（机械制造及其自动化专业论文）翅片切削—挤压复合成形技术的数值模拟与仿真.pdf

摘要 论文题目：翅片切削挤压复合成形技术的数值模拟与仿真 学科专业：机械制造及其自动化 研究生：王彦波签名： 指导教师：李言教授签名： 摘要 翅片管作为强化传热的核心元件，在工业领域有广泛的应用。本文对采用切削一挤压 成形方法加工的翅片管的成形过程进行数值模拟和实验研究，探索翅片管的成形机理及翅 片成形过程中的应力应变分布状态，以及加工过程中的切削力变化规律，对完善这一技术 具有重要的意义。 在讨论有限元基本原理和刚塑性成形理论的基础上，分析了切削一挤压成形分析过程 中刀具和工件的作用关系，建立了有限元模型；采用d e f o r m - 3 d 有限元分析软件，对翅片 形成过程的应力应变状态进行了模拟仿真，获得了翅片结构形状、应力应变的分布规律， 以及刀具的受力状态。 在成形过程分析的基础上，对刀具几何参数和加工工艺参数对翅片形状尺寸参数的影 响规律进行了分析，通过单目标和多目标相结合的方法，借助有限元仿真，获得了上述工 艺参数对翅片尺寸的影响规律，对实际应用有一定的参考价值。 在c a 6 1 4 0 车床上，对切削一挤压复合成形过程进行了系统的实验。论证了翅片几何参 数与刀具及工艺参数的关系，以及加工过程中切削一挤压力的变化规律。理论研究和实验 对比分析表明，仿真结果与实验结果的规律一致，相互吻合程度极高，证明了理论模型和 仿真过程的正确性，说明可以通过仿真获得较为可靠的结果，这为实际应用提供了一条有 效的参考选择途径。 关键词：切削挤压；翅片；有限元；模拟仿真 本研究得到了国家自然科学基金项目切削挤压复合成形过程机理和精确控制方法的 研究( 项目编号：5 0 4 7 5 0 3 9 ) 的资助。 努酽 一 - a b s t r a c t t i t l e ：n u m e r i c a ls l m u l a t i o nf o rt h ec u t t l n g p r e s s c o m p o u n ds h a p i n gp r o c e s so ff i n m a j o r ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n n a m e ：y a n b ow a n g s u p e r v i s o r ：p r o f y a nl i a b s t r a c t s i g n a t u r e il 逊嘶 s i g n a t u r e ：lf 掣坠 a st h ec o r ec o m p o n e n to fh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ，f i nt u b eh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di n i n d u s t r i a lf i e l d s i nt h ep a p e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lm e t h o d sa r eu s e dt os t u d y t h ec u t t i n g - p r e s sp r o c e s so ff i nt u b et o e x p l o r et h es h a p i n gm e c h a n i s mo ff i nt u b e ，t h e d i s t r i b u t i o no fs t r e s sa n ds t r a i na n dt h ec h a n g i n gl a wo ft h ec u t t i n gf o r c ei nt h es h a p i n g p r o c e s s ， w h i c hi so fg r e a ti m p o r t a n c et op e r f e c tt h i st e c h n o l o g y b a s e do nd i s c u s s i n go ff e mp r i n c i p l ea n dt h er i g i dp l a s t i cs h a p i n gt h e o r y , t h ea c t i o n r e l a t i o nb e t w e e nc u r e ra n dw o r k p i e c ei sa n a l y z e di nt h ec u t t i n g p r e s ss h a p i n gp r o c e s s ，t h e f e mm o d e li sb u i l t ，t h ec o n d i t i o no fs t r e s sa n ds t r a i ni ss i m u l a t e di nt h es h a p i n gp r o c e s s t h r o u g ht h ef e