基于数值仿真的耐热钢加工刀片槽型设计论文.docx
- 文档编号:12290316
- 上传时间:2023-04-17
- 格式:DOCX
- 页数:56
- 大小:1.02MB
基于数值仿真的耐热钢加工刀片槽型设计论文.docx
《基于数值仿真的耐热钢加工刀片槽型设计论文.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于数值仿真的耐热钢加工刀片槽型设计论文.docx(56页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
基于数值仿真的耐热钢加工刀片槽型设计论文
毕业论文
(科学研究报告)
题目
基于数值仿真的耐热钢
加工刀片槽型设计
院(系)别
机电及自动化学院
专业
12机电2班
级别
2012
学号
1211114048
姓名
张庆
指导老师
言兰副教授
华侨大学教务处
2016年6月
摘要
现代技术的飞速发展,机械制造工业向着柔性化、集成化、自动化和智能化方向逐渐统一。
各种先进的制造技术、高效率的数控机床的使用的同时,也要求切削加工过程中所用的刀具具有高精度、高效率、高可靠性和专门化(“三高一专”)特点[1],而加工过程中能够良好的断屑则是达到该要求的关键技术和必经途径。
断屑的方法有许多种,其中目前最为经济也是应用最为广泛的一种断屑方法就是利用断屑槽进行断屑。
不足之处是刀具合理几何参数的确定,受到断屑要求的牵制。
金属切削过程中,切屑的流出形态对其排出的顺畅性具有非常重要的影响。
随着金属切削加工过程自动化程度的提高,切削韧性较高的金属工件时能否断屑已经成为生产中的关键性问题[2]。
因为切屑如果过长而缠绕在工件和刀具上,不仅会破坏工件的已加工表面,产生制造精度误差,而且会造成刀具迅速磨损与破碎,严重的甚至可能造成机床故障,影响工人安全。
本文阐述了断屑槽槽型优化的意义,通过借助于有限元模拟仿真分析软件的方法,不同槽型的Fe-Cr-Ni不锈钢刀具连续切削同一加工材料的对比试验。
按照实际切削加工来设置边界条件,把建立好的二维刀具模型导入仿真软件进行切削仿真模拟。
通过对所选的刀具槽型产生的切屑进行比较分析,优选出哪种槽型的刀具加工工件时断屑效果最佳,综合考虑刀具所受应力情况、应变情况、接触点温度、热速率等刀具的相关方面以及切屑的断屑段数、卷曲半径等相关方面,然后取其精华,去其糟粕,选择最优的参数组合,以提高加工效率,改善切削条件,提高加工精度,提高刀具性能及使用寿命。
结果表明:
断屑槽槽深h1=0.15mm左右时,断屑槽凸台高度h2=0.15mm,断屑槽压屑面的水平夹角r=30°附近时,断屑效果最好,存在最优几何参数组合。
这些结论有助于我们更加深入了解切削机理,断屑槽槽型各参数在切削过程中所体现出来的作用,为复杂槽型的设计、优化和选用提供理论指导,并对设计和制造过程中可能出现的问题进行分析与预测,提出改进措施,实现刀具槽型结构参数从开发到制造整个过程的优化。
同时地,也有助于解决传统的用“试错法”研究断屑槽型所带来的研究开发周期长、耗材量大、工作效率低、加工成本高的问题,达到提高经济效益的目的。
关键词:
断屑槽,槽型结构,切屑,断屑槽槽宽,有限元法
ABSTRACT
Withthedevelopmentofmoderntechnology,themachinerymanufacturingiscontinuouslydevelopingtowardstheflexibility,integration,robotizationandintelligentization,Applicationoftheadvancedmanufacturingtechnologyandthenumericalcontrolmachiningofhigherefficiency,atthesametime,thetoolusedinthemachiningprocesshastheadvantagesofhighprecision,highefficiency,highreliabilityandspecialization(‘threehighsandonespecilize’)features[1],itrequirestoolsappliedtomachiningwithhigherefficiency,higherprecision,higherreliabilityandspecialization.Goodbreakingchipisakindofimportantmethodandkeytechnologytoreachtherequest.Atpresent,usingbrokengroovestobreakchipsisthemosteconomicalandprevalentmethod.Meanwhile,determiningthereasonablegeometricparametersoftoolinserttobepinneddownbytherequirementsofbreakingchips.
