高速硬切削参数对切削力影响的数值模拟

建立了淬硬钢高速切削的有限元模型,通过Johnson-Cook（JC）工件材料模型及JC失效准则来模拟切屑的形成过程;并研究了背吃刀量、刀具前角和刀尖圆弧半径等参数对切削力的影响规律.     

微细铣削应力场和温度场的有限元模拟

采用有限元方法对微细铣削过程进行模拟,采用Johnson-Cook热力耦合模型作为工件材料模型,采用Johnson-Cook的剪切失效法则作为工件材料的失效准则,采用热力耦合平面应变杂交单元并使用自适应网格技术进行网格划分,刀具与工件间的摩擦采用滑动摩擦区和粘着摩擦区相结合的修正库仑定律.通过有限元分析,得到不同切削速度和刀具切削刃钝圆半径条件下形成切屑时的刀具旋转角度、不同每齿进给量条件下的应力场和温度场.分析结果为微细铣削机理的进一步研究奠定基础.     

铝合金高速铣削机理三维仿真建模与分析

为了研究铝合金7050-T7451高速铣削机理,建立了能反应实际铣削状态的斜角切削有限元模型.该模型采用双刃螺旋立铣刀进行模拟,模拟过程考虑刀具的进给运动和旋转运动,工件材料模型通过高温拉伸实验与高速压缩实验得到,刀-屑接触摩擦采用可自动识别滑动摩擦区和粘结摩擦区的修正库仑定律,切削温度模型等效为窄带热源.采用建立的有限元仿真模型模拟了铣削过程中的切屑成形状态,分析了应力、应变和温度分布情况以及铣削力值.研究结果表明,铝合金高速铣削加工形成连续带状切屑,最大应力发生在第一变形区,切屑形成时应变最大,最高温度出现在刀、屑接触部位,模拟得到的铣削力可以接受.     

模具淬硬钢高速铣削加工的有限元模拟

研究了高速铣削加工数值模拟所涉及的切削层等效简化铣削加工模型,分析了工件材料的流动应力模型与刀屑接触面的摩擦模型和热传导控制方程等关键技术.并根据等效简化模型平面应变特征的特点,建立了铣削加工数值模拟的2-D有限元模型.基于此模型对高速铣削加工淬硬钢P20的切削力、应力和温度进行了有限元模拟.通过铣削力切削加工实验测得了相同条件下的铣削力值.结果表明:实验铣削力值与数值模拟在一定的误差范围内结果一致.由此可见,采用具有平面应变特征的有限元模型进行应力和温度的模拟切削过程是可信的.高速铣削加工有限元模拟研究为淬硬钢切削加工的工艺参数优化、刀具的优选和工艺规划奠定了基础.     

干式硬态切削不同硬度材料下刀具磨损的预测分析

运用AdvantE dge软件提供的用户自定义Johnson-Cook模型和Usui磨损模型建立不同淬硬状态工件材料模型和刀具模型。对干式硬态车削过程进行有限元分析,得到PCBN刀具切削不同硬度Cr12MoV工件时刀具前刀面切削压力和切削温度,并判断出刀具磨损的变化规律。通过模拟分析得到模拟规律与实验规律基本符合,为工件材料的硬度选取提供合理参考。     

基于Deform-3D的中空框架铝合金高速铣削有限元分析

通过对中空框架铝合金材料本构模型的建立,研究了高速切削中的断裂准则、加工变形网格划分以及刀具磨损模型等关键技术,在此基础上,采用Deform-3D有限元分析软件,对中空框状铝合金6N01材料高速铣削中的变形行为和刀具摩擦磨损行为进行了有限元模拟,获得了工件与刀具在加工中的热、力分布和刀具磨损的变化规律,为改进框架铝合金的加工工艺并提高其加工效率提供了理论依据。     

第1届上银优秀机械博士论文奖——佳作奖

难加工材料切削刀具磨损的热力学特征研究作者:邵芳毕业学校:山东大学指导教师:刘战强高速切削时刀具的失效机理和工件材料的塑性变形规律是目前高速切削领域研究的热点重要课题之一,热力学理论和方法是研究高速切削过程热力学体系诸多现象和本质的强有力工具。本文针对难加工材料钛合金和高温合金材料,用热力学理论和方法建立高速切削过程的热力学体系,从热力学的角度研究高速切削刀具的磨损机理,建立工件材料的热力学本构方程,提出高速切削时剪切变形区和刀屑接触区的熵产生模型,并用试验验证了模型的正确性。     

