高強鋼車銑加工中工件溫度場建模與試驗研究.pdf

1、航空工業(yè)是帶動國民經(jīng)濟和尖端科技發(fā)展，鞏固國防建設的國家戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。航空零部件服役場合的特殊性不斷對其制造品質提出高要求，所以嚴格控制產(chǎn)品表面質量已成為航空制造業(yè)的準則。航空材料中有相當一部分為難加工金屬材料，其切削過程中特別是精加工階段的切削力和工件溫度會直接影響到工件表面質量。然而，難加工材料的機加工性能差，切削過程中的力、熱載荷對零件表面質量影響強烈，因此準確預測切削力和工件溫度對于保證航空關鍵零部件的加工質量和服役性能有著深遠的

2、意義。
　　飛機起落架是航空關鍵部件之一，其材料300M超高強度鋼具有強度高、硬度高、導熱性差等特點，材料去除過程中刀具磨損迅速，屬于典型的航空難加工材料。立銑和正交車銑是起落架制造中具有代表性的加工工藝，因此有必要對兩種工藝下的切削力、熱狀態(tài)進行研究?？墒侵两駷橹乖谌S復雜切削溫度場建模方面所取得的成果，特別是對工件端的探索，還相當有限，有關300M鋼的切削有限元仿真和表面完整性分析的工作也較為缺乏。為此，本文針對上述兩種工藝，

3、開展了300M鋼加工中關鍵共性問題的基礎研究。
　　文中建立了考慮后刀面磨損的立銑和正交車銑切削力模型。在對切削區(qū)域進行離散之后，根據(jù)所建立的機械力學模型對切削微元進行幾何、運動及力學分析，實現(xiàn)了整體切削力和后刀面摩擦力的求解?；谇邢魑⒃ㄆ矫嫔系氖芰Ψ治?，提出一種由機械力學模型預估出的三向剪切作用力計算剪切面上剪切力的方法，從而滿足了切削溫度研究對剪切力和后刀面摩擦力的需求。
　　基于離散切削熱源和時間的思想，將離散后的

4、熱源視為瞬時面矩形熱源，從而建立了考慮主剪切區(qū)和后刀面摩擦區(qū)熱源的工件溫度場模型。分析了剪切面和后刀面磨損帶上的熱源熱量及熱分配比例。提出正向和逆向積分算法，前者能夠描述工件溫度場的變化歷程，后者能高效地揭示工件溫度場隨銑刀運動的周期性變化規(guī)律，通過構造周期性溫升無窮級數(shù)實現(xiàn)了逆向積分算法的求解，算法的收斂性也得到證明。此工件溫度場模型能夠如有限元仿真那樣模擬出工件溫度場的動態(tài)變化情況，而計算時間遠短于有限元方法，為切削溫度場的研究提供

5、了一種新選擇。
　　為獲取預測模型中的重要輸入?yún)?shù)，通過逆向工程獲得刀具幾何輪廓并通過材料熱分析測定了刀具和工件的熱特性參數(shù)。在不同的主軸轉速、每齒進給量、工件半徑、工件銑刀轉速比及后刀面磨損量等條件下，開展立銑和正交車銑試驗，在試驗中對切削力、熱進行測量，驗證了力、熱理論模型的準確性。同時分析了不同工況對300M鋼切削力、熱的影響，并通過方差分析和極差分析考察了正交車銑中不同工藝參數(shù)對切削力、熱影響的顯著性。
　　建立了3

6、00M鋼的立銑有限元模型。依據(jù)一系列材料力學性能測試結果確定了國產(chǎn)300M鋼的材料本構方程。對比仿真得出的切削力和工件溫度與試驗實測數(shù)據(jù)，驗證了有限元模型的有效性。通過有限元技術分析了不同切削速度對工件溫度的影響，并可獲得試驗未涉及到的工況下及試驗難以觀測到的數(shù)據(jù)。
　　結合力熱理論預測結果與試驗實測數(shù)據(jù)，分析了使用未磨損和后刀面已磨損的刀具在不同的主軸轉速和每齒進給量的條件下，所加工出的工件表面粗糙度、表面殘余應力，硬化層深度的