中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)外文文獻(xiàn)翻譯系 別 工程技術(shù)系 學(xué)生姓名 陳東輝 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 號(hào) 05211523 指導(dǎo)教師 楊運(yùn)強(qiáng) 職 稱 教授 2015年 4 月 20日金屬正交切削中的殘余應(yīng)力和壓力摘要 在平面變形情況下，有限元法用于模仿和分析正交金屬切削過程在剩余應(yīng)力和張力領(lǐng)域完成制件與對(duì)焦采用了各種建模沿工具芯片界面摩擦相互作用，建模與改良庫(kù)侖摩擦法基于臨界應(yīng)力準(zhǔn)則的節(jié)點(diǎn)釋放技術(shù)建立芯片分離模型在與溫度相關(guān)的材料屬性和工具的范圍內(nèi)，確定是前角和摩擦系數(shù)的值實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過熱冷卻，取決于這些參數(shù)的范圍可以增加殘余水平應(yīng)力，傾角和磨擦系數(shù)的影響，并且是非線性的比較預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果關(guān)鍵詞： 有限限元模擬 金屬正交切削 殘余應(yīng)力1.導(dǎo)言金屬正交切削，非線性復(fù)雜耦合的熱機(jī)械進(jìn)程的加工操作應(yīng)變和主剪切帶中的高應(yīng)變率和相應(yīng)芯片與工具之間的聯(lián)系，沿輔助剪切區(qū)域復(fù)雜性的摩擦。

除上述以外，工作形成的切屑和工具之間的摩擦引起產(chǎn)熱在金屬切削加工的副產(chǎn)品中，出現(xiàn)殘余應(yīng)力與新增壓力，會(huì)影響已加工表面的完整性，縮短機(jī)械組件蠕變疲勞壽命因此，審慎評(píng)估工件殘余應(yīng)力與應(yīng)變的區(qū)域是必要的，針對(duì)機(jī)械零件在蠕變疲勞載荷條件下過早失效，要對(duì)切削過程的進(jìn)行優(yōu)化與維護(hù)在過去60 年中，已經(jīng)進(jìn)行了大量的金屬切削研究工作，Theearliest和 Piispanen 開發(fā)了金屬切削力學(xué)分析模型這些模型被稱為剪角模型，它們都提供剪角、 傾角和磨擦系數(shù)的實(shí)證關(guān)系這些模型還可用于估計(jì)部件、 應(yīng)力和平面應(yīng)變條件下的金屬切削加工過程中的能源消耗在這以后制訂了更復(fù)雜的剪角模型，以包括各種設(shè)計(jì)參數(shù)的影響Lee李和 Shaffer 提出一種基于滑移線場(chǎng)理論，其中假定剛性完美塑料材料切削和直剪切平面的剪角模型kudo通過引入曲線的剪切平面來(lái)考慮控制曲線的切片和直線工具之間的接觸，修改滑移線模型帕爾默.奧克斯利和奧克斯利認(rèn)為是在粘塑性條件和工件硬化及應(yīng)變率效應(yīng)duke等人研究芯片和工具之間的界面摩擦的安置，觸發(fā)器和分析局部加熱的金屬切削加工的影響有限元方法已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各種金屬切削技術(shù)的研究有限元方法的多功能性使得它考慮到工件大變形、 應(yīng)變率效應(yīng)、 工具芯片接觸和摩擦，局部加熱和溫度的影響、 不同邊界和加載條件，和其他現(xiàn)象遇到的金屬切削加工問題。

