（机械制造及其自动化专业论文）切削滚压复合工艺的有限元建模与分析.pdf

摘要 摘要 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 华南理工大学博士学位论文 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盼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。 最后分析了协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 工余量的厨时压延已加工表面，达到降低工件表面粗糙度，形成表面硬化层，并 在工件表层残留有秘的残余压应力，从而强化零件的耐磨性能和抗疲劳性能。 关键 哥金属坍耕；滚压；有限元法；力学建模；数值模拟 h a b s t r a c t b u r n i s h i n gi sap r o c e s si nw h i c ht h ep e a k so fm e t a l l cs u r f h c e sa r ed i s p l a c e dt o n l it h ev a l l e y sb yp l a s t i cd e f b r m a t i o n t h i sc a ns i n l p i ya c h i e v e db yp r e s s i n gah a r d a n dh i g h l yp o l i s h e db a ho rr o l l e ra g a i n s tt h es u r f h c eo fm e t a l n cw o r k p i e c e t h e b u r n i s h i n gp r o c e s sh a sa d v a n t a g e so v e ro t h e rm a c h i n i n gp r o c e s s e s ，s u c ha sb e t t e r s u r f h c ef i n i s h ， s e c u r i n g i n c r e a s e dh a r d n e s s ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n dg e n e r a t i n g c o m p r e s s i v er e s i d u a ls t r e s sw i t h i nt h em a c h i n e ds u r f a c e c o m p a r i s o nb e t w e e nt h e s h o o tp e e n i n gp r o c e s sw i t hb u r n i s h i n gs h o w st h a tb u r n i s h i n gp r o c e s sh a sb e c o m e sa m o r ep o p u l a ra p p r o a c ht ol o wm a n u f a c t u r i n gc o s t sa n dt i m e b u r n i s h i n gp r o c e s sc a n k e e p t h e a c c u r a c yo ft h ec o m p l e xm a c h i n e dc o m p o n e n t s s i n c et h e s e t u p f o r b u r n i s h i n gi sm u c hs i m p i e r ，i ti se a s i e rt o f u s eo t h e ro p e r a t i o n si n t oas i n g i eh y b r i d p r o c e s sa n di tc a ns a v eag r e a td e a lo fc o s ti nm a n u f h c t u r i n g s i n c eb u r n i s h i n gh a s o b t a i n e ds u c c e s s f h la p p l i c a t i o n si ni n d u s t r yi nr e c e n ty e a r sa n dt h er e q u i r e m e n tf b r m a c h i n e ds u r f h c ei n t e g r i t yi sm u c hh i g h e r ，t h et h e o r e t i c a is t u d ya n dr e s e a r c ho nt h e b u r n i s h i n gp r o c e s sb e c o m e