Intheprocessofmetalcutting,outflowformsofchiphasveryimportantinfluenceinremovingchipssmoothly.Withimprovementoftheautomationdegreeofmetalcuttingprocess,whethercuttinghightoughnessmetalworkpiecechipcanbebrokenhasbecomekeyissueinproduction.Thereasonisifthechipistoolongsothatwindingontheworkpieceandcuttingtool,itwillnotonlydamagetheworkpiecemachinedsurface,maketheprecisionerrorandcausecuttingtoolwearandbreakagerapidly.Inthemostseverecases,itcanevenmeanthedifferencebetweenlifeanddeathforthefailureofmachinetools.
Inthispaper,theauthorexpoundsthesignificanceofchipbreakinggrooveshapeoptimization.Inaccordancewiththeactualmachiningtosetboundaryconditions,thenimporttheestablishedtwo-dimensionalcuttingtoolmodelintothefinitesimulationelementanalysissoftwareandrunningit.Bymeansoffinitesimulationelementanalysissoftware,weconductedacomparativetestofthesamematerialcontinuouscutbydifferentgroovetypeheat-resistantsteelcuttingtool.Bycomparingandanalyzingoftheselectedtoolgroovetypechip,consideringthestressandstrain,contacttemperature,heatrateofthetoolandthenumberofbrokenchipfragments,chipcurlingradiusandotherrelatedaspects,thekindofcuttergroovehasthebesteffectinchipbreakingwhenmachinningtheworkpiece.theoptimizedslottypetoolparametersintothesimulationsoftwareforsimulationofthecuttingsimulation.Takeitsessence,goestoitsdregs.Selectingtheoptimaxcombinationoftheparameterswhocanimproveprocessingefficiency,thecuttingcondition,themachiningprecision,toolperformanceandservicelife.
Theresultsshowthatwhenthegroovedepthh1isaboutto0.15mm,theheightofbossh2isaboutto0.15mm,thehorizontalangleofthechipbreakinggroovechipsurfacerisaboutto30degreeisthebestcombinationofgeometricparametersthechipforitsbestbreakingperormance.
Theseconclusionswillbehelpfulforustounderstandthecuttingmechanismandtheeffectofgeometricalparametersofchipgrooveinthecuttingprocessbetter.Also,theseconlusionprovidedtheoreticalguidanceforthedesign,optimizationandselectionofcomplexgroove,andcanbeusedtoanalyzeandpredicttheproblemsthatmayariseduringthedesignandmanufactureprocess,andputforwardtheimprovementmeasurestorealizetheoptimizationofthetoolgroovestructureparametersfromthedevelopmenttothemanufacturingprocess.Atthesametime,theyalsohelptosolvetheproblembroghtbytraditional‘trialanderror’methodofresearchingchipbreakinggroovethatthelongresearchanddevelopmentperiod,thehugequantityofconsumablematerial,thelowworkefficiencyandthehighprocessingcost.
Keywords:
chipbreakgroovetoolgroovestructurethegroovewidthfiniteelementmethod.