硬态干式切削过程的有限元仿真

硬态干式切削是近期发展起来的一种先进的切削加工技术,其具有良好的加工柔性、经济性和环保性能,是精加工过程中加工淬硬钢的最佳选择。基于材料变形的弹塑性理论,并结合ABAQUS通用有限元程序的特点和实际切削工况,用J-C模型建立工件材料模型,根据剪切失效准则实现切屑和工件分离,切屑和刀具的接触摩擦采用库仑摩擦定律,对AISI4340钢硬态切削过程进行仿真,分析了等效应力、等效塑性应变云图、切削力变化曲线以及切屑的温度场分布。在理论上,模拟过程与实际切削过程基本符合,为以后的硬态干式切削提供了参考。     

ABAQUS的高速铣削二维仿真分析

在铣削模型二维等效简化的基础上,对高速切削仿真的关键技术进行了研究,用J-C模型建立工件材料模型,用剪切失效准则实现切屑和工件分离,切屑和刀具的接触摩擦模型采用修正的库仑摩擦定律,在ABAQUS软件中实现了对45钢的高速铣削仿真,对切削力和切屑温度场、应力场的仿真结果进行了分析,验证了有限元模型的合理性.     

不同切削参数的镍基合金直角切削有限元模拟

利用非线性有限元方法研究镍基合金高速切削过程。在平面应变状态下,通过对材料本构模型、边界条件与接触摩擦模型,以及网格划分环节进行处理,建立有限元直角正交二维切削模型。采用不同刀具前角、切削深度条件对镍基合金直角切削过程进行模拟和试验,分析得出直角切削过程中不同刀具前角和切削深度时切削力、剪切角变化情况,为选择合适的切削参数、提高切削质量提供理论依据。     

合金铸铁高速切削的有限元模型

提出了进行高速切削有限元模拟的过程,研究了刀屑间的摩擦和热传递等关键技术,通过高速压缩试验,获得了钼铬铸铁力学性能,建立了钼铬铸铁高速切削的有限元模型。在通过切削力试验对钼铬铸铁高速切削加工过程中的切削温度、应力分布和切屑的形成等进行了验证。分析结果表明该有限元模型可以用来进行钼铬铸铁的高速切削过程仿真,为进一步的研究提供了基础。     

涂层刀具前后刀面摩擦下界面应力分析

基于任意拉格朗日欧拉方法(ALE)建立金属正交切削加工的热力耦合的有限元模型,获得不同速度下切削稳定时涂层刀具前后刀面的接触应力、剪应力以及温度场。通过对涂层刀具施加已获得的刀具表面的应力场和温度场,分析了不同速度下摩擦分界点变化的规律以及对涂层基体界面应力的影响。结果表明,随着速度的增大,摩擦分界点逐渐有向前刀面移动的趋势,表明磨损的方式开始从后刀面磨损向前刀面月牙湾磨损转变,这与切削试验结果一致。同时随着速度的增大,涂层界面应力突变更加显著,表明高速条件下涂层更容易破坏,且速度越高,前刀面涂层破坏的几率越大。     

高速正交切削SiCp/Al复合材料切削温度仿真研究

使用ABAQUS有限元软件对高体分SiCp/Al复合材料的颗粒和基体进行分别定义,仿真研究了高速切削复合材料时的温度场,分析了切削过程中切削用量和刀具角度对工件切削温度的影响。结果表明:在切削过程中,与刀具接触位置的颗粒温度较高且应力值较高;SiC颗粒的温度较Al基体的温度低;第一变形区发现一条沿着剪切角方向非常明显的温升带。在稳定切削阶段,与刀尖接触位置的工件温度较高,且应力集中现象总是发生在SiC颗粒上。随着切削深度和切削深度的增加,切削过程中工件的最高温度均随之增加;随着刀具前角和后角的增大,切削过程中工件的最高温度均随之降低。     

有限元数值模拟技术在轴类零件切削中的应用

建立了合理的材料本构、接触模型和摩擦模型,基于合理的切屑分离准则,建立了正交切削过程有限元力学模型,应用DEFORM软件实现了正交切削过程数值模拟。研究了不同转速、不同刀具前角和不同刀刃钝圆半径下的正交切削过程,分析了切削过程中应力、应变和切削力的变化特性,获得了轴类零件加工过程中应力、应变、切削力的变化规律。     

