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(机械制造及其自动化专业论文)69111不锈钢铣削机理及工艺参数优化研究.pdf.pdf 免费下载
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l i i ll l ll l lll li l ll llu l 、t17 9 0 4 8 9 d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ea p p l i c a t i o no f m a s t e r sd e g r e eo fe n g i n e e r i n g s t u d yo nm i l l i n gm e c h a n i s m a n dp r o c e s sp a r a m e t e r s o p t i m i z a t i o no f 6 91 1 1s t a i n l e s ss t e e l c a n d i d a t e :y u a nr o n g h u a s p e c i a l t y : m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g s u p e r v i s o r :p r o f s u nj i e a p r i l 2 0 t h2 0 1 0 原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下, 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本 论文不包含任何其他个人或者集体已经发表或撰写过的科研成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均己在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名:兑菜华 日期:圳。s 2 箩 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定,同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版,允许论文被查阅和借阅;本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 一洗肄翩签名办t 眺弛支站 目录 l |录i 摘要1 0 r 第一章绪论 1 1 引言1 1 26 9 11 1 材料的性能特点2 1 36 9 1 1 1 不锈钢高效切削加工研究现状。3 1 3 1 高效加工在航空工业中应用3 1 3 2 刀具寿命及表面质量完整性研究现状4 1 3 3 有限元仿真分析在金属切削加工中的应用现状6 1 3 4 工艺参数优化研究现状8 1 3 56 9 11 1 不锈钢研究现状9 1 4 课题研究背景及意义一1 1 1 5 论文主要内容及结构1 2 1 6 本章小结1 3 第二章6 9 11 1 不锈钢铣削性能与刀具寿命研究1 5 2 16 9 1l l 不锈钢铣削性能实验设计1 5 2 1 1 不锈钢加工刀具的选择1 5 2 1 26 9 11 l 不锈钢铣削加工实验设计1 6 2 26 9 11 1 不锈钢铣削力建模分析与铣削温度研究2 0 2 2 1 整体硬质合金刀具铣削力建模分析与铣削温度研究。2 0 2 2 2 可转位刀具铣削力建模分析与温度研究。2 7 2 36 9 11 1 不锈钢铣削加工刀具寿命研究3 3 2 4 本章小结3 4 第三章8 9 1 ”不锈钢铣削加工表面质量完整性研究。 3 1 刀具结构对表面质量完整性的影响3 5 3 1 1 刀具结构对表面粗糙度的影响。3 5 3 1 2 刀具结构对表面残余应力的影响。3 9 3 2 工艺参数对表面质量完整性的影响4 3 3 2 1 工艺参数对表面粗糙度的影响4 3 3 2 2 工艺参数对表面残余应力的影响4 4 3 3 本章小结4 6 第四章8 9 11 1 不锈钢铣削加工有限元仿真模型的建立4 7 4 1 材料模型的建立4 7 4 26 9 1l l 不锈钢本构关系模型的建立4 8 山东人学硕士学位论文 4 2 1 实验装置及测试原理4 9 4 2 2 实验方案设计5 0 4 2 3 本构模型的建立5 0 4 36 9 11 1 不锈钢材料失效模型的建立5 4 4 3 1 实验方案设计5 4 4 3 2 失效模型的建立5 5 4 46 9 11 1 不锈钢有限元模型的建立5 6 4 5 有限元模型的实验验证5 6 4 5 1 实验设计5 6 4 5 2 验证分析5 6 4 6 本章小结。6 0 第五章6 9 111 不锈钢铣削加工工艺参数优化研究6 l 5 1 刀具几何角度优化研究6 l 5 1 1 刀具前角优化研究6 1 5 1 2 刀具后角优化研究6 2 5 1 3 刀具刃口钝化半径研究6 3 5 1 4 小结6 5 5 2 铣削加工参数优化研究6 5 5 2 1 半精加工工艺参数优化6 5 5 2 2 精加工工艺参数优化7 2 5 3 本章小结7 2 第六章结论与展望7 5 6 1 结论。7 5 6 2 展望一7 6 参考文献。 