（机械制造及其自动化专业论文）车削力的预报研究.pdf

j i 。 蚀f i f i i i l l i l l i i f h 1 1 1 1 i l i l ljillill y 17 5 0 3 5 3 西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 挈作者瞩紫甏二譬寺 西华大学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、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，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，西 华大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名害7 鸸 嘲：- 7 指导教师签名：风印寻 日期 弘厂厶厂呷 r 曲华人学硕士学位论文 摘要 在金属切削加工中，切削力是反映切削过程的主要指标，通过对切削力的研究可提 高加工效率和质量。切削力对切削机理的研究，对计算功率消耗，对机床、刀具、夹具 的设计，对优化刀具几何参数等，都有非常重要的意义。因此，自丌展会属切削研究以 来，准确预报切削力一直是人们期望达到的目标，建立切削力模型，阐明切削力的大小 及其影响规律，实现切削力的预报是切削理论研究中的重要课题之一。但由于影响切削 力的因素众多，金属切削过程十分复杂，传统的切削力模型和计算公式往往与实际值相 差较大，通用性不强。随着计算机技术的迅速发展，有限元法已成为研究和仿真切削过 程的重要手段和工具。为此，本文在研究了金属切削理论、金属切削过程有限元建模理 论及求解方法的基础上，以车削过程中的切削力为主要研究内容，通过理论分析、有限 元数值计算以及实验研究相结合的方法，对金属切削过程及车削力预报进行了较为深入 的研究。 本文首先从会属切削理论出发，结合数值模拟方法，对余属车削过程的有限元理论 进行了分析，系统总结了金属切削过程模拟的关键技术，包括切屑分离准则、刚粘塑性 材料流动方程、网格畸变与网格重划、虚功原理及变分原理等，最终建立了斜角切肖, j g n 工过程的三维热一弹塑性有限元模型。分析、研究了有限元网格模型、材料本构关系、 刀一屑间摩擦模型以及热传导控制方程等涉及切削加工非线性有限元模拟的关键技术。 采用金属成形有限元分析软件d e f o r m 3 d 建立了可转位硬质合金车刀车削4 5 钢的三维斜 角切削有限元模型，利用该模型进行了切削加工模拟，得到了切削力的数值并给出了切 削力随时间的变化曲线。通过设置不同的切削参数，对不同参数下的车削力进行比较， 分析各个切削参数对车削力的影响规律，为研究刀具的切削性能提供有用的数据。最后 采用瑞士k i s t l e r 公司的三向多功能测力仪进行了切削实验。将实验数据结果、仿真结 果以及经验公式结果进行比较，数掘分析表明：仿真预报值和实验结果具有较好的一致 性，各因素对切削力的影响规律与切削理论相吻合，其准确性优于经验公式估算值，从 而验证本文有限元模型的正确性有效性。 。本文研究结果表明：应用金属切削有限元法能够实现切削力的预报，为新材料切削 加工性能研究和新工艺机理研究提供可行的方法，对高效、低成本的进行金属切削研究 具有重要意义。 关键词：有限元仿真；车削力；三维切削；车削力预报 车削力的预报研究 a b s t r a c t c u t t i n gf o r c ei st h em a i ni n d i c a t o rt h a tr e s p o n d st ot h ep r o c e s so fm e t a lc u t t i n g t h e r e s e a r c ho nc u t t i n gf o r c ec a l ln o to n l yi m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t yb u tt h e r ea r eg r e a t s i g n i f i c a n c et ou n d e r s t a n dc u t t i n gm e c h a n i s m ，c o m p u t ep o w e rc o n s u m p t i o n ，d e s i g nm a c h i n e r y t o o l s ，c u t t i n gt o o l s ，f i x t u r e sa n do p t i m i z et h et o o lg e o m e t r yp a r a m e t e r sa n ds oo n t h e r e f o r e s i n c et h em e t a lc u t t i n