高速切削立铣刀力热耦合作用破损机理研究

发布时间：2017-08-05 13:39

  本文关键词：高速切削立铣刀力热耦合作用破损机理研究

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【摘要】：在高速铣削过程中,刀具会受到较高的机械应力、热应力和热冲击等的影响,在高度非线性的不均匀动态力热耦合作用下,极易发生破损,导致刀具彻底丧失切削能力,从而严重影响工件的加工质量及加工效率等。目前针对刀具破损问题的研究主要存在以下问题:大部分的研究只仅限于单一的物理场(应力场、温度场);建立的模型一般也只是切削力、切削温度的单一建模;建立的几何模型往往是简化的二维或者斜角模型,对于立铣刀的实体建模不精确,其受力或受热的加载多为固定值或线性加载,且其加载位置离实际加工情况有很大差距;研究对象多为车刀、铣刀片等形状较规则刀具。本文以高速铣削整体硬质合金涂层立铣刀为研究对象,以动力学、刀屑摩擦和有限元理论为基础,结合实验,创建高速铣削立铣刀力热耦合作用下的动态铣削数值模型,通过对实验和仿真结果的分析探讨其力热耦合作用下的破损机理。首先,分析了高速铣削过程中的摩擦学行为,重点分析了刀屑间的摩擦理论,并提出了将高速铣削中刀屑接触面间的摩擦系统物理方程。基于有限元仿真方法,建立了高速铣削二维不等切削厚度的数学模型。从模拟结果,可以观测到弯曲度较小的切屑形态,验证了粘结-滑移模型的可行性;体现出切屑应力场分布的不均匀性以及刀具温度场分布变化的情况,其最大温度发生在刀尖或刀尖附近靠近主切削刃的地方。其次,建立了高速铣削立铣刀力热耦合动态物理模型。基于逆向工程建立了立铣刀和工件的几何模型,通过正交实验得出仿真过程中的平均摩擦系数,建立接近实际情况的动态仿真模型,分析了铣削过程铣削力、温度场变化规律及切屑产生过程,揭示出在高速铣削中大量切削热被切屑带走的事实。通过模拟与实验结果的对比分析证明了模型的正确性。接着,进行了高速铣削的单因素和正交实验。运用数理统计方法(方差和极差分析法)对铣削结果进行了分析,得出了各铣削参数对铣削力和铣削温度的影响规律以及力与温度之间的相互影响规律。发现影响铣削力和铣削温度的因素具有一致性,即铣削深度对两者的影响显著。最后,采用S-3400N-II扫描电子显微镜和S-4800高分辨扫描电镜对实验中的立铣刀进行了破损形貌的观测并分析了相关的破损机理。通过破损发生位置与铣削模拟过程中立铣刀温度值产生最大位置(切削刃前、后刀面和刀尖)的对比分析,验证了所建模型的可靠性。
【关键词】：高速切削 整体硬质合金涂层立铣刀 力热耦合 破损机理 数值模拟分析
【学位授予单位】：广东海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG54
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 课题研究目的及意义9
• 1.2 内外在该研究方向的研究现状9-13
• 1.2.1 金属切削过程中力热耦合的数值模拟研究9-10
• 1.2.2 力热耦合场建模及实验研究10-12
• 1.2.3 高速切削加工中刀具破损机理研究分析12-13
• 1.3 课题来源和主要研究内容13-15
• 1.3.1 课题来源13
• 1.3.2 课题主要研究内容13-15
• 2 高速切削刀-屑接触面摩擦系统建模研究15-23
• 2.1 高速切削概述15
• 2.2 高速切削刀具-切屑接触区摩擦系统状态理论分析15-18
• 2.2.1 高速切削过程摩擦学行为分析15-16
• 2.2.2 高速切削刀-屑间摩擦理论16-18
• 2.3 高速铣削刀具-切屑接触区摩擦系统模型的确立18-22
• 2.3.1 高速铣削的二维模型18-19
• 2.3.2 高速切削仿真关键技术19-20
• 2.3.3 高速铣削二维有限元模型的实现20-21
• 2.3.4 仿真结果分析21-22
• 2.4 本章小结22-23
• 3 高速铣削立铣刀的三维力热耦合动态数值建模研究23-31
• 3.1 高速铣削力热耦合数值模拟分析23-24
• 3.1.1 有限元分析软件ABAQUS23
• 3.1.2 高速铣削刀具的力热耦合效应分析23-24
• 3.2 高速铣削过程中力热耦合数值模型的建立24-26
• 3.2.1 立铣刀几何模型的建立24-25
• 3.2.2 力热耦合数值模型的建立25-26
• 3.2.3 摩擦模型在仿真中的应用26
• 3.3 高速铣削力热耦合数值模拟结果分析26-29
• 3.4 高速铣削实验结果与数值模拟结果对比分析29-30
• 3.5 本章小结30-31
• 4 高速铣削立铣刀铣削力和铣削温度的实验研究31-48
• 4.1 铣削实验系统和方案31-36
• 4.1.1 实验加工系统31
• 4.1.2 高速铣削实验设计31-34
• 4.1.3 铣削实验方案34-36
• 4.2 高速铣削的实验结果与分析36-42
• 4.2.1 铣削实验数据的采集与处理36-37
• 4.2.2 单因素实验结果与分析37-41
• 4.2.3 正交实验结果41-42
• 4.3 铣削力与铣削温度特性相互影响分析42-47
• 4.3.1 方差分析法对铣削特性分析42-45
• 4.3.2 极差分析法对铣削特性分析45-46
• 4.3.3 铣削温度和铣削力的经验公式拟合46-47
• 4.4 本章小结47-48
• 5 高速铣削立铣刀力热耦合作用破损机理研究48-55
• 5.1 立铣刀高速破损机理分析48-53
• 5.1.1 立铣刀失效过程中铣削温度的演变分析48-50
• 5.1.2 立铣刀破损形态及机理分析50-53
• 5.2 高速铣削立铣刀力热耦合模型的验证53-54
• 5.3 本章小结54-55
• 6 结论与展望55-57
• 6.1 结论55-56
• 6.2 存在的问题及展望56-57
• 参考文献57-61
• 附录61-63
• 致谢63-64
• 作者简介64-65
• 导师简介65

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

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本文编号：625215