片管成形切削的有限元仿真毕业设计说明书.doc

I 片管成形切削的有限元仿真 摘要 本文以强化传热中常用的传统二维亚结构为基础 提出了一种新型的热功 能表面结构 锯齿状结构 锯齿状翅片能进一步增大比表面积 同时通过诱 发 附面层湍流实现强化传热 通过锯齿状翅片的成形机理分析 发现锯齿状翅片的成形经历了犁切 挤 压 成翅和裂解四个阶段 在犁削 挤压过程中 这四个阶段同时进行 在犁 切进行的同时 发生翅片的挤压 成翅和裂解 通过对翅片顶端裂解机理分析 发现翅片裂解的根本原因在于剪切变形 其裂解过程经历了剪切断裂 滑移微裂和周期成翅三个阶段 研究了影响翅片成形的因素 了解了挤压角 挤压倾角 后角 刃宽和犁 削 挤压深度 犁削 挤压速度对一次翅成形 裂解结构的成形的影响规律 并得到了这些参数的最佳范围 运用塑性力学理论分析了犁削 挤压加工过程中的材料变形 利用有限元 软件 deform 3D 建立了有限元模型 利用该模型模拟了犁削 挤压加工过程 实现了犁削 挤压过程的动态仿真 模拟了各刀具参数和运动参数对平均翅高 的影响规律 模拟了犁削 挤压力和应力场分布 为优化刀具结构提供了依据 最后对本文的研究结果和研究结论进行了总结 关键词关键词 锯齿状翅片 犁削 挤压加工 有限元 刚塑性 目 录 1 Cutting tubeCutting tube formingforming thethe FEMFEM Li Min Chongqing Technology and Business University mechanical design and manufacturing and automation professional 04 car classes Abstract Abstract Based on traditional 2D substructure in heat strengthening a new heat function surface structure denticular structure is put forward The denticular structure fin can further augment specific area meanwhile it can induce turbulent flow and realize strengthened heat transmission The analysis of denticular fin s forming theory help us better understand 4 steps of the fin s formation and they are ploughing extrusion fin s formation and cracking furthermore those four steps happens simultaneously Analyzing the cracking theory on fins top the paper attributes the basic cause of cracking to shear deformation and cracking process consists of 3 steps they are shearing breakage slipping crack and periodically generating fins Through the experiments the paper studies how extrusion angle extrusion obliquity angle clearance angle cutter s width plowing extrusion depth and plowing extrusion speed affect the formation of primary fin and cracking structure The optimum ranges of the above parameters are obtained Based on DEFORM 3D the FEM model for plowing extrusion process is set up which aids in simulating dynamic process of material s deformation also the effects that processing parameters and cutter s parameters have on fin s mean height are simulated And also the distributions of stress and strain field have been simulated which is advantageous for cutter s optimization At last the author draws conclusions on the research result KeywordsKeywords denticular fin plowing extrusion FE rigid plastic 目 录 2 目目 录录 1 1 绪绪 论论 