sm o r ea n dm o r es i g n i n c a n ta n di m p e r a t i v e t r a d i t i o n a l a n a i y s i sm e t h o da l w a y se n c o u n t e r sm a n yd i m c u l t i e s i n s o l v i n g t h ec o m p l i c a t e d m a t h e m a t i c a lm o d e i s o fb u r n i s h i n gp r o c e s sw h i i et h em a t e “a i ， g e o m e t r i ca n d b o u n d a r yn o n l i n e a rp h e n o m e n aa r ec o n s i d e r e d e x p e r i m e n t a lm e t h o di sa l w a y sa f 色a s i b l ew a yt o i n v e s t i g a t e t h eb u r n i s h i n gp r o c e s s ，b u tt h i sa p p r o a c hi st i m e c o n s u m i n g ， l a b o rc o n s u m i n ga n da l w a y sc o s t l y f i n i t ee l e m e n tm e t h o do f 诧r sa n a l t e r n a t i v em e t h o dt om o d e l i n ga n da n a l y s i so ft h eb u r n i s h i n gp r o c e s s nc a ns o i v e t h ec o m p l i c a t e dh i g h l yn o n l i n e a rm a t h e m a t i c a lm o d e l so fb u r n i s h i n gp r o c e s sw i t h o u t e x c e s s t v et i m ea 砥c o s tc o n s u m i n g s p e c i a u y ，w h e ni t i se m p l o y e dt o a n “y 髓 m u i t i p a r a m e t e r sm a t h e m a t i c a im o d e i ，“s h o w sg r e a ta d v a n t a g eo v e ro t h e rm e t h o d s t h i sd i s s er t a t i o nm a i n l ys t u d i e st h em e c h a n i c a lm o d e “i n gt h e o r i e sa n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d so fm e t a ic u t t i n gp r o c e s sa n db u m i s h i n gp r o c e s sw i t h t h ea f f 色c t e di a y e rf r o mt h ep r e v i o u sc u t t i n gp r o c e s sc o n s i d e r e d w i t ht h e s et h e o r i e s a n dn u m er i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d s ，t h ee f 如c t so fb u r n i s h i n gp a r a m e t e r so ns u r f a c e i n t e g r i t y a r ea n a l y z e d a n dc u t t i n g b u r n i s h i n gt o o l sa r e d e v e i o p e d t o g e n e r a t e c o m p r e s s i v er e s i d u a is t r e s sw i t h i nt h em a c h i n e ds u r f a c es i m u l t a n e o u s i yw i t ht h e c u t t i n gp r o c e s s t h ek e ya s p e c t so ff i n i t ee i e m e n tm o d e l l i n go fm e t a lc u t t i n gp r o c e s sa r e a n a l y z e d( m a t e “a lf l o w s t r e s sm o d e if o rm e t a lc u t t i n g ，c o n t a c tm e c h a n i c sa n df r i c t i o n “i 2 堡兰垡苎业堕坠：壁：! 