干切削过程中切削力和切削温度的数值模拟及试验_林峰
金属切削中刀具压力分布的数值模拟研究
金属切削中刀具压力分布的数值模拟研究金属切削是工业制造中常见的加工方法，刀具在切削过程中承受着巨大的力和压力。
了解刀具在切削过程中的压力分布对于切削工艺的优化和刀具寿命的延长至关重要。
本文基于数值模拟研究的方法，旨在分析金属切削中刀具的压力分布特征。
首先，我们需要了解刀具与工件之间的相互作用。
在金属切削过程中，刀具与工件之间发生剪切和摩擦等力的作用。
切削力是沿着切削刃方向的力，而刀具的压力则是指刀具对工件施加的压力。
刀具在切削过程中所受的压力主要来自以下几个方面：刀片与工件接触的剪切力、刀具对工件施加的压紧力和摩擦力。
这些力的大小和分布对刀具性能和切削效果有重要影响。
为了研究切削过程中刀具的压力分布，我们可以采用数值模拟方法进行分析。
数值模拟是一种通过计算机模拟来预测和解释物理现象的方法。
通过建立合适的数学模型和边界条件，可以模拟切削过程中刀具与工件之间的相互作用。
这样我们就可以得到切削过程中刀具的压力分布情况。
在数值模拟中，我们首先需要建立切削过程的数学模型。
模型的建立需要考虑刀具和工件的几何形状、材料性质以及切削条件等因素。
通过使用合适的数值方法，如有限元方法，我们可以将复杂的切削过程简化为一系列的数学方程。
然后，我们可以利用计算机进行求解，得到切削过程中刀具的压力分布图。
根据数值模拟的结果，我们可以得到刀具在切削过程中的压力分布图。
这些分布图可以帮助我们分析切削过程中刀具所承受的压力大小和分布情况。
通过进一步分析，我们可以发现一些重要的规律和特点。
例如，刀具的压力分布往往呈现出局部集中和均匀分布的特征。
在一般情况下，切削点附近的刀具压力高于切削边缘的刀具压力。
这主要是由于切削点附近的摩擦力和剪切力较大所导致的。
了解刀具的压力分布对于切削过程的优化和刀具寿命的延长非常重要。
根据数值模拟结果，我们可以针对刀具受力较大的区域进行优化设计，以提高刀具的耐磨性和切削效率。
此外，我们还可以通过调整切削参数和使用不同材料的刀具来改善切削过程中的刀具压力分布。
摘要：干式切削是一种绿色制造工艺技术
摘要：干式切削是一种绿色制造工艺技术，它已成为金属切削加工发展的趋势之一。
文中分析了干式切削加工对刀具的要求，讨论了刀具材料的选择并结合实例分析了干式切削技术在铣削中的应用。
1、前言现今大部分的金属切削加工是以使用切削液的湿式方式进行的。
切削液具有冷却、润滑、清洗、排屑、防锈等功能，对延长刀具使用寿命，保证加工质量起着重要的作用。
但是近几年随着人类社会对环境保护的日益重视，人们开始关注切削液所带来的一系列负作用。
一方面，切削液的广泛使用需消耗大量的能源和资源，增加加工成本。
据德国许多公司统计计算的资料表明，使用冷却液费用占总制造成本的16%，而切削刀具消耗的费用只占成本的3～4%。
另一方面，切削液对环境的污染较为严重，甚至危害工人健康。
为使金属切削加工尽可能少地产生污染，人们提出了“清洁化生产”这一概念。
干切削是消除切削液污染，降低产品成本，实现清洁化生产的最有效的途径。
要实现干式切削，必须合理选择刀具材料，设计合理的刀具几何参数。
干式切削技术已成为金属切削加工发展的趋势之一。
近年来，它在车削和铣削中的应用已日益普遍，在钻削、镗削和滚齿方面也取得了重大的突破。
本文结合工作实际，仅就干式切削技术在不锈钢铣削中的应用进行论述。
2、干式切削加工对刀具的要求切削刀具的性能取决于刀具材料和刀具结构及几何参数。
不同加工方法对刀具的设计侧重点有所不同。
对于干式切削加工刀具必须具备下述性能：(1)刀具应具有较高的耐热性和良好的耐磨性。
(2)切屑和刀具之间的摩擦系数要尽可能小。
(3)刀具形状要保证排屑流畅和易于散热。
(4)刀具应具有更高的强度和耐冲击韧性。
在实际生产中，应根据工件材料的物理、力学性能和工序特点，合理选用刀具材料、涂层，优化刀具结构和几何参数，并注意刀具材料与工件材料的匹配，才能设计和制造出适用于干式切削的刀具。
1)干式切削加工的刀具材料干式切削时刀具材料最重要的是必须具各高的红硬性和高的耐冲击性。
钻削加工过程中温度场模拟
摘要钻削加工是一个高度非线性、热力耦合的过程。
在钻削加工过程中切削热的产生主要来源于切屑的变形(剪切面热源)和刀具、切屑和工件间的摩擦(摩擦面热源)。
虽然两种热源面不大，但在一般情下都能产生高温，有学者曾在研究中指出最高温升可达1000℃。
较高的切削温度是刀具磨损的主要原因，它将限制生产率的提高。
切削温度还会使加工精度降低，使已加工表面产生残余应力以及其它缺陷。