5 1 11 1 本课题的研究背景本课题的研究背景 5 1 1 1 微电子等领域突出的散热问题 5 1 1 2 表面热功能结构的发展趋势 6 1 1 3 片管定义 7 1 21 2 表面表面结结构及其加工方法的研究现状构及其加工方法的研究现状 8 1 31 3 锯齿状翅片的强化传热特性锯齿状翅片的强化传热特性 11 1 41 4 犁削 挤压加工工艺与一般切削加工的联系与区别犁削 挤压加工工艺与一般切削加工的联系与区别 11 1 51 5 课题研究目的及研究内容课题研究目的及研究内容 12 2 2 锯齿状翅片成形机理分析 锯齿状翅片成形机理分析 13 2 12 1 锯齿状翅片犁削锯齿状翅片犁削 挤压试验研究挤压试验研究 13 2 22 2 成形机理分析成形机理分析 16 2 2 1 锯齿状翅片分析 16 2 2 2 锯齿状翅片的成形过程 16 2 2 3 锯齿状翅片顶端裂解的过程 18 2 32 3 影响锯齿状翅片成形的因素影响锯齿状翅片成形的因素 18 2 3 1 一次翅高的影响因素 18 2 3 2 裂解结构高度的影响因素 21 2 42 4 本章小结本章小结 26 3 3 犁削 犁削 挤压加工的有限元分析及建模挤压加工的有限元分析及建模 27 3 13 1 概述概述 27 3 1 1 有限元技术简介 27 3 1 2 金属加工有限元模拟的研究现状 29 3 1 3 Deform 3D 简介 29 目 录 3 3 23 2 刚粘塑性有限元基本原理刚粘塑性有限元基本原理 30 3 2 1 金属塑性变形过程的力学基础 30 3 2 2 热传导基本理论 32 3 33 3 有限元建模有限元建模 33 3 3 1 几何模型建立及网格划分 33 3 3 2 材料属性定义 35 3 3 3 翅片分离和断裂准则 38 3 3 4 边界条件的确定 38 3 3 5 模拟控制条件的设置 41 3 43 4 本章小结本章小结 42 4 4 模拟和试验结果分析 模拟和试验结果分析 44 4 14 1 犁削犁削 挤压加工工艺过程模拟挤压加工工艺过程模拟 44 4 4 2 2 平均翅高的影响因素平均翅高的影响因素 46 4 4 3 3 模拟仿真结果分析模拟仿真结果分析 49 4 44 4 加工过程中的等效应力分布加工过程中的等效应力分布 51 4 54 5 加工过程中的等效应变分布加工过程中的等效应变分布 52 4 64 6 本章小结本章小结 53 结结 论论 54 致致 谢谢 55 参考参考文文献献 56 片管成形切削的有限元仿真 4 1 绪绪 论论 1 1 本课题的研究背景 1 1 1 微电子等领域突出的散热问题 在现代工业领域 有很多专门用途的设备 它们的工作性能和工作效率取决于关 键零件的结构和性能 如空气冷却器 热交换器的散热管 激光器热辐射表面 环保 设备的过滤表面 螺纹表面等等 我们把这类起特定作用的表面统称为 功能表面 这些表面大多数采用组装式结构 套装 镶嵌 钎焊 高频焊 切削 滚压等方法 加工 早在 19 世纪中期 Jone 就提出在管内插入螺旋线以强化蒸汽的冷凝过程 从此 人们就开始了在传热管等传热材料上进行翅加工技术的研究 70 年代出现能源危机 研究翅化管的加工技术及其强化传热机理有了进一步的发展 随着加工制造技术的不 断进步 近 20 年来对强化换热元件的研究在化工 能源 制冷 航空 电子等工业部 门有了很大的进展 各式各样的强化换热元件层出不穷 为提高传热效率作出了重要 的贡献 但是随着微电子及化工等领域 尤其是微电子领域对产品性能的无限追求 芯片 集成度不断提高 带来致命的高热流密度 电子器件的冷却问题越来越突出 英特尔 公司负责芯片设计的首席执行官帕特 盖尔欣格指出 如果芯片耗能和散热的问题得不 到解决 到 2005 年芯片上集成了 2 亿个晶体管时 就会热得象 核反应堆 2010 年 时会达到火箭发射时高温气体喷射的水平 而到 2015 年就会与太阳的表面一样热 目 前芯片发热区域 上的功耗已超过 105W 且未来有快速增加的趋势 芯 cmcm5 15 1 片产生的这些热量如果不能及时散出 将使芯片温度升高而影响到电子器件的寿命及 工作的可靠性 因而电子器件的有效散热方式已成为获得新一代电子产品的关键科学 问题之一 为了改善计算机元件的工作环境 保证计算机长时间连续稳定的工作及其延长其 使用寿命 有效防止 CPU 芯片内部由于热量过多聚积而过热 其基本手段仍是在芯片 表面贴附具有高导热系数和高热容量的金属散热器 将 CPU 内部产生的热量以热传导 的方式引出到散热器翅片上 再借翅片与其周围空气的对流作用将热量传入气流中带 走 可见 从材料导热性能 表面积大小和结构形状 外部对流换热的组织方式和强 度等方面提高散热结构的效能是切实可行的 在材料确定的情况下 合理的散热功能 结构不仅在于增加比表面积和诱发湍流增加湍流掺混 更重要的是组织合理的对流形 式 多尺度条件下主要是宏观结构起作用 原来传统的单一尺度与简单形状的表面 热功能宏观结构已经不能满足目前高热流密度散热要求 严重制约了高集成度芯片等 产品性能的进一步提高 急需探索新的热功能表面结构以适应当前形势 片管成形切削的有限元仿真 5 1 1 2 表面热功能结构的发展趋势 微电子产品换热器件表面热功能结构按尺度来分 可分为表面宏观结构 表面亚 结构和表面微结构 表 1 1 列出了各种结构的尺寸范围以及作用 三种功能结构的尺 