塑唑兰兰竺竺! ! ：! 堡堕2 旦! ! 竺! 堂 m o d e l ，h e a tg e n e r a t i o na n dh e a tt r a n s f e rm o d e l ，c o u p l e dt h e r m o - m e c h a n i c a lm o d e l ) b a s e do nt h e s et h e o “e sa n dm e t h o d s ，t w o d i m e n s i o n a l ，t h r e e d i m e n s i o n a ls i n g l ec u t ， a n dt h r e e d i m e n s i o n a is e q u e n t i a lc u tf i n i t ee i e m e n tm o d e l so fn o n f r e em e t a lc u t t i n g a r ee s t a b l i s h e d t h ec h i pf o r m a t i o ni nm e t a lc u t t i n gi ss i m u l a t e da n dt h em e c h a n i co f c h i pf o r m a t i o ni sa n a i y z e da s w e na st h eo t h e rs t a t ev a r i a b l e s ( c u t t i n gf o r c e s ， t e m p e r a t u r e ，r e s ；d u a ls t r e s s ，r e s i d u a ls t r a i na n ds h e a ra n g l ee t c )e x p e r i m e n t a lt e s t s a r ed o n eu n d e rt h es a m ec u t t i n gc o n d i t i o n s t h es i m u l a t e dc u t t i n gf b r c e sa n d t e m p e r a t u r e sa r ew e l la g r e e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h ep r e d i c t e dr e s i d u a ls t r e s s e v o u t i o ns h o w sa nw e na g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a id a t at r e n d se x c e p ta r c a s o n a b kd i v e r g e n c ea tn u m e r i c a iv a l u e t h ep r i m a r yf a c t q r st h a ti n n u e n c et h em a c h i n e ds u r f a c ef i n i s ha r ea n a l y z e d t h e g e o m e t r i cm o d e lo fp r e - b u r n i s e ds u r f a c er o u g h n e s si se s t a b l i s h e d m a t e r i a lf l o w s t r e s s u n d e rb u r n i s h i n gc o n d i t i o n s ，t h ec o n t a c ta n df n c t i o nb e t w e e nt h eb u r n i s h i n gb a ua n d w o f k p i e c e ，h e a tg e n e r a t i o na n dh e a tt r a n s f c ra r es t u d i e d 3 d 丘n “ee i e m e n tm o d e lo f b u r n i s h i n gp r o c e s sa r ed e v e i o p e d t h ed e f b r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h ep e a k sa n dt h e i