金属切削加工过程的数值模拟

运用商业非线性有限元软件MSC.MARC,对金属切削加工过程进行了弹塑性热力耦合模拟,分析了不同刀具几何参数及切削用量在切削加工过程中对切削力、应力分布、工件残余应力及残余变形的影响.     

基于热力耦合模型的切削加工残余应力的模拟及试验研究

航空精密薄壁零件具有复杂的型腔结构,切削加工残余应力是薄壁零件精度稳定性的重要影响因素,因此必须对切削加工残余应力进行研究。根据热—弹塑性有限元理论,建立切削加工三维有限元模型,对航空铝合金材料Al2A12进行切削加工非线性弹塑性有限元模拟分析,对切削加工表面残余应力进行预测和计算。通过有限元分析,得到不同切削参数、刀具参数条件下的已加工表面残余应力的模拟结果,并对结果进行比较分析,得到各个因素对工件已加工表面残余应力的基本影响规律;进行不同加工工序条件下的切削加工残余应力的有限元模拟,在加工表面已有一次切削加工残余应力分布的情况下,进行二次切削加工有限元模拟,得到二次切削加工对工件已加工表面残余应力的影响规律;并且进行不同切削参数对残余应力影响的试验研究,验证有限元模型的正确性。     

金属二次切削残余应力的有限元分析

残余应力是影响构件表面完整性的重要因素,合理分析和研究连续切削状态下构件表面的残余应力,对现实生产有很大的指导意义。本文通过建立二次切削有限元模型,将一次切削完成以后的应力、应变场作为初始边界条件加载到二次切削过程中,运用可靠的材料模型及切屑分离手段,合理施加位移和速度边界条件,对金属二次切削过程进行数值模拟,得出了不同切削次序、切削深度和刀尖圆角半径对工件表面残余应力的影响规律。这对进一步研究连续切削过程及机械加工的表面完整性具有较高的参考价值。     

切削用量对钛合金已加工表面残余应力的影响

为了得到切削用量对钛合金加工表面残余应力的影响,本文根据金属切削有限元分析相关理论,建立了三维斜角切削有限元模型,对钛合金Ti6Al4V的铣削加工进行了模拟分析,得到了切削速度和切削深度对工件加工表面残余应力的影响。由模拟结果得出:残余应力随切削速度的增大而逐渐增加,切削速度对加工表面残余应力的影响较大,同时随着切削速度的改变,表面残余应力层的厚度有上升趋势;残余应力在已加工表面外表面表现为拉应力,沿深度方向由拉应力逐渐过渡到压应力;切削深度对残余应力及残余应力层的影响都较小。     

斜角切削过程的三维热—弹塑性有限元分析

基于大变形理论和虚功原理,建立了斜角切削加工过程的三维热一弹塑性有限元模型.分析和研究了涉及切削加工有限元模拟的关键技术.采用通用有限元求解器ABAQUS/Explicit对斜角切削过程进行了有限元模拟,分析了切削过程中切屑的形成过程及其形貌、三维切削力的变化情况,以及应力、应变、切削温度和已加工表面残余应力的分布规律.通过与试验数据的比较,证明了所建立有限元模型的正确性.斜角切削过程的三维热一弹塑性有限元模拟研究为铝合金高速切削加工的工艺参数优化、刀具几何参数的合理选择提供了参考.     

微切削已加工表面残余应力预测

准确预测残余应力对提高微小工件的可靠性非常重要.建立微切削残余应力的理论分析预测模型,应用有限元仿真方法,探求了不同切削速度和进给量下微切削45钢已加工表面残余应力分布规律,分析了切削速度和进给量对已加工表面残余应力的影响,为优化微切削过程和防止微小零件疲劳破坏提供可靠的依据.     

预应力切削钛合金的有限元分析

为揭示预应力切削对钛合金Ti6Al4V加工表面残余应力的调整机理,探讨切削时锯齿形切屑的形成过程,基于预应力切削原理建立了钛合金的预应力切削有限元模型,模拟了0、280 MPa和560 MPa这3种预应力下的锯齿形切屑形成过程以及已加工表面的残余应力分布。结果表明:采用预应力切削方法可以调整钛合金已加工表面的残余应力状态;预应力对锯齿形切屑的形成过程和切屑特征无明显影响;在材料弹性极限内施加越大的预应力,表面层残余压应力效果越显著,次表层最大残余压应力值越高,残余压应力层分布也越深。     

预应力切削加工TC4钛合金表面残余应力的有限元模拟

采用预应力切削方法对TC4钛合金进行加工,建立了预应力切削TC4钛合金的有限元模型,模拟了不同预应力下锯齿状切屑的形成过程及加工表面的残余应力分布情况,然后将模拟结果与试验结果进行了对比。结果表明:预应力切削可以调整已加工表面的残余应力分布状态和应力值,在弹性变形范围内,预应力越大,加工后表面的残余压应力越大,残余压应力的分布也越深;预应力对锯齿状切屑的形成无明显影响;模拟结果和试验结果具有较好的一致性。     

弱刚度结构件切削加工残余应力的研究

弱刚度结构件具有刚度差和材料去除量大等特点,加工过程中产生的残余应力容易导致其加工变形,尤其对于精度要求高且厚度不均匀的弱刚度结构件,更有必要研究切削加工残余应力的影响因素,从而为控制弱刚度结构件的加工变形提供基础。根据正交切削理论和热弹塑性有限元理论建立了切削加工的三维有限元模型,对材料为40CrNiMo的变厚度弱刚度结构件进行了切削加工模拟,对切削过程中的残余应力进行了有限元计算。通过对比不同切削参数情况下残余应力的分布,得到了残余应力随切削参数的变化规律;将变厚度弱刚度结构件的加工分为二次等厚度的切削加工,通过与一次加工得到的残余应力进行对比,得到了2种不同加工工序对变厚度弱刚度结构件的残余应力影响规律。     

难加工材料硬态干车削中切削参数对残余应力的影响

本文对切削参数和残余应力之间的关系的进行研究.针对某型号高强高硬钢在硬态干车削过程,研究了各切削参数对已加工表面残余应力及残余应力层深分布的影响.结果发现,不同的切削参数条件下,工件已加工表面残余应力可以为拉应力也可以为压应力,残余应力作用层深度为300μm左右.对残余应力影响较大的切削因素为切削速度和进给量,切深对残余应力影响较小,切削参数选择低速低进给时,容易得到有利于提高工件疲劳寿命的表面残余压应力.     