度范围相互衔接 形成了尺度跨度达到三个数量级的复杂换热结构 表 1 1 各种结构尺寸和作用 Table 1 1 Size and action of the different structure 结构分类尺度范围 mm 作用 宏观结构1 0 以上增大比表面积和组织换热气流的宏观流 动 亚结构0 1 1 0进一步增大比表面积 同时通过诱发附 面层湍流实现强化传热 微结构0 1 0 03这一尺度的结构对气液相变传热具有显 著的强化作用 但对于空气强制对流换 热是否也具有同样的效果 尚有待进一 步的研究 目前高热流密度芯片采用的表面热功能结构呈现出从传统光滑表面或简单结构表 面向多尺度多维亚结构及微结构发展的趋势 但对满足这种特定环境要求的多尺度多 维热功能结构设计及制造的系统科学的理论及应用技术的研究还很不充分 系统科学 地解决满足高热流密度散热要求的机电器件表面功能结构设计及其制造等关键技术问 题 必将对我国微电子制造等相关产业的持续 稳步发展产生深远影响 本课题提出的锯齿状翅片是具有宏观结构 亚结构乃至微观结构复合的多维复杂 翅结构表面 通过在工件表面加工出各种几何形状的三维翅结构 利用翅结构的诱导 互扰作用 形成特定范围表层湍流 促使气液充分混合 达到提高传热效率的目的 从而实现强化对流传热 1 1 3 片管定义 片管又叫翅片管 Finned Tube 顾名思义 是管子表面带有翅片的传热管 翅 片管又叫鳍片管 也称肋片管 由于管子表面上增加了翅片或鳍片 使原有的传热面 积得到了扩展 故翅片管又称谓带扩展表面的传热管 而翅片本身又可称谓扩展表面 片管成形切削的有限元仿真 6 翅片管的典型结构如图 1 所示 图 1 中 1 为圆管 又称基管或光管 2 为翅 片 翅片管的种类很多 而且还在不断涌现新的品种 大体上可按下述几个方面进行分类 按加工工艺分类 1 串片管 套片管 2 张力缠绕翅片管 3 镶片管 4 整体轧 制翅片管 5 铸造翅片管 6 焊接翅片管 其中又分 高频焊翅片管 埋 弧焊翅片管 等 按翅片形状分类 1 方形 矩形 圆形翅片管 2 螺旋形翅片管 3 波纹形翅片管 4 锯 齿形翅片管 5 针状翅片管 6 纵向翅片管 7 整体板状翅片管 板 翅 等 按材质分类 1 铜 Al Cu Al 翅片管 2 碳钢 不锈钢 碳钢 不锈钢 翅片管 3 铸 铁 铸钢 翅片管 等 按用途分类 1 空调用翅片管 2 空冷用翅片管 3 锅炉 水冷壁 省煤器 空预器分 别使用的翅片管 4 各种窑炉 工业炉余热回收用翅片管 5 其他特种用途翅片管 等 而本课题要研究的就是特殊用途的同治锯齿形翅片管 片管成形切削的有限元仿真 7 1 2 表面结构及其加工方法的研究现状 目前对表面热功能结构的研究在向亚结构和微结构领域扩展 对微型换热器的研 究也正在兴起 根据检索的文献来看 关于表面热功能结构的研究主要侧重于简单表 面宏观结构的传热分析和设计 例如 Vierendeels 等对大温差矩形腔体中自然对流传 热问题作了二维数值分析研究 Ali 等用二维模型研究了两平行平板间强制对流传热问 题 研究表明在两平行平板间布置偏置平板 间断板 有利于提高对流散热效果 并 对若干偏置板的布局进行了优化设计 Nonino 和 Comini 研究了有肋片的矩形散热通道 的三维强制对流传热问题 用有限元法对散热通道中不同角度布置的肋片对旋涡形成 的影响作了系统的分析和数值研究 研究人员已经认识到散热表面上若干光滑矩形翅 片的排列方向 间距 分布密度及翅片的高度都影响散热效果 并开始尝试对这些几 何参数进行优化设计 目前 带有柱状翅片的散热结构是解决紧凑散热空间中高热流 密度问题的一种新的途径 上述工作主要针对简单表面宏观结构 也有文献将宏观结构或亚结构称为翅片或 肋片 进行了理论分析与设计 但还不足以解决量级的高热流密度问题 此 6 10 2 mW 类问题不仅需要根据具体散热环境的要求 结合外部对流形式 设计热功能表面的宏 观结构 还要进一步采用表面亚结构甚至微结构来强化传热 同时按热功能需求设计 宏观结构 亚结构乃至微结构形状和几何参数 佐治亚理工学院等在表面宏观结构和 亚结构 叠加在宏观结构表面 方面做了许多有益的工作 国内在宏观结构表面的亚结构和微结构机械加工生成机理与关键技术方面也进行 了研究 针对具有亚结构和微结构的翅片 研究提出了一些加工方法 现归纳概述如 下 1 二维翅片结构 二维翅片结构是在原材料表面生成连续的亚结构翅片 其加工方法主要有两种 挤压 犁削法和劈切 挤压法 这两种方法本质上都是挤压和无屑切削的复合加工方 法 从刀具与工件的相对运动来看 它们与普通外螺纹车削并无差异 但它们使用的 是专用刀具 如图 1 1 该刀具的 前刀面 由两个曲面构成 其横截面是一个尖劈 处在进给方向那边的曲面对金属进行挤压 使金属产生塑性变形而形成凸起的金属 鼓包 工件转过一圈后 刀具的尖劈刃对上一圈形成的鼓包进行犁削 把鼓包一 分为二 就像轮船的流线型船头把水分开一样 其工作原理如图 1 2 所示 刀具作旋 转运动 坯料管作平行直线运动或者刀具作直线平行移动 坯料管作旋转运动 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 向挤压使金属塑性变形形成翅片 这些工艺通过挤压产生塑性变形以无屑加工方式形 成外翅片 所形成的外翅片高度远大于吃刀深度 且具有较高的加工效率 2 