收稿日期： !“# 年 $ 月金属切削中工件表层加工硬化模拟李德宝合肥工业大学摘要： 根据金属塑性理论， 分析了金属切削变形区内的弹塑性应力场， 拟定了金属在低速正交切削时工件表面产生加工硬化深度的预报准则； 利用有限元软件 %:.14*44*3? 2,8/69.4*/3 /3,*1 2,168.44*3? *1 B/6C,2 /4A D5, 273.9*44*3? *1 1*9:.4,2 -7 1*3? EFG 1/84B.6, %5*68.9,6*4*/3 .6, /-4.*3,2A:-7;(+25： 9,4.: 44*3?， 5.62,3*3?， EFG*“ 记号%“(#$ 应力偏量增量 %“; 平均应力增量$加工硬化深度的有限元分析模拟$%!金属切削形成过程的有限元模拟 由于变形状态、 加工硬化和流动应力间存在着相互影响又相互依赖的关系， 因此在分析时应同时考虑， 综合分析。理想的切削模拟分析应该是从刀具刚刚切入切削层时开始进行分析计算， 直至切屑已经形成、 切削过程已经成为一个稳定的塑性流动过程。图 . 是利用有限元分析软件 ?ABA 对刀具切削模拟后的网格变形图， 模型为正交自由切削。工件被划分为 :C9D 个单元， 刀具分成 :DD 个单元。工件底部约束 ) 和* 两个自由度， 左侧约束 ) 方向的自由度； 刀具约束 * 方向的自由度。刀具在给定的速度和不同的位移边界条件下向左移动， 通过计算软件的解算器进行综合计算。切屑与产生的已加工表面间的对应节点在初始时是联系在一起的， 通过选取合适的分离准则为 23$(45,*, 分离准则 （等效塑性应变） 。随着刀具的移动， 计算出对应节点的应变， 当等效塑性应变值达到分离准则值时， 节点对分开。随着节点对的连续分离， 就形成了切削过程1。$%“提取工件表面应力、 应变和加工硬化图 在形成稳定的切削状态以后， 其计算结果可以按需要从 ?ABA 后处理器进行提取。由于在建模分析时已经综合应用金属切削变形理论、 弹塑性理论以及有限元理论等， 所以在结果分析时可以直接引用各种变形图和数据图表。图 1 是形成稳定切屑后工件内部等效应力线图， 由图可以看出， 由 +、, 和 - 几条等效应力线所构成的狭窄带状区， 将其 化为一个理想平面， 就是用来反映切削变形的剪切面。同时在已加工表面上， 由于速度较低， 在表层上有较大的应力， 从而产生加工硬化。为了获得加工硬化深度的数值， 再提取其等效应变分布图 （见图 7） ， 从图 7 可以清楚地看到剪切面变形区和已加工表面加工硬化区的等效应变。对于已加工表面， 为了求出其加工硬化深度， 将应变分布图输出到 ?+H;5$图 #切削时的等效应力分布图9:.DD7 年第 1I 卷J7! “#$，“! %$， ! ! =?)*3894FG， H G*3*3 I*， “J.“， JK&王祖唐等8 金属塑性成形理论8 北京： 机械工业出版社，“JLJK谢峰等8 金属切削刀具的虚拟设计方法初探8 工具技术， &#“， “#+臼井英治8切削磨削加工学8北京： 机械工业出版社， “JL&%杨继昌等8低速正交金属切削中工件表层加工硬化深度的预报8应用科学学报， “JJ%， K作者： 李德宝， 硕士， 合肥工业大学机械与汽车工程学院， &K#J 合肥市中国制造业不可小视越来越多的国内外经济界人士认为， 依照目前的发展势头以及中国自身所具备的潜力， 中国必将会成为一个世界制造业中心。对于这一判断， 部分国内人士对此并不以为然，认为中国现在的制造业太低级， 产品附加值不高， 应该提升产业结构， 在高科技、 产品品牌、 金融行业多下功夫。其实，中国在未来成为科技大国、 品牌大国或者金融大国与成为制造业大国并不相悖。制造业成为中国经济增长的基础性行业， 同时也是出口的基础性行业。在现代技术条件下， 如果不成为制造业大国，很难相信它能成为科技大国。制造业是科研发展的一个环节。