ga p p e a r si ti st h et a r g e tf o re v e r y o n ew h oe n g a g e di nm e t a lc u t t i n gt o p r e d i c tt h ef o r c ee x a c t l y b u i l d i n gt h ec u t t i n gm o d e l ，c l a r f y i n gt h ei n f l u e n c ef a c t o r sa n d d i s p l i n e st oc u t t i n gf o r c et oa c h i e v et h ep r e d i c t i o no fc u t t i n gf o r c ei sa ni m p o r t a n tt a s ki nt h e f i e l do fc u t t i n gt h e o r y h o w e v e rd u et om u l t i p l ef a c t o r st oc u t t i n gf o r c em e t a lc u t t i n gp r o c e s s i sp r e t t yc o m p l i c a t a b l e ，t h er e s u l to ft r a d i t i o n a lc u t t i n gm o d e la n df o r m u l ai sf a ra w a yf r o m p r a c t i c ew h i c hl e a d t op o o ru n i v e r s a la p p l i c a t i o n w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e r t e c h n o l o g y ，t h ef e am e t h o dh a sb e c o m ea ni m p o r t a n ti n s t r u c t i o nt or e s e a r c ha n ds i m u l a t ei n t h ef i e l do fc u t t i n gp r o c e s s t h e r e f o r et h i st h e s i si sb a s e do nt h em e t a lc u t t i n gt h e o r y ，f i n i t e e l e m e n tm o d e l i n gt h e o r ya n ds o l v i n gm e t h o d ，w h i c ht a k et h ec u t t i n gf o r c ea st h em a i n c o n t e n ta n dm a d ei n - d e p t hr e s e a r c ho nc u t t i n gp r o c e s sa sw e l la sc u t t i n gf o r c ep r e d i c t i o nb y c o m b i n i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，f i n i t ee l e m e n td i g i t a lc o m p u t a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d y f i r s t ，i nl i g h to fm e t a l - c u t t i n gt h e o r ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt h i st h e s i sa n a l y z e d f i n i t e e l e m e n tt h e o r yi nt h ep r o c e s so fm e t a lc u t t i n ga n ds u m m a r i z e dt h ek e yt e c h n o l o g yo f s i m u l a t i o ns y s t e m a t i c a l l y ，i n c l u d i n gc h i ps e p a r a t i o nc r i t e r i a ，r i g i d p l a s t i cf l o we q u a t i o n ，m e s h d i s t o r t i o na n dr e m e s h i n g ，p r i n c i p l eo fv i r t u a lw o r ka n dv