三维翅片结构 片管成形切削的有限元仿真 8 三维翅片结构与二维结构的主要区别在于三维结构是单翅 不连续的 主要采用 滚压翅成形 滚压翅成形是一种塑性加工方式 其加工过程分两个步骤 首先用滚刀 对工件进行一次滚压 在材料表面形成端面如锯齿状或梯形的连续翅片 如图 1 3 所 示的二维翅结构 然后把工件旋转 90 角再滚压一次 形成如图 1 4 所示的三维结构 图 1 1 二维翅片加工的刀具示意图 图 1 2 二维翅片加工模型 片管成形切削的有限元仿真 9 图 1 3 一次滚压翅 图 1 4 滚压翅形状 滚压翅成形加工时材料变形太大 得到形状比较理想的翅片比较困难 且滚压翅 成形的滚压速度低 加工效率低下 此外 由于加工时易产生加工硬化 金属塑性流 动性变差等 二次滚压时的难度增大 而且滚压力大 成翅困难 另外 还出现了一种正犁削点翅成形加工方法 它是利用刀具的往复运动 像锄 土一样 在材料表面 锄 出高于原材料表面的点翅 其加工是间歇性的非连续过程 图 1 5 为点翅外观形状 图 1 5 点翅外观形状 正犁削点翅成形的成翅质量较高 能得到 点翅 状翅结构 而且操作简单 容 易实现 是一种可行的加工方法 但是正犁削点翅成形 其加工是间歇性的非连续过 片管成形切削的有限元仿真 10 程 生产效率不高 并且 点翅 状翅结构的翅高及表面结构 如比表面积 也还不 理想 本课题提出的锯齿状翅片是包括二维和三维结构的复合翅片结构 在二维连续翅结 构上叠加具有不连续特征的三维微观翅结构 以期进一步强化表面传热功能 而且利 用犁削 挤压工艺一次成形 具有加工简单 效率高等特点 1 3 锯齿状翅片的强化传热特性 锯齿状翅结构是具有宏观结构 亚结构乃至微观结构的多维复杂翅结构 其表面 的宏观结构和亚结构 增大了比表面积 其强化传热效果是很明显的 对于微观结构 这一尺度的结构对气液相变传热具有显著的强化作用 通过在翅结构上生成这一微尺 寸 加大了翅结构的表面粗糙度 有利于增强材料表面的润湿性 从而提高部件的传 热效率 但对于空气强制对流换热是否也具有同样的效果 尚有待进一步的研究 零 件表面糙化处理可提高其润湿性能 因此利用犁削 挤压加工在材料表面形成具有糙 化特征的裂解翅结构 可使零件的传热效率得到提高 1 4 犁削 挤压加工工艺与一般切削加工的联系与区别 就工件与刀具的相对运动来说 犁削 挤压与传统刨削加工并无差异 但传统刨 削加工用的是刨刀 而犁削 挤压工艺用的是专用刀具 如图 1 6 由于刀具形状差 异 两种工艺的被加工表面成形机理存在着差异 刨削是通过切削方式切去多余的金 属形成所需的表面 而犁削 挤压是通过挤压产生塑性变形 以无屑加工方式形成翅 片 所产生的翅片高度远大于吃刀深度 但就其变形本质来说 仍然属于金属切削加 工 产生的翅片仍属于切屑范畴 只不过翅片不离开工件基体而已 片管成形切削的有限元仿真 11 图 1 6 犁削 挤压加工刀具示意图 1 5 课题研究目的及研究内容 本课题就是在纯铜材料表面探索和研究锯齿状翅结构的加工方法 研究翅片成形 的机理并分析影响翅成形的因素 以便为生产优质高效的表面功能结构提供技术参考 和理论依据 同时分析犁削 挤压加工过程材料的塑性变形 利用有限元方法 建立 有限元模型 本课题的研究内容包括以下几个方面 1 在普通机床上利用犁削 挤压工艺加工锯齿状翅结构 分析锯齿状翅片成形机 理 探索影响翅结构成形的因素 分析这些因素对翅结构的作用规律 研究有利于成 翅的加工用量和刀具参数的最佳范围 2 在分析被加工材料塑性力学基础上 利用有限元分析软件 Deform3D 建立有 限元模型 通过刀具运动模拟犁削 挤压过程 并对模型进行模拟计算 完成对犁削 挤压过程的动态数值模拟 3 应用该软件的后处理器提取计算结果 对犁削 挤压过程中的翅片平均高度与 各刀具参数和运动参数之间的关系进行模拟 分析加工过程中犁削 挤压力的变化过 程 从理论角度分析加工过程中材料的应力和应变 2 锯齿状翅片成形机理分析 锯齿状翅片成形机理分析 表面热功能结构通过增加比表面积 加强湍流以及增强表面润湿性能来改善表面 结构的传质传热性能 然而 这三个方面都跟表面结构的高度有着紧密的联系 为此 本章将采用犁削 挤压机械加工方法在铜表面进行翅成形试验 分析锯齿状翅片成形 机理 以及影响翅结构高度的因素 对翅结构的生成控制 刀具结构设计以及有限元 的模拟都有着重要的意义 片管成形切削的有限元仿真 12 2 1 锯齿状翅片犁削 挤压试验研究 试验在普通刨床上进行 刨床型号为 B6050B 刀具材料为高速钢 W18Cr4V 工件 材料为纯铜板 加工过程中 材料固定装夹于工作台上 刀具作直线运动 在材料表 面犁切 挤压起突出的翅片 刀具设计 为保证加工过程能够连续进行 加工刀具的刃宽不可过大 通常取 1 2 mm 且需刃磨得较为锋利 刃宽过大 在加工过程中部分金属材料容易脱离基体 若过小 则刀具容易断裂 且因为被挤起的金属太小 难以成翅 另外在加工过程中 尽量少屑或者无屑 这就要求顶刃特别锋利 犁削 挤压加工所用刀具主要参数包括 挤压角 挤压倾角 后角和刃宽 刀具刀尖结构示意如图 2 2 所示 图 2 1 加工刀具刀尖示意图 为了确定各刀具参数 按以下方法设定坐标系 以刀尖为原点 O 犁削 挤压速 度方向为 Y 方向 过原点垂直于水平面的方向为 Z 方向 过原点垂直于 YOZ 面方向为 X 方向 在此坐标系下定义刀具各角度参数 