攻读硕士学位期间发表的论文与参研课题 7 7 8 5 发表论文8 5 参研课题8 5 致谢 n c o n t e n t s c o n t e n t c o n t e n t i a b s t r a c t v c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1i n t r o d u c t i o n 1 1 2c h a r a c t e r so f 6 9 111 s t a i n l e s ss t e e l 2 1 3t h er e s e a r c hs t a t u so f h i g he f f i c i e n c yc u t t i n g6 9 1l l - s t a i n l e s ss t e e l 3 1 3 1 t h ea p p l i c a t i o no f h i g he f f i c i e n c yc u t t i n gi na e r o s p a c ei n d u s t r y 3 1 3 2t h er e s e a r c hs t a t u so f t o o ll i f ea n ds u r f a c ei n t e g r i t y g 1 3 3n er e s e a r c hs t a t u so f t h ea p p l i c a t i o no f f e mi nm a t a lc u t t i n g 一6 1 3 4t h er e s e a r c hs t a t u so f p a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n 8 1 3 5t h er e s e a r c hs t a t u so f 6 9 1 1 1 s t a i n l e s ss t e e l 9 1 4t i l em a i np u r p o s e ,s i g n i f i c a n c eo ft h et o p i c 1 1 1 5n em a i nc o n t e n t sa n ds t r u c t u r eo ft h ep a p e r 12 1 6s u m m a r y 1 :; c h a p t e r2s t u d yo nt h ep e r f o r m a n c e sa n d t o o li i f ed u r i n gm i l l i n g6 9 1 1 1 - s t a i n l e s s s t e e l 15 2 1e x p e r i m e n td e s i g no f m i l l i n g6 9 1 l l - s t a i n l e s ss t e e l 1 5 2 1 1t h et o o lc h o i c ei nm i l l i n gs t a i n l e s ss t e e l 。15 2 1 2e x p e r i m e n td e s i g no f m i l l i n g6 9 1 1 l - s t a i n l e s ss t e e l 1 6 2 2s t u d yo nc u t t i n gf o r c ea n d t e m p e r a t u r ed u r i n gm i l l i n g6 9 1ll - s t a i n l e s ss t e e l 。2 0 2 2 1s t u d yo nc u t t i n gf o r c ea n dt e m p e r a t u r ed u r i n gm i l l i n gu s i n gs o l i dc a r b i d e c u t t i n gt o o l s :! ( ) 2 2 2s t u d yo nc u t t i n gf o r c ea n dt e m p e r a t u r ed u r i n gm i l l i n gu s i n gi n d e x a b l et 0 0 1 :! ? 7 2 3s t u d yo nt o o ll i f ed u r i n g m i l l i n g6 91ll - s t a i n l e s ss t e e l 3 3 2 4s u m m a r y :i l c h a p t e r3s t u d yo ns u r f a c ei n t e g r i t yd u r i n gm i l f i n g6 9 1 1 1 - s t a i n l e s ss t e e l 3 5 3 1t h ei n f l u e n c eo nt h es u r f a c ei n t e g r i t yo f t h et o o lc o n s t r u c t u r e 3 5 3 1 1t h ei n f l u e n c eo nt h es u r f a c er o u g h n e s so f t h et o o lc o n s t r u c t u r e 3 5 3 1 2t h ei n f l u e n c eo nt h er e s i d u a ls t r e s so f t h et o o lc o n s t r u c t u r e 3 9 3 21 1 1 ei n f l u e n c eo nt h es u r f a c ei n t e g r i t yo ft h ep r o c e s sp a r a m e t e r s 4 3 3 2 1t h ei n f l u e n c eo nt h es u r f a c er o u g h n e s so f t h ep r o c e s sp a r a m e t e r s 4 3 3 2 2n ei n f l u e n c eo nt h er e s i d u a ls t r e s so f t h ep r o c e s sp a r a m e t e r s 4 4 :;3s u m m a r y 4 6 山东大学硕十学位论文 c h a p e r 4t h ec o n s t r u c t i o no ft h ef e mm o d e lo fm i l l i n g6 9 1 1 1 - s t a i n l e s ss t e e l 4 7 4 1t h ec o n s