a wo fv a r i a t i o no fb u r n i s h i n gf o r c e sa r ea n a l y z e da sw e l la st h ed i s tr i b u t i o ni a wo f t e m p e r a t u r e ， r e s i d u a ls t r e s sa n ds t a i n t h ee f f 色c t so f b u r n i s h i n gp a r a m e t e r s ( b u m i s h i n gf o r c e ，s p e e d ，f e e d ，b a l id i a m e t e r ，n u m b e ro fb a i lp a s s e s ) o nt h es u r f a c e n n i s ha n dr e s i d u a is t r e s sw i t h i nt h eb u r n i s h e dw o r k p i e c ea r es t u d i e d a n dh i s t o r i c a l d a t a( r e s i d u a is t r e s s ，r e s i d u a is t r a i ne t c )f r o mt h ep r e v i o u sm a 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e ，i n c r e a s e sc o r r o s i o n r e s i s t a n c e ，a n di m p r o v e st h ef h t i g u es t r e n g t h k e y w o r d ：m e t a lc u t t i n g ；b u r n i s h i n g ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；m e c h a n i c a lm o d e l l i n g n u m er i c a ls i m u l a t i o n ： v 主要符号表 主要符号表 进给量 每齿进给量 切黼层厚度 主切削力 进给抗力 切深抗力 刀尖圆弧半径 切削速度 进给速度 主后角 酣后角 法前角 前角 主偏角 副偏角 刃倾角 密度 摩擦系数 抗拉强度 屈服强度 剪切应力 剪切屈服强度极限 剪切角 比热容 后刀面磨损带中部平均磨损量 厂正c匕n以0 t p t f t 矿c 瑚 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：弼乏拓 日期：口年积月2 ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位呛文的规定， 同意学校保留并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。本人授权华南理工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、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：曲毫移 导师虢摆讳 日期：砸年以月、日 曰期：1 叼悔月2 日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 零件的表面质量不仅影响其外表的美观度，而且对零件的耐磨性、耐腐蚀性、 耐疲劳性、配合性、承载能力、使用寿命以及能源消耗都要产生重大影响。传统 的表面精加工处理方式有密削、抛光、研磨及珩磨等，但是这些都属于切削加工 方式。切削加工后的表面是不规则的并且由于切削时所产生的高温，容易造成 表面变质层的产生，如果加工条件恶劣则会有颤纹、烧伤的情形发生。滚压加工 则是一种利用硬度高且表面光滑的滚球滚轮滚柱滚压材料粗糙表面，致使材料 表面的租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( 如旦l l 所示) 。滚压加工不仅能改善零件表面粗糙度，而且能使工件 表层金属的晶粒变细，并沿着变形最大的方向延伸，呈现纤维状，强化了工件表 面。滚压工艺与采用切削方式的精加工工艺( 磨削、抛光、研磨、珩磨、精车等) 相比具有以下优点：在保持预加工的精度下，可获得很高的表面光洁度。可 获得较好的表面硬度，提高了耐腐蚀性。可在工件表层残留有利的压应力，提 高耐疲劳强度和耐腐蚀性。可使工件表层金属组织细化和纤维化。设备简单， 操作方便易于实现自动化。 待 图1 i滚压加工原理图 f i g 1 一l t h e p r i n c i p l eo fb u r n i s h i n g 近年来，工业生产中。