金属表面挤压切削机理研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 1.36MB 67 页 15积分

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摘要

在现代机械制造业中，人们对表面质量的要求越来越高，不仅要有好的表面

粗糙度，还要有耐磨、耐腐蚀和抗疲劳等性能。挤压切削是一种特殊的切削加工

工艺，它不仅可以提高生产效率，降低加工成本，还能提高加工精度和改善表面

质量。研究挤压切削机理对推动我国机械制造技术的进步具有重要的意义。

本文运用金属切削理论、弹塑性理论、摩擦学及金属表面学等知识，描述和

研究了挤压切削在挤压切削力、切削热和切削温度等方面的特征，建立了挤压切

削力方程。根据大变形有限元理论和更新的拉格朗日方程式，考虑切削热的影响，

建立了挤压切削的热-弹塑性耦合有限元方程式。通过适当忽略某些次要因素，正

确地简化了挤压切削模型。而且初步研究了刀具与工件间的接触和摩擦问题，并

建立了二维正交挤压切削仿真模型。

为了研究刀刃圆弧半径及切削深度等参数对挤压切削过程的影响，设计了适

用于不同刀刃圆弧半径及不同挤压切削深度的两个有限元仿真切削方案，并进行

模拟计算与分析，得出了不同挤压切削条件对工件的等效应力、等效应变、残

余应力及切削温度等的影响。最后，为了验证仿真模型的合理性，进行了大量的

挤压切削力实验，通过将实验测得的切削力结果与仿真结果进行比较分析，发

现两者具有较好的接近程度，所建立的有限元正交挤压切削仿真模型基本合理。

关键词：表面质量挤压切削机理切削深度仿真

ABSTRACT

More and more demands for surface finish quality are made by human in modern

machinery industry, it is asked not only good surface-roughness, but also high wear

resistance 、high corrosion resistance 、high fatigue resistance and so on. Extrusion

cutting is one of special cutting processes; it can not only improve machining efficiency

and cut off machining cost, but also enhance machining accuracy and amend surface

finish quality. Researching the Mechanism for extrusion cutting on Metal surface is very

significant for making progress in our country manufacturing industry.

In this paper, the knowledge that the metal cutting theory 、the elastic-plastic

theory、tribology and the science of metal surface was used to describe and research the

features of extrusion cutting force、cutting heat and cutting temperature. And the cutting

force equation also was set up. Under the consideration of the effect of cutting heat, The

thermal-elastic-plastic coupled finite element extrusion cutting equation was built up,

which based on the large deformation finite element principle and updated Lagrange

equation. The extrusion cutting model was predigested correctly via neglecting properly

some subordinate factors. Furthermore, the friction and interaction of the tool and the

work piece was initially studied, the two dimension orthogonal extrusion cutting

simulation model was founded too.

In order to investigate the effects of tool edge radius and cutting depth on the

workpiece, three simulation projects that based on different cutting parameters were

designed. Cutting simulation under a variety of tool edge radius and cutting depth

explored the effects of those cutting parameters on equivalent stress、equivalent strain、

the residual stress and cutting temperature of the machined work piece. Finally, a serial

of experiments were performed to prove the correctness of the simulation model. The

cutting force of experiment values were compared with the cutting force of simulation

values. The results showed that a good agreement was reached between simulation data

and those of experiment, also testified the finite element orthogonal extrusion cutting

model was basically valid.

Key words: Surface finish quality, Extrusion cutting, Mechanism,

Cutting depth, Simulation

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ………………………………………………………………………1