t r u c t i o no f t h em a t e r i a lm o d e l 4 7 4 2t h ec o n s t r u c t i o no f t h ec o n s t i t u t i v em o d e lo f 6 9 1l1 - s t a i n l e s ss t e e l 4 8 4 2 1e x p e r i m e n t a ld e v i c ea n dt e s t i n gp r i n c i p l e 4 9 4 2 2e x p e r i m e n t a ld e s i g n 5 0 4 2 3t h ec o n s t r u c t i o no ft h ec o n s t i t u t i v em o d e l 5 0 4 3t h ec o n s t r u c t i o no ft h ef a i l u r em o d e lo f6 911 1 s t a i n l e s ss t e e l 5 4 4 3 1e x p e r i m e n t a ld e s i g n 5 4 4 3 2t h ec o n s t r u c t i o no ft h ef a i l u r em o d e l 5 5 4 4t h ec o n s t r u c t i o no ft h ef f :mm o d e lo f6 9 11 1 一s t a i r d e s ss t e e l 5 6 4 5t h ee x p e r i m e n t a lt e s to f t h ef e mm o d e l 5 6 4 5 1e x p e r i m e n td e s i g n 5 6 4 5 2t h et e s ta n a l y s i s 5 6 4 6s u m m a r y 6 0 c h a p t e r 5 s t u d yo nt h ep r o c e s sp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o nd u r i n gm i l l i n g 6 9 1 1 1 s t a i n l e s ss t e e l 6 1 5 1t h eo p t i m i z a t i o no f t h et o o la n g l e 一6 1 5 1 1o p t i m i z a t i o no f t h er a k ea n g l e 。6 1 5 1 2o p t i m i z a t i o no f t h er e l i e f a n g l e 6 2 5 1 3o p t i m i z a t i o no f t h et o o le d g ep a s s i v a t i o nr a d i u s 6 3 5 1 4s u m m a r y 6 5 5 2s t u d yo nt h eo p t i m i z a t i o no f t h e m i l l i n gp a r a m e t e r s 6 5 5 2 1o p t i m i z a t i o no f t h es e m i f i n i s h i n gm i l l i n g 6 5 5 2 2o p t i m i z a t i o no f t h ef i n i s h i n gm i l l i n g 7 2 5 3s u m m a r y 7 2 c h a p t e r 6c o n c l u s i o na n df u t u r ew o r k 7 5 6 1c o n t e n t sa n dp r i m a r yc o n c l u s i o no ft h ep a p e r 7 5 6 2e x p e c t a t i o no ft h es t u d yo nc o r r e l a t i v ef i e l d 7 6 r e f c ! r e n c e p u b l i s h e dp a p e r sa n dr e s e a r c h i n gp r o j e c t 7 7 8 5 p u b l i s h e d p a p e r s 8 5 r e s e a r c h i n gp r o j e c t 8 5 a c k n o w l e d g e i v 摘要 摘要 6 9 1 l l 不锈钢( 0 9 c r l 2 m n 5 n i 4 m 0 3 a i ) 是5 0 年代后期我国自主研发和应用起 来的新型不锈钢,是由6 2 1 所、6 2 5 所、上钢三厂、上海钢铁研究所等单位协作研 制成功的立足国内资源而基本性能优于国外近似钢种的一种不锈钢。6 9 1l1 不锈钢 属于典型难加工材料,加之国内应用历史较短,对于其切削加工方面的研究相对 较少,本研究在对6 9 1 1 1 不锈钢研究现状进行分析和总结的基础上,对6 9 1 1 1 不锈 钢切削加工机理和工艺参数优化进行系统研究。 ( 1 ) 设计、完成了应用四种刀具铣削加工6 9 1 1 1 不锈钢j 下交切削实验和单因 素切削实验,采用正交实验分析法对正交实验数据进行分析处理,获得能够减小 铣削力的优化的参数组合,并采用幂指数非线性拟合的方法,进行了铣削力建模, 建立了铣削力经验公式,实现了铣削力的理论预测;采用正交优化的参数进行了 整体硬质合金刀具铣削6 9 11 1 不锈钢磨损寿命实验,获得整体硬质合金刀具磨损寿 命曲线。 ( 2 ) 从表面粗糙度和残余应力两个方面对铣削加工6 9 11 1 不锈钢的已加工表 面进行了表面完整性分析。对整体硬质合金刀具铣削加工表面的粗糙度进行正交 实验分析法分析,获得铣削参数对于表面粗糙度影响程度的主次顺序,同时采用 二次项拟合的方法进行表面粗糙度经验公式的非线性拟合,精度较高;残余应力 分析得出铣削加工的表面残余应力大都为拉应力。