并设定刀具角度参数均为锐角 如图 2 2 所示 挤压面与 YOZ 面的夹角 在 XOZ 面的投影为挤压倾角 挤压面与 YOZ 面的夹 角 在 XOY 上的投影为挤压角 后刀面与 XOY 面的夹角 在 YOZ 面上的投影为刀具 后角 本试验选择的刀具是两边对称 两挤压面之间距离的一半为刃宽 ba 刀具实 物见图 2 3 显而易见 刀具几何参数的选择是犁削 挤压加工的关键 成形机理试验 挤压面 后刀面 顶刃 片管成形切削的有限元仿真 13 各刀具参数和犁削 挤压参数如下 挤压角 25 挤压倾角 2 后角 10 刃宽 0 8mm 速度 0 051mm s 深度 0 4mm 图 2 2 刀具角度示意图 图 2 4 犁削 挤压刀具 片管成形切削的有限元仿真 14 2 2 成形机理分析 2 2 1 锯齿状翅片分析 图 2 4 翅片侧面形貌 图 2 4 是锯齿状翅片的侧面形貌图 可以看到 在原来光滑表面上生成了具有犁 削槽 一次翅和裂解结构的复杂表面 本文把一次翅片高度定义为金属基体表面与裂解翅底端之间的距离 如图 2 4 所 示 用 h 表示 一次翅片高度是衡量翅片质量的重要参数 翅片越高 比表面积越 大 越有利于传热 将裂解结构高度 又称裂解翅高 定义为裂解结构底部到裂解结 构高度顶部的距离 如图 2 4 所示 用 hc表示 同时定义锯齿状翅片的平均高度为 裂解翅高的一半与一次翅高之和 用 hj表示 因此 hj h hc 2 2 2 2 锯齿状翅片的成形过程 为了更好的说明成形机理 建立与刀具相似的犁削 挤压坐标系 以犁削 挤压速 度方向为坐标系 y 轴 正方向跟速度方向一致 垂直于水平面且朝上为 z 轴正方向 与以上两个轴所构成的平面垂直的方向为 x 方向 锯齿状翅片犁削 挤压成形是通过犁切 挤压成形 摩擦撕裂成翅 使被加工工件 表层金属经过挤压 犁切的一次变形直接转变成与母体连成一体的 整体翅片 是 一种挤压和无屑或微屑犁削的复合加工方法 其原理涉及到切削加工和金属塑性加工 领域 从锯齿状翅片的生成过程来看 其加工过程可分为四个阶段 1 犁切阶段 片管成形切削的有限元仿真 15 当刀具开始接触到材料表面时 刀具顶刃逐步切入金属基体内 表面金属被切开 2 挤压阶段 当表层金属切开后 挤压面开始对金属进行挤压 随着挤压量的增加 刀具作用 于金属表面的 x 向 y 向挤压力渐增 导致金属受到 x 向 y 向挤压后流动渐增 并处 于复杂的应力 应变状态之下 产生剧烈而复杂的变形 3 层积成翅阶段 在达到一定的挤压量后 金属在挤压下经过了充分的塑性流动和变形 表层金属 在两侧挤压面 x 向挤压下产生很大的塑性变形 金属因挤压而隆起形成翅片 在刀具 的不断进给过程中 已挤起金属由于加工硬化的作用 对新挤起金属来说相当于一封 闭边界 使得新挤起金属沿阻力小的 z 轴正方向流动 最后二者互相挤压叠合形成一 次翅片 4 裂解阶段 随着刀具对金属的进一步挤压 金属的变形越来越严重 加上加工硬化的影响 持续发生塑性变形的抗力越来越大 导致刀具挤压面对接触金属的摩擦激增 由于翅 顶部位较薄 随着刀具的前行 在摩擦力的作用下 该部位裂开并且裂纹逐渐向翅根 部位延展 由于翅片是从翅顶到翅根逐渐增厚 当裂纹向翅根延伸至一定程度 摩擦 力难以撕裂翅片 裂解不能继续进行 翅片在刀具挤压面滑移一段距离后 摩擦力重 新撕裂翅片顶部 此时在原来翅片的基础上又形成了一个裂解翅 如此周而复始 可 由犁削 挤压工艺一次加工出锯齿状翅结构功能表面 通过图 2 4 翅片侧面的微观形貌可以看到细小的加工痕迹 从而为分析其变形机理 提供依据 由于刀具犁切 挤压作用 金属表面形成犁切槽 加工过程中金属发生塑 性变形 犁切槽中原来的金属材料沿着刀具挤压面发生塑性流动 由最小阻力定律可 知 材料将向 z 轴正向流出 形成一次翅结构 一次翅在流动过程中 在刀具挤压面 的摩擦力作用下裂开 裂纹逐渐向翅片根部扩张 形成裂解结构 与工件原始表面相 比 由于在原始的平面结构上加工出了复杂的槽 一次翅 裂解结构组合形成多维翅 表面结构 表面积大大增加 需要说明的是 犁切 挤压 成翅和裂解四个阶段同时进行 2 2 3 锯齿状翅片顶端裂解的过程 由于摩擦力的作用 翅片顶部撕裂 并往翅片中部扩展 但翅片也逐渐增厚 变 形抗力增大 当摩擦产生的作用力不足以继续破坏翅片的时候 刀具继续沿翅片滑移 刀具在下一个部位继续对翅片产生摩擦撕裂作用 形成一个裂解结构 如此周而复始 片管成形切削的有限元仿真 16 产生一组裂解结构 从裂解结构的生成过程来看 裂解结构的生成呈周期性变化 其 每个周期的变化过程均存在如下三个阶段 剪切撕裂阶段 滑移微裂阶段 周期成翅阶段 2 3 影响锯齿状翅片成形的因素 2 3 1 一次翅高的影响因素 1 刀具挤压角的影响 挤压角是影响一次翅成形的因素之一 从试验的效果来看 它有一个合理的取值 范围 介于 30 与 35 之间 挤压角既不可太小 也不可太大 如果挤压角太小则不 能挤起足够的金属来形成翅片 影响到翅高 太大则刀具不锋利 材料变形太大 容 易把挤起的金属带走而成了切屑 翅高反而减小 图 2 5 是挤压角与一次翅高的关系曲线图 由图可以看出 挤压角的值在合理的 取值范围内时 其大小对翅高的影响不大 当挤压角小于 30 时 翅高随着挤压角的 增大而迅速增大 这是因为挤压角的增大 挤起的金属也增多 从而引起翅高的增大 当挤压角大于 30 