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高速铣削加工表面质量的研究

作　者: 王素玉
导　师: 艾兴
学　校: 山东大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 高速铣削表面质量表面粗糙度残余应力加工硬化
分类号: TG54
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

高速切削加工是近20年来迅速发展起来的先进制造技术，以高切削速度、高进给速度和高加工精度为主要特征，具有综合效益高、对市场响应速度快的能力。对于这一崭新技术，在实际生产中，尚有许多新的问题有待于解决，不仅牵涉到技术研究层面上的问题，更主要的是理论研究层面上的问题，迫切需要建立与高速切削系统相匹配的理论体系和研究方法。尤其是在不均匀热-力耦合强应力场作用下，已加工表面的形成过程及对表面质量所进行的系统、全面研究很少，使得有效控制高速切削加工表面质量的理论基础尤显不足。论文基于高速切削理论、热-弹塑性变形理论和有限元理论对高速切削机理及表面加工质量进行了研究，从理论上创造性的提出了高速切削变形区不均匀强应力场的热-力耦合理论，并应用到已加工表面粗糙度、表面硬化程度和残余应力性质机理的研究中，对深入探讨切削参数、工件材料等对与加工表面质量的影响规律具有重要的理论指导意义，为高速切削技术的推广和应用提供可靠的、科学的依据和技术支撑。探讨了适合高速切削变形的不均匀热-力耦合强应力场的建模及有限元模拟方法。根据热-弹塑性变形理论、有限元方法，建立了受应变、应变速率和切削温度影响的材料应力-应变关系本构方程，材料为均质、等向强化的塑性材料，符合Prandtl-Reuss应力增量理论及Von Mises屈服准则：基于Oxley切削理论，构建了适于高速切削的扩展的Oxley切削模型，设定了相应的有限元模型边界条件，利用大型有限元分析软件DEFORM-2D、DEFORM-3D对高速切削过程进行了二维和三维动态切削过程模拟，模拟结果表明，高速切削变形区为一个不均匀、高梯度、非线性的热-力耦合强应力场。通过系统、深入地分析高速切削变形区刀-屑、刀-工接触面及剪切区应力场和温度场的分布规律，为课题的后续试验分析和研究工作提供了可量化和可供参考的数据。建立了已加工表面分析模型，分析了已加工表面的形成过程，研究了高速切削变形区的剪切区、刃口区、后刀面摩擦磨损区对工件已加工表面的应力场、温度场的影响；用一定刃口钝圆、后刀面磨损带的刀具进行了高速切削模拟，反映了刀具-工件接触区的应力场及温度场分布的变化规律。