对于可转位刀具加工6 9 11 1 不锈 钢表面粗糙度对比分析得出伊斯卡可转位刀具结构不适合加工6 9 1 l l 不锈钢;残余 应力分析得出山特维克可转位刀具与其他两种可转位刀具规律不相同。工艺参数 对于表面粗糙度影响规律为:随铣削速度、每齿进给量的增大表面粗糙度线性增 大,随轴向切深的增加,表面粗糙度线性降低,随径向切深的增加呈现出曲折变 化的趋势,先增大后减小而后又呈现出增大的趋势;工艺参数对于表面残余应力 的影响主要通过铣削力和铣削温度间接起作用,影响规律不明显。 ( 3 ) 在理论分析的基础上,通过设计完成6 9 1 l l 不锈钢不同应变率、不同温度 下的动态压缩实验和准静态拉伸实验,以及不同应力三轴度下的拉伸实验,回归 拟合出6 9 1l l 不锈钢本构关系模型和失效模型:并设计球盘摩擦实验,建立摩擦系 数与压力、滑动速度之间的关系,从而获得切削加工过程中刀屑摩擦性能。 ( 4 ) 在前面研究的基础上,对6 9 1 1 l 不锈钢的铣削工艺参数进行优化。采用 v 山东大学硕十学位论文 有限元仿真模拟的方法,对铣削加工6 9 1 1 1 不锈钢用可转位刀具进行刀具几何结构 参数优化,获得优化的前角、后角及钝化半径值,为刀具参数结构设计提供理论 支持:后对整体硬质合金刀具进行铣削参数优化,综合考虑铣削力、表面粗糙度、 以及金属去除率指标,采用正交分析法,获得综合考虑各指标下的铣削参数组合, 提高了生产效率;最后对高速精加工工况进行了铣削速度的优化;通过实验分析, 以铣削力和铣削温度为优化指标,获得较优的铣削速度,对于实际加工起到指导 性作用。 关键词6 9 1 1 l 不锈钢;铣削;工艺参数优化;有限元仿真;本构模型;失效模型; 铣削力:表面完整性 课题资助一国防基础科研项目:钛合金等难加工材料高速高效加- t 刀具研制( 项目编号: 2 0 0 7 0 6 10 7 ) ; v i 山东大学硕十学位论文 a b s t r a c t 6 9 111 - s t a i n l e s ss t e e l ( 0 9 c r l 2 m n 5 n i 4 m 0 3 a i ) w a sd e v e l o p e db yo u rc o u n t r yi n1 9 5 0 s , w h i c hw a sd e v e l o p e db a s e do nt h er e s o u r c e so fo u rc o u n t r yb yt h er e s e a r c hc e n t e r6 2 1 , 6 2 5a n dt h et h i r dc o m p a n yo fs h a n g h a is t e e lc o m p a n ya n ds h a n g h a is t e e lr e s e a r c h c e n t e ra n de r e i t sp e r f o r m a n c e sa r eb e t t e rt h a nt h es a m cs t y l es t e e lo v e r s e a s h o w e v e r , 6 9111 - s t a i n l e s ss t e e li st y p i c a l l yh a r d - t o - c u r i n gm a t e r i a l ,a n di t sa p p l i c a t i o nh i s t o r yi s v e r ys h o r t ,t h er e s e a r c ha b o u ti t sc u r i n gp e r f o r m a n c e si sl i t t l e t h er e s e a r c hs t a t u sa b o u t t h e6 9111 - s t a i n l e s ss t e e li sa n a l y z e da n ds u m m a r i z e d ;m e a w h i l e ,t h ec u r i n gm e c h a n i s m a n dp r o c e s sp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o na r ef o c u s e dt od e s c r i b et h ec u r i n gc h a r a c t e r so f 6 9111 - s t a i n l e s ss t e e lc o m p r e h e n s i v e l y ( 1 ) t h eo r t h o g o n a lt e s t sa n dt h es i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t sw e r ed e s i g n e da n d c o n d u c t e dw i t hf o u rd i f f e r e n tk i n d so ft o o l s t h ee x p e r i m e n td a t aw a sp r o c e s s e db yt h e o r t h o g o n a le x p e r i m e n ta n a l y s i sm e t h o d ,t od e s c r i b et h ep a r a m e t e r sw h i c hh a v el e s s e f f e c to nt h ec u r i n gf o r c e s t h ec u r i n gf o r c em o d e lw a sb u i l tb yn o n l i n e a rf i r i n g m e t h o d ,w h i c hm a k e st