切削—挤压成形过程分析与建模方法研究

论文摘要

金属切削-挤压复合成形技术是在刀具主切削刃切开被加工零件表面层金属的同时,通过前刀面和副切削刃的二次塑性挤压变形,形成某种形状和尺寸的功能表面,使传统加工中的切屑变成功能表面一部分的新型加工方法,是一种具有广泛应用前景的绿色制造技术。传统的解析方法和试验方法,很难对切削-挤压中的切削机理进行定量的分析和研究,本文以数值模拟和实验技术为手段,定量地研究切削加工过程中的金属变形和切屑形成机理,重点研究切削-挤压成形过程的金属变形规律与建模方法。针对典型的正交切削工艺过程,以刚塑性有限元理论和Markov变分原理为基础,采用分析静态大变形过程的Lagrange描述法,对金属塑性变形的Mises屈服准则进行修正后,给出了统一的本构方程,建立了基于平面应变假设的正交切削过程的刚塑性有限元分析模型。选用平面四节点四边形等参单元,对求解区域进行离散化,采用双线性位移模式,建立以节点坐标为自变量的单元内部几何、物理参数关系表达式,采用修正的罚函数法,给出了求解正交切削问题的刚塑性有限元数学表达式。完成了切削模拟过程中的关键技术的处理。（1）针对刀尖单点接触问题,提出了一种网格错位分析方法解决有限元求解过程的稳定性问题;（2）采用基于几何准则和等效应力的综合分离准则,来处理切屑层与金属基体材料之间的分离问题;（3）给出了一种粘接单元算法,减小因几何准则引起的计算误差;（4）基于几何判断和应力分布的复合判据法则,解决了切屑上的约束节点与前刀面的释放问题;（5）在网格重新划分时,提出了一种面积加权平均和体积加权平均相结合的算法,实现新、旧网格体系之间参数的传递。对金属切削过程中工件内部金属变形特征进行了分析,给出了编程计算过程中所涉及的整体刚度矩阵计算、整体刚度方程系数矩阵的存储和方程求解算法。开发了正交切削刚塑性有限元分析系统。对单向拉伸试验数据进行回归分析,获得了铝合金A6061的硬化曲线;以刨削过程为例,借助所开发的正交切削刚塑性有限元分析系统,完成了铝合金A6061正交切削过程的全程模拟,计算出了变形体内部的速度场、应力场和应变场的分布结果,得到了切削力-行程曲线和切屑几何参数随刀具前角和摩擦系数的变化规律。在分析二维正交切削过程数值模拟方法的基础上,对切削-挤压过程有限元模拟技术进行了分析,研究了刀具与工件之间的接触关系,以刚塑性有限元模拟二维切削过程所得到的关键技术问题处理方法,建立了切削-挤压过程有限元分析模型,用ANSYS软件完成了切削-挤压过程的静力分析和成形过程模拟,得到了切削-挤压过程中工件内部应力、应变分布规律,建立了翅片脱落判据,可用于切削-挤压工艺可行性预测。在理论分析的基础上,对二维切削过程及切削-挤压过程进行加工实验,结果表明二维切削模拟结果与实际加工情况比较吻合。三维切削-挤压过程模拟结果基本符合实际情况,可以为实际加工提供参数选择的依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源及其研究意义
• 1.2 切削模拟研究现状综述
• 1.2.1 金属切削机理研究现状
• 1.2.2 有限元技术的发展概况
• 1.2.3 切削过程有限元模拟技术的发展现状
• 1.3 切削模拟过程中关键技术问题的处理
• 1.4 存在的问题与主要研究内容
• 1.4.1 目前研究中存在的问题
• 1.4.2 主要研究内容
• 2 金属切削问题的刚塑性有限元模型建立
• 2.1 刚塑性增量理论的广义变分原理
• 2.1.1 刚塑性材料边值问题的描述
• 2.1.2 刚塑性材料不完全广义变分原理