m s o f t w a r ed e f o r m 一3 d t h es h a p eo ff i n ，t h ed i s t r i b u t i o nl a wo fs t r e s sa n ds t r a i n a n dt h ef o r c e ds t a t eo fc u t t e ra r eg e t i nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h es h a p i n gp r o c e s s ，t h el a wo ft h ee f f e c t so fc u t t e r sg e o m e t r y p a r a m e t e r sa n dp r o c e s sp a r a m e t e r so nt h es h a p ea n ds i z e sp a r a m e t e r si sr e s e a r c h e d w i t ht h e h e l po ff e ms i m u l a t i o n ，t h el a wo fe f f e c t so fp r o c e s sp a r a m e t e r so nt h ef i n ss h a p ea n ds i z ei s g e tt h r o u g ht h em e t h o do fc o m b i n i n gt h es i n g l ea n dm u l t i o b j e c t i v e ，w h i c hh a sc e r t a i n r e f e r e n c ev a l u ei nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h es y s t e m a t i ce x p e r i m e n to ft h ec u t t i n g - p r e s ss h a p i n gp r o c e s si sd o n eo nt h el a t h eo f c a 61 4 0i nt h el a b o r a t o r y t h er e l a t i o nb e t w e e nf i n sp a r a m e t e r sa n dc u t t e ra n dp r o c e s s p a r a m e t e r s ，t h ec h a n g i n gl a wo ft h ec u t t i n gf o r c ei nt h em a c h i n i n gp r o c e s sa r ev a l i d a t e d t h e o r e t i cr e s e a r c ha n de x p e r i m e n t a lc o n t r a s ts h o w st h a tt h el a wi sc o n s i s t e n ti nt h er e s u l t s b e t w e e ns i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t ，t h es i m u l a t i v er e s u l tc o i n c i d e sw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s v e r yw e l l ，i ta l s op r o v e st h a ti ti sr i g h tt ot h et h e o r e t i c a lm o d e la n ds i m u l a t i v ep r o c e s s ，i ta l s o m a k e so u tt h a tt h er e s u l to fs i m u l a t i o ni sc r e d i b l e ，a l lo fw h i c hw i l lo f f e re f f e c t i v er e f e r e n c e s i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：c u r i n g p r e s s ；f i n ；f e m ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 西安理工大学硕士学位论文 t h i sd i s s e r t a t i o ni ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n t h er e s e a r c ho f c u t t i n g p r e s sc o m p o u n ds h a p i n gm e c h a n i s m a n da c c u r a t e c o n t r o l l i n gm e t h o d ( n o ： 5 0 4 7 5 0 3 9 ) i v 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谫| 。