§1.1 引言 ………………………………………………………………………1

§1.2 国内外研究现状 …………………………………………………………2

§1.3 课题研究的背景意义及目的 ……………………………………………4

§1.4 本文研究的主要内容和方法 ……………………………………………5

§1.4.1 本文研究的主要内容 …………………………………………………5

§1.4.2 本文研究的主要方法与流程 …………………………………………6

§1.5 本章小结 …………………………………………………………………7

第二章挤压切削加工机理研究 …………………………………………………8

§2.1 金属塑性变形理论 ………………………………………………………8

§2.2 挤压切削力学模型 ………………………………………………………9

§2.2.1 切削力的理论研究状况 ………………………………………………9

§2.2.2 挤压切削力学模型 ……………………………………………………10

§2.2.3 挤压切削力方程的建立 ………………………………………………12

§2.2.4 影响挤压切削力的因素 ………………………………………………14

§2.3 切削热和切削温度 ………………………………………………………15

§2.3.1 切削热分析 ……………………………………………………………15

§2.3.2 切削温度分析 …………………………………………………………16

§2.4 挤压切削加工的工艺参数 ………………………………………………18

§2.5 本章小结 …………………………………………………………………19

第三章挤压切削过程研究的有限元方法 ………………………………………20

§3.1 有限元方法 ………………………………………………………………20

§3.2 挤压切削弹塑性有限元法的本构方程 …………………………………22

§3.2.1 弹性变形阶段本构方程的建立 ………………………………………22

§3.2.2 塑性变形阶段本构方程的建立 ………………………………………26

§3.3 挤压切削的热-弹塑性大变形耦合方程式 ……………………………28

§3.4 本章小结 …………………………………………………………………30

第四章挤压切削有限元模型与仿真方案 ………………………………………31

§4.1 挤压切削过程的总体描述 ………………………………………………31

§4.2 挤压切削仿真模型的建立 ………………………………………………32

§4.2.1 刀具和工件材料的确定 ………………………………………………32

§4.2.2 有限元网格的划分 ……………………………………………………33

§4.2.3 工件和刀具间的接触 …………………………………………………34

§4.2.4 摩擦类型及摩擦系数的确定 …………………………………………34

§4.2.5 加载与计算 ……………………………………………………………35

§4.3 切削仿真方案 ……………………………………………………………35

§4.4 本章小结 …………………………………………………………………36

第五章挤压切削仿真结果分析 …………………………………………………37

§5.1 挤压切削模拟过程材料的重要特性分析 ………………………………37

§5.2 不同切削条件下仿真的等效应力分析 …………………………………39

§5.2.1 不同刀刃圆弧半径仿真的等效应力 …………………………………39

§5.2.2 不同切削深度仿真的等效应力 ………………………………………40

§5.2.3 等效应力分布情况研究 ………………………………………………41

§5.2.4 残余应力分析 …………………………………………………………42

§5.3 不同切削条件下仿真的等效应变分析 …………………………………43

§5.3.1 刀刃圆弧半径对等效应变的影响 ……………………………………43

§5.3.2 切削深度对等效应变的影响 …………………………………………44

§5.3.3 等效应变垂直方向的分布情况 ………………………………………46

§5.4 不同切削条件下仿真的温度分析 ………………………………………46

§5.4.1 不同刀刃圆弧半径仿真的温度分布 …………………………………47

§5.4.2 不同切削深度仿真的温度分布 ………………………………………48

§5.4.3 工件垂直方向的温度分布 ……………………………………………49

§5.5 本章小结 …………………………………………………………………50

第六章挤压切削力实验 …………………………………………………………51

§6.1 实验装置及步骤 …………………………………………………………51

§6.2 切削力实验值与仿真值的比较分析 ……………………………………52

§6.2.1 切削力仿真的变化 ……………………………………………………52

§6.2.2 切削力标定曲线 ………………………………………………………53

§6.2.3 刀具钝刃圆弧半径对切削力的影响 …………………………………54

§6.2.4 切削深度对切削力的影响 ……………………………………………54

§6.2.5 仿真模型的可行性评价 ………………………………………………55

§6.3 本章小结 …………………………………………………………………55

第七章总结与展望 ………………………………………………………………57

§7.1 全文总结 …………………………………………………………………57

§7.2 今后该技术的展望 ………………………………………………………57

符号表 ………………………………………………………………………………59

参考文献 ……………………………………………………………………………60

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 …………………………63

致谢 …………………………………………………………………………………64