• 2.1.3 基于修正罚函数法的刚塑性有限元基本原理
• 2.2 切削过程的力学分析模型
• 2.2.1 麦钱特切削力学分析模型
• 2.2.2 正交切削新模型
• 2.3 金属切削过程有限元分析
• 2.3.1 刚塑性有限元模型
• 2.3.2 刚塑性变形本构方程的改进形式及刚性区的处理
• 2.3.3 初始速度场的确定
• 2.3.4 迭代判据和衰减系数的选用
• 2.4 本章小结
• 3 基于刚塑性有限元的切削问题求解方法
• 3.1 刚塑性有限元基本方程
• 3.2 离散化及位移模式的选择
• 3.2.1 求解区域离散化
• 3.2.2 位移模式选择
• 3.3 应变矩阵计算
• 3.3.1 平面应变问题
• 3.3.2 应变矩阵计算
• 3.4 中间变量计算
• 3.5 变形体边界上质点的特殊处理
• 3.6 单元刚度矩阵计算
• 3.7 数值积分
• 3.8 后置处理计算
• 3.8.1 应力计算
• 3.8.2 切削力计算
• 3.8.3 等效应变和静水压力计算
• 3.9 本章小结
• 4 切削模拟过程中关键技术问题的处理
• 4.1 边界摩擦与约束处理
• 4.1.1 工件与刀具间摩擦的数学模型
• 4.1.2 约束及边界条件的处理
• 4.1.3 处理刀尖单点接触问题的网格错位算法
• 4.2 切屑－基体分离准则
• 4.2.1 几何准则
• 4.2.2 物理准则
• 4.2.3 粘接单元法
• 4.2.4 基于几何判据和等效应力的综合分离准则
• 4.3 刀－屑脱离判据
• 4.4 正交切削刚塑性有限元网格畸变处理
• 4.4.1 有限元网格失效判据
• 4.4.2 新网格系统生成
• 4.4.3 新旧网格系统之间的参数传递
• 4.4.4 网格重新划分算法
• 4.5 本章小结
• 5 刚塑性有限元算法及其程序实现
• 5.1 刚塑性有限元算法
• 5.1.1 材料硬化问题的处理
• 5.1.2 增量变形分析方法
• 5.1.3 模拟分析算法
• 5.2 刚塑性有限元程序结构
• 5.3 整体刚度矩阵的计算与存储
• 5.3.1 计算整体刚度矩阵和载荷列阵
• 5.3.2 整体刚度矩阵的压缩存储
• 5.3.3 整体刚度方程求解
• 5.4 本章小结
• 6 正交切削问题的模拟结果分析
• 6.1 模拟计算结果分析
• 6.1.1 速度场分析
• 6.1.2 网格变形分析
• 6.1.3 切屑结构尺寸分析
• 6.1.4 等效自然应变分析
• 6.1.5 等效自然应变速率分析
• 6.1.6 前刀面节点法向应力分布与结果分析
• 6.2 切削工艺参数对切屑几何形状的影响
• 6.2.1 不同刀具前角计算结果比较
• 6.2.2 不同摩擦条件计算结果比较
• 6.3 实验分析
• 6.3.1 试件照片分析
• 6.3.2 切削力－位移曲线图分析
• 6.4 本章小结
• 7 金属切削－挤压过程模拟及结果分析
• 7.1 切削－挤压整体成形工艺
• 7.1.1 切削–挤压加工原理
• 7.1.2 翅片理论尺寸计算
• 7.2 切削－挤压过程的有限元分析
• 7.2.1 静力分析
• 7.2.2 切削－挤压过程的成形模拟
• 7.3 切削－挤压过程的实验研究
• 7.3.1 刀具主偏角对翅片尺寸的影响
• 7.3.2 切削工艺参数对翅片尺寸的影响
• 7.4 本章小结
• 8 结论与展望
• 8.1 研究结论
• 8.2 发展与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文及研究成果