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名： 重塑爿窆昭年弓月弓p 日 论文作者签名： 垒摇爿垄锨年弓月弓p 日 学位论文使用授权声明 本人重杰型量在导师的指导下创作完成荜业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说 论文作者签名：重燕型曼导师签名脾弓月弓d 日 1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景 随着社会的不断发展，整个社会对能源的需求业越来越大，导致了能源及相关原材料 的价格不断上涨，同时以消耗能源为支撑的产业，也给我们赖以生存的生态环境及人类的 家园一地球带了前所未有的危机和挑战，这致使开发节能环保的新型产品成为了当务之急。 尤其是对于化工、制冷、动力、核能、石油、以及航空等工业部门，能否提供节能和环保 型产品以及在生产过程中能否节约能量和原材料及提高生产效率，已成为这些领域部门的 重要研究课题。目前，在制冷工业中，就蒸发器、冷凝器、散热器等热交换的表面而言， 这类功能表面大都采用压力加工、组装式结构或其他特种加工方法来制造【1 】，这些加工方 法的缺点是：工艺复杂、传热及散热效率低、浪费材料等。 翅片管作为强化传热的核心元件已广泛应用于各工业领域，其质量的优劣直接影响强 化传热的性能。怎样解决这些问题以提高散热翅片管的加工工艺及散热效率，国内外专家 提出了许多有效的解决途径，主要是通过改变肋片或翅片的结构形式，增加热交换器的表 面积来提高热交换器效率。其中，蜞片式结构比较理想的结构，与组织式结构相比，材料 节省2 5 ，效率提高5 。翅片管一般有内翅片管和外翅片管两种，外翅片管一般是用机 械的方法在光管外表面形成一定片距、一定高度、一定厚度的翅片，与光管相比，在金属 消耗量相同的情况下具有更大的传热面积并可以改善流体的流动状态，因而传热效率更 高。翅片管按照制造方法的不同可分为整体翅片管、焊接翅片管和机械连接翅片管。其中 整体翅片管是由基体材料直接加工成的，翅片和基管之间无连接热阻。整体式翅片管是根 据原苏联a p o l l o n o v 教授提出的“变形切削法”的概念来加工的，即利用普通切削的方法， 通过塑性变形来加工散热片【2 ，3 1 。在参考了国内外专家的翅片加工理论的基础上，通过大 量研究，1 9 9 8 年西安理工大学的李言教授根据“变形切削法”的思路，针对制冷、空调、 化工、核能等行业中经常遇到的散热问题，提出了一种新型的加工方法，即切削挤压复 合成形方法【倘1 。 该方法是通过先切削后塑性挤压的成形方式，在普通机床上利用切削一挤压复合成形 方法来加工高效率的传热表面，在理论上具有很大的创新和新颖之处，对翅片加工方式提 出了创新性的改进；另外，这种加工方法加工出来的功能表面还可以应用在过滤表面、机 械零件上供合金元素扩散涂覆的表面、金属强化表面、螺纹表面等方面，具有广泛的应用 前景。针对这种技术的研究与开发，必将对整个散热器行业的生产和发展注入前所未有的 推动力，所以对采用切削挤压成形方法加工翅片进行研究具有重要的价值和意义。 1 2 翅片管及其加工方法 西安理工大学硕士学位论文 翅片通常有如图1 - 1 所示的管式趟片和且图1 2 所示扳式翘片两种，趔人多采川机 械的方法扯扳料或基体上j 眵成一定片距、一定高度、一定厚度的翅片，这样可以改善流体 的流动状念，冈i 面传热效率比较崭。翅片按照制造方法的不同可分为整体翅 、焊接翅片 和机械连接翅片其i + l 采用整体武方式直接 i l 工成形佝翅片，翅片和基座之问无接触热| i | 1 因此受到了国内外学者的广泛重视，已丌发出了各种结构形式的高效传热翅片。 瞧 图i - i 管式翅片管 f i gi t t h e f i n t u b e 图1 - 2 板式超片 f i gi - 2t h e p l a t e f i n s 翅片的加工方法多利哆样国内外很多学者专家都提出了多种加工翅的方法。 ( 1 ) 劈切一挤压加工方法。该方法是一种挤压和无屑切削的复合 i l 工方法，就是在 普通车床上按通常的切削加工方式，在专用刀具将管表面金属劈切开后，随着挤压量的增 加，金属沿径向和轴向流动，通过径向和轴向挤压使盒属塑性变形形成翅片。 ( 2 ) 双面犁法。即用特殊设计的加工工具使基管表层金属产生塑性变形，形成三维 翅片结构。该加工方法是一种金属无浪费成形过程，在整个加工过程中表层金属在加工 工具的作用下经受了两次挤压，在j i ：| 工工具的压力怍片j 下，经过复杂的塑性流动后发生塑 性生形，从而形成最终的表层强化结构三维翅片。 ( 3 ) 正犁削。此方法如有别于翅形成于刀具侧边的犁削，形成的翅位于刀具j e 前方， 其涉及切削和塑性变形两个领域，它通过切削与挤压以无屑加工方式形成翅，其加工是间 歇性的非连续过程且每个翅的形成过程中，刀屑接触面积不断变化，即是逐渐增人的。 