基于不同刀-屑摩擦模型的金屬切削過程動力學(xué)研究.pdf

1、金屬切削加工在過去、現(xiàn)在乃至未來都是機械制造業(yè)的主導(dǎo)加工方法。制造業(yè)水平的提升對切削加工技術(shù)的發(fā)展提出了越來越高的要求，尤其是先進制造技術(shù)的出現(xiàn)，要求切削加工技術(shù)實現(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程，具有動態(tài)性和高度非線性的特點，初始切入時刀具對工件具有明顯的慣性沖擊效應(yīng)。在以往的研究中，切削過程的沖擊動力學(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)果與實驗結(jié)果相差較大，不能準(zhǔn)確而定量地揭示和解釋切削過程中復(fù)雜的物理、力學(xué)變化機理。隨著計算技術(shù)的進步和數(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理的重要手段，而且也已成為虛擬制造技術(shù)的一個熱點研究方向。本文利用非線性顯式動力有限元方法和塑性結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)理論對低碳鋼切削過程進行研究，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程的三維顯式動力分析模型

3、。模型采用單點積分Lagrange算法的三維顯式實體單元，切削層材料的流動應(yīng)力依賴于應(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程。通過合理建立切削幾何模型并設(shè)置合適的計算參數(shù)，有效解決了數(shù)值模擬中的網(wǎng)格畸變問題，實現(xiàn)了對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程的模擬。數(shù)值分析結(jié)果模擬出切屑從刀具開始切入直至切削達到穩(wěn)定狀態(tài)時的形成過程。模型中三維實體單元的變形和流動情況，可以清晰地表現(xiàn)出切削層金

4、屬晶粒的剪切滑移、纖維化和流動現(xiàn)象。對切削過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、速度場、溫度場以及刀-屑間接觸壓力等的分布情況做了系統(tǒng)研究。切削達到穩(wěn)態(tài)時切削力及切屑變形等參數(shù)的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果相吻合，驗證了模型的正確性和可靠性。
　　 ⑵切削過程中，切屑與前刀面的摩擦界面是由滑動摩擦區(qū)和黏結(jié)摩擦區(qū)組成。采用修正的庫侖模型模擬刀-屑間的摩擦接觸關(guān)系，通過將刀-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)的影響趨勢和影響機理，并對以往研究中關(guān)于流屑特性、剪切面形狀及前刀面磨損等的認(rèn)識分歧給予了合理解釋。該研究既可為不同切削潤滑條件下切削結(jié)果參數(shù)的預(yù)測和控制提供參考，又可為實際切削加工中刀-屑摩擦系數(shù)的確定提供一種有效方法。
　　 ⑶通過數(shù)值模擬和實驗測試，研究了切削速度對切削過程的影響機理。研究結(jié)果表明，切削速度提高時，較高的變形速度對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的切削力與切屑變形的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果一致，表明該模型可以對在形成連續(xù)切屑條件下，切削速度對切削過程的影響機理進行準(zhǔn)確而定量的解釋和描述。
　　 ⑷通過切削實驗和數(shù)值模擬均可以發(fā)現(xiàn)，刀具對工件的切削存在明顯的慣性沖擊效應(yīng)

7、。本文對切削過程的動力響應(yīng)特征進行了詳細(xì)的描述和驗證，并將刀具對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。通過對懸臂梁在沖擊載荷作用下的動力響應(yīng)模態(tài)進行分析，推導(dǎo)出刀-屑接觸長度和主切削力上、下極限值的解析計算公式。結(jié)果表明，單位面積切削力的實驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果均在解析計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，切削力數(shù)值接近于解析計算的上限值；當(dāng)?shù)?屑摩擦系數(shù)較大時，切削力數(shù)值接近于解析計算的下限值。