基于热力耦合模型的金属切削过程有限元分析

基于有限元理论和热力耦合模型的研究,通过讨论切削过程中的关键技术,主要包括切削加工有限元方程的建立：构件材料的Johnson-Cook本构模型;切屑分离准则;材料断裂准则;接触摩擦模型;切削热的产生和分布;残余应力的分析和切削力的比较分析等,建立了二位金属切削过程模型,通过采用粘结．滑移摩擦模型,有效地模拟了航空钛合金的切削加工过程,对此类材料加工的切削力、切屑温度以及应力场和应变的分布进行了分析。     

航空材料切削加工切屑的形成及其数值的模拟

应用有限元模拟软件,建立航空铝合金2024的坯料模型和切削刀具模型,通过构建材料的Jonson-Cook本构模型、材料失效模型、切屑分离准则和热力耦合模型,对2024铝合金材料的切削加工过程进行了仿真模拟,得到了切屑形成过程中的材料内部的应力、应变、切削热的分布变化情况及切削力的变化曲线图。仿真结果表明,模拟结果和实际切削理论具有较好的一致性。     

基于改进温度模型的300M钢本构方程参数识别

为了提高通过切削实验获取材料本构方程参数的精度,提出了将基于移动热源理论的温度分布模型沿剪切面积分计算剪切区平均温度的方法,结合不等距剪切区模型求得等效应变和应变率,建立了材料Johnson-Cook(J-C)本构方程参数的求解模型。根据切削实验获取的切削力和切屑厚度数据并采用遗传算法求得了300M钢J-C本构方程参数。与AdvantEdge FEM软件自带的300M钢本构模型相比,用所求模型参数仿真得到的主切削力、进给力和切屑厚度的精度有显著提高,验证了所建本构方程参数求解模型的有效性。     

基于弹塑性平面应变力学原理的新型直角铣削实验设计

根据弹塑性平面应变力学原理设计了直角铣削实验,研制出专用实验装置,研究了切削力在加工坐标系和测量坐标系之间的数学变换、单位切削力计算以及切削刃尺寸效应等实验内容和细节,总结出了正交铣削实验设计和测试原则。以航空铝合金材料为对象进行直角铣削力测试,通过与切削理论公示计算结果比较验证了直角铣削实验设计的可靠性。将该直角铣削实验在计算切屑与前刀面摩擦系数和验证正交切削有限元模型方面进行了应用。本文设计的直角铣削实验将为深入研究变厚度铣削加工机理和铣削加工建模仿真提供实验技术支持。     

高应变率下材料本构模型建模及其在插齿切削力预测中的应用

插齿是加工齿轮的重要工艺方法,插削力是制定插齿加工工艺的重要依据。为获得插齿过程中的工件材料属性,采用霍普金森压杆试验,获得工件材料高应变(10~2~10~4s~(-1))下的Johnson-Cook(J-C)本构模型。基于工件材料本构模型,通过有限元模拟插齿过程,获得插齿切削力。采用刨削模拟插齿切削,对插齿切削力进行了实测试验。通过对比分析插齿切削力、模拟与试验结果,验证了本构模型和有限元模型及模拟结果的正确性,进而通过有限元数值模拟分析了刀具几何参数和切削参数对切削力的影响规律。文中建立的材料本构模型和插齿切削有限元模型可较准确地预测插齿切削力。     

镍基高温合金切削过程有限元仿真及刀具参数研究

为了准确模拟高温合金GH4169的切削过程,深入研究了GH4169的有限元建模技术,如有限元模型的建立、材料本构模型、切屑分离准则及接触摩擦模型等。采用Johnson-Cook本构关系模型对GH4169的加工过程进行二维正交切削有限元模拟,获得了不同刀具前角下的切屑形态和切削力曲线图,进一步分析了刀具前角对切屑形态和切削力变化规律的影响,为镍基高温合金的实际切削加工中刀具的选择提供了参考。     

