分布結(jié)果,得

5、到了切削力-行程曲線和切屑幾何參數(shù)隨刀具前角和摩擦系數(shù)的變化規(guī)律。在分析二維正交切削過程數(shù)值模擬方法的基礎(chǔ)上,對切削-擠壓過程有限元模擬技術(shù)進(jìn)行了分析,研究了刀具與工件之間的接觸關(guān)系,以剛塑性有限元模擬二維切削過程所得到的關(guān)鍵技術(shù)問題處理方法,建立了切削-擠壓過程有限元分析模型,用ANSYS軟件完成了切削-擠壓過程的靜力分析和成形過程模擬,得到了切削-擠壓過程中工件內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律,建立了翅片脫落判據(jù),可用于切削-擠壓工藝可行性預(yù)