由于加工过程中产生的切削热对刀具磨损的部位、工件材料性能的变化、已加工表面质量都有很大的影响，因而对切削热的研究显得尤为重要。
本文主要工作是研究麻花钻在加工过程中产生的切削热。
并分析切削热的主要影响因素，从而给实际加工提供一定的参考价值。
接下来通过分析温度场的分布情况定性的分析切削热，并利用塑性成形专用有限元软件(DEFORM)进行分析，给出一种直观的温度场分布状况。
关键词：麻花钻；钻削加工；有限元；DEFORM；温度场ABSTRACTDrilling processing is a process exceeding non-linear and heat-stress coupled.In drilling processing the heat is mostly from the distortion of chip(shear plane heat source) and the friction at the tool-chip and tool-work interface(frictional heat source).The both heat source areas are not big,but the temperature in this area is very high.Once some scholar pointed out that the highest temperature could reach 1000℃．The higher cutting temperature is the main reason of the tool's abrasion．And it also can debase the precision of the machined surface and make the machined surface bring residual stress and other flaws．Because of the influence of cutting heat to tool's abrasion,workpiece material performance’s variety and the quality of machined surface, the research to cutting heat in metal cutting is very important.In this paper, the main job is to study the procreant cutting heat in processing of twist drill. And the main factors of hot-cutting are analyzed，which provides some reference value for the actual machining.Then through the analysis of the temperature field distribution to analyse qualitatively the cutting heat.And plastic forming dedicated finite element software(DEFORM) is used for analysis,an intuitive temperature field distribution is given.Key word:twist drill; drilling process; finite element; DEFORM; temperature field目录摘要 (I)ABSTRACT .......................................................... I I 目录 ............................................................. I II 图表目录 .......................................................... I V 1绪论.. (1)1.1 钻削切削热的提出及其影响 (1)1.2 钻削切削温度的国内外发展现状 (2)1.2.1 国外研究现状 (2)1.2.2 国内研究现状 (3)1.3 钻削切削温度有限元模拟研究存在的主要问题 (4)1.4 本课题的研究意义、目标及主要工作 (4)1.4.1 本课题研究的意义及目标 (4)1.4.2 本文的主要研究内容 (5)2钻削加工过程中切削温度的理论分析 (6)2.1 切削热的产生与传出 (6)2.2 钻削加工热模型建立 (6)2.2.1 基本假定 (6)2.2.2 切削热模型建立 (7)2.3 切削热的分析与计算 (7)2.4 切削热对切削过程的影响 (9)2.5 切削温度场 (10)2.5.1 切削温度场的定义 (10)2.5.2 切削温度场的研究方法 (10)2.5.3 切削温度的计算 (11)2.6 影响切削温度的主要因素 (11)2.7 小结 (12)3有限元法在切削中的应用 (13)3.1 有限元分析法概述 (13)3.2 有限元法在钻削加工中的应用 (16)3.2.1 钻削毛刺形成的有限元仿真 (16)3.2.2 钻头寿命的有限元分析 (17)3.2.3 钻削热和钻削温度场的分析 (17)3.2.4 对钻削加工其他问题的有限元分析 (18)4钻削加工的有限元模拟过程 (19)4.1 有限元软件DEFORM简介...................... 错误！未定义书签。
第三章切削力与切削温度
3.1.4 影响切削力因素
•刀具几何角度影响
•◆ 前角γ0 增大，切削力减小。 •◆主偏角κr 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和走 刀抗力影响显著（ κr ↑—— Fy↓，Fx↑）
•切削力F •切 削 力 / N
•γ0 - Fz
•γ0 – Fy •γ0 – Fx
•前角γ0
•图3-17 前角对γ0切削力的影响
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第三章切削力与切削温度
3.1.1 切削力及切削分力
•切削力分解(假设总切削力在主剖面P0内)
•F
z
•κr
•F
x
•F •Fxy
y
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•v •Fxy
•f •F
r
•吃刀抗力 •F
y •Fxy
•F •走刀抗力
x
•Fz•主切削力
•F •总切削力
r
•图3-1 切削力的分解
第三章切削力与切削温度
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第三章切削力与切削温度
•3.2.3 影响切削温度的主要因 素
•刀 具 几 何 参 数 的 影 响
➢ 前角o↑→切削温度↓
➢ 主偏角r↑→切削温度↑
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第三章切削力与切削温度
•3.2.3 影响切削温度的主要因 素
•其它因素的影响
• 1. 刀具磨损的影响 • 刀具后面磨损量增大，切削温度升高 •
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•220
•0180
•κr - Fz
•表3-6
•0140
•0100
•κr – Fx
0
•60
•κr – Fy
0 •20
0
•30 •45 •60 •75 •90
干切削的原理及其应用
干切削的原理及其应用1. 引言干切削是一种常见的金属加工方法，广泛应用于工业生产和制造领域。
本文将介绍干切削的原理以及其在实际应用中的相关技术和优势。
2. 原理干切削是通过将刀具直接应用于金属工件表面，通过摩擦和切削力来移除材料的加工方法。
其主要原理包括以下几个方面：•摩擦力：当刀具与工件表面接触时，由于两者之间的接触面积较小，会产生较大的局部摩擦力。
这种摩擦力将刀具推进并产生切削力。
•切削力：切削力是干切削中最重要的力之一。
它是指刀具在切削过程中对工件施加的力，使刀具能够切削和去除材料。
•热量产生：在干切削过程中，由于摩擦和变形导致能量转化，部分能量会转化为热能。
这些热量会导致材料表面温度升高，可能会影响切削质量和工件表面精度。
3. 应用干切削方法在各个行业和领域都有广泛的应用。
以下是几个常见的应用领域：3.1 金属加工干切削在金属加工领域中被广泛采用。
它可应用于各种金属材料的加工，如钢铁、铜、铝等。
干切削具有高效、精密和灵活的特点，能够满足各种复杂形状和高精度要求的加工需求。
3.2 刀具制造干切削方法在刀具制造过程中也发挥着重要作用。
通过干切削可以对刀具进行精密的修整、修磨和抛光。
这些工艺可以提高刀具的质量和精度，同时延长其使用寿命。
3.3 高精度零件加工在一些对加工精度要求非常高的应用中，如航空航天、汽车制造等行业，干切削被广泛应用于高精度零件的加工。
通过干切削可以实现对工件表面的高精度加工，满足复杂工艺和精密装配的要求。