在制造业的成长进程中， 科研也会向它逐步靠拢。目前许多跨国公司都是先把制造环节放到中国， 研发部门也随后进入， 正说明两者相辅相成， 科研也需要制造业对它的推动。制造业是运用使用技术的过程， 是培养科研能力的过程。忽视制造业兴旺发达的必然性， 片面强调科学技术， 这对优化资源的配置会造成一定的损害。在国际市场缺乏营销能力是现阶段中国企业的一个普遍特点。而我们现实的优势是本土优势， 国内企业在积极走出去的同时更要关注并做好国内市场。不能小看了自己的制造业， 对企业而言， 所谓竞争力到最后就是能否挣钱。浙江义乌是中国小商品交易最发达的地方， 阿富汗国内爆发战争时， 仍旧有几十个阿富汗商人驻守在义乌做生意。连阿富汗人都买得起的产品， 一定是全世界最有竞争力的产品。,“工 具 技 术金属切削中工件表层加工硬化模拟金属切削中工件表层加工硬化模拟作者：李德宝 作者单位：合肥工业大学 刊名：工具技术 英文刊名：TOOL ENGINEERING 年，卷(期)：2004，38(4) 被引用次数：1次参考文献(5条)参考文献(5条)1.Ramalingam S.Lehn L L A photoelastic study of srtess distribution duing orthogonal cutting 19712.王祖唐 金属塑性成形理论 19893.谢峰 金属切削刀具虚拟设计方法初探期刊论文-工具技术 2001(10)4.臼井英治 切削磨削加工学 19825.杨继昌 低速正交金属切削中工件表层加工硬化深度的预报期刊论文-应用科学学报 1995(03)相似文献(4条)相似文献(4条)1.学位论文 王慧东 高锰钢钻削加工仿真与实验研究 2009高锰钢在较大的冲击载荷或接触应力作用下，其表面迅速产生加工硬化，并有高密度位错形变孪晶生成，形成高耐磨的表面层，从而具有很好的耐 磨性。因此被广泛应用于冶金、矿山、建材、铁路、电力、煤炭等机械装备中，如铁路道叉、挖掘机的铲斗、破碎机锤头、球磨机衬板和坦克的履带板 等。高锰钢的原始硬度并不高，但其抗拉强度较高（约为45钢的2倍），塑性很大（约为45钢的4倍），韧性也特别高（约为45钢的8倍）。实验表明，在 经受塑性变形之后，其奥氏体组织容易转变为细晶粒的马氏体组织，致使加工硬化特别严重，其硬化程度超过奥氏体不锈钢，能使硬度从原来的200HB左 右提高到550OB左右，冷硬层深度可达03mm以上，高温下还容易形成高硬的氧化层。高锰钢的这些力学物理性能，决定了它是一种很难加工的材料。使 用常规实验方法研究高锰钢，研究周期长，刀具材料耗费严重，实验成本高。而有限元方法作为实验方法的有效补充，能够动态模拟会属切削过程，有 助于理解材料去除过程中发生的物理变化。如果能够使用有限元方法研究高锰钢钻削加工，则对选择刀具材料，优化刀具几何形状，降低研究成本，节 省时间等有很大的帮助。本文研究了高锰钢钻削加工过程的数值模拟问题，寻找合适的数值模拟方法，以替代传统的实验方法，从而缩短研究时间，降低研究成本。围绕高 锰钢钻削加工过程的仿真与实验，研究了仿真过程中模型建立的方法及相关理论。利用商用塑性成形有限元DEFORM软件，建立高锰钢（ZGMn13）材料的 有限元模型。研究了麻花钻常规建模方法，并以麻花钻的刃磨原理及数学模型为理论基础建立了麻花钻的几何模型。动态模拟高锰钢钻削加工过程，获 得了连续切屑、钻削力和扭矩等数据。模拟结果显示钻削高锰钢时进给量的增加导致钻削力增大，切削速度的增加使得钻削力减小。为了验证仿真的结 果，采用与仿真相同的切削用量参数，进行高锰钢钻削实验。仿真结果与实验结果较接近，验证了仿真的有效性。可以为铁路道岔的生产实践提供理论 指导和技术支持。为了配合课题组的研究工作，本文利用实验室现有的钻削测力仪组建了新的测试系统。现有的测量仪是大连理工大学设计生产的YDZ- II02压电钻削测力仪，其量程不能满足课题组实验要求。