切削速度对工件表面残余应力的有限元模拟

针对正交切削加工建立了平面应变模型;利用通用的有限元软件,对所建立的模型进行模拟,得到了不同切削速度下工件表面残余应力模拟结果,并对这些结果进行了比较分析,得出切削速度对工件表面不同方向的残余应力的基本影响规律。     

半球件车削残余应力的正交试验研究

运用正交试验方法对半球形零件进行切削试验,采用方差分析法分析试验结果。结果表明,半球件车削加工后,球顶处于强烈的压应力状态,球面上切向残余应力表现为拉应力,轴向残余应力表现为压应力;切削参数对加工表面残余应力影响的显著性顺序为进给量、切削深度和切削速度。在本试验参数范围内选取切削参数时,切削速度、进给量取中值有利,切削深度取小值有利。     

W-Fe-Ni合金车削残余应力正交试验研究

采用极差分析法分析基于正交试验的W-Fe-Ni合金车削试验结果。结果表明:加工表面切向残余应力为拉应力,其主要影响因素是切削深度;轴向残余应力为压应力,其主要影响因素是进给量。并讨论了获得较小车削表面残余应力的合理切削条件。     

MACHINING RESIDUAL STRESSES IN AISI 316L STEEL AND THEIR CORRELATION WITH THE CUTTING PARAMETERS

It is well known that machining results in residual stresses in the workpiece. These stresses correlate very closely with the cutting tool geometrical parameters as well as with the machining regime. This paper studies the residual stress induced in turning of AISI 316L steel. Particular attention is paid to the influence of the cutting parameters, such as the cutting speed, feed and depth of cut. In the experiments, the residual stresses have been measured using the X-ray diffraction technique (at the surface of the workpiece and in depth). The effects of cutting conditions on residual stresses are analyzed in association with the experimentally determined cutting forces. The orthogonal components of the cutting force were measured using a piezoelectric dynamometer.     

刀片钝化半径对高温合金切削质量影响的研究

通过不同钝化半径的刀具对GH4169高温合金进行车削正交试验,结果表明:随着钝化半径的增加,表面残余应力先降低后增加;工件环向残余应力随着钝化半径的增加,工件内部残余压应力最大值增大,影响深度随之增加。由表面粗糙度和表面残余应力的敏感程度可知,进给量是影响表面完整性的最主要因素,其次是切削速度和切削深度。分析了不同钝化半径和切削参数对表面完整性特征的影响规律,建立了表面粗糙度表面残余应力的经验公式,得到了用于精加工GH4169高温合金较好的钝化半径范围0.02~0.03mm,以及较优的切削参数vc=60~70m/min,fn=0.05~0.075mm/r,ap=0.2~0.5mm。     

干切加工零件表面残余应力影响因素的仿真分析

基于ABAQUS的大变形分析功能,结合单因素正交试验和多元正交试验设计,模拟不同切削参数下PCBN刀具切削Cr12Mo V零件的加工过程,得到各切削参数对工件表面残余应力影响的预测模型,分析了不同切削参数对工件表面残余应力的影响规律,通过对试验结果的极差分析得到最优切削方案。模拟试验所得数据为合理选择切削参数、提高工件表面质量提供了理论依据。     

TiN涂层陶瓷刀具膜—基界面应力的试验研究

利用X射线衍射(XRD)应力分析仪测试了TiN薄膜涂层与Si3N4陶瓷刀具基体的界面残余应力状况,分析了成膜过程中应力形成的原因及对膜—基结合强度的影响。结果表明,TiN薄膜的残余应力为压应力,本征应力为张应力,应力的大小及分布对涂层刀具的硬度和膜—基结合强度有明显影响。     

车轮残余应力测试方法研究

采用仿真分析的方法研究了火车轮径向锯切过程中锯缝宽度的变化以及锯缝附近踏面上应力/应变的变化规律。分析表明,当锯切深度达到轮辋与辐板连接处时,锯缝附近残余应力的释放已经十分充分,可根据残余应力的释放情况计算踏面上残余应力的大小。按照径向锯切方法,在锯缝附近粘贴应变片,径向锯切到轮辋与辐板连接圆弧处时停止锯切,依据应变片记录的应变值可计算踏面上的残余应力。     

残余应力作用下的航空整体结构件加工变形仿真

铝合金预拉伸板在成型过程中会产生较大的残余应力,在切削过程中毛坯的初始残余应力的释放对整体结构件的宏观变形有重要的影响。在弹塑性力学的基础上,综合运用Hypermesh和ABAQUS建立残余应力单因素作用下的三维铣削仿真加工变形场的有限元模型,利用生死单元技术模拟了材料的去除,分析了铝合金板材材料去除过程中残余应力释放引起的加工变形规律。并且运用Hypermesh提高了有限元前处理的速度,解决了复杂模型的残余应力加载困难与单元去除困难的问题。