a r i a t i o n a lp r i n c i p l ea n ds oo n t h e n t h et h e r m a l e l a s t i cp l a s t i cf i n i t em o d e l i n go fo b l i q u ec u t t i n gm o d e lw a sb u i l t n e x to t h e r n o n l i n e a r i t yf i n i t es i m u l a t i o nk e yt e c h n o l o g yw a s a l s oa n a l y s e ds u c ha sf i n i t ee l e m e n tm e s h m o d e l ，m a t e r i a lt oc o n s t i t u t i v e ，f r i c t i o nt y p eb e t w e e nt o o la n dc u t t i n gs c r a pa n dt h e h e a t - c o n d u c t i o ne q u a t i o nw h i c ha r er e f e r r e di nt h i st h e s i s a tl a s tt h es o f t w a r ed e f o r mw a s a d o p t e dt ob u i l dt h et h r e e d i m e n s i o n f i n i t ee l e m e n tm o d e lo fc u t t i n gt o o lw i t hi n d e x a b l e i n s e r t si nw h i c hw ec h o o s ec e m e n t e dc a r b i d ei n s e r ta n d4 5 # s t e e l ，b yu t i l i z i n gt h em o d e lw e c a nn o to n l yg e t c u t t i n gf o r c eb u ta l s ot h ec u r v e so fc u t t i n gf o r c e b yc h a n g i n gt h ec u t t i n g p a r a m e t e r sa n ds i m u l a t i n gs e v e r a lt i m e s ，w ec a ng e tt h es i m u l a t i o nc u r v e so fd y n a m i cc u t t i n g f o r c e ，a n da l s ob yc o m p a r i n gt h ec u t t i n gf o r c et h a to b t a i n e di nd i f f e r e n tc u t t i n gp a r a m e t e r s ，t h e i n f l u e n c ed i s c i p l i n eo fc u t t i n gp a r a m e t e r st oc u t t i n gf o r c ec a nb eo b t a i n e dw h a tp r o v i d e s u s e f u l d a t ai n r e s e a r c h i n gt h et o o l sc u t t i n gc a p a c i t i e s f i n a l l y ，w ea d o p tt h r e e - w a y m u l t i f u n c t i o nl o a de e l lp r o d u c e db ys w i t z e r l a n dt od om e t a l c u t t i n ge x p e r i m e n t a f t e r c o m p a r i n gt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ，s i m u l a t i o nr e s u l ta n de x p e r i m e n t a lf o r m u l a t h ed a t a a n a l y s i ss h o wt h a t ：s i m u l a t i o np r e d i c t i o ni sa c c o r dw i t ht h ee x p e r i m e n td a t a ，a l lf a c t o r st h a t i i 1 n f l u e n c ec u t t i n gf o r