平面铣削加工过程计算机仿真分析

论文摘要

提高生产效率、改善加工质量、降低生产成本已成为制造业者追求的首要目标。随着现代制造技术以及新材料、新刀具、新工艺和新设备的不断发展,对进行机械加工中应用最为广泛的铣削加工过程进行计算机仿真分析研究,对于提高铣削加工效率和质量及优化铣削用量参数是非常必要的。由于铣削加工具有多刃断续切削和变厚度加工等特点,因此,其切削加工机理较为复杂。本文通过金属加工、剪切理论和有限元法等多学科的交叉,采用理论建模、软件分析和实验研究相结合的方法,从金属切削原理入手,分别建立了二维铣削加工的热力耦合有限元模型和三维铣削加工的有限元模型;通过模拟仿真、实验验证和主铣削力优化模型的建立求解,对影响铣削力的因素进行了详细的研究。本文在对铣削加工过程计算机仿真分析的研究现状及趋势进行综述的基础上,以及在基于金属切削加工理论对铣削力模型的建立与分析、铣削加工过程中有限元模拟实现的理论基础和几种典型的剪切平面模型进行概括的基础上,主要研究内容和创新点有以下三个方面:（1）基于ABAQUS有限元分析软件的特点,研究了切削加工过程中的弹、塑性变形行为以及如何实现切屑的分离技术;基于正交切削理论和二维铣削模拟假设条件,建立了ABAQUS环境下的刀具、工件几何模型;研究了实现二维铣削仿真的关键技术;仿真模拟了二维正交切削和二维铣削加工,得出了工件和刀具的应力、应变、切削力和温度的变化趋势,其模拟结果与现有相关理论具有一致性;（2）以二维铣削加工模拟仿真的研究分析为基础,研究了实现三维仿真的关键技术、铣削过程建模的假设条件、工件材料特性及有限元模拟的前处理和简化模型的建立。运用DEFORM-3D软件,模拟仿真了工件和刀具在4种低速和7种中高速铣削状态下的应力、应变、铣削力和温度的大小;分析了影响应力、应变、铣削力和温度的因素;结合实际条件,以状态1为代表进行了实验验证,验证了模拟结果的真实性和可靠性;同时还分析了存在误差的原因。（3）以仿真条件为基础,建立了主铣削力的优化模型和约束条件,运用线性规划中的单纯行法,对优化模型进行了求解,为以后开展铣削用量的优化工作提供了一种新的方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 平面铣削加工过程及计算机仿真分析研究的现状
• 1.2.1 铣削加工过程及简化模型的研究
• 1.2.2 加工仿真技术发展现状及其趋势
• 1.3 论文研究的意义、目标及内容
• 1.3.1 研究工作的意义和目标
• 1.3.2 本论文的研究内容
• 1.3.3 论文的结构
• 第二章 铣削过程计算机模拟仿真理论基础
• 2.1 金属切削加工的基础理论
• 2.1.1 金属切削变形过程
• 2.1.2 切削运动
• 2.1.3 刀具合理几何参数的选择
• 2.1.4 切削力来源及其影响因素
• 2.2 铣削加工的特点
• 2.3 影响铣削过程的因素
• 2.4 有限元模拟实现的理论基础
• 2.4.1 铣削加工切削层的等效简化
• 2.4.2 弹塑性有限元理论基础
• 2.4.3 热力耦合的有限元控制方程
• 2.5 剪切平面模型
• 2.5.1 Ernst和Merchant切削模型
• 2.5.2 Lee-Shaffer滑移线切削模型
• 2.5.3 Shaw的切削模型
• 2.5.4 Oxley的切削模型
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于 ABAQUS正交切削的二维铣削有限元模拟研究与分析
• 3.1 ABAQUS环境下工件的弹塑性变形行为
• 3.2 正交切削状态
• 3.2.1 正交切削模型及其假设条件
• 3.2.2 正交切削模型的建立及其仿真结果分析
• 3.3 二维铣削加工有限元模型的建立
• 3.3.1 有限元模型的前处理
• 3.3.2 工件材料特性
• 3.3.3 边界条件与约束
• 3.3.4 材料去除的有限元模拟
• 3.3.5 刀具与工件网格划分与单元格的选择
• 3.4 结果分析与讨论
• 3.4.1 应力场、应变分析
• 3.4.2 切削热的产生、传播与温度场分析
• 3.4.3 切削力分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 三维铣削加工有限元模拟及其关键技术研究
• 4.1 三维铣削加工仿真的关键技术
• 4.1.1 铣削过程中的塑性变形
• 4.1.2 切屑与工件的分离、断裂
• 4.1.3 切屑与刀具的接触、摩擦
• 4.1.4 铣削加工仿真模型的关键技术
• 4.2 铣削力模型
• 4.2.1 铣削力模型的有限元近似
• 4.2.2 铣削力模型的建模准则
• 4.2.3 铣削过程力学模型分析
• 4.2.4 铣削力模型的建立
• 4.3 三维铣削模型的建立
• 4.3.1 铣削过程建模的假设
• 4.3.2 有限元模型的前处理及其简化模型的建立
• 4.3.3 工件材料特性
• 4.3.4 材料去除的有限元模拟
• 4.4 结果分析与讨论
• 4.4.1 不同条件下应力场、应变分析
• 4.4.2 不同条件下温度场分析
• 4.4.3 不同条件下铣削力分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 铣削力的实验分析及其目标函数的建立和求解
• 5.1 铣削力实验
• 5.1.1 铣削力实验原理
• 5.1.2 铣削力的试验条件
• 5.1.3 数据采集与处理
• 5.1.4 模拟结果与实验结果的对比与分析
• 5.2 刀具前角对切削力的影响
• 5.3 铣削力优化模型的确定与求解
• 5.3.1 约束最优化问题的求解方法
• 5.3.2 设计变量的确定
• 5.3.3 目标函数的确立
• 5.3.4 约束条件
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 创新点
• 6.3 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间发表的论文