时 随着挤压角增大 翅高增长速度减小 这是因为挤压角增大 导致刀具变得不锋利 在加工过程中 材料变形剧烈 挤压金属的量增大了 但是只 有一部分材料向 z 轴正方向变形 另外一部分材料被挤出工件 成为切屑 另一方面 挤压角过大 刀具的受力增大 刀具磨损更剧烈 这对刀具材料的强度和耐磨性都提 出了更高的要求 片管成形切削的有限元仿真 17 图 2 5 挤压角与一次翅高之间的关系 2 挤压倾角的影响 图 2 6 挤压倾角与一次翅高的关系 图 2 6 给出了挤压倾角对翅高的影响曲线 在 0 4 范围内 一次翅高随着挤压 倾角的增大而增大 这是因为挤压倾角的增大 参与变形的金属材料也增多 沿 z 轴 正方向流动的材料也增多 翅高因此而增大 随着挤压倾角的进一步增大 挤压面作 用于一次翅的压力增大 严重阻碍了翅的生长 翅高反而开始减小 故挤压倾角的最 佳范围为 2 6 片管成形切削的有限元仿真 18 图 2 7 后角与一次翅高的关系 3 后角的影响 试验表明 后角的最佳范围为 0 2 随着后角的增大 参与犁削 挤压加工的 刀具体积减小 因而挤起金属的量也相应减少 翅高也随之减小 图 2 7 显示了后角 对一次翅高的影响 一次翅高随着后角增大而减小 另外从图中可以看出 一次翅高 下降幅度并不大 说明后角对一次翅高的影响相对较小 4 刃宽的影响 随着刃宽的增加 参与变形的金属增多 其翅高也随之增大 图 2 8 显示了一次 翅高随刃宽的变化关系 刃宽越大 一次翅高越大 但是刃宽过大 金属变形剧烈 容易出现切屑 在试验过程中 当刃宽 ba 1 4 时 已经开始产生切屑 在本试验条 件下 刃宽一般取值小于 1 2 图 2 8 刃宽与一次翅高的关系 片管成形切削的有限元仿真 19 5 犁削 挤压速度的影响 试验结果表明 犁削 挤压速度在低速范围内取值较好 因为在加工刀具的挤压 作用下 过高的挤压速度会使紫铜表层金属产生较大的应变速率 从而导致金属变形 抗力过大难以发生塑性变形 图 2 8 表明了犁削 挤压速度对翅高的影响规律 随着 犁削 挤压速度的增大 一次翅高先增大后减小 为了获得较高的一次翅片 最佳速 度范围为 0 093m s 0 144m s 6 犁削 挤压深度对翅高的影响 图 2 9 显示了犁削 挤压深度对翅高的影响规律 由图可以看出 一次翅高随着挤 压深度的增加而增大 主要是犁削 挤压深度越大 发生变形的金属就越多 沿挤压 面流出成翅的金属也就越多 所以有利于增大翅片的高度 但是由于受加工刀具强度 的限制 犁削 挤压深度并非越大越好 深度太大 刀具容易断裂 一般取值在 0 2 0 4mm 图 2 8 犁削 挤压速度与翅高的关系 片管成形切削的有限元仿真 20 图 2 9 犁削 挤压深度与翅高关系 2 3 2 裂解结构高度的影响因素 随着裂解结构高度的增大 表面润湿性能将得到提高 可使材料的传热效率明显 提高 因此裂解结构高度是表征表面热功能结构的重要参数 有必要研究其影响因素 1 挤压角的影响 挤压面上存在刀具与被挤压金属材料间的摩擦 在摩擦力作用下 一次翅片顶部 位错堆积 产生许多显微空洞 这种空洞在切应力作用下不断长大 聚集连接 并同 时产生新的微小空洞 最终导致一次翅断裂 挤压接触面上的摩擦属于紧密型接触摩 擦 其摩擦力可以按下式计算 2 1 AFasf1 式中 抗剪强度 s 名义接触面积 Aa1 在一次翅顶部裂解较小的情况下 可以假设翅片的抗剪强度不受温度分布不均匀 的影响 也即为一常数 此时 摩擦力的大小主要取决于名义接触面积的大小 正 s 比于名义接触面积 因此在刃宽不变的情况下 挤压角的增大 名义接触面积反而减 小 摩擦力减小 因此从这方面来说 翅片难于裂解 但是 随着挤压角的增大 材料的变形更加剧烈 更加有利于显微空洞的产生 以及原有空洞的长大 聚集连接 屈服剪应力比没有位错时小得多 从而更加有利于 翅片的裂解 因此 随着挤压角的增大 裂解结构高度呈升高趋势 片管成形切削的有限元仿真 21 图 2 11 是裂解结构高度随挤压角变化曲线图 从图中可以看出裂解结构高度随 着挤压角的增大而增大 但是挤压角不能过大 过大的挤压角导致刀具变钝 犁削 挤压过程中容易产生切屑 故挤压角的最佳范围为 25 35 2 挤压倾角的影响 挤压倾角增大 挤压面作用于一次翅的压力增大 一次翅裂解后 受到挤压面的 挤压 工件材料难以沿 z 轴正向伸展 图 2 12 显示了挤压倾角对翅片裂解的影响曲线 裂解翅高随着挤压倾角增大而减小 因此 挤压倾角是影响一次翅裂解的关键因素之 一 最佳值为 0 3 后角的影响 随着后角的增加 裂解结构高度也将减小 这是因为后角的增大 一方面一次翅 高减小 另一方面由于参与加工的刀具表面减小 由式 2 1 可知 其摩擦力也相应的 减小 故裂解结构高度也减小 图 2 14 显示了后角对裂解结构高度的影响 随着后角 的增大 裂解结构高度也 随之减小 后角的最佳范 围在0 2 图 2 11 挤压角与裂解结构高度的关系 片管成形切削的有限元仿真 22 图 2 12 挤压倾角对裂解结构高度的影响曲线 图 2 14 后角对裂解结构高度的影响 4 刃宽的影响 图 2 15 显示了裂解结构高度随刃宽变化的关系 从图中可以看出 随着刃宽增大 裂解结构高度迅速增大 这是因为刃宽增大 材料变形更剧烈 更容易发生位错 因 而更易断裂 但是刃宽过大产生切屑将导致一次翅高的减小 进而影响裂解结构高度 的增大 