特别是在宇航、军事、汽车、机车等工业中，采用淬 硬钢制作的机器零部件日益增多。淬硬钢的精加工通常采用磨削加工方式，但其 华南理工大学博士学位论文 加工范围窄、投资大、生产效率低，容易产生质量事故( 如表面烧伤等) 和环境 污染，因此，人们试图用一种新型工艺来代替目前普遍采用的磨削方法。硬牟削 就是一种较为理想的淬硬材料加工方法。硬车削具有比磨削更高的加工效率，且 其所消耗的能量是普通磨削加工的1 5 。与磨削相比，硬车削一次装夹可完成多 种表面加工( 如切外圆、内孔、切槽等) ，因此，辅助时间短，并且能保证加工表 面之间高的位置精度。硬车削无须冷却液( 研究表明：硬切削加工过程中，切削 区内的高温可使剪切区工件材料退火变软，有助于切屑的形成，若冷却率过高， 就会减弱这种效果，从而加大机械磨损，缩短刀具寿命) ，因此可省去与冷却液有 关的装景，降低生产成本，简化生产系统，形成的切屑干净清洁，便于回收处理。 与磨削相比，硬车削不需特殊设备设备投资少，能更好地适应多变短小类型的 柔性化生产要求。但是，硬车削作为一种切削工艺，刀具的磨损会导致加工表面 质量下降，而且会在加工表面残留张应力，降低了零件的疲劳强度，严重影响了 硬车削的应用推广。如果采用滚压加工作为硬车削的后续加工工艺，则可以很好 地克服硬车削加工带来的这些不利因素。大量试验数据和工业应用表明，对金属 零件表层材料的局部掘压使其表层产生塑性变形能改善表层晶粒组织，产生冷 作硬化现象，使表层材料存在残余压应力作用。这对于提高零件的耐磨性以及抗 疲劳强度性能等具有非常明显的效果。滚压加工与同样可作为切削加工后续工艺 的喷丸加工相比，则具有下列优点：节省时间，提高生产效率。滚压加工与切 削加工可以在同一机床上同时进行，并且两者可以通过多种方式组合成复合加工 工艺。另外，滚压加工可以省去喷丸加工中反复设置工艺参数的时间。对于表 面结构复杂的零件( 小孔，复杂型腔等) 滚压加工同样可以保持高加工精度。 滚压加工无需像喷丸加工那样配备专用的设备，只需在现有的机床上增加相应的 装夹具即可，节省了成本。 滚压加工属于塑性成形的加工方式，该工艺的研究涉及塑性成形学、摩擦学 和材料学等学科，属于多学科交叉研究。到目前为止，国外已有不少学者从事有 关滚压加工的研究。大部分的研究文献主要采用试验方法，研究滚压力、工件材 料、滚球，滚轮直径、速度、滚压次数、进给量以及润滑剂等工艺参数对表面粗糙 度的影响；也有部分学者采用滑移线场法，通过简化粗糙峰的几何形状以及材料 的本梅关系来分析滚压加工机理。与国外相比，国内的研究则主要集中在滚压工 艺的应用以及滚压器的设计方面。从研究文献的回顾中可以发现，目前对滚压加 工的研究还存在以下几个方面的问题： 采用解析方法研究滚压加工具有明显的不足：a ) 很难对滚压加工过程进 行定量的分析和研究；b ) 由于在分析过程中不便采用复杂的材料本构关系、复杂 的接触边界条件以及粗糙峰几何形状，导致分析结果跟试验结果差异很大；c ) 通 常需要将滚压加工简化为平面问题进行分析，而滚压加工实际上是三维问题。 第一章绪论 采用实验方法分析滚压工艺参数对已加工表面质量的影响，虽然行之有 效，但是要评价和优化众多的工艺参数( 滚压力、速度、进给量、滚球滚轮直径、 滚压次数、润滑剂、工件材料、前续工艺的参数等) ，则会导致实验工作量非常大， 延长了试验周期，增加了生产成本。 目前大部分文献为了简化问题都将滚压加工独立出来进行研究，没有综 合考虑滚压工艺与前续工艺之间的联系。而实际上前续工艺及其工艺参数的选择 会影响到滚压加工的质量。例如，零件在前续工艺加工后得到的零件表面粗糙度、 表面硬度、残留应变以及残留应力对后续的滚压工艺参数的选择就具有重要的影 响。将滚压工艺放在整个零件加工工艺过程中进行考虑可以实现加工工艺的重新 整合和优化有利于提高加工质量和生产效率。 早期的研究大多以切削残留面积的最大高度理论公式作为评价滚压工艺 参数对己加工表面粗糙度的影响效应的依据，这与滚压加工的实际并不相符。滚 压加工属于无屑加工方式，材料表面的粗糙峰并没有被切除，而是被填补到波谷 中，故采用切削残留面积的最大高度理论公式来估算滚压加工后的表面粗糙度是 不恰当的。 由于没有合适的评价滚压工艺参数对表面质量的影响效应公式，目前还无 法有效地对滚压加工过程进行在线监测和控制。 针对以上研究工作中存在的问题，本文作者提出采用有限元法分析切削一滚压 复合工艺是非常有意义的，并且是行之有效的方法，尤其在评价和优化滚压加工 过程中众多工艺参数时相对于实验方法和解析方法优势特别明显。通过建立切削 滚压加工过程有限元分析模型，可以方便地分析切削参数以及滚压参数对加工表 面质量的影响规律得出工艺参数对滚压加工表面质量的影响效应公式，为进一 步研究滚压加工质量控制系统奠定理论基础。本研究的完成有乖l 于在学术上丰富 和完善切削加工和滚压加工理论，在实际应用中有利于宇航、军事、汽车、机车 等工业中零部件的精密加工，因而具有较高的学术价值和应用价值。 