高温合金GH4169高速切削加工的有限元模拟与分析

论文摘要

镍基合金GH4169在航空航天领域有着广泛的应用。由于镍基合金具有导热系数低、摩擦系数大和弹性模量小等特点，使其成为一典型的难加工材料。本文以镍基高温合金的高速车削和高速铣削加工过程为研究对象，通过建立的有限元切削模型，对高速切削机理进行了研究，为建立镍基合金高效加工工艺规范提供了理论依据。以此为基础，对高速切削过程的切削参数进行了优化，为实际加工提供工艺支持。主要内容如下：首先，从理论上对有限元仿真模拟中的非线性材料本构模型、动态失效准则以及刀-屑接触摩擦等关键环节进行了研究，并运用数值方法对金属切削的非线性问题进行了解析。其次，基于更新的拉格朗日和任意拉格朗日法（ALE），通过大型商业有限元分析软件ABAQUS对镍基合金GH4169的高速切削过程进行了二维和三维数值模拟，得到了较为理想的仿真结果，并通过与试验比较验证了仿真结果的正确性。重点分析了不同切削阶段温度场和应力场的分布，并通过改变切削参数（切削速度、进给量、切削深度）研究了高速切削过程中温度及切削力的变化规律。以Oxley材料应变强化切削模型为基础，通过分析不同切削深度和切削速度下剪切角的变化规律，得到了高速切削过程中主剪切变形区剪切硬化薄层的变化规律。最后，采用单因素法对镍基合金铣削加工中的铣削力和铣削温度的模拟结果进行了实验验证，实验中，切削力的变化规律由三向测力仪测量得到，温度的变化规律由红外线热像仪测量得到。实验结果证明，在不同主轴转速条件下，有限元模拟结果与实验结果基本吻合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 高速切削技术的定义及发展历程
• 1.2.1 高速切削技术的定义
• 1.2.2 高速切削技术的发展历程
• 1.3 有限元方法在金属切削中的应用及其研究概况
• 1.3.1 有限元方法在金属切削中的应用
• 1.3.2 高速切削中切削力研究概况
• 1.3.3 高速切削中切削温度研究概况
• 1.4 本课题研究的主要工作内容
• 第2章 高速切削有限元理论及关键问题处理
• 2.1 切削过程有限元基本理论
• 2.1.1 有限元法（Finite Element Method）的分析过程
• 2.1.2 物体变形的有限元描述方法
• 2.2 切削过程有限元建模的关键问题处理
• 2.2.1 材料的本构关系原理
• 2.2.2 模型的动态失效准则
• 2.2.3 刀屑接触问题
• 2.2.4 网格划分
• 2.2.5 金属切削过程的数值解法
• 2.3 本章小结
• 第3章 二维高速车削模拟
• 3.1 二维正交切削仿真模型的建立
• 3.1.1 材料性能参数
• 3.1.2 几何模型建立
• 3.2 二维正交切削模拟结果分析
• 3.2.1 高速切削过程中剪切角的仿真研究
• 3.2.2 高速切削过程中温度的仿真研究
• 3.2.3 高速切削过程中切削力的仿真研究
• 3.3 本章小结
• 第4章 三维高速切削仿真模拟
• 4.1 三维正交切削加工有限元实体模型的建立
• 4.2 三维正交切削模拟结果分析
• 4.2.1 高速切削过程中温度的仿真研究
• 4.2.2 高速切削过程中切削力的仿真研究
• 4.3 三维铣削加工有限元实体模型的建立
• 4.3.1 铣削过程中温度的仿真研究
• 4.3.2 铣削过程中切削力的仿真研究
• 4.4 本章小结
• 第5章 高速切削有限元模拟的实验验证
• 5.1 实验条件
• 5.2 实验结果与模拟结果的分析比较
• 5.2.1 铣削温度实验结果与模拟结果的比较
• 5.2.2 铣削力的实验结果与模拟结果的比较
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间完成的学术论文及参加的科研项目
• 致谢