Usui和 Shirakashi 開發(fā)的金屬切削加工模型是早期有限元模型之一基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，他們假定無(wú)關(guān)變形的材料和工具提示在芯片分離幾何的標(biāo)準(zhǔn)巖田等人提議低速金屬切削的有限元模型，其中假定塑料為材料和包括該工具與芯片之間的摩擦的影響 （但忽略溫度影響）Strenkowski 和卡羅爾，用基于在工件中有效的塑性應(yīng)變芯片分離準(zhǔn)則，更新了的拉格朗日制訂的代碼 NIKE2D 有限元Komvopoulos 和 Erpenbeck 研究的各向同性的應(yīng)變硬化和 strainrate研究的敏感性視為理想彈塑性材料和材料有限元分析基于耦合熱彈塑性大變形本構(gòu)模型和雇用芯片分離的應(yīng)變能量密度標(biāo)準(zhǔn)田和楊上在正交的金屬切削過程，基于最優(yōu)理論和歐拉參考系統(tǒng)中的一個(gè)極限分析定理進(jìn)行有限元研究施和楊進(jìn)行了兩個(gè)有限元正交金屬切削研究實(shí)驗(yàn) 通用有限元代碼的正交金屬切削研究和調(diào)查的摩擦影響和工具的形變場(chǎng)數(shù)量分布的傾角已經(jīng)比較了這些研究與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和新的測(cè)試及其作者所取得的成果以上討論的分析與數(shù)值提供了很好的金屬切削過程的理解與模擬的研究尤其是，這些研究涉及大應(yīng)變和應(yīng)變率、 穩(wěn)態(tài)反應(yīng)、 摩擦和局部加熱的影響和芯片分離標(biāo)準(zhǔn)等問題。

但是，已進(jìn)行的多計(jì)算工作，以了解有關(guān)機(jī)械加工零件的表面完整性的問題已知?dú)堄鄳?yīng)力會(huì)使表面完整性產(chǎn)生影響Henriksen 為了解在加工表面的各種切削條件下的鋼和鑄鐵零件中的殘余應(yīng)力進(jìn)行一系列的測(cè)試他在報(bào)告說殘余應(yīng)力可能高達(dá) 689.48 MPa 他還強(qiáng)調(diào)了在韌性材料 （如碳鋼） 通常拉伸和壓縮的脆性材料 （鐵等）由于各種原因已歸入在工件中的殘余應(yīng)力的原因劉和拉什觀察到工件表面的機(jī)械變形誘導(dǎo)殘余應(yīng)力科諾中南工業(yè)大學(xué)和 Tonsoff 等人發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力是依賴的切削速度，殘余應(yīng)力對(duì)工件材料的硬度有重大影響表明在金屬切削中的摩擦也有助于形成的殘余應(yīng)力確定了機(jī)械加工零件，如評(píng)價(jià)顯微硬度、 表面完整性的各種方法 x 射線衍射，和層去除偏轉(zhuǎn)技術(shù)日本早稻田大學(xué)柿野，發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力均與加工中的切削力和溫度分布有關(guān)，提出了早期預(yù)測(cè)模型的殘余應(yīng)力在另一種分析模型中，連接殘余應(yīng)力和工件最脆弱部位施和楊進(jìn)行了機(jī)械加工的工件殘余應(yīng)力分布的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)，計(jì)算研究最近，劉和郭用有限元方法來(lái)評(píng)價(jià)在工件的殘余應(yīng)力他們還觀察到進(jìn)行第二次下調(diào)時(shí)在切割面上殘余應(yīng)力幅度降低了雖然現(xiàn)有的資料為機(jī)械加工部件的殘余應(yīng)力的研究提供了重要的見解，但是殘余應(yīng)變分布，從每個(gè)階段的切割冷卻過程中工具耙角影響的等問題，仍然沒有得到充分的理解。