为此设计并增加了一些外围机构，组建了新的测试系统，扩展了测量范围，及时满足课题进展 的需要，节省了开支。2.学位论文 邓文君 切削-滚压复合工艺的有限元建模与分析 2005滚压加工是一种利用硬度高且表面光滑的滚球/滚轮滚压材料粗糙表面，致使材料表面的粗糙峰产生塑性流动并填补到波谷中，从而达到改变工件表 面质量的精密成形方法。与其它切削方式的精加工工艺相比，滚压工艺可获得很高的表面光洁度、表面硬度以及在工件表层残留有利的压应力。与喷丸 加工相比，滚压加工可以节省时间，提高生产效率，对于表面结构复杂的零件同样可以保持高加工精度，设备简单，节省成本，易于与切削工艺组成复 合工艺和实现自动化。随着滚压加工的广泛应用以及使用要求的提高，与之相对应的理论研究，也显得越来越紧迫和重要。传统的解析法在求解考虑材 料加工硬化以及几何非线性等复杂滚压模型时往往导致不可解。实验方法，虽然行之有效，但是工作量非常大，延长了试验周期，增加了生产成本。而 采用有限元法对滚压加工进行建模和分析，不但可以求解复杂的材料非线性问题以及几何非线性问题，而且可以减少试验周期，降低费用，在分析多因 素影响的时候优势尤为明显。本文主要研究了切削加工过程以及考虑切削加工历史数据的滚压加工过程的力学建模理论以及数值模拟方法，并在此基础上，分析了滚压工艺参数 对加工表面质量的影响规律，探索出将切削加工与滚压加工相结合的复合工艺及其装置。分析了切削加工过程有限元分析的关键技术(切削条件下的工件材料本构关系以及流动应力模型、切屑分离及断裂模型、刀屑接触及摩擦模型、热产 生机理及热传导模型以及热力耦合分析模型)。并在此基础上，建立了二维、三维非自由单次以及三维非自由多次切削的有限元分析模型。模拟分析了切 削加工过程中切屑形成过程及其机理，以及其它各种变量(切削力、切削温度、残余应力、残余应变以及剪切角)的变化规律。采用与模拟分析相同的条 件进行物理试验，并将测量得到的切削力、切削温度、残余应力与模拟分析结果进行比较。发现模拟计算得到的切削力以及切削温度跟实测结果具有很 好的一致性；比较模拟分析与试验测量得到的残余应力沿深度变化曲线，发现两者在数值上存在一定的差异，但分布规律具有很好的一致性。分析了影响切削加工表面粗糙度的主要因素，建立了待加工表面的粗糙峰几何模型。分析了滚压加工条件下工件材料的本构关系以及流动应力模型 、滚球与工件表面的接触及摩擦模型、热产生机理及热传导模型。建立了三维滚压加工有限元分析模型，分析了工件表面粗糙峰的变形机理以及滚压力 、温度、应力、应变等变量的变化规律。分析了滚压工艺参数(滚压力、速度、进给量、滚球直径、滚压次数)对表面粗糙度以及工件表层残余应力的影 响规律。并将切削加工模拟完成后得到的加工历史数据导入到滚压加工有限元分析模型中，与不考虑加工历史数据情况下的分析结果进行对比分析，研 究了切削加工历史数据对滚压加工的影响。采用与模拟分析相同的试验条件进行物理试验，并将测量得到的滚压力、粗糙度以及残余应力跟试验结果进 行比较，发现滚压力之间存在较小的偏差，残余应力在数值上有一定的差异，但分布规律相近。最后分析了切削加工表面残余应力的形成机理以及调整和控制已加工表面残余应力的方法。设计了手动式切削-滚压复合刀具以及液压式切削-滚压 复合刀具。这两种复合刀具结构简单，操作方便，对操作工人要求低，可实现在切除工件加工余量的同时压延已加工表面，达到降低工件表面粗糙度 ，形成表面硬化层，并在工件表层残留有利的残余压应力，从而强化零件的耐磨性能和抗疲劳性能。3.学位论文 刘亚俊 金属切削加工中切屑卷曲机理的研究 1999该文在Lee和Shaffer滑移线场模型基础上,充分考虑切削变形过程中材料的加工硬化,提出了一个改进的切削模型并用该模型对切屑的卷曲现象加以 解释.理论分析与试验结果是一致的,说明该切削模型具有合理性.该文在所建立的切削模型基础结合热源温度场叠加法推导了切屑内温度分布并分析了该 温度场对切屑