基于有限元法的Ti（C，N）基金属陶瓷刀具切削质量研究

论文摘要

金属切削加工是制造业中一种应用非常普遍的重要加工工艺。各种精密设备及仪器迅速发展，对其零件质量提出的要求也越来越高，而残余应力和加工硬化已成为严重制约其零件使用性能和寿命的重要因素。因此，研究新型材料刀具切削加工后的工件表面质量，对于优化切削参数和提高工件质量具有非常重要的意义。本文首先基于液相烧结法制备出了新型Ti(C，N)基金属陶瓷材料刀具，并结合试验和计算的方法得出了该材料的性能。其次，建立了不同切削速度和进给量的切削有限元模型，得到了切削速度和进给量对已加工工件表面残余应力和深层残余应力的影响规律，并从机械应力和热应力影响因素的角度综合分析了规律产生的原因。根据实际的车削条件，建立了不同切削速度和进给量的切削有限元模型，得到了切削速度和进给量对已加工工件表面等效应变和应变层深度的影响规律。其次，使用制备出的Ti(C，N)基金属陶瓷刀具对45钢进行切削物理试验，并对所得试样进行金相观测和显微硬度测试，最终得出切削速度和进给量对表面加工硬化程度和硬化层深度两项加工硬化指标的影响规律，验证了有限元模拟结果。最后，从微观角度解释了切削表面加工硬化产生的机理，并全面分析了切削加工表面硬化的热一力耦合机理。本文通过上述研究，得出以下结论：工件表面均为残余拉应力，且在进给量不变的情况下，表面最大拉应力和深层最大压应力及压应力水平均随切削速度的增大而增大，切削速度对拉应力层厚度的影响不大；残余压应力水平随进给量增大而增大，但是，在不同切削速度的条件下，表面最大残余拉应力随进给量的变化规律是不一致的；切削速度和进给量对工件的硬化层深度和表面加工硬化程度的影响规律不一致：硬化层深度和表面加工硬化程度均随切削速度的增大而先增大后减小；硬化层深度随进给量增大而先减小后增大，表面加工硬化程度先减小后增大。通过对试验结果进行进一步探讨后得出结论：较为严重的加工硬化易发生于中速的半精车中，且高速车削中工件已加工表面可能会发生软化。研究得出的各项结论表明，切削有限元模拟的方法已经能够对工件的残余应力和加工硬化现象进行定性及定量的分析，为采用各种新型材料刀具的切削加工表面质量提供预报，这对实际生产具有重大的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 金属切削过程有限元模拟技术的研究现状
• 1.3 金属切削加工表面质量的研究现状
• 1.3.1 切削加工残余应力的研究现状
• 1.3.1.1 切削加工残余应力理论研究现状
• 1.3.1.2 切削加工残余应力的检测技术
• 1.3.2 切削表面加工硬化的研究现状
• 1.4 课题概述
• 1.4.1 课题背景
• 1.4.2 课题研究目的及意义
• 1.4.3 课题的内容
• 第二章 切削加工表面质量研究的理论基础
• 2.1 金属切削变形理论
• 2.1.1 金属切削变形区的划分
• 2.1.2 已加工表面形成过程
• 2.2 切削过程的弹塑性有限元分析
• 2.2.1 工件己加工表面非稳态温度场计算
• 2.2.2 热—弹塑性变形场应力—应变关系
• 2.2.2.1 弹性状态时的应力—应变关系
• 2.2.2.2 塑性状态时的应力—应变关系
• 2.3 更新的Lagrange方法及平衡方程
• 2.4 热—力耦合弹塑性有限元方程
• 第三章 Ti（C，N）基金属陶瓷材料
• 3.1 概述
• 3.2 Ti（C，N）基金属陶瓷材料概述
• 3.2.1 Ti（C，N）基金属陶瓷材料的发展
• 3.2.2 Ti（C，N）基金属陶瓷的结构及其制备方法
• 3.2.3 Ti（C，N）基金属陶瓷的发展趋势
• 3.3 Ti（C，N）基金属陶瓷刀具的制备
• 3.3.1 成分配比设计
• 3.3.2 刀具制备过程
• 3.3.3 Ti（C，N）基金属陶瓷刀具性能的测定与计算
• 第四章 金属切削有限元模型的建立
• 4.1 概述
• 4.2 几何模型的建立
• 4.3 材料模型的建立
• 4.4 摩擦模型的建立
• 4.5 二维切削有限元模型的建立
• 4.5.1 几何模型转化为有限元网格模型
• 4.5.2 材料性能参数设置
• 4.5.3 接触条件设置
• 4.5.4 网格重划分
• 4.5.5 主要载荷工况的设置
• 4.5.6 切削条件及参数设置
• 第五章 切削加工残余应力的研究
• 5.1 引言
• 5.2 切削加工表层残余应力产生的原因
• 5.3 切削加工残余应力的理论分析
• 5.4 切削加工残余应力有限元结果分析
• y的影响分析'>5.4.1 切削速度对残余应力σ_y的影响分析
• y的影响分析'>5.4.2 进给量对残余应力σ_y的影响分析
• 5.4.3 表面最大残余拉应力与深层最大残余压应力的分析
• 5.5 切削加工表层残余应力的热—力耦合分析
• 5.5.1 切削速度对残余应力的影响
• 5.5.2 进给量对残余应力的影响
• 第六章 切削表面加工硬化的研究
• 6.1 引言
• 6.2 切削表面加工硬化的基础理论
• 6.2.1 切削加工硬化产生的原因
• 6.2.2 切削表面加工硬化的评价方法
• 6.2.2.1 表层显微硬度HV
• 6.2.2.2 硬化层深度气
• H'>6.2.2.3 表层加工硬化程度N_H
• 6.3 切削加工表面硬化的有限元模拟结果及分析
• 6.3.1 加工硬化有限元模拟结果
• 6.3.2 加工硬化有限元模拟结果的分析
• 6.3.2.1 切削速度对加工硬化的影响
• 6.3.2.2 进给量对加工硬化的影响
• 6.4 切削加工表面硬化的物理实验
• 6.4.1 车削实验
• 6.4.2 表面加工硬化试样的制作
• 6.4.3 试验测试及结果
• 6.4.3.1 硬化层深度测试
• 6.4.3.1.1 金相组织的观测
• 6.4.3.1.2 显微硬度计测试
• 6.4.3.2 表面硬度测试
• 6.4.3.3 实验结果的探讨
• 6.5 切削加工的表面硬化机理
• 6.5.1 切削加工表面硬化的微观机理
• 6.5.2 切削加工表面硬化的热—力耦合机理
• 6.5.2.1 塑性变形强化
• 6.5.2.2 温升弱化
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要工作及结论
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 硕士期间发表论文