用该方法加工出来的翅片就象从尖锥的顶峰沿高度方向切成两半后得到的形状，从扳的表 面凸h 。 ( 4 ) 犁切挤眶成形。该方法是指不锈钳基体衷层金属在加工刀具的犁田、挤雎r ， 1 绪论 经过充分的塑性流动后，发生连续局部塑性变形，形成高于基体表面的三维翅片。其犁切、 挤压方式如轮船的流线型船头把水犁开一样，且实现翅片的无屑或微屑加工。在整个加工 过程中，加工工具在表层金属上进行了两次挤压。该加工不同于传统的切削加工，其差异 在于所用刀具的不同，犁切挤压成形加工用的刀具可以归为成形刀具一类。 ( 5 ) 滚压一犁切法。该加工方法包括滚压和挤压一犁切两个步骤，是一种具有犁切和 挤压塑性变形两方面特征的无屑加工方法，用该种方法加工操作简便，形成的外翅片高度 远大于吃刀深度。用该方法) h 1 1 t a 型翅片时分两步，先用特殊制作的滚花刀，在光管外表 面单向滚花，然后用专用的刀具，进行挤压一犁肖t j j n 工。在没有切除多余金属情况下，而 且形成了高度远大于吃刀深度的外翅片。 ( 6 ) 滚压一犁切法。该加工方法包括滚压和挤压一犁切两个步骤，是一种具有犁切和 挤压塑性变形两方面特征的无屑加工方法，用该种方法加工操作简便，形成的外翅片高度 远大于吃刀深度。用该方法加工a 型翅片时分两步，先用特殊制作的滚花刀在光管外表面 单向滚花，然后用专用的刀具进行挤压一犁削加工。在没有切除多余金属情况下，而且形 成了高度远大于吃刀深度的外翅片。 本文针对管式翅片，研究采用切削一挤压成形方法加工翅片管的成形过程。 1 3 切削加工过程的有限元分析 有限元法与其它塑性加工模拟方法相比，功能强、精度高、解决问题的范围广。它可 以采用不同形状、不同大小和不同类型的单元离散任意形状的变形体，适应于任意速度边 界条件，可以方便地处理模具形状、工件与工具之间的摩擦、材料的硬化效应、速度敏感 性以及温度等多种工艺因素对塑性加工过程的影响，能够模拟整个金属成形过程的流动规 律，获得变形过程任意时刻的力学情况和流动情况，如应力场、速度场、温度场以及预测 缺陷的形成和扩展。 从国内外对切削加工研究的论文和文献来看，大多采用有限法及相应的软件来研究该 领域的相关课题。有限单元法，简称有限元法，是随着计算机技术的发展而迅速发展起来 的一种现代计算与分析方法【j 7 ，8 1 。有限元法能够很好的完成对复杂结构进行各种分析，它 求解问题的关键在于将求解区域划分为成千上万的小单元，并通过节点把各个单元连接成 为一个整体。可由单元节点通过选定的合适函数关系插值求得单元内部各节点的待求量 7 1 1 9 1 o 采用有限元法的优势如下： ( 1 ) 利用离散化思想把对具有无限自由度的连续实体的分析问题离散成有限个单元 和节点参数的计算与分析，把问题简单化，通过控制计算误差来提高计算精度，这种思路 和方法几乎可以处理各种工程分析问题。 ( 2 ) 边界条件的设置，内部和边界单元都采用相同的场变量函数，而且当边界条件 3 西安理工大学硕士学位论文 改变时，场变量函数则不需要改变，这种对内部场函数和边界的设置，对编制通用化程序 提供了很大的方便。 ( 3 ) 有限元法的分析范围不仅包括复杂的几何形状和边界条件，而且可以自行设置 各种材料的属性，所以其应用范围比较广泛。 ( 4 ) 有限元法通常采用矩阵表达式，对于编制计算机程序非常有利，适合于采用计 算机来计算和分析问题 有限元法作为一种数值模拟计算方法是研究和解决工程科学问题的重要工具，与之相 对应的有限元软件，其通用性良好，可以求解固体力学、热传导、流体流动、电磁场、声 场等问题【9 】。有限元软件已成为解决各种工程问题的必备工具。 作为机械加工中最常用的加工方法之一，切削加工是通过刀具切除工件表面多余材料 来获得理想的工件形状、尺寸以及表面光洁度的机械加工方法。近年来，对于特殊功能表 面加工，比如翅片管的加工，切削一挤压成型技术也得到广泛的研究和应用。由于采用传 统的解析和实验研究方法，很难对切削加工的机理进行定量分析和研究，再加上切削工艺 本身就相当的复杂，比如切屑和刀具之间的摩擦状态、切屑与工件的分离标准和积屑瘤的 效果等，因此仅仅通过解析求解是无法进行的。采用有限元数值模拟技术可以对金属切削 变形机理和切屑形成理论进行定量地研究，能够在虚拟的环境中近乎真实的仿真金属切削 加工过程，可以提前预测金属切削加工的效果，同时也可以指导实际加工中刀具的设计和 加工工艺参数的设置。 伴随着计算机技术、计算力学和编程技术的发展，有限元数值模拟技术，已在切削加 工领域得到了广泛应用，各种通用的有限元软件也相继诞生，如d e f o r m 、a n s y s 等。有 限元软件能够为工程设计人员提供金属变形的规律和切肖, j j j n 工中的各种相关数据，对于探 讨切削过程中金属成形机理，掌握其变形规律，合理的设计和选用相关的切削参数有很大 的帮助。采用有限元数值模拟技术，可以代替大量的现场实验，同时大大提高分析的精度 和工作效率。 本文采用通用有限元软件d e f o r m 3 d 来对翅片管的切削一挤压复合成形加工过程进 行了动态仿真和模拟。 