3.4 快速原型制造干切削在快速原型制造中也有应用。
通过使用干切削技术，可以对原型进行快速加工和制造。
这种方法可以缩短原型开发周期，并降低制造成本。
4. 技术优势干切削作为一种常见的金属加工方法，具有以下几个技术优势：•高效性：干切削方法具有高速切削和高加工效率的特点。
它可以大幅提高工件的加工效率和生产效率。
•灵活性：干切削方法适用于各种金属材料和复杂形状的加工。
它可以满足不同工件加工需求，提供灵活的解决方案。
高速切削加工中的切削温度模拟
高速切削加工中的切削温度模拟近年来，随着制造业的快速发展和对高效、高精度加工的需求不断增加，高速切削成为了现代制造业中的关键技术之一。
然而，在高速切削过程中，由于刀具与工件间的相对运动产生的摩擦热和剪切热，会导致切削区域的温度升高，过高的温度会引发刀具磨损、工件变形等问题，甚至影响加工质量和工件的寿命。
因此，研究和控制高速切削过程中的切削温度成为了工程技术领域中的重要课题。
为了更好地了解高速切削过程中的切削温度变化规律，科学家和工程师们进行了大量的实验研究和数值模拟。
数值模拟是一种基于计算机仿真的方法，可以模拟和预测实际加工中的切削温度分布和变化情况。
这种方法可以减少实验成本和时间，提高研究效率。
高速切削过程中的切削温度受到多种因素的影响，包括刀具材料、工件材料、切削速度、进给速度、切削深度等。
在模拟切削温度时，需要考虑这些因素，并建立适当的数学模型。
常用的模型包括经验模型、力学模型和热力学模型。
经验模型基于实验数据和经验公式，通过拟合实验数据得到切削温度的数学表达式。
这种模型的优点是简单易用，但是由于其基于经验，适用范围有限，难以推广到各种不同材料和切削条件下。
力学模型基于切削力和力矩的计算，根据材料力学性能和切削工况，结合热传导理论，求解切削区域的温度分布。
这种模型通常以有限元方法为基础，具有较高的准确性和适用性，但是计算复杂度较高，需要考虑材料非线性特性和切削区域的复杂几何形状。
热力学模型通过考虑切削过程中各种能量转化和传递，并结合材料热物性参数，计算切削区域的温度分布。
这种模型比较全面，既考虑了力学因素，又考虑了热传导和热辐射等因素，可以模拟切削过程中的温度分布和变化情况。
不过，热力学模型的参数众多，需要进行大量的实验和理论研究来确定，计算量也比较大。
除了数值模拟，工程师们还通过红外测温仪等实验手段进行切削温度测量，以验证和改进模拟结果。
利用实验结果，可以不断优化模型参数，提高模拟精度。
切削加工热力耦合建模及其试验研究
文献综述
自20世纪初以来，切削加工热力耦合建模及其试验研究一直是机械工程领域的 研究热点。早期的研究主要集中在基于经验的公式拟合和简化模型的建立上， 如摩擦学、传热学和弹塑性力学等。随着计算机技术和数值计算方法的快速发 展，研究者们开始采用数值模拟方法对切削加工过程中的热力耦合行为进行模 拟，从而更准确地预测切削温度和刀具磨损等情况。
3、本研究采用实验与数值模拟相结合的方法，对切削加工过程中的热力耦合 行为进行了深入研究。通过考虑材料变形、摩擦生热和热传导等多种因素，建 立了相应的数学模型，从而更准确地预测切削温度和刀具磨损等情况。
参考内容
高速切削加工技术及其加工工艺在现代化工业制造中具有广泛的应用前景。这 种技术以其高效率、高精度和高表面质量的特点，成为机械制造、汽车工业、 航空航天等领域的热点技术。本次演示将详细介绍高速切削加工技术的定义和 特点，高速切削加工工艺及其在各行业的应用前景，最后对高速切削加工技术 的未来发展方向和挑战进行总结。
高速切削加工工艺是指利用高速切削加工技术进行切削加工的工艺流程和技术 参数。高速切削加工工艺包括以下步骤：首先，选用合适的刀具材料，如硬质 合金、陶瓷等，这些材料具有高硬度、高耐磨性和高耐热性等特点。其次，确 定合理的切削参数，如切削速度、进给速度、刀具角度等，这些参数需要根据 工件材料、刀具材料等因素进行调整。最后，选择适合的冷却剂和润滑剂，以 降低切削温度和减小刀具磨损。
高速切削加工技术是一种采用高速度、高进给和高转速的切削加工方法。它具 有以下特点：首先，高速切削加工技术可以实现高效率的加工，有效缩短了加 工周期，提高了生产效率。其次，高速切削加工技术可以实现高精度的加工， 有效提高了工件的精度和表面质量。最后，高速切削加工技术还可以实现低温 切削，降低了切削力和切削热，避免了工件的热变形和烧伤等问题。
机械加工招聘笔试题及解答(某大型集团公司)
