非晶铜纳米切削温度场仿真研究

发布时间：2017-07-29 12:24

  本文关键词：非晶铜纳米切削温度场仿真研究

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【摘要】：与传统晶态金属不同,非晶态金属内部无位错、层错等微观组织缺陷,具有优异的力学性能、软磁性能、化学性能,因此在航空航天、电力传输等领域具有广阔的应用前景。非晶态金属在微观组织结构上处于亚稳态,对温度敏感,在外界条件作用下容易发生脆性断裂和晶态转变。切削加工过程中非晶态金属会经历复杂的热力耦合形变过程,刀具表现出明显的粘接磨损现象,切屑呈现高频周期性剪切带特征。越来越多的研究表明上述现象都与金属玻璃的温度敏感性有密切关系。因此,本文针对非晶态金属中短程有序的原子团簇微观结构特点,利用分子动力学技术研究非晶态铜在纳米切削过程中的温度场分布规律,以期为深入理解非晶态金属切削形变机理奠定理论基础。非晶铜工件通过快速冷却法制备,研究液态铜从液相到玻璃相转变过程中原子体积的变化,通过线性拟合找到原子体积变化率的拐点,得到了非晶铜的玻璃转变温度(g=774K)。分析非晶铜切削过程中的剪应变,得到非晶铜切削过程中的剪切角和剪切带,反映了金属玻璃的拉压不对称性现象。分析了分子动力学中对原子温度计算存在的不足,提出了一种提升纳米切削温升计算精度的新思路。对非晶铜工件进行合理分组,采用改进后的计算方法对切削温度进行计算;研究了切削速度、切削深度和刀具几何参数对切削温度的影响。结合原子的变形过程总结了切削速度和切削深度对刀具前刀面温度、切屑温度和已加工表面温度影响,分析得出切削速度对切削温度影响明显,切削深度对切削温度影响不明显;通过对已加工表面的温度和径向分布函数进行分析,发现当温度没有达到非晶铜的玻璃转变温度时已加工表面也发生了晶化,表明晶化是有外部条件共同作用的结果。通过采集工件中多处温度数据,绘制了工件层温度等高线图,发现了待加工表面温度梯度最大,已加工表面温度梯度最小,温度最高点位于刀具后刀面下方,不同切削参数下,温度最高点所在深度不同。除温度最高点的位置外,在纳米切削过程中微小的切削区域也存在与常规切削类似的温度分布规律。
【关键词】：非晶铜 纳米切削 温度 分子动力学
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG506
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-24
• 1.1 非晶态金属的优异性能10-14
• 1.1.1 力学性能10-12
• 1.1.2 软磁性能12-13
• 1.1.3 化学性能13-14
• 1.2 非晶态金属的制备14-17
• 1.2.1 非晶态金属的制备原理14-15
• 1.2.2 非晶态金属的制备方法15-17
• 1.3 应用领域和未来趋势17-19
• 1.4 非晶态金属热力学研究现状19-21
• 1.5 课题研究目的和意义21-22
• 1.6 课题研究内容22-24
• 第2章 分子动力学中热力学参数和温度算法的优化24-31
• 2.1 分子动力学模拟简介24
• 2.2 分子动力学纳米切削仿真中的势函数和系综的选择24-26
• 2.3 热力学信息26-28
• 2.4 温度计算方法的优化28-30
• 2.5 输出数据的可视化30
• 2.6 本章小结30-31
• 第3章 非晶铜纳米切削建模与温度分析31-42
• 3.1 引言31
• 3.2 非晶铜纳米切削分子动力学建模31-33
• 3.3 确定非晶铜的玻璃转变温度33-35
• 3.4 非晶铜纳米切削的剪切带和剪切角35
• 3.5 切非晶铜纳米切削仿真中的原子精确分组控制35-37
• 3.6 切削区域平均温度的分析37-40
• 3.7 本章小结40-42
• 第4章 非晶铜纳米切削过程中切削速度对温度的影响及工件层温度场分析42-53
• 4.1 引言42
• 4.2 切削速度对温度的影响42-49
• 4.2.1 切削速度对前刀面温度的影响42-44
• 4.2.2 切削速度对切屑温度影响44-46
• 4.2.3 切削速度对已加工表面温升的影响46-49
• 4.3 工件层温度场分析49-51
• 4.5 本章小结51-53
• 第5章 切削深度对切削温度的影响及温度场分析53-60
• 5.1 引言53
• 5.2 切削深度对切削温度的影响53-56
• 5.2.1 切削深度对刀具前刀面温度的影响53-54
• 5.2.2 切削深度对切屑温度的影响54-55
• 5.2.3 切削深度对已加工表面的影响55-56
• 5.3 非晶铜纳米切削工件层表层温度场分析56-59
• 5.5 本章小结59-60
• 结论60-62
• 参考文献62-67
• 致谢67

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本文编号：589196