第1章绪论
1.1引言
现代技术的飞速发展,机械制造工业向着柔性化、集成化、自动化和智能化方向逐渐统一。
各种先进的制造技术、高效率的数控机床的使用的同时,也要求切削加工过程中所用的刀具具有高精度、高效率、高可靠性和专门化(“三高一专”)特点[1],而加工过程中能够良好的断屑则是达到该要求的关键技术和必经途径。
断屑的方法有许多种,其中目前最为经济也是应用最为广泛的一种断屑方法就是利用断屑槽进行断屑。
不足之处是刀具合理几何参数的确定,受到断屑要求的牵制。
断屑是机械加工,特别是数控机床、自动化加工中的一个重要问题。
如果断屑不利,不仅会影响工件已加工表面的质量、损坏机床精度,而且会降低生产率,甚至影响操作者的安全。
目前,利用断屑槽进行断屑仍然是工业生产中的主要断屑方式。
什么样的槽型能够获得良好的断屑效果,这正是断屑槽的优化设计中的关键问题。
1.2切屑折断的原理
金属切削过程中,切屑是否容易折断,与切屑的变形有直接联系,所以研究切屑折断原理必须从研究切屑变形的规律入手。
切屑的变形可以由两部分组成:
第一部分是切削过程中所形成的,我们称之为基本变形。
用平前刀面车刀自由切削时所测得的切屑变形,比较接近于基本变形的数值。
影响基本变形的主要因素有刀具前角、负倒棱、切削速度三项。
前角前角越小,负倒棱越宽、切削速度越低,则切屑的变形越大,越有利于断屑。
所以,减小前角前角、加宽负倒棱,降低切削速度可作为促进断屑的措施。
第二部分是切屑在流动和卷曲过程中所受的变形,我们称之为附加变形。
因为在大多数情况下,仅有切削过程中的基本变形还不能使切屑折断,必须再增加一次附加变形,才能达到硬化和折断的目的。
迫使切屑经受附加变形的最简便的方法,就是在前刀面上磨出(或压制出)一定形状的断屑槽,迫使切屑流入断屑槽时再卷曲变形。
切屑经受附加的再卷曲变形以后,进一步硬化和脆化,当它碰撞到工件或后刀面上时,就很容易被折断了。
1.3刀具槽型在切削过程中的作用研究
在切屑控制过程中,好的屑形、切屑合理的卷曲和流向是进行切屑控制的首要任务。
没有槽型的刀具进行切削时,其切屑的形状、流向和卷曲是不规则且难以控制的,这种刀具常用于粗加工和脆性材料的加工。
而对于精加工和韧性好的材料而言,切屑的形状、卷曲和流向是我们必须控制的。
各国学者对流屑角和切屑的卷曲半径进行了相关的研究。
日本学者中山一雄[4~5],提出运用上卷、侧卷和流屑角对切屑自然卷曲的运动进行了描述。
Worthington[6]从实验中获得了求切屑上向卷曲半径的经验公式
(1-1)
其中,Wt为断屑槽宽度,aT为切屑开始同断屑槽尾部相接触时的切屑厚度,at为切屑厚度,n为与工件材料有关的系数。
用带有断屑槽的可转位硬质合金刀片进行切削时,在不考虑切屑的弹性变形及流出断屑槽后的弹性恢复,并且假定切屑与断屑槽后壁相接触的情况下,方宁[7]总结出了切屑向上卷曲半径的计算方法。
Albrect[8]认为,断屑槽型的存在,能使其在剪切面上产生一个弯矩,这个弯矩将引起切屑的弹塑性变形而使切屑上向卷曲。
这一假说后来被胡荣生等人[9]实验所证实:
切屑卷曲的主要原因是切屑弯矩作用的结果。
断屑是对切屑控制的目的,由于断屑的凸显重要,各国学者在这方面做了许多定性的分析。
他们认为切屑折断原因主要是由于切屑在不断流出的过程中遇到障碍物工件或刀具,迫使切屑发生变形,当切屑的最大应变大于切屑的隔界断裂应变时,切屑折断。
Jawahir采用高速摄影对切屑弯曲、折断过程进行了研究,得到了上向卷曲的切屑在一个折断周期内的变化情况。
切屑将要折断时,切屑上向卷曲半径达到最大值,切屑折断后,上向卷曲半径为最小值,但此时上卷半径并不为零,这说明切屑并不是在根部折断,而是在离开前刀面后,并保留一段初始卷曲的部分断开。
NingFang[10]用实验的方法阐述了前角、槽宽Wn、槽型宽深比Wn/H和凸台高度h对切屑折断最小进给量的影响。
中山一雄于1962年建立了第一个切屑折断的标准,认为切屑折断的条件是