第一章绪论

§1.1 引言

机械制造在整个国民经济中占有十分重要的地位，而在机械制造业中金属切

削加工起着举足轻重的作用。用金属切削刀具切除工件上多余的（或预留的）金

属，从而使工件的形状、尺寸精度及表面质量都符合预定的要求，这样的加工称

为金属切削加工[1]。金属切削过程是一个很复杂的工艺过程，它不但涉及到物理学、

力学、弹塑性理论、化学，还涉及传热学、摩擦学和表面科学等。研究金属切削

不论对提高零件质量、降低加工成本、提高生产效率和经济效益，还是对金属切

削加工自动化、建立自动化生产车间或工厂、柔性制造系统等都有十分重要的意

义。金属切削的极端重要性和复杂性，使得各国投入大量的人力、物力、财力及

时间，对其进行探索和研究，以便掌握其内在规律，并运用这些规律进一步促进

生产的发展。

经粗加工后的工件表面，凹凸不平，相当粗糙。为了提高表面硬度，改善表

面质量，人们采取了各种措施，其中有磨削、抛光、研磨和超精密加工等，这些

都是从工件表面上切除微量金属的方法。另一种方法是塑性加工方法，即把工件

表面上的凸起部分挤压到凹处去，加工前后工件重量不变。滚压加工和挤光加工

是目前比较成熟的两种塑性加工方法。滚压加工是指采用专门的滚压工具对工件

表层施加一定的压力，使工件表层金属产生塑性流动；挤光加工主要用于孔的加

工，是指把稍大于工件孔的淬硬钢球或硬质合金球压入孔中，挤压粗糙不平的孔

壁，从而获得光滑表面的方法[2,43]。表层金属在外部滚、挤压力的作用下，内部产

生了有利的残余应力分布，从而获得紧密强化的表面组织，提高零件表面的耐磨

性、抗疲劳强度和耐腐蚀性，提高零件的表面质量。光整加工是指降低表面粗糙

度、提高表面层力学机械性能和提高加工精度的加工方法。其典型加工方法有研

磨、滚压加工和挤光加工等。在现代机械制造业中，光整加工越来越重要，对表

面质量的要求也越来越高，不仅要求有好的表面粗糙度，还要求耐磨、耐腐蚀和

抗疲劳等性能。近年来，人们非常注意利用一些塑性变形方法来提高工件表面质

量[3]。切削加工通过减少切削深度来获得更好的加工质量，但是切屑与前刀面间摩

擦产生很大热量，使切削温度升高，改变刀具和工件材料性能，产生积屑瘤等，

对表面加工质量有很坏的影响。滚压加工适用范围很广，可用于加工内外圆表面、

平面、成型表面、螺纹、齿轮等，由于滚压加工的方式繁多，使滚压加工工具呈

金属表面挤压切削机理研究

现多样化，不易于被推广应用。切削加工作为机械加工的重要组成部分，其加

工工具早已被系列化、标准化，并且已经被广泛应用于各个行业和领域。挤压切

削是基于切削加工和塑性加工的一种光整加工方法。根据金属切削原理，在刀具

刀刃上有一分流点，如果保持切削深度处于分流点之下，刀具对工件将起挤压

作用，没有切屑产生。这种加工方法被称作挤压切削，它很好地利用了刀刃圆弧

的作用，不但能获得滚压加工、挤光加工一样的加工质量，而且便于推广应用。

挤压切削作为一种特殊的光整加工工艺，有时甚至可以替代研磨等很费工时

的精密加工工序，提高加工精度和加工表面质量。挤压切削质量受到刀具形状、

挤压切削深度及刀具磨损等影响，深入地研究挤压切削机理对于提高挤压切削加

工质量、提高生产效率和优化工艺参数等有十分重要的意义。

§1.2 国内外研究现状

对金属切削科学研究方面，科研人员做了大量的工作。1851 年，法国的科克

奎尔哈特（Cocquilhat）研究了在铸铁、黄铜和石头等材料上钻孔时，切去一定体

积的材料所需要的功。1864 年，乔塞尔（Joessel）发表了刀具几何角度对切削力

的影响。1870 年，俄国的基麦研究了切屑形成的过程，认为切屑是由切屑层金属

沿剪切平面破坏而成的。1877 年，法国工程师特雷斯卡（Tresca）指出切屑的长度

只有切削长度的 1/2 至1/3。1893 年，俄国的慈伏雷金提出切削区里的力和应力分

析。1907 年，美国的泰勒（F . W . Taylor）提出沿用至今的刀具使用寿命公式；他

的另一项重要贡献是，于 1898 年和怀特一起研制成功高速钢。1925 年，罗森海恩

（W . Rosenhain）和斯特恩尼（A . C . Sturney）提出了用金相法研究切屑形成的结

果，他们认识到形成切屑的种类随着工件材料和切削条件而变化。1925 年，科克

尔（E . G . Coker）用光弹法研究刀具和工件里的应力状态，得出的结论认为：切

屑形成是一种发生在近似一平面的区域里的剪切过程。在三十年代，芬兰工程

师皮斯潘嫩（V . Piispanen）提出剪切平面式的切削模型。

1944 年，麦钱特（M . E .

Merchant）提出了关于切削力学的论文，这是首次有成效地把切削过程放在解析

基础上的研究，成功地运用了数学模型来表达切削模型，而且只用几何学和应力

—应变条件来进行解析。尽管有人指出麦钱特的切削模型过于简化，但是他的这

一贡献在切削原理发展史中仍然具有重要意义。之后，Palmer 和Oxley 等提出了

一个包括构件硬化和应变率对加工过程的影响的模型。Doley 等建立了一个新的粘

弹性模型，此模型包括了前刀面与加工过程中形成的切屑之间的摩擦，以及刀

具与构件形成的表面之间的摩擦。而 Trigger 和Cao 在分析模型中考虑了加工过程

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摘要：

摘要在现代机械制造业中，人们对表面质量的要求越来越高，不仅要有好的表面粗糙度，还要有耐磨、耐腐蚀和抗疲劳等性能。挤压切削是一种特殊的切削加工工艺，它不仅可以提高生产效率，降低加工成本，还能提高加工精度和改善表面质量。研究挤压切削机理对推动我国机械制造技术的进步具有重要的意义。本文运用金属切削理论、弹塑性理论、摩擦学及金属表面学等知识，描述和研究了挤压切削在挤压切削力、切削热和切削温度等方面的特征，建立了挤压切削力方程。根据大变形有限元理论和更新的拉格朗日方程式，考虑切削热的影响，建立了挤压切削的热-弹塑性耦合有限元方程式。通过适当忽略某些次要因素，正确地简化了挤压切削模型。而且初步研究了刀具与...

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