為此，這項(xiàng)調(diào)查的目的是要了解工具界面摩擦和工具耙角度對(duì)形成和分布的殘余應(yīng)力和應(yīng)變的機(jī)械加工零件是如何影響的，并劃分切割冷卻過程分為四個(gè)階段并調(diào)查的每個(gè)階段的用處有限元方法用于模擬正交金屬切削的過程，通過使用 ABAQUS 的通用代碼中的幾個(gè)高級(jí)的建模選項(xiàng)，制定了仿真程序采用最新的拉格朗日制訂適合大應(yīng)變變形假定平面應(yīng)變條件包括電源過壓粘塑性本構(gòu)模型與應(yīng)變率效應(yīng)沿工具芯片界面摩擦接觸已遵守修改庫(kù)侖摩擦定律在絕熱加熱條件下，對(duì)可塑性和摩擦所致的局部加熱升溫基于應(yīng)力的芯片分離建模標(biāo)準(zhǔn)把工件的芯片分離，被認(rèn)為是依賴于溫度的物質(zhì)屬性這項(xiàng)研究提供了詳細(xì)的博覽會(huì)的不同階段后切割、 應(yīng)力、 應(yīng)變場(chǎng)演化和形成的殘余應(yīng)力和工件的成品表面附近的金相2.有限元模型描述圖 1 顯示了金屬正交切削過程，是其中一個(gè)連續(xù)的芯片正在從工件切削刀具相對(duì)于工件勻速移動(dòng)的原理圖在芯片分離和對(duì)待摩擦的交互工具-芯片-工件系統(tǒng)中，定義了三個(gè)相關(guān)關(guān)系如圖 1 所示接觸面1的切割路徑，兩個(gè)接觸表面由兩組節(jié)點(diǎn) （每個(gè)面上一個(gè)） 粘合在一起并用配對(duì)當(dāng)達(dá)到芯片分離標(biāo)準(zhǔn)，工具提示的聯(lián)系節(jié)點(diǎn)距離，使該工具以增量方式推進(jìn)作為工具的聯(lián)系節(jié)點(diǎn)對(duì)材料成形芯片的內(nèi)面，將移動(dòng)到所接觸面2的定義區(qū)域，和那些形成成品的工件表面將移動(dòng)到接觸面3，如圖 1 所示。

雖然有接觸面2的芯片和工具的前刀面之間的摩擦相互作用，接觸面3 只用于維護(hù)工具提示新切工件表面的接觸因?yàn)橄啾扰c平面維度的工件，被刀具切削的材料層的厚度通常是非常薄，聲稱是平面應(yīng)變條件由于其與芯片和工件的高剛度、 切割工具作為剛體理想化，建模的彈性材料與人工高楊氏模量 （2.1 × 1015 MPa 在此研究中使用的值）本節(jié)的其余部分描述了一些實(shí)施這項(xiàng)研究進(jìn)行的金屬切削模擬計(jì)算要點(diǎn)2.1.摩擦界面沿 toolchip 界面的接觸摩擦的影響，通過修改庫(kù)侖摩擦法 （在 ABAQUS 中可用的選項(xiàng)）建立模型，它指出在一個(gè)聯(lián)系點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將發(fā)生是否應(yīng)用抗剪應(yīng)力 t 相切的聯(lián)系人界面到達(dá)下面定義的 tc 的臨界摩擦剪應(yīng)力 （1）其中 p 是接觸點(diǎn)處的正常壓力、 n 是摩擦系數(shù)，t是閾值，剪應(yīng)力它指出，當(dāng)t設(shè)置為無(wú)窮大時(shí)，常規(guī)的庫(kù)侖摩擦法收回在此研究中，工件材料是 AISI 4340 鋼，這是略高于材料的屈服應(yīng)力在簡(jiǎn)單剪切圖1 金屬切割與相關(guān)部分2.2.能量耗散和局部加熱在金屬切削過程中，在芯片和工件的塑料工作和沿 toolchip 摩擦工作接口局部加熱造成的能量耗散。

