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金属切削中刀具月牙洼磨损和塑性变形的研究

作　者: 毕雪峰
导　师: 刘永贤；Alain MOLINARI；Guy SUTTER；Gautier LIST
学　校: 东北大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 高速切削月牙洼磨损模型刀屑交界面温度分布塑性变形流线模型切屑形态刀屑接触长度
分类号: TG506
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

金属切削作为最基本的加工方式,被广泛应用在制造领域的各行各业。金属切削过程中,刀具和切屑交界面剧烈的摩擦、较高的温度和压力使刀具前刀面产生月牙洼磨损,它在一定程度上改变了切削参数,并降低了刀具的强度,最终导致刀具失效,因此月牙洼磨损机理和模型的研究是非常必要的。另外,切削过程中切削材料在第一变形区经历剧烈的塑性变形,对其研究能够进一步揭示切削过程中的变形机理,并为探索材料在高温高应变率条件下的本构方程提供一种新的研究方法。本文使用无涂层硬质合金刀具切削低碳钢工件材料,并依此建立了刀具前刀面月牙洼磨损模型,分析了切削材料在第一变形区的塑性变形以及切屑形态对刀屑接触长度的影响,论文的主要研究内容如下：(1)根据刀具月牙洼磨损实验,建立了一个适用于普通速度切削的月牙洼磨损经验模型,该模型表述了磨损率与切削过程变量之间的关系。利用切削有限元仿真计算了磨损模型中重要的参数——刀屑交界面上的温度分布。采用回归分析的方法拟合了磨损模型中的系数。该模型预测了相似切削条件下月牙洼的磨损轮廓,并分析了月牙洼磨损轮廓上不同磨损机理所占的比例。(2)依据高速切削实验,提出了针对高速切削加工的月牙洼磨损模型,它能够准确预测刀具失效前任意时刻的月牙洼磨损轮廓。使用气动弹道切削系统获得了高速切削过程中切削区的温度场,并依此提出了一个与月牙洼磨损轮廓相对应的刀屑交界面温度模型,为磨损模型中温度参数的确定提供了依据。采用回归分析的方法计算了磨损模型中的系数。(3)为了研究切削材料在第一变形区的塑性变形情况,基于气动弹道切削系统的高速正交切削实验,获得了切削材料上流线的变形轨迹；把一个通用的流线模型创新性地应用到金属切削中用来描述切削材料的塑性流动过程,并计算高速切削时切削材料在第一变形区的速度、应变率和应变分布。此外,使用相同的流线模型研究了普通速度切削中切削材料在第一变形区的塑性变形,并分析了两种切削条件下塑性变形的差异。(4)在月牙洼磨损的研究中发现,低进给的高速切削产生了较高的刀屑接触长度。针对这个问题,使用气动弹道切削系统,获得了高速切削时较大进给范围内的切屑形态和刀屑接触长度,并依据实验结果定性的分析了切屑形态对刀屑接触长度的影响。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-13
第1章绪论  13-23
  1.1 研究背景和意义  13-15
  1.2 金属切削中刀具月牙洼磨损和切削材料塑性变形的研究现状  15-19
    1.2.1 金属切削中刀具月牙洼磨损的研究现状  15-18
    1.2.2 金属切削中切削材料塑性变形的研究现状  18-19
    1.2.3 存在的主要问题  19
  1.3 论文拟开展的研究工作  19-22
  1.4 论文的总体框架  22-23
第2章金属切削中刀具磨损和切削材料塑性变形的研究基础  23-41
  2.1 刀具磨损  23-34
    2.1.1 磨损形式  24-25
    2.1.2 磨损机理  25-27
      2.1.2.1 磨粒磨损  26
      2.1.2.2 粘结磨损  26
      2.1.2.3 扩散磨损  26-27
    2.1.3 磨损模型  27-34
      2.1.3.1 磨粒磨损和粘结磨损模型  27-29
      2.1.3.2 扩散磨损模型  29-31
      2.1.3.3 典型刀具磨损模型  31-34
  2.2 金属切削中切削材料的塑性变形  34-41
    2.2.1 切削中的变形区  34-35
    2.2.2 第一变形区的应变和应变率  35-38
    2.2.3 流线模型  38-41
第3章金属切削中刀屑交界面温度仿真分析和月牙洼磨损研究  41-64
  3.1 引言  41
  3.2 实验研究  41-49
    3.2.1 切削条件  41-43
    3.2.2 月牙洼磨损测量装置  43-44
    3.2.3 切削温度和切削力测量装置  44-47
    3.2.4 实验测量结果  47-49
  3.3 刀屑交界面温度仿真研究  49-56
    3.3.1 FEM模型  49-52
      3.3.1.1 仿真设置  49-51
      3.3.1.2 本构关系模型和摩擦模型  51-52
    3.3.2 热传递分析  52-54
    3.3.3 仿真结果与实验结果的比较  54-56
  3.4 磨损模型  56-63
    3.4.1 磨损模型的建立  56-60
    3.4.2 模型中系数的拟合  60-61
    3.4.3 模型计算结果与分析  61-63
  3.5 本章小结  63-64
第4章高速切削中月牙洼磨损模型的研究  64-86
  4.1 引言  64-66
  4.2 实验基础  66-70
    4.2.1 切削条件  66-67
    4.2.2 月牙洼磨损测量装置  67
    4.2.3 气动弹道切削系统  67-70
  4.3 实验结果与分析  70-78
    4.3.1 月牙洼磨损测量结果  70-72
    4.3.2 刀屑交界面温度测量结果与温度模型的建立  72-76
    4.3.3 刀具与切屑的接触情况分析  76-78
  4.4 磨损模型  78-84
    4.4.1 模型Ⅰ  79-81
    4.4.2 模型Ⅱ  81-84
  4.5 本章小结  84-86
第5章高速切削中第一变形区塑性变形的研究  86-107
  5.1 引言  86
  5.2 流线模型在金属切削中的应用  86-91
    5.2.1 流线模型的定义  86-89
    5.2.2 速度和应变率的求解  89-91
  5.3 高速切削中塑性变形的分析  91-101
    5.3.1 实验研究  91-92
    5.3.2 流线模型系数的拟合  92-93
    5.3.3 连续性验证  93-96
    5.3.4 应变率、应变和速度结果分析  96-101
      5.3.4.1 应变率分布  96
      5.3.4.2 应变分布  96-98
      5.3.4.3 第一变形区形状的确定  98-99
      5.3.4.4 速度场分布  99-101
  5.4 高速与普通速度切削中塑性变形的比较分析  101-105
    5.4.1 普通速度切削中流线模型系数的拟合  101-103
    5.4.2 应变率、应变和速度结果比较分析  103-105
  5.5 本章小结  105-107
第6章高速切削中切屑形态对刀屑接触长度的影响分析  107-119
  6.1 引言  107
  6.2 切屑研究的理论基础  107-114
    6.2.1 刀屑接触机理和接触长度  107-110
    6.2.2 切屑弯曲和切屑形态  110-113
      6.2.2.1 切屑弯曲的原因  110-111
      6.2.2.2 切屑弯曲形式和切屑形态  111-113
    6.2.3 切屑断裂  113-114
  6.3 实验研究与分析  114-117
    6.3.1 切屑形态的实验研究  114-115
    6.3.2 实验结果与分析  115-117
  6.4 本章小结  117-119
第7章结论与建议  119-122
  7.1 结论  119-120
  7.2 建议  120-122
参考文献  122-133
致谢  133-134
攻读学位期间发表论文情况  134-135
作者简介  135

金属切削中刀具月牙洼磨损和塑性变形的研究

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