c ei sc o n s i s t e n tw i t h c u t t i n gt h e o r ya n di t s a c c u r a c yi ss u p e rt h a n e x p e r i m e n t t h u sw ec a nc o n c l u d et h a tt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lb u i l ti n t h i st h e s i si sc 0 玎e c t a n dv a l i d t h er e s e a r c hr e s u l ts h o w st h a t ：t h e a p p l i c a t i o no ff i n i t ee l e m e n tm o d e lt oa c h j e v c p r e d i c t i n go fc u t t i n gf o r c ec a np r o v i d ef e a s i b l em e a s u r e m e n tf o r r e s e a r c h i n gn e wm a t e r a l p r o c e s sa b i l i t ya n dn e wt e c h n i q u e sm e c h a n i s mi s q u i t es i g n i f i c a n tf o rd o i n gm e t a lt u t t i n g r e s e a r c he 施c i e n ta n dl o wc o s t k e yw o r d s ：f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ；c u t t i n gf o r c e ；t h r e e d i m e n s i o n c u t t i n gp r o c e s s ； c u t t i n gf o r c ep r e d i c t i o n r r l 下削力的预报研究 目录 摘要1 a b s t r a c t i l 1 绪 念1 1 1 课题的来源及研究意义1 1 2 国内外现状及发展综述2 1 3 数值仿真技术在切削加工中的应用3 1 4 课题研究的内容方法及主要工作4 2 金属切削基本理论6 2 1 切削变形理论一6 2 2 金属切削模型8 2 2 1 滑移线切削模型8 2 2 2 o x l e y 的切削模型9 2 3 切削力预报模型1 1 2 3 1 切削力来源1 1 2 3 2 切削力理论模型1 2 2 3 3 切削力经验模型1 4 2 3 4 切削力动态模型1 5 2 3 5 切屑及切削力的基本关系1 6 3 车削有限元仿真技术及模型建立2 0 3 1 有限元仿真关键技术2 0 3 1 1 刀屑间摩擦及切屑基体分离准则2 0 3 1 2 切削温度及热传导方程2 2 3 1 3 动态自适应网格技术2 4 3 1 4 金属切削的非线性有限元分析2 7 3 1 5 材料流动基本方程2 8 3 1 6 虚功原理及变分原理3 0 3 2 车削有限元模型的建立。3 1 3 2 1 有限单元法分析概述3 1 3 2 2 三维斜角切削模型3 2 3 2 3d e f o r m3 d 简介3 4 西华大学硕士学位论文 3 2 4d e f o r m 单元分析3 7 3 2 5 材料模型及摩擦模型3 8 3 2 6 边界条件和分离准则的设定。3 9 3 2 7 网格划分设置4 0 3 2 8 传热边界条件4 1 3 2 9 求解器的设置4 1 4 车削过程的仿真分析4 2 4 1 不同切削参数下切削力的变化4 3 4 2 车削过程刀具的应变4 8 4 3车削过程刀具温度变化4 9 4 4 车削过程刀具磨损5 1 5 车削力的实验验证5 3 5 1 实验条件5 3 5 2 实验结果及数据分析5 4 5 2 1 实验数据采集5 4 5 2 2 经验公式计算数据5 6 5 2 3 仿真结果、实验结果及经验公式的比较分析5 7 结论及展望6 0 参考文献6 2 攻读硕士学位期间学术论文及科研情况“ 致 射。6 5 v 婀华人学硕十学伉论文 1绪论 1 1课题的来源及研究意义 本课题系四川省教育厅自然科学研究重点项目，( 教编：2 0 0 4 a 1 i ) “基于数值分 析的数控刀具切削力预报研究”中车削力预报研究部分。 对切削加工而言，切削力是切削过程中的重要因素，切削力对切削机理的研究，对 计算功率消耗，对机床、刀具、夹具的设计，对制定合理的切削用量、优化刀具几何参 数等，都有非常重要的意义。在自动化切削加工中，如何识别刀具磨损并及时更换已磨 损的刀具是保证产品质量和自动化切削过程正常进行的关键问题之一，为此，国内外学 者提出了许多监控方法，其中，切削力被认为是具有实际应用前景的监控方法【1 1 。