1 2 切削加工过程有限元分析的研究概况 1 2 1 金属切削变形过程概述 图1 2 所示为金属切削过程中的滑移线和流线示意图。金属切削过程中 切屑形成后，在切屑根部、前刀面和后刀面处工件大致可以划分为三个变形区。 华南理工大学博士学位论文 图卜2 金属切削过程中的滑移线和流线示意图 f i g l 2 t h es i i p l i n en e i da n ds t f e a m - i n eo ft h ef l o wi nm e t a ic u t t i n g ( i ) 第一变形区 从0 一线开始发生塑性变形，到d m 线晶粒的剪切滑移基本完成，这一区域 称为第一变形区( i ) 。试验表明切屑的形成过程是被切削层金属受到刀具前刀 面的推挤作用，迫使其产生弹性变形，当剪切应力达到金属材料屈服强度时便 产生塑性变形。在第一变形区中，切削变形的主要特征是切削层金属沿滑移面的 剪切变形，并伴有加工硬化现象。从金属晶体结构的角度来看，切削层金属沿滑 移面的剪切变形，就是沿晶格中晶面所进行的滑移。会属材料的晶粒，可假定为 圆形颗粒。晶粒在到达始滑移线0 爿之前，仅产生弹性变形，晶粒不呈方向性， 仍为圆形如图卜3 所示。晶粒进入第一变形区后，因受剪应力作用产生滑移， 致使晶粒变为椭圆形。椭圆的长轴方向就是晶粒伸长的方向或金属纤维化的方向， 它与剪切面的方向不重合，两者之间成一夹角。 蕊遵篾 ( a )( b )( c ) 图1 3 第一变形区晶粒滑移示意图 f i g 1 3 g r a i ns l i pa tt h ep r i m a r yd e f b r m a t i o nz o n e i l ( 2 ) 第二变形区 切屑沿刀具前刀面排出时会进一步受到前刀面的阻碍，在刀具和切屑界面之 i 旬存在强烈的挤压和摩擦，使切屑底部靠近前刀面处的金属发生“纤维化”的二 次变形，这部分区域称为第二变形区( i i ) 。 第一章绪论 ( 3 ) 第三变形区 由于刀具刀刃不可能绝对锋利，刀刃钝圆半径的存在使切削层参数中名义切 削厚度不可能完全切除，会有很小一部分被挤压到己加工表面，与刀具后刀面发 生摩擦，并进一步产生弹塑性变形，造成纤维化与加工硬化。这一部分的格子线 变形比较较密集，称为第三变形区( i i i ) 。 1 2 2 切削加工过程有限元分析的发展 切削加工是机械制造行业里应用最广的金属成形工艺，世界各国投入了大量 的人力和物力用于研究切削加工的机理。m e r c h a n t 根据切削层中的塑性剪切平面 应发生在消耗切削能量为最小的方向上这一假设，导出了著名的m e r c h a n t 切削方 程式嵋j 。l e e 和s h a f f e r 考虑切削过程中，刀具前刀面前方的切削层中所形成的塑 性变形区，因而根据滑移线场理论，提出了一个由均匀场构成的滑移线场切削模 型【 j 。s h a w 认为，由于切削过程中存在的约束效应，切削层中的塑性剪切平面和 最大剪应力的方向并不重合，而存在一个偏转的角度，据此导出了自己的切削方 程式【“。o x l e y 【5 6j 考虑了材料的加工硬化，并且考虑切削变形区实际上不是一个 塑性剪切平面而是具有一定厚度的薄层，提出一个考虑加工硬化、温度及应变速 率因素的分析模型，使理论分析的结果和试验结果有了较好的一致性。从切削模 型的发展过程可以看出，人们越来越倾向于采用更严谨的理论和更复杂的方法来 力图改善近似的方法，并致力于建立更完善的，即更接近于实际过程的数学力学 模型，以期得到更全面的分析结果。但是采用传统的解析法在求解考虑材料的加 工硬化以及几何非线性等复杂切削模型时往往导致不可解。近年来，随着计算机 性能和运算速度的迅速提高，有限元法不但自身日趋完备；在与其它技术相结合 方面也取得了较大的进展，如自适应网格划分，三维场建模求解，耦合问题和开 域问题求解等。有限元法在求解非线性和多场耦合方面的强大功能也同益显示出 来，从而被广泛地应用到切削加工过程的研究中。采用有限元法分析切削加工过 程不仅有利于对切削机理的理解，也是机加工工艺优化的有利工具。与直接试验 方法相比，费用低，耗时短，在考虑多因素的时候尤为明显；同时，随着计算机 的运算技术和视觉技术的发展，也必将促进虚拟加工的进一步发展。 最早采用有限元法研究切削加工的是z i e n k i e w i c z 【7 l 和k a k i n o 。z i e n k i e w i c z 于1 9 7 l 采用预先给定切属形状，然后加载刀具的方法，分析了在刀具加载过程中 工件材料发生塑性屈服的区域沿主剪切平面的扩张情况【7j ( 图l 一4 ) 。但他的模型 只考虑了工件材料在刀具的推挤作用下发生的小位移弹塑性变形：没有考虑刀屑 之间的摩擦以及工件材料流动应力受温度和应变速率影响的特性：并且事先就给 定了切屑的形状，而这恰恰是研究切削加工过程的重要目标。