招聘机械加工笔试题及解答(某大型集团公司)一、单项选择题（本大题有10小题，每小题2分，共20分）1、以下哪种材料最适合用于制造高强度、耐磨损的机械零件？A、低碳钢B、不锈钢C、铸铁D、硬质合金答案：D 解析：硬质合金是一种由金属硬质相和粘结剂组成的合金材料，具有极高的硬度和耐磨性，非常适合用于制造高强度、耐磨损的机械零件。
2、在机械加工中，下列哪种加工方法主要用于提高工件的尺寸精度和表面光洁度？A、车削B、磨削C、钻削D、镗削答案：B 解析：磨削是一种精细的加工方法，它使用磨具对工件进行加工，能够有效地去除工件表面的余量，提高工件的尺寸精度和表面光洁度。
因此，磨削常用于精加工阶段。
3、题干：以下哪种材料最适合用于制造需要承受高温和高压的机械零件？A. 铝合金B. 不锈钢C. 塑料D. 纤维增强塑料答案：B 解析：不锈钢因其优异的耐腐蚀性和较高的强度，常用于制造需要在高温和高压环境下工作的机械零件。
铝合金虽然轻便，但耐腐蚀性和强度不如不锈钢。
塑料和纤维增强塑料通常不耐高温，因此不适合用于此类应用。
4、题干：在机械加工中，以下哪种加工方法主要用于去除工件表面的轻微不平整？A. 车削B. 铣削C. 磨削D. 钻削答案：C 解析：磨削是一种精细的加工方法，主要用于去除工件表面的轻微不平整、毛刺和轻微的尺寸误差。
磨削能够提供很高的加工精度和表面光洁度。
车削、铣削和钻削虽然也是常见的机械加工方法，但它们主要用于粗加工或半精加工，不适合用于去除轻微的不平整。
5、在机械加工中，以下哪个术语指的是工件在加工过程中由于切削力、切削温度等因素导致的尺寸变化？A、热处理变形B、加工硬化C、尺寸精度D、表面粗糙度答案：A 解析：热处理变形是指在机械加工过程中，由于切削力、切削温度等因素的影响，工件内部产生应力，导致工件尺寸发生变化。
这种变化通常在加工完成后冷却过程中进一步加剧。
加工硬化指的是工件表面层因切削而硬化的现象，尺寸精度是指工件的实际尺寸与其设计尺寸的符合程度，表面粗糙度是指工件表面的不平整度。
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第31卷第1期暨南大学学报(自然科学版)V o.l 31 N o.12010年02月Journal of Ji n an Un iversity (Na tura l Sc i e nce)Feb . 2010[收稿日期] 2009-05-31[基金项目] 广东省自然科学基金项目(8151063301000004)[作者简介] 林 峰(1962-),男,副教授,硕士;研究方向:金属材料与加工工艺.E-m ai:l gzli n feng @163.co m干切削过程中切削力和切削温度的数值模拟及试验林 峰(广东技术师范学院,广东广州510635)[摘 要] 建立了基于拉格朗日增量法的切削有限元模拟模型并分析了正交干切削6061-T 6过程中切削力以及切削温度的变化.工件材料的流动应力看成是应力、应变以及温度的函数.模拟过程从刀具切入工件开始直到达到稳态.计算结果包括切屑形态,以及应变、应力、应变速度和温度的分布.同样条件下的多组切削试验用于验证有限元模型的正确性.[关键词] 干切削; 有限元; 铝合金[中图分类号] TG 501 [文献标志码] A [文章编号] 1000-9965(2010)01-0048-04Experi m ental and nu m erical study of cutti ng forces andte mperature fiel ds when dry turni ngLIN Feng(G uangdong P o l y techn ic N o r m alU n i v ers it y ,G uang z hou 510635,Ch i na)[Abstract] A Lag range finite e le m entm odel is presented that si m u lates cutti n g forces and te m perature distri b u ti o nsw hen ort h ogonal turning alu m i n um alloy .The effect of t h e large stra i n ,strai n -rate and te m -perature assoc iated w ith cutting on the m ateria l properties is taken into accoun.t The m ode l predicts ch i p geo m etry ,stress ,stra i n and te m perat u re d istri b uti o n i n he wo r kp iece ,ch i p ,and too.l Cutti n g exper-i m ents w ere perfor m ed to vali d ate the m ode.l[Key w ords] dr y t u rn i n g ; fi n ite ele m ent m ethod ; a l u m i n um a lloy 切削液带来很多不利因素,许多种类的切削液都含有危害环境的化学元素,容易污染接触人员的皮肤和肺部;切削废液很难处理,回收使用的经济成本很高[1].