1 4 课题来源及其研究意义 本课题结合国家自然科学基金项目“切削一挤压复合成形过程机理及精确控制方法的 研究 ，针对翅片管切削一挤压复合成形过程进行数值模拟和实验研究。切削一挤压复合 成形技术是在一次连续切削一挤压成形过程中，让刀具主切削刃切开被加工工件的表层金 属，同时又通过前刀面和副切削刃的二次塑性挤压变形，使之直立与展平，形成具有一定 形状和尺寸的功能表面的技术。与传统的加工方法相比，被切开的那一层金属没有变成废 料切屑，而是和基体材料牢固地联结在一起，使切屑变成功能表面的一部分，从而形成兼 有金属切削加工和塑性挤压成形特征的无废屑复合技术。 4 1 绪论 图卜3 是在普通机床上进行翅片整体成形加工过程的示意图。其中l 是刀具，2 是试 件。在切削挤压过程中刀具主切削刃按进给量厂和切削深度a p 切丌一层金属，该层金 属在前刀面和副切削刃的挤压作用下，形成连续不断的翅片结构。随着切削一挤压过程 的不断进行，原来光滑的表面变成了翅片表面。 本课题针对切削一挤压复合成形过程，采用合适的有限元软件和数值模拟方法，对翅 片的复合成形过程的机理及翅片成型控制的方法的进行研究，以揭示采用这种特种加工方 法的金属变形规律以及切削层变形与刀具之间的作用关系、加工后翅片的翅高和翅厚与加 工参数的关系；探索如何实现在一次连续的切削一挤压复合成形过程中，使金属层不脱离 基体，并按预定的要求直立和展平且与基体固连，分析切屑与基体分离的准则；找出影响 成形表面结构形状和尺寸特征控制参数的变化规律，以完善切削挤压复合成形技术理论基 础。最后，通过实验与模拟结果进行对照，验证本文的研究成果，来为今后翅片管在工业 中的设计、加工及应用提供有效的参考依据。 月一一 图1 - 3 切削挤压成形原理图 f i g 1 3p r i n c i p l eo ft h ec u t t i n g - p r e s ss h a p i n g 1 4 本文主要研究内容 本文以采用切削一挤压复合成形方法加工的翅片管为研究对象，对翅片管的成形过程 进行理论分析，建立有限元模型，通过有限元软件d e f o r m 对翅片管的成形过程进行数值 模拟，以获得翅片和刀具的应力应变分布状态、刀具参数和工艺参数对切削力的影响规律， 揭示刀具参数和加工工艺参数对翅片外形尺寸、翅高、翅厚的影响规律，并通过实验对仿 真结果进行验证。 按照以上的内容，本文各章节的安排如下： 第一章：绪论。主要介绍翅片管加工的发展状况，揭示采用切削一挤压成形法加工翅 片管的意义，提出本文的研究内容。 第二章：翅片管的切削一挤压成形及有限元法的基本理论。主要介绍金属切削理论、 弹塑性力学理论和有限元法理论等。 第三章：基于d e f o r m 软件的刚塑性有限元模型分析。主要介绍d e f o r m 软件的关键 功能模块，刚塑性模型理论和材料流动应力方面的相关知识。 5 西安j 1 2 _ t - 大学硕士学位论文 第四章：翅片切削一挤压模型的建立。主要介绍建立前处理模型中的一些关键技术， 如网格的划分方式、摩擦模型和分离标准的选择等。 第五章：翅片切削一挤压成形过程的仿真。主要通过软件仿真，来研究翅片的成形过 程，同时分析了切削挤压过程中切削力的变化情况和刀具的受力情况。 第六章：翅片切削一挤压成形过程实验的研究。本章主要是对切削挤压实验的数据结 果进行了处理和分析，并对仿真结果( 切削力、翅片参数、刀具的受力等) 进行了分析， 从中获取这些因素对翅片成型的影响规律，并通过相应的实验加以验证，分析仿真与实验 数据差异的原因，从而为以后的翅片实际加工提供参考依据。 第七章：总结和展望。主要介绍本文研究的成果和以后需要继续研究解决的问题。 6 2 切削一挤压成形及有限元法的基本理论 2 切削一挤压成形及有限元法的基本理论 切削挤压成形过程的数值模拟分析相当复杂，再加上金属的切削过程本身就是一个高 度非线性过程，整个理论体系涉及到多门学科，如金属切削原理、弹性力学、塑性力学、 传热学、有限元理论、材料力学、理论力学等。为了使分析更准确和接近实际情况，必须 要将这些学科结合起来综合分析 1 0 , 11 】。 2 1 金属切削变形原理 在模拟仿真切削挤压复合成形的过程之前，首先要对切削加工中切屑的形成、前刀面 与金属层之间的接触过程、前刀面和后刀面与金属层的挤压与摩擦、切屑变形规律等机理 有一个比较全面和深入的了解。 2 1 1 金属切削层变形 金属切削过程中，切屑形成后，在切屑根部和刀具的前、后刀面，工件被划分为三个 变形斟1 0 】【1 2 _ 15 1 ，如图2 1 所示。 i i 图2 - 1金属切削过程中的流线和滑移线示意图 f i g 2 1 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f s l i d i n gl i n ea n ds t r e a ml i n ei nt h ep r o c e s so f c u t t i n gm e t a l 在图中的i 区域内，工件发生塑性变形，从o a 到o m 晶粒的剪切滑移基本完成， 这一区域称为第一变形区。