在背 吃刀量小于1 m 的超精密加工中，切削力直接影响切削热的产生，并进一步影响刀具磨 损、耐用度和加工精度，所以，只有通过精确地预报切削力，才能很好地预报和控制 微切削力对超精密加工表面质量的影响。 因此，切削加工中，能否准确预知各种切削条件和不同工件材料组合的切削力特征， 对切削加工的表面误差控制起决定性作用，从而进一步影响预报已加工表面的各种物理 性能。实现切削力的预报不仅可以完善切削理论，而且能指导生产实践达到选择最优切 削条件，提高加工效率、降低生产成本。此外，可以通过切削力来监控切削加工过程以 及刀具工作状态，例如刀具磨损、折断等，及时调整切削参数，提高刀具使用寿命。然 而，切削力的预报依赖于准确的切削力数学模型，由于切削过程非常复杂，影响因素很 多，迄今为止，还未得到与实验结果完全符合的理论公式和切削力数学模型。 传统的切削力预报研究中，实验法是最主要的研究方法，即根据实验结果得出经验 公式，从而预报切削力。但这种方法往往耗时、耗力，试验成本高，在一定程度上阻碍 了切削技术的发展。随着计算机技术的飞速发展，出现了- - l 新型的学科一数值分析技 术。工程技术中常用的数值分析方法有：有限元法、边界元法、离散单元法和有限差分 法。有限元法在分析弹性塑性大变形问题，包括分析需要考虑与温度相关的材料性能参 数和具有很大的应变速率的问题方面有着杰出的表现。因此，利用有限元分析技术，建 立切削力数学模型，准确地阐明切削力的大小及其影响规律，实现切削力的预报成为切 削理论研究中的重要课题之一。本文基于计算机数值分析技术，采用高效的有限元商业 软件建立宏观、统一、实用的切削模型，对车削加工过程进行三维切削数值仿真，对给 定的切削对象和切削条件进行数值分析，进而实现了车削力的预报。 车削力的预报研究 1 2国内外现状及发展综述 国外对切削力的建模和预报研究工作经久不衰，很多复杂零件的制造过程往往需先 进行切削力的预报，最后确定合理的切削参数和加工工序。 金属切削领域的理论研究，起源于十九世纪后半期。1 8 7 0 年，俄国学者基麦就已开 始进行切削理论的研究工作，提出塑性金属的切削过程为挤压的观点，在简化的力学模 型基础上利用传统的解析法进行求解。 1 9 4 1 ，尔恩斯特( h e r n s t ) 采用单一剪切平面的切削模型和运用作用在切削层中塑性 剪切平面上的内力合力和刀屑接触面上外力的合力相互平衡的假说，导出了计算切削力 的公式 2 】。 1 9 4 5 年，麦钱特( m e r c h a n t ) 使用相同的切削模型，根据切削层中的塑性剪切平面发 生在消耗切削能量为最小的方向上的假说，导出了麦钱特切削方程【3 】。提出了塑性金属 切削过程是剪切过程的力学模型，推导了切削力与切削参数的关系式，并用最小功原理 求出了剪切角的理论公式。 1 9 5 1 年李( e h k e ) 和谢弗( b w s h a f f e r ) 4 】利用滑移线场理论来研究理想刚塑性材料 的切削现象，并根据这个模型也导出了切削方程式。后来，他们又根据积屑瘤现象，将 原来的切削模型修正，构成了反映积屑瘤现象的滑移线切削模型。 1 9 5 3 年，肖( m c s h a w ) 认为切削层中的塑性剪切平面和最大剪切应力方向不重合， 而是存在一偏转角度，提出了他的切削方程【5 j 。 1 9 5 9 年，p a m l e r 和o x l e y 6 j 建立了一种研究包括加工硬化等现象在内的新理论。 随后，e l a n a y a r 在o x l e y 切削模型r 7 j 的基础上提出了考虑刀具磨损的切削力模型， 应用摩擦学理论分析了后刀面与工件的摩擦作用力，取得了较好的预报结果；但他并没 有解决o x l e y 切削模型固有的一些缺陷，而只是沿用了原有的理论。 k a p o o 一8 】等长期从事切削力的建模和预报工作，其研究主要采用经验和解析相结合 的方法，其特点是针对切削过程的各种影响因素预先进行实验，总结出具一定精度的经 验公式。该方法可以满足工程的基本需求，但不能更深入揭示切削过程的动态力学性能 参数，同时对不同的应用场合需要进行大量的实验。e n d r e s 对原有的切削模型进行了具 有创新性的研究，提出了考虑刀具刃口的新切削模型，并对后刀面的熨压作用力进行了 理论研究，这无疑是切削力建模的一个重要发展，遗憾的是他采用了和k a p o o r 一样的 经验法【9 】。 