h ec u t t i n gf o r c ep r e d i c t i o nb e c o m er e a l i t yi nt h e o r y t o o ll i f e a n dt o o lw e a re x p e r i m e n to ft h ec u t t i n g6 91 11 一s t a i n l e s ss t e e lw a sc o n d u c t e dw i t ht h e o p t i m i z e dp a r a m e t e r s ,s ot h a tt h et o o l l i f ea n dt o o lw e a rc u r v eo ft h es o l i dc a r b i d e c u r i n gt o o lc a nb ed e r i v e d ( 2 ) t h es u r f a c ei n t e g r i t yo ft h em i l l e d6 9 111 - s t a i n l e s ss t e e lw a sa n a l y z e db yt h e s u r f a c er o u g h n e s sa n dt h er e s i d u a ls t r e s s f o rt h es o l i dc a r b i d ec u r i n gt o o l :t h em i l l e d s u r f a c er o u g h n e s sw a si n v e s t i g a t e db yt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n ta n a l y s i sm e t h o dt og e t t h es e q u e n c eo ft h ep a r a m e t e r sw h i c hi n f l u e n c et h es u r f a c er o u g h n e s s t h es u r f a c e r o u g h n e s se m p i r i c a lf o r m u l aw a sb u i l tb yq u a d r a t i ct e r mn o n l i n e a rf i r i n gm e t h o dw i t l i h i g hp r e c i s i o n t h et e n s i l es t r e s sw a sf o u n dd u r i n gm o s to ft h er e s i d u a ls t r e s sa n a l y s i s p r o c e s s e s f o rt h ei n d e x a b l et o o l :t h es u r f a c er o u g h n e s so ft h em i l l e ds u r f a c eu s i n gt h e i s c a rt o o li sl a r g e rt h a nt h eo t h e rt w ot o o l s ,s oi t sm i c r o s t r u c t u r ei sn o tf i tf o rm i l l i n g 6 9111 s t a i n l e s ss t e e l t h er e s i d u a ls t r e s so ft h es u r f a c em i l l e db yt h es a n d v i kt o o l v a b s t r a c t t o o ko nd i f f e r e n tc h a r a c t e r sc o m p a r e dw i t ht h eo t h e rt o o l s t h er u l e so ft h es u r f a c e r o u g h n e s si n f l u e n c e db yt h ep a r a m e t e r sa r es h o w nf o l l o w i n g :t h es u r f a c er o u g h n e s s i n c r e a s el a r g e rl i n e a r l yw i t ht h ei n c r e a s i n gc u t t i n gs p e e da n dt h ef e e d ,w h i l ed e c r e a s e l i n e a r l yw i t ht h ei n c r e a s i n ga x i a ld e p t h o f - 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0 6 - 1 0 7 ) ; 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 6 9 1 1 1 不锈钢( 0 9 c r l 2 m n 5 n i 4 m 0 3 a i ) 是5 0 年代后期发展和应用起来的新型 不锈钢【l 】,是我国为了打破欧美国家对于国内工业新兴材料的制约,同时为了满足 我国现代工业发展对于新材料的需求,由6 2 1 所、6 2 5 所、上钢三厂、上海钢铁研 究所等单位协作研制成功的立足国内资源而基本性能优于国外近似钢种的一种不 锈钢。 6 9 1 1 l 不锈钢与美国的1 7 7 p h 和p h l 5 7 m o 、苏联的c h l 、c h 4 及日本的 c r h 4 1 0 等钢号相近【2 1 。按钢的组织结构分类,6 9 11 1 不锈钢是一种半奥氏体沉淀 硬化不锈钢。其既具
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