这个变形区，在翅片的切削挤压过程中，就是指刀具的主切削 刃按照指定的切削深度，切开切入金属表层，被切开的金属层发生剪切滑移塑性变形，形 成和基体在根部相连的“切屑 ，顺着前刀面流出，也就是论文所讲的切削阶段。 图中i i 区域，切屑从前刀面流出时受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面处金属纤 维化，基本上和前刀面保持平行，这一区域称为第二变形区。同样，在翅片的加工过程中， 被切开的金属层同样会受到前刀面的挤压和摩擦，在沿着前刀面的扇形区流动时，在翅片 的挤压过程中，由于不同的位置的流动速度不同，外部金属流动速度快，因此，在前刀面 7 西安理工大学硕士学位论文 进一步的挤压和摩擦作用下，使之逐渐翻转直立起来，这和普通的切削加工是不同的，在 普通的切削加工中，此过程中，塑性好的金属的被切开层会形成快速卷起形成即将从基体 掉下的切屑。 图中i i i 区域，己加工表面受到切削刃钝圆部分和刀具后刀面的挤压与摩擦，产生变形 与回弹，造成纤维化和加工硬化，这一区域为第三变形区。同样，在翅片的切削挤压过程 中，后刀面也和已加工的表面会产生挤压和强烈的摩擦，不过这和翅片成形加工没有太大 的关系，仅仅影响的是加工后基管上已加工过表面的粗糙度，对翅片管的散热效率会有一 定的影响。 翅片的切削挤压和普通的金属切削加工的不同之处在于，当金属层经过前刀面的挤压 和摩擦，逐渐翻转直立，经过副切削刃时，会受到副切削刃的挤压，发生塑性折弯而形成 翅片，在普通切削中，被切开的金属层，到达副切削刃后，一般情况下会从基体上掉下来， 形成切屑。因此，通过文中设计的刀具可以运用金属切削加工的原理，加工出用于散热效 率很高的翅片管。 在第一变形区，金属材料变形的主要特征就是金属层沿滑移线的剪切变形，以及随之 产生的加工硬化。第一变形区的宽度与刀具的切削速度有很大的关系。当切削速度低时， 第一变形区较宽，正如图2 1 所示，而当切削速度较高时，这一区域变得很窄，宽度仅为 0 0 2 0 2n l n ，所以一般情况下第一变形区可用一个面来代替。剪切面与切削速度方向之 间的夹角称为剪切角，用咖表示，即剪应变来衡量变形程度的，变形系数毒，舴表示刀具 前角，这几个变量之间的关系式可表达为： f ：! 竺墼壁二丝2( 21 ) s i n q 5 l 。 2 1 2 切屑变形规律 金属切削过程是指通过切削运动，由刀具从工件上切下多余的金属层而形成切屑和已 加工表面的过程，在整个加工过程中了解切屑的变形规律，对于提高切削加工质量、降低 成本和提高生产率等问题具有非常重要意义。影响切屑变形的主要因素有：工件材料，刀 具，切削用量等【1 3 - 15 1 。 ( 1 ) 工件材料对切屑变形的影响 从性能指标上讲，工件材料硬度和和强度越高，切屑变形程度越小，有利于提高已加 工表面的质量； ( 2 ) 刀具几何参数对切屑变形的影响 影响切削变形的主要是前角和剪切角咖，增大刀具前角和剪切角，可以减小切屑的 变形程度； ( 3 ) 切削用量对切屑变形的影响。 2 切削一挤压戍形及有限元法的基本理论 在无积屑瘤的情况下，切削速度越高，变形系数越小。因为当切削速度高于切屑塑性 变形速度时，切屑未来的急变形就已经完成滑移，所以剪切角西会增大，从而使变形系 数专减小；同时由于切削速度增大，摩擦系数减小，同样会导致剪切角咖增大，变形系数 毒减小。同样在无积屑瘤情况下，进给量厂越大，变形系数毒越小。因为厂增大，剪切角咖 增大，变形系数专减小。切削深度a p 对变形系数的影响很小。 2 1 3 刀具与接触表面的挤压和摩擦 金属材料在第一变形区主要是受到剪切，当被切开的金属层沿着前刀面流出，由于受 到前刀面的挤压和摩擦，进一步加剧了切屑层材料的变形程度，前刀面与切屑层接触区便 是图2 1 所示的第二变形区。全面了解前刀面和切屑层之间的摩擦状态对于正确地模拟切 屑的成形过程是相当重要的。第三变形区的特征是：切屑底层靠近前刀面处纤维化且与前 刀面保持平行，流动速度减缓，在靠近刀尖处还会出现短暂的滞留现象，使切屑发生较大 变形并产生弯曲。在切削加工过程中，前刀面和切屑层之间压力很大，温度也很高，使切 屑底部与刀具的前刀面发生粘接现象，排屑不畅，加剧了第一变形的剪切滑移，从而对剪 切角产生了影响。因此，为了比较准确的模拟切削过程，要对前刀面和切屑之间的摩擦状 态进行深入的了解。同时，虽然后刀面和已加工表面的摩擦状态对切屑的变形影响不是很 大，但还是有必要了解它们之间的摩擦状态，因为它们之间的摩擦状态直接决定着已加工 表面的质量【2 仉2 1 】。 在第二变形区，前刀面与切屑层之间的摩擦状态很复杂，切屑与前刀面之间不是一般 的外摩擦，而是切屑和刀具粘结层与其上层金属之间的内摩擦。这种内摩擦实际上就是金 属内部的滑移剪切，它不同于外摩擦，( 外摩擦力的大小与摩擦系数以及正压力有关，与 接触面积无关) 而是与材料的流动应力特性以及粘结面积大小有关。图2 2 为刀具与切屑 接触面有粘接现象的摩擦情形。 具 图2 - 2 切屑与前刀面摩擦情况示意图 f i g 2 - 2 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ff r i c t i o n a lc o n d i t i o nb e t w e e nt h ec h i pa n dt h er a k ef a c e 9 西安理工大学硕士学位论文 刀一屑接触摩擦区域分为二个部分：粘结部为内摩擦，滑动部为外摩擦。