(1-2)
其中ach为切屑厚度a为系数,R0为切屑的固有卷曲半径,RL为切屑碰到刀杆或其他障碍物时的极限半径。
由此我们知道了,刀具断屑槽具有促进切屑卷曲的作用,而且对切屑的形状和切屑的折断有着重要的影响。
在切削加工中,人们就是利用断屑槽的不同形状、尺寸及断屑槽与主切削刃的倾斜角等,来实现控制切屑的卷曲与折断。
[10]在切削过程中,断屑槽通过对切削力、切削温度和切屑形态的影响,进而间接影响刀片的使用寿命。
本文通过断屑槽台断屑方式,基于专业金属切削仿真软件AdvantEdge模拟断屑槽台尺寸对切屑折断影响规律。
仿真断屑槽台对切屑折断的影响,并找到切屑折断曲率半径与断屑槽台高度及宽度关系。
首先总结影响断屑的因素并针对切削这种加工形式提出断屑条件数学方程式,推导出切削过程中切屑在断屑槽台内曲率半径的计算模型。
根据在切削过程中影响平均曲率半径的推导公式,设计了不同断屑槽台尺寸二维切削刀片,将二维几何模型一一导入AdvantEdge仿真软件并仿真说明断屑槽台的几何因素对切屑折断重要性。
完成对不同尺寸二维切削过程仿真,找到在一定切削参数下平均曲率半径、折断时切屑的曲率半径与断屑台高度、刀具断屑槽槽宽的影响规律。
采用单因素法分析刀具断屑槽的各几何因素对切削力、切削温度等的影响,最后求出最优几何参数组合。
1.4课题研究的目的和意义
金属切削过程中,切屑的流出形态对其排出的顺畅性具有非常重要的影响。
随着金属切削加工过程自动化程度的提高,切削韧性较高的金属工件时能否断屑已经成为生产中的关键性问题[2]。
刀具作为金属切削加工中的主要工具,在很大程度上影响着机械产品的质量和可靠性[3]。
1.4.1课题研究的目的
随着切削加工的数值化程度越来越高,为了解决切削过程中的问题,必须详细了解刀具槽型参数在切削中的作用。
利用传统的解析法很难对切削过程进行定量分析和研究。
而仅靠实验方法来研究切削问题,不仅工作量大,而且成本较高。
近年来,随着计算机性能和运算速度的提高,应用有限元方法对切削过程进行仿真分析,不仅有利于更深入地研究切削机理、切屑形成机理、刀具槽型参数在切削过程中的作用以及受力分布情况等,而且对提高金属切除效率、改善加工表面质量有着显著作用。
本课题的主要目的是通过用有限元模拟切削过程,对断屑槽的不同的几何参数的刀具在切削过程中的对比,在相同的切削加工条件下,所反映出来的切削力的变化规律、温度的分布状况和切屑的折断效果,找出适合于切削加工用的刀具槽型的几何参数。
我们知道,如果单纯用实验的方法来验证这些因素对切削过程的影响,无论从时间上还是经济上来看,都是不可取的。
而通过有限元分析,使我们更加深入了解切削机理、切屑形成的原理以及切削过程中槽型各参数的作用和受力分布情况,为切屑折断预测和复杂槽型的设计、选用提供理论指导,确定槽型参数的优化组合,设计出合理的槽型结构,并对设计和制造过程中可能出现的问题进行分析与预测,提出改进措施,使其更加有效的在切削加工中对产生的切屑进行合理有效的卷曲、折断。
实现刀具槽型结构参数从开发到制造整个过程的优化,达到缩短产品的研制开发周期、减少开发风险、满足生产加工的需求,提高经济效益的目的。
1.4.2课题研究的意义
切削是一个非常复杂的过程,它不但涉及弹性力学、塑性力学、断裂力学,还有热力学和摩擦学等。
切削的质量受到刀具几何参数、切屑流动、温度分布、热流和刀具磨损的影响。
同时,切削后工件表面的残余应力和应变会很大程度影响工件的精度和疲劳寿命。
刀具的断屑槽在切削加工过程中可起到控制切屑的流动、卷曲和折断的作用,直接影响切削力、切削功率、切削温度、刀具耐用度、机床与工件的振动以及加工表面质量。
因此,断屑槽设计的优劣对刀具的使用性能起着至关重要的作用。
只有对切屑流出刀具前加以控制,使其尽快卷曲折断,才能获得理想形状的切屑。
以往对切屑的控制的研究主要是集中于在刀具上安装断屑器(柱状形、台阶形和可调式断屑器),如图1所示。
关于安装用于控制切屑折断的可调式断屑器到刀具上,已经有很多学者做过了大量的研究工作。