2 0 世纪7 0 年代初期，t a y 等第一次采用有限元法计算了正交切削刀具、切屑和工 件上的温度分布；1 9 8 5 年，s t r e n k o w s k i 等提出了一个简单的正交切削模型，对平面应 变情况试用了修正的拉格朗日刚度方程，特别是采用了新的切屑分离标准，即基于工件 阴华人学硕十学位论文 的等效塑性应变；1 9 9 1 年，k o m v o p o u l o s 等提出了新的正交切屑有限元模型，着重考虑 了在切屑过程中个工件材料的塑性流动、刀具与工件之间的摩擦力以及刀具的磨损，目 的是为了解释切屑与工件的分离、摩擦力、积属瘤和后刀面的磨损；1 9 9 9 年，l o 使用 有限元法分析了在精密加工中，刀具前角对切屑力、切屑的形状、等效应力的分稚、残 余应力的分稚和加工表面的影响；2 0 0 1 年，y a n g 等建立了切屑加工中摩擦力随压力变 化的有限元模型，并研究了它对残余应力的影响；2 0 0 4 年，y e n 等分析了切屑刃的形状 对切屑成形、切削力和其他切屑过程的物理现象( 切削温度、应力和应变) 的影响。 2 0 0 6 年，江苏大学的卢树斌采用d e f o r m 软件研究了高速切削机理，模拟了高速切 削下切屑的形成过程，并对刀具的磨损进行了预测。 1 3 数值仿真技术在切削加工中的应用 切削过程是切屑、被加工材料的弹性变形和塑性变形的变形过程，与冲压、锻造等 塑性变形比较，变形速度( 单位时间产生的变形量) 非常大，由此产生的塑性变形能量 和前刀面上由摩擦产生的能量将引起发热，从而使温度大幅度升高，刀尖在连续而狭小 的范围使被加工材料破坏、分离成切屑和已加工面等，这是切削过程的显著特征。而这 些现象彼此间存在复杂的相互影响。 通过有限元软件，对金属切削过程的切屑形成和剪切区的现象进行建模分析，能够 预测切屑形状、剪切带、切削力、刀具前角对剪切角和切削的影响、最大剪应力和工件 材料塑性应变场以及有效应力在刀具前刀面的分布情况等，最为重要的是通过对切削过 程的模拟，可以为刀具施加一个边界条件，进而为刀具强度分析提供帮助。 采用有限元法进行切削过程的物理仿真时，作为切削条件应输入的内容包括：工件 材料特性，刀具几何、刀具材料特性，切削速度、冷却液参数、刀具振动参数、切削参 数等。通过有限元分析后，获得切削加工过程中的切削力、切屑打卷、切屑形成、切屑 断裂、热流、刀具工件和切屑上的温度分布、应力分布、应变分布、残余应力分布等物 理特性输出结果。 数值仿真对特殊切削状态( 如动态切削) 也是适用的。切削成波形表面的波形切除 过程( w a v er e m o v a l ) 和刀具边振动边切削的波形生成过程都显示出在切屑厚度变薄的 过程中，剪切角变小、变形集中而产生大的变形。在这样的动态切削过程中，剪切角发 生变化，与此相对应的是切屑生成的变形范围大小也发生变化，因此切削力与刀尖的背 吃刀量不成正比。由与刀尖背吃刀量的变动相对应的剪切角度变化可知，即使刀尖背吃 刀量相同，振幅增大时比振幅减小时的剪切角还大。根据这样的解析结果，才能使现象 的可视化及理解成为可能，从而开发出更为实用的高精度近似解析法。另外，对于材料 3 乍削力的预报研究 特性不同的复合金属材料的切削加工，以及象超声波振动切削那样的刀具在切削方向边 振动边断续切削等加工，均可采用物理仿真技术进行解析。 刀具切削机理的研究贯穿于刀具研制的整个过程，数值模拟方法也是通过对刀具切 削机理的分析仿真，把其思想融汇到刀具的开发研究中。刀具切削机理的研究离不丌对 切削过程的研究，数值模拟技术也是从模拟金属切削入手的，只不过是对切削过程的数 值结果不是通过测量仪器得到，而是通过计算机软件。基于这种虚拟的加工环境使刀具 产品更加精确、可靠，同时大大缩短了设计研究的周期。 在刀具设计开发中，应用数值仿真技术可以研究刀具涂层、形状、材料及切削参数。 在实际切削加工中，可以不照搬刀具厂提供的推荐切削条件，在软件分析的基础上，就 能选择出最佳的刀具和切削参数；通过仿真分析可以提高材料的去除率、优化切削力及 温度、优化切屑形成、减少金属切削中工件扭曲变形、降低残余应力、提高零件质量、 提高刀具性能，减少现场试切的试验次数和成本，从而帮助企业通过仿真技术提高产品 质量、延长刀具寿命、完善加工工艺，显著地降低产品制造成本。 1 4 课题研究的内容方法及主要工作 本文通过研究和应用有限元方法理论，使用商业有限元软件仿真金属切削过程。使 用有限元方法，可以在虚拟环境中建立动态切削模型，不需要反复进行切削实验或使用 刀具实物就可以在计算机上进行切削力预报。 采用技术路线为： ( 1 ) 基于金属切削原理、有限元法基本理论、弹塑性变形理论对车削过程进行理 论分析。 ( 2 ) 在理论分析的基础上，应用d e f o r m 的前处理建立金属车削的有限元模型， 确定材料模型，切屑分离准则，边界条件等。通过改变切削参数控制刀具运动，模拟切 削过程、计算分析，完成不同切削参数下金属车削过程的动态数值模拟。 ( 3 ) 应用d e f o r m 后处理器提取计算结果，对车削过程中切削力、应力场、温度 场、应变场和刀具磨损的变化进行研究。 ( 4 ) 基于相同的切削条件下，进行切削实验，采集车削过程的切削力，分析整理 实验数据。 ( 5 ) 根据虚拟仿真得到的结果与实验值、经验公式值进行对比，对此虚拟仿真的 可行性、正确性作出评价，确定此方法在实际生产中的有效性，为实际生产中切削参数 的确定选择提供指导性建议，分析各种切削参数对车削力的影响规律，研究不同切削条 4 曲华人学硕十学位论文 件下车削力的特征和变化趋势，结合经验公式来分析车削力，研究加工参数对车削力的 影响。 5 车削力的预报研究 2 金属切削基本理论 材料的切削加工是用一种硬度高于工件材料的单刃或多刃刀具，在工件表层切去一 部分预留量，使工件达到预定的几何形状、尺寸准确度、表面质量以及低加工成本的要 求。 金属切削过程，从实质上讲，就是产生切屑和形成已加工表面的过程。常用的切削 加工方法包括车削、刨削、铣削和钻削等。金属切削加工过程中会出现各种物理现象， 如切屑变形、切削力、切削热与温度、刀具磨损与破损以及加工表面完整性等。这些物 理现象都与金属的变形及其变化规律有密切的关系，研究切削过程对保证加工质量、提 高生产率、降低成本和促进切削加工技术的发展，有着十分重要的意义。 金属切削是一个非常复杂的非线性过程，对此过程的数值模拟要考虑很多因素，主 要要以下面几个理论为指导：金属切削原理、材料弹、塑性变形和有限元理论。 2 1 切削变形理论 我们要掌握金属切削的规律，以提高切除效率，降低成本和保证质量，如果不懂得 切屑是如何被切除的，则对会属切削加工中各种物理现象，如切削力、刀具磨损和加工 表面质量等就无从谈起，更不用说解决生产实践中的许多问题了。因此金属切削变形过 程的研究，是金属切削基础理论研究的一个根本问题。随着难加工材料的越来越多，对 零件的要求亦不断提高；同时，切削加工自动化和微电子技术等在机械制造中的应用也 渐趋广泛；这些都要求我们更加深入的掌握金属切削过程的规律，以便创造出更加先进 的切削方法和高效率的刀具，以适应生产发展需要。 本文采用直角切削模型来说明金属切削加工的变形过程。直角切削模型是在抓住切 屑变形本质现象的基础上忽略一些次要因素建立起来的简化物理模型。该模型做如下假 设【8 1 1 0 】： ( 1 ) 切屑不向横向流动，切削过程可在平面中表示； ( 2 ) 刀具是锋利的，切屑只与切削刃及前刀面接触； ( 3 ) 直线切削刃与切削方向垂直。 图2 1 所示为金属切削过程中的滑移线和流线示意图。流线表示被切削金属的某一 点在切削过程中流动的轨迹。由图可见，切削过程中金属材料的塑性变形是沿刀具表面 不断发展的过程，大致可划分为三个变形区【1 1 j ： ( 1 ) 第一变形区从o a 线开始发生塑性变形，到o m 线晶粒的剪切滑移基本完 成。此区域( i ) 称为第一变形区。切削层中的材料向刀具逼近时，首先产生弹性变形， 6 西华大学硕士学位论文 然后当最大剪应力t 达到材料的屈服强度t s ，从图中的o a 曲线( 始滑移线) 开始产生剪 切滑移。随着刀具前刀面的逐渐逼近，塑性变形逐渐增大，并伴随有加工变形硬化现象 ( 即材料的屈服强度增) 3 1 1 ) ，直至运动到o m 曲线( 终滑移线) 处，剪切滑移过程基本完成。 此时，被切削金属层与金属本体脱离而成为切屑，其流动方向与前刀面平行。由此可见， 切削层的材料经过一个从o a 到o m 的剪切变形区而变成切屑。曲线o a m o 所包围的 区域即为剪切滑移变形区，在常规切削速度范围内，该变形区厚度大约为0 0 2 - 0 2 m m ， 切削速度越高，变形区厚度越薄。第1 变形区是金属切削过程中的主要变形区，消耗大 部分功率并产生大量的切削热。 ( 2 ) 第二变形区切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近 前刀面处金属纤维化，基本上和前刀面相平行。此部分叫做第二变形区( i i ) 。经第1 变形区剪切滑移而形成的切屑，在沿刀具前刀面流出时，进一步受到前刀面的挤压而产 生剧烈摩擦，仍然在不断变形。摩擦区域可以划分为滑动区和粘着区。在粘着区，其摩 擦力要超过切屑底层材料的屈服极限。切屑底层金属的流动速度相对切屑流动速度要 慢，且越靠近切削刃越慢，可以称它为滞流层。滞流层金属发生强烈的塑性变形，其变 形量可高达第一变形区的几十倍，使靠近前刀面处金属纤维细化。由剧烈的挤压和摩擦 引起的切屑底层金属的剧烈变形和刀屑界面温度的升高是第1 i 变形区的主要特征。前刀 面的摩擦和挤压对第1 变形区也有影响，如果摩擦过大导致切屑排出困难将会加剧第1 变形区的剪切滑移。除摩擦和挤压外，刀具前刀面和切屑底部会发生粘连现象，这些都 将导致刀具磨损的加剧。如何减轻第1 i 变形区的摩擦和变形，是研究金属切削过程的重 要问题。 ( 3 ) 第三变形区已加工表面受到切削刃钝圆部分与后刀面的挤压和摩擦，产生 变形与回弹，造成纤维化与加工硬化。这一部分的格子变形也是比较密集的，称为第三 变形区( i i i ) 。该变形区的挤压与摩擦状况与工件已加工表面质量密切相关。 