精密超薄切削加工机理及其表面质量的研究

论文摘要

随着航空航天、高精密仪器仪表和精密机械等技术的发展,对各种高精度复杂零件的使用性能要求越来越高。在精密超薄切削过程中,由于切削厚度较小,切削刃钝圆半径对切削过程的影响已不容忽视,亚表层损伤给零件性能带来极大影响,导致零件合格率极低。因此,通过精密切削提高加工表面质量,减小变质层和残余应力一直是国内外精密切削领域重要的研究课题。本文通过精密超薄切削高强度弹性合金3J33实验,研究切削参数、刀具几何参数和切削力等对表面粗糙度及变质层的影响规律。首先,建立精密超薄正交切削力模型,把切削力分解为第一变形区的分力和钝圆半径变形区的耕犁力。在改进的Oxley切削模型的基础上研究了第一变形区和第二变形区的切削能,并运用能量最小原理计算剪切角,获得第一变形区的切削分力;基于滑移线场理论建立刀具钝圆半径变形区的耕犁力模型。考虑尖刃刀和圆弧刃刀具超薄切削时的流屑角,将精密正交切削力模型应用于尖刃刀和圆弧刃刀具精密超薄切削力的计算,为后续的研究工作提供了理论基础。第二,根据弹塑性变形理论和有限元方法,在修正的库仑定律刀/屑摩擦方程和局部网格重划分准则的基础上,利用有限元分析软件Msc.Marc对精密超薄切削过程进行了正交切削和圆弧刃切削过程模拟。研究正交切削过程刀具前角和钝圆半径对切削力、切削温度和应力分布的影响。圆弧刃切削过程分析了刀尖圆弧半径和钝圆半径对切削力、切削温度和应力分布的影响。模拟结果表明切削变形区为一个局部不均匀的高应力区,为实验分析提供了参考数据。第三,采用正交实验法,研究切削参数对尖刃刀超薄切削力的影响,建立精密超薄切削力的预测模型。采用旋转正交实验法研究切削参数(进给量和背吃刀量)和刀尖圆弧半径对圆弧刃刀具精密超薄切削力的影响,建立切削力的二次方程,并通过实验验证切削力的理论值和有限元模拟结果。第四,在考虑进给量和刀尖圆弧半径对表面粗糙度影响的基础上,着重考虑精密超薄切削力对加工表面粗糙度的影响,提出了用可靠的修正系数,并基于遗传算法对表面粗糙度理论模型加以修正。基于遗传算法,采用旋转正交实验法建立圆弧刃精密超薄切削表面粗糙度预测模型,分析切削参数(进给量和背吃刀量)和刀尖圆弧半径对表面粗糙度的影响。最后,用扫描电子显微镜检测加工变质层的显微组织,确定加工变质层厚度,同时采用显微硬度法研究亚表层的加工硬化程度。研究结果表明:变质层的晶粒在切削过程受到拉伸和扭曲,其晶粒流动方向和母材的晶粒流动方向不同,因此精密加工的变质层主要受机械应力引起塑性变形层,没有明显的热影响区和相变特征;精密加工的塑性变形层深度较小;切削用量越大,塑性变形层越深,表面硬化程度也越大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 精密超薄切削加工的研究现状
• 1.3 有限元法在金属切削过程中应用的现状
• 1.4 精密切削加工表面质量的研究现状
• 1.4.1 精密切削已加工表面粗糙度的研究现状
• 1.4.2 精密切削加工变质层的研究现状
• 1.5 论文的主要研究内容
• 第2章 精密超薄切削过程切削力的建模
• 2.1 引言
• 2.2 精密超薄正交切削力模型
• 2.2.1 第一变形区
• 2.2.2 第二变形区
• 2.2.3 刀具钝圆半径处的变形区
• 2.2.4 最小能量原理求解剪切角
• 2.3 精密超薄三维切削力模型的建立
• 2.3.1 等效切削刃法的流屑角模型
• 2.3.2 尖刃刀三维超薄切削力模型
• 2.3.3 圆弧刃刀具超薄切削力模型
• 2.4 本章小结
• 第3章 精密超薄切削过程有限元法的模拟
• 3.1 引言
• 3.2 切削过程的有限元建模
• 3.2.1 大变形的有限元方程
• 3.2.2 摩擦模型
• 3.2.3 网格重划分准则
• 3.2.4 热分析
• 3.3 精密超薄正交切削过程有限元法的模拟
• 3.3.1 精密超薄正交切削过程有限元法的模型
• 3.3.2 钝圆半径对正交超薄切削过程的影响
• 3.3.3 刀具前角对正交超薄切削过程的影响
• 3.4 圆弧刃刀具精密超薄切削有限元法的模拟
• 3.4.1 圆弧刃刀具精密超薄切削有限元法的模型
• 3.4.2 钝圆半径对圆弧刃刀具超薄切削过程的影响
• 3.4.3 刀尖圆弧半径对超薄切削过程的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 精密超薄切削时切削力的实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 精密超薄车削实验条件
• 4.2.1 实验装置
• 4.2.2 工件材料
• 4.2.3 刀具结构
• 4.3 尖刃刀端面超薄切削的实验研究
• 4.4 圆弧刃刀具超薄切削的实验研究
• 4.4.1 背吃刀量对切削力的影响
• 4.4.2 进给量对切削力的影响
• 4.4.3 刀尖圆弧半径对切削力的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 精密超薄切削表面粗糙度的研究
• 5.1 引言
• 5.2 表面粗糙度的理论模型
• 5.3 表面粗糙度的实验研究
• 5.3.1 表面粗糙度的实验
• 5.3.2 遗传算法简介
• 5.3.3 遗传算法计算表面粗糙度模型
• 5.4 表面粗糙度理论模型的修正
• 5.5 表面粗糙度影响因素的分析
• 5.5.1 背吃刀量对表面粗糙度的影响
• 5.5.2 进给量对表面粗糙度的影响
• 5.5.3 刀尖圆弧半径对表面粗糙度的影响
• 5.6 本章小结
• 第6章 精密超薄切削加工变质层的研究
• 6.1 引言
• 6.2 加工变质层的测量方法
• 6.3 加工变质层的检测
• 6.3.1 微观组织试样制备
• 6.3.2 影响加工变质层深度的因素分析
• 6.3.3 加工变质层形成机理
• 6.4 亚表层显微硬度的研究
• 6.4.1 显微硬度的实验
• 6.4.2 加工硬化分析
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历