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基于近场动力学的铝合金切削过程研究

基于近场动力学的铝合金切削过程研究

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作者：丁井虎贵州大学

学位级别：硕士

目前广泛结合数值模拟技术研究金属切削机理,但主流方法由于连续性和局部性假设而难以处理材料的极端变形和损伤断裂等问题。因此,本文引入了非局部近场动力学(Peridynamic,PD)理论,旨在解决切削过程中材料变形及损伤问题。然而,目前PD... 详细信息

目前广泛结合数值模拟技术研究金属切削机理,但主流方法由于连续性和局部性假设而难以处理材料的极端变形和损伤断裂等问题。因此,本文引入了非局部近场动力学(Peridynamic,PD)理论,旨在解决切削过程中材料变形及损伤问题。然而,目前PD理论主要用于脆性及简单塑性材料的变形建模,并在金属切削建模领域相对空白。为解决以上问题,针对弹塑性变形、损伤断裂、刀屑接触及热力耦合等过程进行建模,构建出PD金属切削数值模型。在弹性变形建模方面,将柯西应力分解为偏应力及静水应力并分开建模,其中偏应力使用基于广义胡克定律的Jaumann rate方程更新。在塑性变形建模方面,使用基于von Mises屈服准则的Johnson Cook(JC)模型,通过径向返回算法更新应力应变。借助非局部变形梯度等参数将本构引入PD运动方程中。在塑性损伤建模方面,构建出基于JC损伤模型的物理损伤模型以及基于临界拉伸准则的几何损伤模型。在刀屑接触建模方面,使用无网格理论及接触力学构建出刀屑接触检测算法,并使用最近距离法对穿透粒子重定位。对由于零能模式的修正而造成刀尖粒子聚集进行修正,并引入近程力模型处理复杂变形。在热力耦合建模方面,基于库仑摩擦定律及无网格理论构建出切削力、热产生、热传导及热应力模型。在数值计算方面,构建出空间哈希算法以优化粒子搜索形式,并通过时空积分获得各时间步的过程变量,最终使用C++语言编写出数值计算程序。借助单轴拉伸模型、KW冲击模型、热力耦合模型研究了金属变形模型的数值表现。基于此构建出金属切削数值模型,并使用C#语言设计出软件交互界面。在切削机理研究方面,主要从解决材料的极端塑性变形及切削损伤两方面着手。首先,研究了金属切削过程中材料的弹塑性变形和过程变量分布。其次,研究了显著影响极端塑性变形的PD内部模型、宏观剪切变形及剪切带几何形貌,构建了材料变形模型及粒子运动状态模型。之后,通过几何及物理损伤模型研究了不同钝圆刀具对不同区域及不同时刻材料损伤形态的影响。最后,搭建了正交切削实验平台及构建了有限元切削模型,从切削力及切屑形态两方面验证了数值计算精度。通过上述研究,建立了PD金属切削数值模型,开发了相应的模拟软件,实现了对切削过程中的过程变量、剪切变形及损伤状态的精确预测。得到的研究成果一方面实现了金属切削的综合性建模;另一方面完善及扩展了PD在复杂变形领域的应用研究;还对切削过程中的剪切变形、损伤状态及加工质量有着一定的贡献。

关键词：金属切削机理数值模拟近场动力学剪切变形切削损伤

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可转位浅孔钻的径向力分析和试验研究

可转位浅孔钻的径向力分析和试验研究

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作者：冀海方太原理工大学

学位级别：硕士

随着工程材料和涂层工艺的不断发展，可转位浅孔钻在实际生产中得到了广泛的应用。然而，在其钻孔质量方面与国外成熟产品相比存在一些差距，其中可转位浅孔钻的径向力问题是影响其钻孔质量的最主要的因素。与麻花钻相比，可转位浅孔... 详细信息

随着工程材料和涂层工艺的不断发展，可转位浅孔钻在实际生产中得到了广泛的应用。然而，在其钻孔质量方面与国外成熟产品相比存在一些差距，其中可转位浅孔钻的径向力问题是影响其钻孔质量的最主要的因素。与麻花钻相比，可转位浅孔钻具有较好的钻孔质量、较低的轴向力、更高的切削速度和进给速度。但由于可转位浅孔钻刀片的非对称布局，容易导致其在钻孔过程中受到未平衡的径向力，过大的径向力会引起钻头振动使钻孔质量降低。因此，如何最大限度地减小可转位浅孔钻在钻孔过程中受到的径向力，就成为设计和优化可转位浅孔钻的关键。本文基于不等分剪切区模型来计算剪切面上的剪切应力。结合等效平面法将直角切削理论应用到单刃斜角切削的建模中，并根据直角切削和单刃斜角切削之间的切削力变换关系对单刃斜角切削的切削力进行分析。为分析可转位浅孔钻在钻孔过程中受到的径向力，本文将可转位浅孔钻的切削刃离散为一系列无限小的斜角切削单元。在分析了可转位浅孔钻几何角度的基础上，以单刃斜角切削为基础模型，根据斜角切削和钻削之间的切削力变换关系对可转位浅孔钻的钻削力进行分析，建立计算可转位浅孔钻径向力的数学模型。最后，对铝合金Al7050-T7451进行多组不同切削参数的钻削试验，通过数值计算和钻削试验结果的比较，对本文所建立的数学模型的有效性进行验证。本文的主要内容有： 1．以安装有两个WCMX型刀片的可转位浅孔钻为本文的研究对象，建立了分析可转位浅孔钻几何角度(法前角、刃倾角和主偏角等)的数学模型，对可转位浅孔钻的几何角度沿钻头径向上的变化情况进行了分析，并与向量法分析可转位浅孔钻的几何角度进行了比较。 2．采用不等分剪切区模型计算剪切面上的剪切应力。在剪切区内，材料的本构关系采用Johnson-Cook方程表示，结合切削层材料在剪切区内速度、应变、应力和温度的控制方程，通过数值方法求解剪切面上的剪切应力。随后采用等效平面法将不等分剪切区模型的理论应用到单刃斜角切削的建模中，将单刃斜角切削等效为一系列与等效平面平行的直角切削薄片，并根据这些与等效平面平行的直角切削薄片和单刃斜角切削之间的切削力变换关系对单刃斜角切削的切削力进行了分析。 3．分析了将可转位浅孔钻的切削刃离散为一系列无限小的单刃斜角切削单元的离散过程。在分析可转位浅孔钻几何角度的基础上，以单刃斜角切削为基础模型，根据单刃斜角切削单元和可转位浅孔钻之间的切削力变换关系对可转位浅孔钻钻孔的钻削力进行分析，对微元钻削力进行数值积分求和得到可转位浅孔钻钻孔的钻削力，最终建立了可转位浅孔钻的径向力计算模型。 4．对铝合金Al7050-T7451进行了多组不同切削参数的钻削试验，通过数值计算和试验结果的比较验证了所建立的计算可转位浅孔钻钻削力的数学模型的有效性。

关键词：可转位浅孔钻切削力刀具几何角度金属切削机理斜角切削

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