基于J-C本构模型的7050铝合金二维切削仿真

采用准确的材料本构模型是建立正确的有限元仿真模型的关键,为了获得面向金属切削加工过程有限元仿真中的J-C本构模型参数,以7050-T7451铝合金为例,对比分析了文献中典型的十二组J-C本构模型参数,利用通用有限元仿真软件ABAQUS进行二维直角切削仿真,并将仿真结果和实验值进行了比较分析,以切削力和切屑厚度为衡量标准推选出了一组最优的7050铝合金J-C本构模型参数,为7050铝合金切削研究中材料本构模型参数的选择提供参考。     

基于ABAQUS的40CrNi4Mo1V稳态切削过程有限元模拟

切削过程有限元分析是利用数学近似的方法对刀具与工件的切削状态进行模拟.应用ABAQUS有限元分析软件对45钢金属稳态切削过程进行了有限元模拟,采用了Johnson-Cook本构模型和Johnson-Cook分离准则,针对不同刀具前角、不同切削速度,对切削过程进行模拟,在输出应力和应变云图以及切削力曲线的基础上,对模拟结...     

0Cr18Ni9不锈钢本构模型及其对切削力预测影响分析

利用MTS材料试验机和分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验装置对经过1100℃固溶处理后的0Cr18Ni9不锈钢的静态力学性能和动态力学性能进行了测量,用Johnson-Cook模型拟合了材料的本构关系,用正交切削实验识别了Johnson-Cook模型材料参数。将SHPB实验和切削实验两种方法得到的Johnson-Cook材料模型应用于切削力的预测,分析了不同实验方法得到的材料模型在切削力的预测中的适用性,为不锈钢切削研究中的分析模型和数值计算中的材料流动应力模型选择提供参考。     

基于黏结-滑移摩擦模型的304不锈钢切削力仿真研究*

通过预测加工304不锈钢时产生的切削力,从而对切削参数和刀具几何参数进行优化,是提高304不锈钢的加工精度、切屑控制及保障刀具寿命的基础。建立304不锈钢切削仿真模型,为提高模型的精确性,选择Johnson-Cook本构方程和黏结-滑移摩擦模型。结果表明：采用黏结-滑移摩擦模型的切削力预测结果更为准确,表明相对于纯剪切摩擦与库仑摩擦模型,黏结-滑移摩擦模型能更准确地描述刀-屑摩擦特性。展开不同参数下的切削力研究,研究发现：切削力随着刀具前角、后角和切削速度的增大而减小,随切削刃钝圆半径和切削厚度、宽度的增大而增大,其中切削宽度、厚度及前角对切削力大小影响较大。研究结果为304不锈钢切削效率的提高和切削机制的研究提供了理论依据。     

高速硬态切削温度场和切削力动态变化的数值模拟

基于大型有限元软件ABAQUS仿真平台,建立了高速加工的有限元模型。该模型采用Johnson—Cook（JC）模型作为工件材料模型,采用JC破裂模型作为工件材料失效准则,刀-屑接触摩擦采用可自动识别滑动摩擦区和黏结摩擦区的修正库仑定律,并采用任意拉格朗日一欧拉方法实现切屑和工件的自动分离。通过有限元方法对AISI4340（40CrNiMoA）淬硬钢高速直角切削过程进行了数值模拟。通过改变刀具前角的大小,对高速硬态切削过程中刀具的温度场及切削力的动态变化进行了研究,探讨了它们各自的变化规律,研究结果有助于优化高速切削工艺,研究刀具磨损机理和建立高速切削数据库。     

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.     

自滚切刀具切削力试验研究

简介了自滚切刀具的基本概念,分析了切削过程中的切削力,对自滚切端铣刀的切削力进行了试验研究,得出了切削力与刀具刃倾角、刀片直径及切削速度之间的关系。试验结果表明,刃倾角对自滚切刀具的合理使用最为重要,各切削分力随刃倾角不同的变化规律源于刀刃工作前后角的变化;较小的刀片直径有利于减小切削力,使切削过程更加平稳;自滚切刀具特别适合于高速切削,较普通刀具切削速度可提高50%以上。     

切削置氢TC4钛合金切削力及切削温度的有限元分析

利用有限元技术,研究了氢含量对TC4钛合金切削力及切削温度的影响规律,并对高速切削时的切削力、切削温度的规律进行了预测.利用电子万能材料试验机及霍普金森压杆装置获取了不同应变速率及温度时置氢钛合金的流变行为,通过数据的拟合得到了Johnson-Cook(J-C)本构方程,据此建立了切削数值模型.切削力及切削温度的模拟结...     