在高速切削，產(chǎn)生的熱量已沒有時(shí)間傳導(dǎo)和由此產(chǎn)生的溫度上升通常被視為工件自身承受絕熱加熱條件下，局部溫度升高，Tp，誘導(dǎo)塑料工作在時(shí)間間隔 t，可以寫為 （2） J，相當(dāng)于熱轉(zhuǎn)換因子，c 比熱、 密度，r 和塑料工作的百分比轉(zhuǎn)化為熱能的 hp （通常，85%hp 95%； hp = 90%在此研究中 [16,35]) （3）其中 t 是接觸點(diǎn)處的剪應(yīng)力、 s˙ 是滑動(dòng)速度，，J，c 和 r 是界定的智商系數(shù) hf 代表摩擦工作轉(zhuǎn)化為熱量，這作為這項(xiàng)研究的 1.0 的小數(shù)部分沿工具芯片接口，產(chǎn)生的總熱量的一半 （50%） 假定走進(jìn)芯片和另一半到工具2.3.芯片分離 在金屬切削加工仿真中，沿切削工具前小區(qū)域的應(yīng)力和變形區(qū)域，芯片分離切割平面，滿足某些芯片分離的判據(jù)值得注意的是研究表明芯片的幾何形狀和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的分布不影響在本研究中，用于控制芯片分離的臨界應(yīng)力，按照這一標(biāo)準(zhǔn)，在一定距離的工具提示之前到達(dá)一個(gè)關(guān)鍵的組合芯片分離時(shí)發(fā)生應(yīng)力狀態(tài)。

數(shù)學(xué)上，可以作為下面給定的應(yīng)力索引 （4）沿切割的路徑，剪切力和正常組件應(yīng)力，工具提示指定距離處的應(yīng)力狀態(tài)如圖 1 所示是失去壓力下純材料的拉伸和剪切加載條件下切削芯片分離發(fā)生時(shí)應(yīng)力指數(shù) f 達(dá)到工具提示前一個(gè)元素長(zhǎng)度 (在這項(xiàng)研究的約 50.8 μ m) 的值對(duì)于AISI 4340材料鋼，臨界壓力也就是948 MPa 和 548 MPa （基于 von Mises 屈服的關(guān)系）2.4.材料模型工件是 AISI 4340材料鋼在粘塑性本構(gòu)模型建模 （5）在一定電壓下進(jìn)行適合高應(yīng)變率應(yīng)用程序 （如高速金屬切削）標(biāo)準(zhǔn)的常量值用于其他物理屬性 （比熱 c = 502.0 J/動(dòng)量K 和大規(guī)模密度 r = 7800 kg/m3)在金屬切削加工過程中產(chǎn)生的巨大熱量將改變工件材料的材料特性因此，依賴于溫度的材料屬性 (例如彈性常數(shù)、 初始屈服應(yīng)力和熱膨脹系數(shù)） 2.5.有限元網(wǎng)格和邊界條件圖 2 顯示了有限元離散化整個(gè)幾何模型的工件-芯片-工具系統(tǒng)。

芯片層由傾斜的元素組成，它們從工件中分離，在交互的工具切割時(shí)，防止過度失真的元素約 64 ° 的傾角的傾斜元素與切削方向該芯片切割的起始位置，一層芯片的右端是最初分隔從工件，以便順利和快速過渡到穩(wěn)定狀態(tài)左端，芯片層三角部分維持以使網(wǎng)格生成更簡(jiǎn)單和不可望對(duì)穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果的影響此網(wǎng)格設(shè)計(jì)是有效和原擬由 Strenkowski 和卡羅爾，并已經(jīng)通過其他研究人員的可肯定圖 2 所示的有限元網(wǎng)格由 1160個(gè)四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變?cè)嘏c 1308個(gè)節(jié)點(diǎn)組成在預(yù)期大變形芯片中，網(wǎng)格的芯片圖層是比工件更精細(xì)具體而言，芯片層，其中有 254 μ m 的高度 （切削深度），分為十個(gè)二類油層的元素該工件區(qū)域，其中有 2540年 μ m 的長(zhǎng)度和高度 889 μ m，分為 11 層，但每個(gè)有 50 個(gè)元素在切削方向它被發(fā)現(xiàn) 50 個(gè)元素是使用頻譜-評(píng)價(jià)的有限元模擬，在切割工具到達(dá)左結(jié)尾之前以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下方的切割路徑元素的頂部五層細(xì)是維度 50.8 μ m × 50.8 微米，這些是比工件網(wǎng)格的下半部分中的那些小方形內(nèi)容與離散化圖2 金屬切割網(wǎng)格層工件邊界條件的指定方式如下：因?yàn)橄掳搿?/p>