而目前,在实际的生产过程中,工业界广泛采用的仍然是利用断屑槽来解决切屑的折断问题。
利用传统的解析法,很难对切削过程进行定量的分析和研究。
计算机技术的飞速发展,使得我们通过利用数值模拟仿真技术,设置与实际加工一致的边界条件,可以帮助我们深入的了解研究切削机理、切屑卷曲折断以及刀具表面温度的变化。
而目前对于自带断屑槽的最优断屑效果的槽型研究尚有所不足,因此此次课题研究选择了基于数值仿真的加工刀片槽型设计,是对刀片断屑槽断屑机理的研究及其优化设计,对促进控屑技术的发展具有十分积极的实际意义。
在设计生产过程中,了解了槽型结构参数对切削力的大小、切屑的控制和刀具的温度分布后,可以指导工程师在面对数量大和规格品种丰富的刀具结构中,根据加工材料、加工环境和加工要求迅速准确的确定用于生产加工的最优槽型结构参数。
这对提升企业效率和技术水平有非常现实的意义。
1.5本课题的研究内容
为了在设计和使用过程中选择合理的刀具槽型结构,本课题主要从切削过程中不同的槽型结构对切削力的影响、切屑的折断以及刀具表面温度的分布进行仿真模拟,并根据仿真模拟的结果来确定在一定条件下,要获得最佳断屑效果时应该选择什么样的槽型结构。
1.对切削力的影响:
对切削加工而言,切削力是切削过程中的重要因素,是设计机床、刀具、夹具以及选择合理切削用量的参考依据,切削力直接决定着切削热的产生,对机床的能耗、刀具磨损、使用寿命、工件的加工精度和已加工表面质量起决定性的作用。
在本文中,我们按照实际加工的条件施加边界条件,进行切削过程的仿真。
通过改变不同的槽型结构,找出切削力的变化规律,以选择合理的参数。
2.对切屑折断的影响:
选择槽型其主要目的就是为了对切屑进行控制,研究并建立切屑的形成与折断过程的数学模型是科学的进行刀片槽型设计和优选的基础。
在任何情况下,切屑能够折断是各国学者进行切屑控制研究的重点。
不同的槽型参数,对切屑折断的影响是不一样的。
我们主要通过仿真模拟,在不同槽型作用下,所产生切屑的应力应变分布情况而产生的切屑折断效果,为槽型的设计和使用提供理论依据。
3.对刀具表面温度的影响:
切削过程中会产生大量的切削热,一方面随着温度的增加,会使工件材料软化,有利于切削的加工另一方面,大量的切削热附聚在刀具的表面,使刀具磨损加快,并且容易产生崩刃。
用实验的方法去测量刀具表面的温度分布有诸多不便。
用数值模拟的方法,可以简单明了的找出不同槽型参数在切削过程中,表面温度集中的地方,以便于我们在设计刀具结构时,采取相应的补救措施,而且省时省力。
切屑虽然卷成一定长度后才折断,但折断处的应变值必须达到破裂应变才能断屑,否则就会形成发条状切屑或者是长而连续的圆柱螺旋切屑。
切屑能不能折断,在于切屑开始形成时的曲率半径Rc和切屑从断屑台脱离打在工件表面的曲率半径Rg倒数之差所造成的变形是否大于切屑材料的破裂应变,即
(1-3)
由此可看出,在一定范围内切槽中切屑厚度越大,切屑卷曲的曲率半径也越大时,应变就越大,切屑就易于折断。
因此切屑的折断是一个变形问题,而不单纯取决于强度和力的大小,这就是为什么薄的切屑不易折断,而厚的切屑却易于折断的原因。
[5]
1.6技术路线
技术路线图
第二章基于Third Wave AdvantEdge的金属切削模拟仿真技术
2.1引言
在设计硬质合金刀具槽型时,通常要根据不同的被加工材料和表面质量要求,设计合理的槽型结构,以满足断屑要求。
近二十年来,断屑槽的槽型结构不断改进,相继开发了具有直线刃、折线刃、曲线刃与曲面型、多面型凸起、凹坑型等型面相结合的断屑槽,槽型曲面变得越来越复杂,断屑性能也随之不断提高。
但是,目前国内断屑槽研究
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 数值 仿真 耐热钢 加工 刀片 设计 论文
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)