从图2 2 可 以看出接触区内摩擦比外摩擦大的很多，所以仿真中要着重考虑内摩擦。也可以看出前刀 面上的正压力以在刀尖处最大，并沿着前刀面逐步减小为零。因为在摩擦区以内摩擦为 主，假设摩擦系数是一定的，从而可以得到前到面与金属层接触区之间剪切屈服强度与正 应力之间的关系： “：曼：丝：三( 2 2 ) j f ，or a f 0 t 其中，为前刀面上的平均摩擦系数；毋为前刀面上的摩擦力；e 为前刀面上的法 向力；a ，为刀具与切屑层的接触面积。 2 2 塑性变形理论基础 2 2 1 弹性变形和塑性概念 金属受到外力的作用，内部产生内力，其形状和尺寸就发生了改变，这种尺寸的改变 称为变形。变形分为弹性变形和塑性变形。在外力作用下，金属内力使原子离开了平衡位 置而处于不稳定的状态，此时，原子间距发生了改变，导致了原子之间出现了相互的吸引 力和排斥力，一旦去掉外力，原子间的相互作用力使原子恢复到原来的位置，在宏观上表 现为金属体的外形也恢复到了原来的尺寸和形状，这就是金属体发生弹性变形的过程。当 弹性体的变形增加，原子偏离原始的平衡位置也越来越远，这时去掉外力，原子也不能恢 复到原来的位置，这就发生了塑性变形【1 6 。19 1 。 可以看出，金属在塑性变形前，必须首先发生弹性变形，即所谓的弹性变形过渡到塑 性变形，这就是弹一塑性共存定律。在本文的仿真中，把工件定义为刚塑性，不考虑它的 弹性变形，这与实际的加工是有一定误差的。 所谓塑性，是指金属或合金承受外力作用下，能稳定地发生永久变形而不被破坏其完 整性的能力。它反映了金属承受塑性变形的能力。影响塑性变形的外部因素主要有变形、 温度、变形速率及变形的力学状态等。 2 2 2 应力与应变的基本理论 要研究工件的变形，首先要了解工件内部任一点的应力状态，通过了解工件内部的应 力状态来从微观上研究工件的变形程度。为此，假设物体是由无数个小立方体组成的，每 一个小立方体代表物体内部的一点，了解物体内部点的状态就是要研究小立方体各个面上 受到的力的大小和方向【2 2 五4 1 。 ( 1 ) 任意点的应力与应变表示方式 l o 2 切削一挤压成形及有限元法的基本理论 = 耄暮差 ( 2 3 ， 同样点的应变状态也可以由一个有九个分量组成的张量来表示，即白，它的矩阵 白= 融荽 晓4 ) l 坛如乞j 其中，为应力张量的缩记符号：白为应变张量的缩记符号；角标i 和分别表示x 、 应变方向，该方向上只有正应变，称为主应变，用毛、龟、乞表示，则有： 6 3 一以盯2 一a o - a = 0 ( 2 5 ) j t = o x + ap + a z 以= 一( q 仃，+ 盯，+ 2 吒+ 吒吒) + 弓+ + 己 ( 2 6 ) 以= c rc r y 吒+ 2 勺r 。一吒一仃y 乞一吒f 三 墨蔓蓦 = q i c 勺，。乞蔓， + 童昙量 s 1 勺= io i - 0 001 l 乞 o l 0 毛j ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 西安理工大学硕士学位论文 l 3 ) ，寺双心刀及衄父 物体内部任一点可l t l ) k 个等倾面围成一个封闭的八面体，此等倾面称为八面体，平面 上的应力叫八面体应力，任意一个等倾面上的法线方向余弦都相等，八面体平面的方向余 弦： z = ，l = ，l = 万1 ( 2 1 。) ) k i w i 体上的正应力吼和剪应力可分别表示为： 吼= 砰，2 + 砖胁2 + 9 2 珂2 = 五5 ( 2 1 1 ) = 三厄i 而i 了而= 层以 ( 2 1 2 ) j yj 其中，以为应力张量的第一不变量，为应力偏张量的第一不变量。 在塑性力学中，把八面体剪应力乘以去称为等效应力或应力强度，用仃表示： v 二 孑= 去气= 击厄i 瓯i 再百可 ( 2 1 3 ) 等效应力用应力偏张量来表示： ；= 玩 ( 2 1 4 ) 由上面公式知，等效应力是一个与坐标系无关的量。等效应力盯与球张量无关，只与 应力偏张量或形状改变( 塑性变形) 有关。 和前面所讲的等效应力一样，变形体同样存在等效应变占。 占= 妻( q 一乞) 2 + ( 岛一岛) 2 + ( 岛一占i ) 2 ( 2 1 5 ) 3 以上讨论的应变为全量应变，它反映单元体在某一变形过程阶段或终了时的变形大 小，全量应变是小变形的基础，全量应变是某时刻以前变形的积累。而金属的切削变形属 于大的塑性变形，塑性变形理论采用应变增量来研究这个问题，应变增量就是变形过程中 某一极短阶段的无限小应变。采用几何方程来表示应变增量与位移增量之间的关系，一点 的应变增量也是二阶对称张量如公式( 2 1 6 ) 所示。 id & d d i d 白= id 嵋d l ( 2 1 6 ) ld 坛d 岛d 乞l 2 2 3 屈服准则 1 2 2 切削一挤压成形及有限元法的基本理论 变形体内任一点的应力状态是由六个独立的应力分量所确定的，当各分量与材料性能 之间符合一定的关系时，材料进入塑性状态。