全文目录

摘要  9-11
ABSTRACT  11-14
第1章绪论  14-30
  1.1 本课题研究的目的及意义  14-16
  1.2 高速切削国内外研究现状  16-18
    1.2.1 高速切削的基本概念、特点及应用范围  16-17
    1.2.2 高速切削机理研究简介  17-18
  1.3 高速切削表面质量的研究现状  18-25
    1.3.1 高速切削表面粗糙度的研究现状  18-20
    1.3.2 高速切削表面残余应力研究现状  20-23
    1.3.3 高速切削表面加工硬化研究现状  23-24
    1.3.4 有限元技术在加工表面研究中的应用简介  24-25
  1.4 问题的提出  25-26
    1.4.1 本研究领域存在的问题  25-26
    1.4.2 本课题主要解决的问题  26
  1.5 课题的主要内容  26-30
    1.5.1 研究内容  26-27
    1.5.2 论文结构  27-30
第2章高速切削过程建模及数值模拟  30-54
  2.1 高速切削几何模型的建立  30-36
    2.1.1 切削模型的分类  30-31
    2.1.2 基于Oxley切削预报理论的高速切削模型的建立  31-32
    2.1.3 斜角切削模型分析  32-36
  2.2 高速切削过程热-弹塑性变形有限元分析  36-43
    2.2.1 高速切削过程特点  36-37
    2.2.2 高速切削有限元建模  37-38
    2.2.3 热-弹塑性变形场应力-应变关系模型  38-42
    2.2.4 更新的Lagrange方法及平衡方程  42-43
  2.3 切削过程有限元模拟技术  43-46
    2.3.1 材料流动应力模型  43-44
    2.3.2 切屑分离准则  44-45
    2.3.3 刀具前、后刀面摩擦系数的确定  45
    2.3.4 网格划分技术  45-46
  2.4 高速切削过程有限元模拟  46-53
    2.4.1 正交切削区应力场及温度场模拟  46-49
    2.4.2 斜角切削应力场及温度场模拟  49-53
  2.5 本章小结  53-54
第3章高速切削第三变形区热-力耦合分析  54-74
  3.1 高速铣削已加工表面分析模型  54-57
    3.1.1 已加工表面的形成过程  55-56
    3.1.2 已加工表面分析模型的建立  56-57
  3.2 工件表面应力场解析  57-64
    3.2.1 剪切区的应力计算  57-59
    3.2.2 刃口区应力计算  59-60
    3.2.3 刀-工摩擦磨损区受力分析  60-64
  3.3 工件表面温度场分析  64-67
    3.3.1 概述  64-65
    3.3.2 剪切区温度计算  65-66
    3.3.3 刃口区温度计算  66
    3.3.4 刀-工摩擦磨损接触区温度计算  66-67
  3.4 刀-工接触区热-力耦合分析  67-73
    3.4.1 非稳态热传导工件表面温度场的数值分析  67-69
    3.4.2 有限变形下的热-力耦合弹塑性有限元方程  69-70
    3.4.3 热-力耦合计算步骤  70-71
    3.4.4 后刀面有磨损时工件表面应力场及温度场分布数值模拟  71-73
  3.5 本章小结  73-74
第4章高速铣削加工表面粗糙度  74-96
  4.1 高速铣削平面试验  74-81
    4.1.1 高速铣削平面单因素试验及结果分析  75-77
    4.1.2 高速铣削平面正交试验设计及经验模型的建立  77-81
  4.2 高速铣削自由曲面试验  81-84
    4.2.1 问题的提出  82
    4.2.2 高速铣削自由曲面方案设计与结果对比  82-84
  4.3 已加工表面残留高度几何模型  84-88
    4.3.1 高速铣削平面残留高度几何模型  85
    4.3.2 高速铣削自由曲面残留高度几何模型  85-87
    4.3.3 分析与讨论  87-88
  4.4 已加工表面残留高度力学模型  88-92
    4.4.1 高速铣削平面已加工表面形貌观察  88-89
    4.4.2 加工表面残留高度力学建模思想  89-90
    4.4.3 基于分子-机械摩擦理论弹塑性变形的计算  90-92
  4.5 影响高速铣削加工表面粗糙度的主要参数  92-95
    4.5.1 铣削参数对平面加工表面粗糙度的影响  92-94
    4.5.2 影响自由曲面粗糙度的主要因素  94-95
    4.5.3 提高表面粗糙度的措施  95
  4.6 本章小结  95-96
第5章高速铣削加工表面残余应力  96-112
  5.1 高速铣削加工切削力及切削区相对温度试验  96-99
    5.1.1 高速铣削试验方案  96
    5.1.2 切削力及工件表面切削温度的测试  96-99
  5.2 高速铣削表面残余应力测试及分析  99-105
    5.2.1 残余应力测试方法及原理简介  99-101
    5.2.2 主轴转速对残余应力的影响  101-103
    5.2.3 进给速度对残余应力的影响  103-104
    5.2.4 残余应力测试分析小结  104-105
  5.3 高速铣削表面残余应力产生机理  105-108
    5.3.1 已加工表面残余应力的产生  105-106
    5.3.2 切削加工残余应力理论分析  106
    5.3.3 不均匀热-力耦合强应力场作用机理  106-108
  5.4 残余应力对已加工表面微观结构的影响  108-111
    5.4.1 已加工表面变质层结构  108
    5.4.2 工件断面微观结构  108-110
    5.4.3 工件表面微观裂纹分析  110-111
  5.5 本章小结  111-112
第6章高速铣削加工表面加工硬化  112-129
  6.1 切削加工表面硬化评价方法  112-113
    6.1.1 硬化层深度h_H  112
    6.1.2 表层加工硬化程度N_H  112
    6.1.3 X射线衍射峰半高宽HW  112-113
    6.1.4 表层微观形貌结构  113
  6.2 高速铣削加工表面硬化层的测试  113-117
    6.2.1 测试试样的制作  113-114
    6.2.2 工件表面加工硬化的检测  114-117
  6.3 已加工表面变质层形貌检测与分析  117-121
    6.3.1 工件断面形貌测试(SEM)  117-119
    6.3.2 变质层不同层面微观结构观察(TEM)  119-120
    6.3.3 加工硬化形变深度分析  120-121
  6.4 高速切削加工表面硬化机理  121-126
    6.4.1 加工硬化与流动应力的关系  121-122
    6.4.2 加工硬化的热-力耦合机理  122-123
    6.4.3 加工硬化位错机理  123-126
  6.5 影响加工硬化的因素  126-128
    6.5.1 工件材料性能的影响  127
    6.5.2 切削速度的影响  127-128
    6.5.3 进给速度的影响  128
    6.5.4 刀具参数的影响  128
  6.6 本章小结  128-129
结论与展望  129-133
  全文总结  129-131
  论文创新  131
  工作展望  131-133
参考文献  133-143
致谢  143-144
攻读博士学位期间发表的论文及科研情况  144-145
  一、攻读博士学位期间所发表的学术论文  144-145
  二、攻读博士学位期间参加的科研项目  145

高速铣削加工表面质量的研究

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