对于裂解结构来说 刃宽的最佳范围在 1 2 1 4mm 之间 图 2 15 刃宽与裂解结构之间的关系 5 犁削 挤压速度的影响 片管成形切削的有限元仿真 23 显微空洞的产生以及微坑的大小受到基体材料加工硬化率的影响 若材料具有很 大的加工硬化指数 则由于提高了屈服到断裂的应力增量 所以将形成更多的显微空 洞而使微坑的尺寸变小 更容易裂解 图 2 16 显示了犁削 挤压速度对裂解结构高度 的影响 随着犁削 挤压速度的提高 金属材料变形更加剧烈 显微空洞增多 一次 翅更容易裂解 产生更高的裂解结构 但是当速度达到一定值时 材料应变率过大 材料硬化明显 此时裂解难以进行 因此犁削 挤压最佳速度范围为 0 093m s 0 144m s 片管成形切削的有限元仿真 24 图 2 16 速度对裂解结构高度的影响 6 犁削 挤压深度的影响 随着犁削 挤压深度的增加 裂解结构高度也将增加 这是因为 深度的增加引 起一次翅高的增加 一方面一次翅高几何形状更狭长 更容易裂解 另一方面导致名 义接触面积增大 由式 2 1 可知 摩擦力将增大 这有利于裂纹扩展 也即裂解结构 高度的增大 但是犁削 挤压深度的增加 对刀具的磨损更大 对刀具强度要求更严 格 其最佳范围为 0 2 0 4mm 图 2 17 显示了犁削 挤压深度对翅片裂解的影响 从图中可以看到 当深度较 小时 没有裂解结构产生 因为犁削 挤压深度较小时 一次翅片较厚 摩擦力难以 将一次翅撕裂 只有当一次翅具有一定高度时 翅片顶部较薄 摩擦力才能撕裂翅片 形成裂解 图 2 17 犁削 挤压深度与裂解结构高度的关系 片管成形切削的有限元仿真 25 2 4 本章小结 本章对锯齿状翅片的成形机理及其影响因素进行了研究 研究结果如下 其成形机理包括三个方面 一次翅的成形经历了犁切 挤压 成翅和裂解四个阶 段 这四个过程是同时进行的 一次翅裂解的根本原因是刀具对其挤压 摩擦而产生 的剪切变形 其过程也分为剪切撕裂 滑移微裂和周期成翅三个阶段 另外 本章也从刀具参数和运动参数对一次翅和裂解结构的影响进行了探讨 试验表 明 对于一次翅成形挤压角 取值范围为 25 35 挤压倾角 最佳范围为小于 2 6 后角 0 2 刃宽小于 1 2mm 最佳速度范围在 0 093m s 0 144m s 深度取 值在 0 2 0 4mm 对于裂解结构 挤压角的最佳范围为 25 35 挤压倾角是影响 一次翅裂解的关键因素 最佳值为 0 刃宽 1 2 1 4mm 犁削 挤压最佳速度范围为 0 093m s 0 144m s 深度最佳范围为 0 2 0 4mm 片管成形切削的有限元仿真 26 3 犁削 犁削 挤压加工的有限元分析及建模挤压加工的有限元分析及建模 上一章主要从试验角度分析研究了锯齿状翅片成形机理及其影响因素 为了更好 的理解锯齿状翅片犁削 挤压成形 本章和下一章将从理论角度分析其成形过程 本 章阐述了以塑性力学理论为背景 运用有限元法 综合考虑热力耦合的刚粘塑性模型 利用商业有限元软件 Deform 3D 建立了有限元模型 为研究犁削 挤压过程中的应力 应变场的分布打下了基础 并为以后研究刀具的磨损以及不同材料的锯齿状翅片成形 等方面提供了理论指导 通过利用上述模型进行预测 可大大减少时间 节约成本 3 1 概述 3 1 1 有限元技术简介 在工程技术领域内 工程师常常运用数学和力学的知识将实际问题抽象成它们应 该遵循的基本方程 常微分方程或偏微分方程 和相应的边界条件 除了少数方程性 质比较简单 且几何边界相当规则的问题之外 大多数工程技术问题难以按经典的弹 性力学和塑性力学方法获得解析解 为了解决这类问题 一般有两种方法 一是引入 简化假设 将方程和边界条件简化为能够处理的问题 从而得到解答 这种方法有很 大局限性 在少数情况下是可行 因过多的简化将可能导致不正确的甚至错误的解答 另一种方法就是数值解法 如有限元差分法 边界元法 有限元法和离散元法等 对 于非线性问题 有限元法更为有效 且发展更为成熟 已经出现了许多通用的有限元 程序 有限元法的基础是变分理论 最常用的变分原理有三个 最小余能原理 最小势 能原理和混合变分原理 不同的变分原理 基本未知变量也是不同的 当采用最小余 能原理时 必须假设应力场的形式 这种以应力作为基本未知变量的分析方法称为应 力法 采用最小势能原理时 必须假设单元内位移场函数的形式 这种方法称作位移 法 当采用混合变分原理时 就必须同时假设某些位移和应力 因而这种方法称为混 合法 对大多数问题 应用位移法比较简单 且应用广泛 有限元法分析计算的思路和做法可归纳如下 1 物体离散化 将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型 这一步称作单元划分 离散 后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来 单元节点的设置 性质 数目等应 视问题的性质 描述变形形态的需要和计算进度而定 一般情况单元划分越细则描述 变形情况越精确 但计算量越大 所以有限元中分析的结构已不是原有的物体或结 片管成形切削的有限元仿真 27 构物 而是同种材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物体 这样 用有限元分 析计算所获得的结构只能是近似的 如果划分单元数目非常多而又合理 