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基于有限元法的淬硬45钢切削刀具参数研究

作　者: 冯志喜
导　师: 刘泓滨
学　校: 昆明理工大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 高速切削有限元切削温度切削力
分类号: TG71
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 86次
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内容摘要

高速切削加工可大幅提高生产效率,降低加工成本,切削过程中切削力小,工件温度低,工件的内应力和热变形小,能提高加工精度和表面质量,可以加工淬硬钢等难加工材料。高速切削加工作为先进制造技术之一,已应用于航空航天、汽车、模具等加工领域。淬硬钢是一种典型的难加工材料,硬度和强度很高,广泛应用于对硬度和耐磨性要求高的零件,加工时的单位切削力大,对刀具冲击大,切削温度高。实验研究对硬件的要求比较高,成本高,效率低,容易受到环境的影响。随着有限元技术的发展,采用计算机模拟仿真来分析金属切削过程越来越普遍。本文应用有限元软件ABAQUS,采用Johnson-Cook材料模型建立了简化的二维正交切削模型,模拟了高速切削淬硬钢时锯齿状切屑的形成过程。通过仿真得到的切屑形状及切削力与实验结果的对比,验证了模型的正确性。分析对比了硬质合金刀具、涂层刀具和PCBN刀具在高速切削状态下的切削力和切削温度,得到PCBN刀具最合适淬硬45钢的切削加工。在以上研究基础上,仿真模拟了PCBN刀具在不同切削参数和刀具参数条件下,高速切削淬硬45钢的过程,分析了切削参数和刀具参数对切削力和切削温度等的影响规律。研究表明：切削深度增加,切削力和刀具最大等效应力增大很多,所以切削深度不易过大,取0.2mm较为合适；刀具前角对切削力和切削温度的影响比较大,取-4°较为合适；切削速度提高且切削力、刀具最大等效应力、切削温度增大不多,可采用高的切削速度。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第一章绪论  9-17
  1.1 研究背景  9-11
  1.2 高速切削和硬态切削国内外研究状况  11-13
  1.3 有限元仿真技术在金属切削加工中的应用与发展  13-15
  1.4 课题研究的主要内容  15-17
第二章高速硬切削加工理论  17-29
  2.1 高速切削机理的研究  17-18
  2.2 切屑形成和类型  18-21
    2.2.1 切削过程变形区划分  18-19
    2.2.2 切屑类型  19-20
    2.2.3 切削变形程度表示方法  20-21
  2.3 高速切削的切削力  21-24
  2.4 高速切削的切削热和切削温度  24-28
    2.4.1 剪切面上的平均温度  25-26
    2.4.2 前刀面接触区的平均温度  26-27
    2.4.3 后刀面接触区的平均温度  27
    2.4.4 总热量由切屑、工件和刀具各部分传出的热量分配  27-28
  2.5 本章小结  28-29
第三章高速硬切削有限元模型的建立  29-37
  3.1 正交模型的建立  29-32
    3.1.1 几何模型建立和边界条件的设定  29-30
    3.1.2 网格划分  30-32
  3.2 建立模型的关键技术  32-36
    3.2.1 材料模型  32-33
    3.2.2 切屑分离准则  33-34
    3.2.3 材料断裂模型  34
    3.2.4 摩擦模型  34-36
  3.3 本章小结  36-37
第四章切屑形成过程和刀具分析对比  37-47
  4.1 切屑形态  37-39
    4.1.1 切屑成形过程分析  37-39
    4.1.2 仿真切屑和实际切削中切屑对比  39
  4.2 切削力对比  39-40
  4.3 不同刀具条件下的切削研究  40-45
    4.3.1 刀具介绍  40-41
    4.3.2 切削力分析  41-42
    4.3.3 刀具温度对比分析  42-43
    4.3.4 切削力对比分析  43-44
    4.3.5 切削温度对比分析  44-45
    4.3.6 刀具选择  45
  4.4 本章小结  45-47
第五章 PCBN刀具分析  47-61
  5.1 切削力分析  47-51
    5.1.1 切削力变化规律  47-48
    5.1.2 刀具前角对切削力影响  48
    5.1.3 刀具后角对切削力影响  48-49
    5.1.4 切削速度对切削力影响  49-50
    5.1.5 切削深度对切削力影响  50-51
  5.2 应力分析  51-54
    5.2.1 工件应力分布及动态变化  51-52
    5.2.2 刀具应力分布及动态变化  52
    5.2.3 刀具前角对刀具最大等效应力影响  52-53
    5.2.4 切削速度对刀具最大等效应力影响  53-54
    5.2.5 切削深度对刀具最大等效应力影响  54
  5.3 温度分析  54-58
    5.3.1 工件刀具温度分布  54-55
    5.3.2 刀具前角对切削温度影响  55-56
    5.3.3 切削速度对切削温度影响  56-57
    5.3.4 切削速度对刀具温度影响  57
    5.3.5 切削深度对切削温度影响  57-58
    5.3.6 切削深度对刀具温度影响  58
  5.4 本章小结  58-61
第六章结论与展望  61-63
  6.1 论文主要工作  61
  6.2 结论  61-62
  6.3 展望  62-63
致谢  63-65
参考文献  65-69
附录A 攻读硕士阶段发表的学术论文  69

基于有限元法的淬硬45钢切削刀具参数研究

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