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金属切削过程及内圆磨削过程有限元仿真

作　者: 陈志刚
导　师: 周里群
学　校: 湘潭大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 金属切削内圆磨削有限元法仿真 ANSYS 温度场热变形
分类号: TG501.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

随着有限元技术的不断发展和完善,工程中越来越多的问题都采用该方法来解决。金属切削(包括磨削)是机械制造行业中最重要的加工工艺,研究切削过程、实现优化切削,无论对传统切削还是对新切削技术均有非常重要的意义。利用有限元软件对金属切削过程进行模拟仿真,在很大程度上克服了数学模型难以描述、求解困难等问题,同时为避免了过多试验带来的人力物力的高消耗,节约了时间,降低了成本。本文以经典的弹塑性力学、传热学以及热应力学为理论依据,利用大型的通用有限元软件ANSYS,对金属切削受力变形过程及磨削温度场、热变形过程进行了仿真。首先建立了平面应变二维正交金属切削有限元模型,对切削过程中材料的变形、剪切角的形成、切削区域应力应变的分布情况以及刀具的应力分布情况进行了仿真,对仿真结果进行了分析;改变切削用量,重新仿真,借此探究不同切削用量对刀具受力的影响;改变刀具的参数,重新仿真,以刀具受力最小为优化目的,优化了YT5类硬质合金刀具切削45号钢时刀具的前后角。随后,以A3钢圆环内孔磨削为研究对象,进行合理的假设和简化,建立二维有限元模型,采用ANSYS中的热分析功能对圆环内孔磨削温度场进行仿真,采用热结构耦合分析功能对热变形进行了仿真,软件的实施操作则采用命令流方式。从结果中提取数据和云图,讨论了磨削表面温度场的分布情况受力变形情况。对比不同装夹方式下的仿真结果,优化了圆环内孔磨削的装夹方式。本文将虚拟的数值模拟技术引入到实际的加工过程当中,其目的是为金属切削(包括磨削)过程研究提供必要的参考数据和云图,预测加工过程,从而使这方面的研究更加快捷高效。同时,仿真结果也可为改善工艺、优化刀具以及研究材料切削性能提供有力的依据。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-17
  1.1 前言  11-12
  1.2 国内外研究现状及分析  12-15
    1.2.1 有限元法在金属切削研究中的国内外发展状况  12-14
    1.2.2 有限元法在金属磨削研究中的国内外发展状况  14-15
  1.3 本文意义及研究内容  15-17
第二章有限元简介  17-22
  2.1 有限元法的由来  17
  2.2 有限元法的基本思路  17-18
  2.3 有限元的发展  18
  2.4 有限元软件介绍  18-21
  2.5 本章小结  21-22
第三章金属切削力学和磨削热分析理论  22-34
  3.1 金属切削力学理论  22-30
    3.1.1 弹性力学理论  23-26
    3.1.2 塑性力学理论  26-30
  3.2 磨削热分析理论  30-32
    3.2.1 热传递中的温度场  30-31
    3.2.2 平面热应力  31-32
  3.3 本章小结  32-34
第四章金属切削过程有限元分析  34-54
  4.1 金属切削层的变形  34-35
  4.2 前刀面的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响  35-37
    4.2.1 剪切角φ与前刀面摩擦角β的关系  35-36
    4.2.2 前刀面的摩擦  36-37
  4.3 利用ANSYS 对金属切削过程进行仿真  37-53
    4.3.1 材料模型的建立  37-39
    4.3.2 切屑成形分离标准的确定  39-40
    4.3.3 建立有限元模型  40-41
    4.3.4 定义接触  41
    4.3.5 施加约束及载荷  41
    4.3.6 计算实例及结果分析  41-48
    4.3.7 切削速度对刀具受力的影响  48
    4.3.8 切削厚度对刀具受力的影响  48-49
    4.3.9 刀具前角对刀具受力及剪切角的影响  49-52
    4.3.10 后角对刀具受力的影响  52-53
  4.4 本章小结  53-54
第五章磨削温度场及热变形有限元分析  54-76
  5.1 磨削热  54-57
    5.1.1 磨削热的产生与传散  54-55
    5.1.2 影响磨削温度的主要因素  55-56
    5.1.3 磨削区温度分布的理论解析  56-57
  5.2 圆环内孔磨削温度场的有限元仿真  57-65
    5.2.1 假设和简化  58
    5.2.2 数学模型  58-59
    5.2.3 热载荷计算  59-60
    5.2.4 ANSYS 有限元分析过程  60-61
    5.2.5 圆环内孔磨削温度场计算实例及结果分析  61-65
  5.3 圆环内孔磨削的热变形模拟及结果分析  65-69
  5.4 圆环采用三爪卡盘夹持时的磨削热仿真  69-75
  5.5 本章小结  75-76
总结与展望  76-78
参考文献  78-81
致谢  81-82
附录 A 攻读硕士学位期间发表的论文  82-83
附录 B 圆环夹持盘面内孔磨削温度场分析命令流  83-85
附录 C 圆环夹持盘面内孔磨削热变形分析命令流  85-88
附录 D 圆环夹持外圆内孔磨削温度场分析命令流  88-90
附录 E 圆环夹持外圆内孔磨削热变形分析命令流  90-92

金属切削过程及内圆磨削过程有限元仿真

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