这种关系被称为屈服准则。如下所示： f ( c r a ) = c ( 2 1 7 ) 其中，c 是一个只与材料的性质有关的常数；表示吒、仃y 、吒、r 。 简单的说就是当物体受到的应力达到屈服条件时，材料开始发生塑性变形【嘛”】。 c 与材料的性能有关，可以通过试验得来。国内外人士提出了很多种屈服准则，但是 大家都普遍认可米塞斯( m i s e s ) 和屈雷斯加( t r e s c a ) 屈服条件。 a 屈雷斯加屈服准则 表达式为： 1 = 寺( q - , r 3 ) = c ( 2 1 8 ) 二 或 q o 3 = 2 c ( 2 1 9 ) 其中，c 取决于材料在变形条件下的性质，与应力状态无关。公式的含义为当物体内 某一点的应力状态的最大剪应力达到一定值时，材料由弹性状态进入塑性状态。 b 米塞斯屈服准则 表达式为： ( q c r 2 ) 2 + ( 吒一吒) 2 + ( 玛一q ) 2 = 6 k 2 ( 2 2 0 ) 其中，k 在纯剪状态下达到屈服时实验求得的：k = f 。其物理意义为，当材料的单 位体积弹性变形能到达一定值时，材料开始屈服，进入塑性状态。 材料的这两个屈服准则，对于塑性材料来说是普遍实用的，在实际中的效果也很接近， 但是前人经过大量的试验表明，米塞斯屈服准则更加复合实际。 2 2 4 应力与应变的关系 物体在外力作用下会产生相应的应力状态，即应力与应变之间存在一定的关系。在弹 性变形阶段，应力与应变为线性关系，但是在塑性阶段，应力与应变之间的关系不再是线 性的了，与瞬间应力、应变、加载历史和屈服条件都有一定的关系。在材料学里，把塑性 阶段应力与应变之间的关系，称为本构方程。在本文中采用了刚塑性有限元模型，所以了 解塑性阶段应力与应变关系，是非常必要的。 在塑性力学里描述变形规律的理论为增量理论，又称为流动理论，表示的是应变增量 ( 应变速率) 与应力之间的关系。 塑性流动方程关系式： 堕：塑一， ( 2 2 1 ) - ：一= 一，r t ， 1 3 西安理工大学硕士学位论文 其中，d 占o d t = e u 为应变速率张量；e 兄e t = a ，以为应力偏量。 在仿真翅片成形的过程中，假设定工件的材料为刚塑性，即没有弹性阶段，而普朗特 一劳伦斯方程可以忽略弹性应变，所以采用这个方程与仿真中假设的条件非常相符。 表达式： d 弓= 以屯+ 壶d 西 ( 2 2 2 ) d ：毕d ( 2 2 3 ) 其中，d 是应变增量张量，反映材料形状变化；d 是应变增量球张量，反映材料 的弹性体积变化；g 为弹性模量，e 为剪切模量，为泊松比。 2 3 有限元分析 有限元法的基本原理就是把一个连续的求解域离散为无数多个单元的组合，这些单元 通过单元上的节点相互连接在一起近似的描述这个实体。同时利用每一个单元内假设的函 数来近似的表示全求解域上待求的未知场，未知场函数在单元各个节点上的数值和插值函 数来表示单元内的近似函数。这样未知场函数的节点值就成为了新的未知量，从而实现了 连续的无限自由度问题变为离散的自由度的问题。通过计算单元节点上变量值来近似表达 物体在受n # i - 力作用时内部各个质点的变化，包括应力，应变，位移等物理量。从而可以 得知在宏观外力作用下受力物体内部的变化情况 2 3 - 2 7 1 。进行有限元分析的几个步骤如下： ( 1 ) 离散化 离散化简单的讲就是把一个连续的实体离散为一定数量的单元的集合体。离散化对于 有限元来说是非常关键的一个环节，单元数量的多少直接决定着计算结果的精度和计算的 时间，当单元的数量过多时，计算精度提高了，但是计算时间加长，即效率降低，所以要 根据实际的问题来合理地判断和选择单元的数量。 ( 2 ) 单元分析 单元分析的目的是形成单元刚度矩阵，从而建立单元特征方程。通俗的讲就是对于物 体内的任意一个单元上的一个节点，假如节点上受到的作用力己知的情况下( 事实上除边 界上的节点外，节点上的作用力是未知的) ，通过建立的单元特征方程就可以很容易的求 出所需要的各个几点的未知量。 在建立单元刚度矩阵前，先介绍一下在建立单元刚度矩阵中一个非常重要的函数即位 移函数，又称为位移模式。位移函数是用来近似表示单元内部的实际位移值，就是把一个 单元固定在一个坐标系中，单元内任意点的位移值通过位移函数用节点位移来表示，这样 知道了一个单元节点上的位移值和形函数就可以知道单元内任意点的位移值。 伊) 。= n 】舻 。 ( 2 2 4 ) 1 4 2 切削一挤压成形及有限元法的基本理论 其中， f ) 。代表单元内任意一个点的位移( 位移矩阵) ； 田8 代表单元上节点处的位 移( 位移矩阵) ； 】为形函数矩阵。 在力学分析中，很重的一个关系就是应变与应力之间的关系，在有限元分析中，可以 通过几何方程和本构方程来推导它们之间的关系。 几何方程一表示应变与位移之问的关系，如下： p ) 。= b 】 艿) 。 ( 2 2 5 ) 其中，忙) p 表示单元内任意一点的应变； b 】为应变与位移之间的关系矩阵。 本构方程表示了应力与位移之间的关系，如下： o - 。= p 】 刎( 田。 ( 2 2 6