基于有限元方法的切削加工过程动态物理仿真关键技术研究

论文摘要

随着科学技术的进步,新的工程材料不断涌现,不同工程材料因具有不同的材料特性进而表现出不同的加工特性。为了深入研究各种材料的切削加工性能,必须进行大量的切削实验,大量的切削实验既耗时又费钱,而且许多物理力学参数无法通过试验直接获得,因此需要探索一种更加高效的研究方法进行切削加工性能分析。基于此,本文采用有限元方法对航空用材料铝合金7050-T7451和钛合金Ti-6Al-4V的切削加工进行仿真分析,深入研究材料加工性能及其切削效果,为优化切削过程、制定最佳工艺方案提供理论依据。首先,在总结现有金属切削机理和仿真分析研究成果的基础上,建立了针对航空用铝合金7050-T7451和钛合金Ti-6Al-4V的二维正交切削有限元仿真模型,基于试验研究和迭代方法对材料本构方程和断裂准则方程参数进行优化,提高有限元仿真模型的精度;采用该有限元模型,分析了切削速度、切削深度、刀具前角和刀具后角等加工参数对切削力、切削温度、残余应力、刀-屑接触长度等的影响规律,为材料的加工参数优化提供了依据。第二,针对前刀面与切屑之间的接触摩擦特性对切削加工过程仿真结果的影响,基于5种不同的刀-屑接触摩擦定义方式,进行了不同摩擦条件下钛合金Ti-6Al-4V切削加仿真分析,对每种定义方式的仿真结果进行了对比分析,与试验结果比较,得出了理想的刀-屑接触摩擦定义方式,为进一步提高有限元模型的精度提供了依据。第三,建立了多次走刀切削过程进行仿真模型,分析了第一次走刀切削和后续走刀切削耦合作用对已加工表面残余应力的影响规律,为模拟真实切削加工过程提供了有效方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 有限元分析法的特点及应用
• 1.2.1 有限元分析在金属切削加工中的应用
• 1.2.2 有限元分析的关键技术
• 1.2.3 有限元分析软件
• 1.3 金属切削有限元仿真的国内外研究发展状况
• 1.4 课题研究的意义及目标
• 1.5 论文主要研究内容与结构安排
• 1.6 本章小结
• 第二章 航空铝合金和钛合金力学和加工性能分析及有限元理论基础
• 2.1 航空用铝合金7050-T7451力学性能分析
• 2.1.1 铝合金7050-T7451基本物理属性
• 2.1.2 铝合金7050-T7451的静态力学性能
• 2.1.3 铝合金7050-T7451的动态力学性能
• 2.2 航空用钛合金Ti-6Al-4V力学性能分析
• 2.2.1 钛合金Ti-6Al-4V基本物理属性
• 2.2.2 钛合金Ti-6Al-4V的静态力学性能
• 2.2.3 钛合金Ti-6Al-4V的动态力学性能
• 2.3 切削加工有限元分析理论基础
• 2.3.1 铝合金7050可加工性分析
• 2.3.2 钛合金Ti-6Al-4V可加工性分析
• 2.4 切削加工有限元分析理论基础
• 2.4.1 非线性有限元理论
• 2.4.2 弹塑性有限元理论
• 2.4.3 热—弹塑性大变形耦合方程式
• 2.5 本章小结
• 第三章 切削加工有限元仿真模型的建立及实验验证
• 3.1 金属切削加工过程的二维简化原理
• 3.1.1 等厚度切削模型
• 3.1.2 变厚度切削模型
• 3.2 材料本构关系方程的建立理论和方法
• 3.2.1 材料本构方程理论
• 3.2.2 钛合金Ti-6Al-4V和铝合金7050材料本构关系方程的建立
• 3.2.3 Johnson-Cook材料本构关系方程参数对加工结果的影响
• 3.3 金属切削加工二维正交有限元仿真模型的建立
• 3.3.1 切屑分离准则的确定
• 3.3.2 有限元网格的划分
• 3.3.3 刀-屑摩擦的定义
• 3.3.4 边界条件的施加
• 3.3.5 热传导控制方程
• 3.4 有限元仿真模型的实验验证
• 3.4.1 直角切削实验设计方案
• 3.4.2 实验结果处理及模型验证
• 3.5 有限元仿真模型的应用
• 3.5.1 刀具前角对切削力和温度的影响
• 3.5.2 刀具后角对切削力和温度的影响
• 3.5.3 切削速度对切削力和温度的影响
• 3.5.4 切削深度对切削力和温度的影响
• 3.5.5 加工参数对其他加工结果的影响规律
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于有限元仿真的刀-屑接触摩擦分析
• 4.1 刀-屑摩擦特点
• 4.2 常用的刀-屑摩擦模型
• 4.3 不同有限元仿真摩擦模型的建立及分析
• 4.3.1 摩擦模型Ⅰ的建立及对结果的影响
• 4.3.2 摩擦模型Ⅱ的建立
• 4.3.3 摩擦模型Ⅲ的建立及对结果的影响
• 4.3.4 摩擦模型Ⅳ的建立
• 4.3.5 摩擦模型Ⅴ的建立
• 4.4 不同摩擦模型仿真结果比较分析
• 4.4.1 不同摩擦模型对切削力的影响
• 4.4.2 不同摩擦模型对切削温度的影响
• 4.4.3 不同摩擦模型对刀-屑接触长度和剪切角的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于有限元仿真的多刀切削及其加工残余应力分析
• 5.1 残余应力的产生及对工件加工质量的影响
• 5.2 多刀模型的建立及实验验证
• 5.2.1 多刀切削有限元模型的建立
• 5.2.2 有限元模型的实验验证
• 5.3 残余应力仿真结果分析
• 5.3.1 一次走刀仿真结果分析
• 5.3.2 二次走刀仿真结果分析
• 5.3.3 二次以上走刀仿真结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 研究创新点
• 6.3 工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文与参研课题
• 发表论文
• 参研课题
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表