1 9 7 6 年s h i r a k a s h 华南理一f ：大学博士学位论文 图1 4z i e n k i e w i c z 的切削加工有限元分析模型【7 1 f i g 1 4 f i n i t ee l e m e n tm o d e lo fm e t a ic u t t i n gb yz i e n k i e w i c z 【7 和u s u i 对上述模型进行了改进，考虑了刀屑之间的摩擦以及工件材料流动应力受 应变、应变速率和温度影响的特性【9 l 。他们采用反复调整切屑形状，直到在某种 切屑形状下产生的塑性流动跟预先设定的取得一致，以此来获得切屑的形状。他 们采用的这种迭代收敛法( i t e r a t i v ec o n v e r g e n c em e t h o d ) 取得了成功，并在后续 的研究中得到了应用和进一步的发展【1 0 “。他们选用口铜作为工件材料，发现试 验得到的切屑形状和温度分布跟有限元分析结果相一致。采用刀具加载到预定切 屑上的方法可以大大减少计算量，但却忽略了材料的塑性流动与加载路径的相关 性。 图1 5 二维非稳态切削分析【1 3 j f i g 卜5 2 dn o n s t e a d ys t a t es i m u l a t i o no fm e t a lc u t t i n g 【3 1 9 8 4 年1 w a t a 等采用基于尤拉公式的刚塑性模型，并将上述的迭代收敛法中 的收敛判断标准改为流场，分析了稳态低速正交切削并且发现试验数据跟分析 结果有很好的一致性 沁l 。他们的模型里考虑了刀屑之间的摩擦、材料的加工硬化 和切屑的断裂，但是没有考虑切削热的影响。1 9 8 5 年s t r e n k o w s k i 和c a r r o l 采用 基于更新的拉格朗日公式弹塑性模型，并将等效塑性应变准则作为切屑分离准则， 6 第一章绪论 完成了第一个非稳念切削过程的模拟1 1 3 l ( 图1 5 ) 。图中刀具从工件右端逐渐切 入直到切屑完全形成及切削过程达到稳态。在这一时期，切屑分离准则成为研究 的热点。基于几何的和物理的准则相继提出，线性断裂力学理论也首次被用到研 究脆性陶瓷的切削加工中。但是真正意义上的摩擦模型和热力耦合模型都还没有 建立起来1 1 ”。 9 0 年代非稳态切削分析成了研究的热点，取得的进展主要有瞬态切削分析、 非连续切屑分析、三维切削分析以及用于研究刃前区金属流动效果的网格自适应 技术。m a e k a w a 与m a e d a 于1 9 9 3 年完成了基于迭代收敛法切屑形成的第一个三 维稳态切削分析【( 图1 6 ) 。s a s a h a r a 等于1 9 9 4 年完成了第一个非稳态的三 维切削分析【”j 。m a e k a w a 等于1 9 9 4 年在s a s a h a r a 的基础上进一步分析了温度和 应变速率的影响，并且开始将有限元法应用到刀具的设计中mj 。o b i k a w a 等于 1 9 9 7 年采用更新的拉格朗日公式、弹塑性、非连续切屑模型模拟了铜的低速切 削l i 。随着弹塑性模型应用到非稳态和三维切削的模拟中，基于更新拉格朗同公 式的刚塑性分析方法也得到了较大的发展。u e d a 等于1 9 9 6 采用更新拉格朗日公 式的刚塑性分析方法模拟铣削中螺旋卷曲切屑的生成，在切屑分离标准上，采用 网格重划技术代替几何分离准则实现切屑的分离f l ”。 图1 6 三维稳态切削模拟1 f i g 1 6 3 ds t e a d ys t a t es i m u l a t i o no f m e t a lc u n i n g 【l 近年来，美国俄亥俄州立大学由a l t a n 教授率领的团队与意大利布雷西亚大 学c e r e t t i 教授率领的团队进行合作，在刀具磨损、锯齿切屑形成、涂层刀具切削、 以及工件材料本构关系等方面进行了大量的研究，并取得了令人瞩目的成就 博2 ”。澳大利亚学者l i a n g c h iz h a n g 对切屑分离的不同准则进行了深入的分析和 比较l 。h a l i l 等比较分析了m s c m a r c 、s f t c d e f o r m 以及t h i r d w a v e a d v a n t e d 2 e 三种商业有限元分析软件在分析金属切削方面的异同点，以及各自存在的缺陷 【2 ”。台湾学者z o n e c h i n gl i n 【2 8 ，2 9 l 及日本学者s a s a h a r a 3 0 1 分析了切削参数对加工 华南理工大学博士学位论文 表面残余应力和应变的影响。与国外相比，国内这方面的研究起步较晚，相关的 研究还比较少f 3 卜”l 。 1 2 3 切削加工过程有限元分析的关键技术 1 2 3 1 协黼条件下工件材料的流动应力模型 切削过程中工件材料常常在高温( 2 0 0 l o o o 或更高) 、大应变( 1 或更 高) 和大应变速率(