则所获得的 结构就与实际情况相符合 2 单元特性分析 A 选择位移模式 在有限元法中 选择节点位移作为基本未知量时称为位移法 选择节点力作为基 本未知量时称为力法 取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合 法 位移法易于实现计算自动化 所以 在有限元法中位移法应用范围最广 当采用 位移法时 物体或结构物离散化之后 就可把单元总的一些物理量如位移 应变和应 力等由节点位移来表示 这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似 函数予以描述 通常 有限元法将位移表示为坐标变量的简单函数 这种函数称位移 模式或位移函数 如其中 是待定系数 zyxu 4321 1 2 3 4 是与坐标有关的某种函数 B 分析单元的力学性质 根据单元的材料性质 形状 尺寸 节点数目 位置及其含义等 找出单元节点 力和节点位移的关系式 这是单元分析中的关键一步 此时需要应用弹性力学中的几 何方程和物理方程来建立力和位移的方程式 从而导出单元刚度矩阵 这是有限元法 的基本步骤之一 C 计算等效节点力 物体离散化后 假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元 但是 对于实 际的连续体 力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的 因而 这种作用在单元 边界上的表面力 体积力和集中力都需要等效的移到节点上去 也就是用等效的节点 力来代替所有作用在单元上的力 3 单元组集 利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来 形成 整体的有限元方程 K F 3 1 式中 K 是整体结构的刚度矩阵 是节点位移列阵 F 是载荷列阵 4 求解未知节点位移 解有限元方程式 3 1 得出位移 这里可以根据方程组的具体特点来选择合适的 计算方法 通过上述分析 可以看出 有限元方法的基本思想是 一分一合 分是为了进 行单元分析 合则为了对整体结构进行综合分析 片管成形切削的有限元仿真 28 3 1 2 金属加工有限元模拟的研究现状 近年来 随着计算机技术和计算力学的发展 数值模拟技术 特别是有限元方法 广泛的应用在制造工艺的模拟中 通过数值模拟技术 可以代替需要大量费用的工艺 实验 有限元方法最早被应用在切削工艺的模拟是在 70 年代 与其它传统方法相比 它大大提供了分析的精度 1973 年美国 Illinois 大学的 B E Klamechi 最先系统地研究了 金属切削加工中切屑成形的原理 1980 年美国的 North Carolina 州立大学的 M R Lajczok 在其博士论文中应用有限元方法研究切削加工中的主要问题 初步分析了 切削工艺 1982 年 Usui 和 Shirakashi 为了建立稳态的正交切削模型 第一次提出刀 面角 切屑几何形状和流线等 预测了应力应变和温度这些参数 1987 年 Strenkowski 和 Mitchum 提出了要修改切屑出现锯齿状时的断裂分离准则 他们指出等 效应变得临界值随着切削深度的增加而增加 1990 年 Strenkowski 和 Moon 模拟了切 屑形状 用 Eular 有限元模型研究正交切削 忽略了弹性变形 预测了工件 刀具以及 切屑中的温度分布 Usui 等人首次将低碳钢流动应力设为应变 应变速率和温度的函 数 他们用有限元方法模拟了连续切削中产生的切屑瘤 而且在刀具和切屑接触面上 采用库仑摩擦模型利用正应力 摩擦应力和摩擦系数之间的关系模拟切削工艺 近几 年来 国际上对金属切削工艺的有限元模拟更加深入 日本的 Sasahara 和 Obikawa 等 人利用弹塑性有限元方法 忽略了温度和应变速率的效果 模拟了低速连续切削时被 加工平面的残余应力和应变 美国 Ohio 州立大学净成形制造 Net Shape Manufacturing 工程研究中心的 T Altan 教授 与意大利 Brescia 大学机械工程系的 E Ceretti 合作对切削工艺进行了大量的有限元模拟研究 澳大利亚悉尼大学的 Lianchi Zhang 和美国 Auburn 大学的 J M Huang J T Black 对有限元分析正交工艺中的切 屑分离准则做了深入的研究 对不同的分离准则都做了考察 台湾科技大学的 Zone Ching Lin 等人对 NiP 合金的正交超精密切削中切削深度和切削速度对残余应力 的影响做了研究 模拟前对单向拉伸实验数据进行回归分析 得出材料的流动应力公 式 考虑切削加工中的热力耦合效应建立了热弹塑性有限元模型 这些工作为犁切 挤压加工工艺的有限元模拟奠定了理论和实践基础 以上所作的有限元模拟工作对切削和塑性加工中的关键技术如 建立材料本构方 程 切屑成形技术 刀 屑界面的摩擦处理和锯齿切屑模拟技术 网格重划分技术 残余应力的预测等方面进行了理论探讨 已经形成了比较成熟的技术 为本文的犁削 挤压加工工艺模拟提供了理论支持 3 1 3 Deform 3D 简介 上世纪 80 年代早期 美国 Battelle 研究室在美国空军基金的资助下开发的有限元 计算程序 ALPID Analysis of Large Plastic Incremental