On the contribution of primary deformation zone-generated chip temperature to heat partition in machining

In machining, the percentage of heat flux that enters the cutting tool can have a critical impact on tool wear especially in dry cutting or high speed machining. In previous work, heat partition was evaluated by iteratively reducing the secondary deformation zone heat flux to the tool until the finite element simulated temperatures matched the experimental measured rake face temperatures. This follow-on work quantifies the contribution of primary zone heat flux to heat partition in machining. In this study, an analytical model was used to evaluate the rise in chip temperature due to primary deformation zone heat source. The heat partition and thermal modelling on the rake face was then conducted with an appropriate initial rake face temperature. Thus primary zone heat loads and shear-force-derived secondary zone heat flux were applied in finite element transient heat transfer analysis to evaluate heat flux into the cutting tool. External dry turning of AISI/SAE 4140 with tungsten carbide-based multilayer TiCN/Al₂O₃-coated tools was conducted for a wide range of cutting speeds between 314 and 879 m/min. Results further support the dominance of secondary zone heat flux on heat partition. The contribution of primary zone heat generation to the cutting tool heat flux in machining was less than 9.5 %. These findings suggest that, to address the thermal problem in machining, research and development should also focus on reducing friction on the rake face (e.g. coating innovations) and reducing contact areas (e.g. rake face design) in addition to the modification of shear angle and hence primary zone heat intensity.     

Finite element simulation and experimental investigation of tool temperature during ultrasonically assisted turning of aerospace aluminum using multicoated carbide inserts

This paper summarizes the results of thermal finite element simulation and experimental studies of tool temperature in ultrasonic-assisted turning (UAT) of aerospace aluminum using multicoated carbide inserts. At first, mathematical models were developed in order to study the effects of tool coating, rake angle, cutting speed, and feed rate on the friction coefficient. Then with respect to the kinematics of the process, the cutting velocity model would be presented. This velocity model is used in combination with the mathematical model to define the friction coefficient during UAT. The mentioned frictional model is used to write a user subroutine to incorporate the effect of friction coefficient as a function of cutting parameters in the finite element program Abaqus. The results of this simulation make it possible to determine cutting temperature patterns accurately. It is also used to study the effect of cutting parameters (cutting speed, feed rate, rake angle, and vibration amplitude) on UAT. Finally, the simulation results are compared with experimental measurements of cutting temperatures from ultrasonic-assisted turning tests. The results show that ultrasonic-assisted turning is able to lower the maximum cutting temperature in cutting tool, about 29 %, in low feed rates (≈0.14 mm/rev), with a vibration amplitude of ≈10 μm and work velocity of ≈0.5 m/s.     

高速切削过程有限元分析的研究进展

大量的研究成果表明:有限元模拟作为研究高速切削机理的一种有效手段,已被广泛用于高速切削过程分析。综述高速切削中锯齿状切屑形成机理、切削过程中的物理量(切削力、切削温度,刀具磨损)及表面质量等方面的有限元分析的研究现状。展望高速切削有限元模拟分析的发展方向。     

基于AdvantEdge的6061铝合金高速铣削刀具结构参数优化研究

高速铣削过程中,刀具结构参数对刀具的切削性能有非常重要的影响。本文利用专用切削加工有限元分析软件AdvantEdge对6061铝合金高速铣削刀具进行了有限元分析。采用等效二维有限元仿真方法,结合单因素寻优设计方法,分析了硬质合金和高速钢刀具主要的宏、微观参数(包括刀具刃口钝圆半径、前角和后角等)对铣削加工过程中的温度、应变、切削力等参数的影响趋势。仿真结果显示,为获得较好的切削效果,铣刀取较小的刃口钝圆半径(即0.04mm左右);可取较大的前角和后角,前角为12°-15°,后角为15°-20°。     

金属切削加工热弹塑性大变形有限元理论及关键技术研究

基于有限变形理论、虚功原理和更新的拉格朗日公式建立了热弹塑性本构方程，导出了热弹塑性大变形耦合控制方程。对切削加工有限元模拟中的关键技术，如材料模型，工件和切屑的分离、断裂准则，刀具、切屑间的接触摩擦模型以及切削热进行了探讨，针对这些关键技术建立了正交切削加工铝合金7050T7451有限元模型，对切屑形态、切削力、切削温度以及应力场和应变场等物理量的分布进行了有效预测。