基于斜角切削的曲线端铣切削力建模

切削力预测是制定与优化加工工艺的重要环节。针对曲线端铣加工过程,提出一种基于斜角切削的切削力建模方法。将刀具沿轴向微分,以曲线微分几何计算微元刃上的工作基面。在微元刃的工作法平面参考系中,应用最小能量原理,构建微元刃中力矢量、速度矢量、流屑角、法向摩擦角、法向剪切角及剪应力等切削参数之间的约束。以单齿直线铣削试验对切削参数进行标定,其中法向摩擦角、法向剪切角及剪应力等可表示为瞬时未变形切屑厚度的函数。选取高强度钢PCrNi3MoVA试件,分别进行圆弧和Bézier曲线端铣加工试验。试验结果表明,曲线端铣时切削力的变化与瞬时进给方向和曲线曲率相关。切削力预测值的幅值大小和变化趋势与试验值一致,验证了该切削力建模方法的有效性。     

基于Abaqus/explicit的钛合金高速切削切削力模拟研究

针对高速切削钛合金时切削力的问题,利用有限元分析软件Abaqus的Johnson Cook材料模型及Johnson Cook断裂准则,对钛合金高速切削切削力进行了仿真研究,分析钛合金高速切削加工过程中各切削参数（包括进给量、切削深度和切削速度）对切削力的影响.结果表明,切削力、进给力、单位面积切削力和单位面积进给力都随速度的增大而减小;但随着进给速度的增大,切削力和进给力都增大,而单位面积的切削力和进给力都减小.     

Ti6A14V钛合金高速切削试验与有限元建模

综合考虑刀具圆角影响的Merchant模型和高速正交切削Ti6AI 4V实验测量的切削力和切屑几何参数,解析求得了"切屑-刀具-工件"摩擦系数。计算表明"刀具-工件"摩擦系数约为"刀具-切屑"摩擦系数的3～7倍,该研究克服了现有文献中对"切屑-刀具-工件"摩擦系数取值的盲目性。基于该摩擦关系,建立钛合金高速切削有限元模型(FEM)。仿真切削力与试验值相比误差小于4.9%:锯齿间距、锯齿高度,及其剪切角与试验值误差均小于5.2%,钛合金高速切削有限元模型得到了有效性验证。     

在刀-屑界面持续润滑刀具切削45钢的性能及润滑机理

为提高刀具润滑性能,尽量减少切削液的使用,制备出在刀屑界面持续润滑的新型刀具,能够将切削液通过微通道直接输送到刀屑接触界面内部。采用该新型刀具与普通刀具在干切削和浇注切削液条件下分别进行切削45钢试验,测量了切削三向力,对刀具前刀面磨损面进行SEM微观形貌分析及元素检测,分析了刀具的摩擦磨损特性及润滑机理。试验结果表明,与普通刀具在干切削和浇注切削液条件下相比,刀屑界面持续润滑刀具能够有效减少切削过程中的摩擦磨损,而切削液用量只有传统浇注式切削的1/120。分析前刀面的元素可知,切削液能够更加深入到离主切削刃更近的区域,并能持续供给,这是该刀具具有更好的减摩抗磨效果的主要原因。尽管新型刀具的黏结情况大大缓解,但刀具的磨损机理仍然以黏结磨损和氧化磨损为主。     

基于斜角切削理论的钛合金螺旋铣孔切削力建模

通过分析螺旋铣孔的加工原理和计算加工过程中的运动向量,结合侧刃和底刃对切削力的影响,建立了螺旋铣孔过程的切削力解析模型。提出了基于斜角切削的切削力系数辨识方法,并根据斜角切削过程几何关系推导出摩擦角、剪切角、剪切应力的约束方程。开展切削力系数辨识试验和钛合金螺旋铣孔试验对仿真值进行验证,结果表明,切削力的仿真值与试验值误差较小,平均误差为9.55%,从而验证了斜角切削系数辨识方法的有效性和切削力模型的正确性。