车削力的预报研究 图2 1 金属切削过程中的滑移线和流线示意图 f i g 2 1 t h e s l i l ，- l i n ea n df l o wl i n eo f m e t a l - c u t t i n g 这三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力比较集中而且复杂，金属的被切削层 就在此处与工件本体材料分离，大部分变成切屑，很小一部分留在已加工表面上。所以 我们研究切削过程，不但要研究三个变形区的变形情况，而且要研究刃前区的应力状态。 第1 和第1 i 变形区属于切屑形成过程，而第变形区属于表面形成过程。 2 2 金属切削模型 金属切削过程中，切削力是导致切削变形的主要因素。切削力与切削层变形密切相 关。 剪切角是剪切滑移面与切削速度间的夹角，剪切角的大小直接决定金属切削变形的 大小，影响切屑的形态和切削力，是切削机理研究中的一个很重要的参数，其大小直接 决定金属切削变形的大小，影响切屑的形态和切削力。很多学者根据弹塑性等理论对剪 切角进行了大量的研究，提出了许多剪切角模型【1 2 1 。其中常用的有l e ea n ds h a f f e r 滑移 线模型和o x l e y 切削模型。 2 2 1 滑移线切削模型 。 1 9 5 1 年李和谢弗【j 3 】( ka n ds h a f f c r ) 根据材料的最大剪应力方向与其主应力方向 之间的夹角为形的原则提出了求剪切角的理论。其基础是切屑层通过单一剪切面变为 ，r 切屑。 西华大学硕士学位论文 滑移线切削模型除以材料的最大剪应力方向与其主应力方向之间的夹角为形的原 - t 则为基础外，并假设工件材料在应力作用下的有关性能如下： ( 1 ) 材料是理想塑性的，即变形过程中忽略弹性变形，应力一旦超过材料的屈服 极限，变形就以恒定应力发生，并且不发生加工硬化； ( 2 ) 材料的性能与变形速率无关； ( 3 ) 在变形时，温升的影响可以忽略不计； ( 4 ) 变形过程中由材料加速度引起的惯性影响可以忽略不计。 图2 2 为l e e s h a f f e 提出的滑移线切削模型。这个模型具有直线剪切面a b ，a c 是 第二滑移线，它形成了与刚性区的边界线。第一滑移线是和第二滑移线相垂直的直线， 塑性区为正交的滑移线场。a b 为与a c 成4 5 。的直线，这个面为塑性区与切屑的分界 面。他们假定所有变形都发生在塑性区a b c 内。他们的分析也得到了剪切角方程： + 夕一yo = ( 2 1 ) 一九氏 材抖凌动方向 b 工件 图2 2l e e s h a f f e 提出的滑移线切削模型 f i g 2 2 t h ec u r i n gm o d e lo fl e e s h a f f e 2 2 20 xle y 的切削模型 l e e s h a f f e r 切削模型对材料加工时的硬化问题没有充分考虑，只是假设以理想刚塑 性体为基础。p l b o x l e y f 8 1 【1 4 1 在其基础上对其进行了修正，他的切削模型考虑到了加工 9 车削力的预报研究 硬化问题，而且考虑了剪切区域的宽度，他的理论可以很好地说明各种不同切削速度的 大量实验结果。 图2 30 x l e y 的切削模型 f i g 2 3 t h ec u t t i n gm o d e lo fo x l e y o x l e y 的理论是以力n - r _ 硬化滑移线理论为基础的。在高速切削时，即使是带状切屑， 一般来说其剪切区也具有如图2 3 所示那样的某一宽度。于是，o x l e y 采用了以通常的 剪切面位置a b 为中心的c d f e 带状剪切区。c d 与e f 为平行线，他们是最大剪应力方 向，同时也是最大剪切面应变速度方向。在理想化切削塑性曲线条件下，o x l e y 经理论 推导得到的切削方程式为 妒= a r c t a n ，+ 2 ( ；一矽) 一互乏了石厂二苫善芋耋三专乏 i _ 面 一+ y 。c 2 2 ， 式中：m 理想塑性曲线的斜率； k o 假定屈服剪切应力； 妒剪切角； p 摩擦角； 刀具前角； ，剪切平面长度； o x l e y 切削方程解析切削过程所存在的问题是：其计算结果不是从独立材料试验而 是从切削实验中得到的。因此即使应变速度一致其切削温度也未必是一致的，所以不能 1 0 西华大学硕士学位论文 用单一的特性曲线来处理所有问题，而必须有分别与各种应变速度、温度状态相对应的 多条塑性曲线。 ， o x l e y 理论引入了在以前的理论中没有涉及到的加工硬化、剪切区扩展、尺寸效应、 温度一应变速度效应等很多因素。该理论对以前的实验能够很好地定性说明，为切削方 程研究中更广泛的引入切削材料物性参数打下了良好基础。未考虑温度应变速度效应 等各种因素，本课题应用的d e f o r m 3 d 软件引用了o x l e y 的理论。 2 3 切削力预报模型