近年来,随着人们对环境保护的关注程度逐渐提高[2-3],许多加工企业开始尝试一种的绿色切削工艺)干切削[4-6].虽然干切削是一种较为环保的加工工艺,但是由于此前工业界对干切削的研究相对较少,许多的重要的问题都还没有探索清楚[7].铝合金是航空航天工业中使用极为广泛的结构材料.其中,6000系列的铝合金用量最大.6000系列铝合金具有很好的耐腐蚀性能,在经过热处理之后,强度约提高30%,其硬度和抗疲劳特性大大增强.为了理解和改善6061-T6铝合金切削特性以及提高加工质量,本研究主要探讨6061-T6铝合金干切削过程中的切削力、切削温度的测量和建模分析工作.1 有限元建模1.1 网格模型以及边界条件本研究假设正交切削过程为平面应变,假设工件材料的在垂直于XOY 平面上的厚度为1mm.刀具和工件的网格划分结果如图1所示,材料的变形过程采用拉格朗日增量法描述.工件材料为A l 6061-T6,刀具材料为高速钢,在模拟过程中,刀具看成是刚性的.刀具和工件分别划分约为5000和8000个单元.由于工件下底边界在加工过程中产生的变形非常小,故在本研究中认为下底边界在x,y 两个方向都没有位移.同时,在实际切削过程中,待切削加工层在切削方向长度往往比较大,故可以认为远离切削点位置的材料所受的影响很小.因此,在本研究中,工件右侧边界也被认为没有x ,y 两个方向的位移.图1 正交切削加工的有限元分析模型1.2 材料模型材料的流动应力主要与应变、应力以及温度相关.本研究中,假设6061-T6铝合金是刚塑性的,它的屈服行为可以用Von M ises 准则来进行描述.流动应力可以看成是以应变、应力以及温度为变量的函数:R =f( E , E #,t)(1)其中是R 等效应力, E 是等效应变, E #是等效应变速度,t 是温度.图2显示了材料应变速度为104,温度为20、190、345e 时流动应力和等效应变之间的关系曲线.其他应变速度、温度以及应变条件下的流动应力可通过插值方式获得.图2 6061-T6铝合金的流动应力曲线1.3 摩擦模型刀具与切屑之间的摩擦对切屑的形成具有明显的影响.切屑材料在第二变形区强烈的摩擦下进一步发生剪切变形.刀具与切屑之间的摩擦决定刀屑接触长度,并同时影响切削力.简化的刀屑摩擦模型可以用库伦定律来进行描述:t i =m t Y(2)其中t i 是摩擦应力,m 是摩擦系数,t Y 是正应力.1.4 热传导模型切削过程中有大量的热产生.热的来源主要有两个方面:其一为主剪切变形区材料的塑性变形做功;其二为刀屑接触面摩擦生热.本研究采用二维热传到模型分析切削过程中的热传递,其偏微分控制方程如下:k 92t 9x 2+92t 9y 2-Q c L 9t 9x +M 9t9y +ÛQ g =0(3)其中,k 热传导系数,Q 密度,c 比热,ÛQ g 单位体积的热产生速度,可以用下式计算:ÛQ g =MW h ÛW PQ(4)其中,Q 密度,ÛW P 塑性变形速度,W h 是塑性变形做功转化为热能的比率,本研究中取为90%.因刀屑剧烈摩擦接触的产生的分布热流可以计算如下:q f =F t v r(5)其中,F t 是接触摩擦力,v r 是接触面相对滑动速度.另外,本试验在室温环境中进行,热从工件以及刀具外表面与空气发生的对流热传导可以用下式计算:q =h (t w -t o )(6)其中,h =17104W /m 2t 是对流热传导系数,t w 是工49第1期林 峰:干切削过程中切削力和切削温度的数值模拟及试验件温度,t o 是室温,t 取为20e .图3直观地显示了不同的热产生位置以及对流热传导边界条件.图3 热产生及热传导边界条件.2 模拟分析结果以及讨论本研究模拟分析了6061-T6铝合金在3种进给量(0115、0120、0125mm /s)、5种切削速度(015、110、115、210、215m /s)以及4种刀具前角(0b 、10b 、20b 、30b )条件下的切削状况.模拟分析可以得到各种切削条件下工件的应变、应力、应变速度以及温度分布情况.图4(a)显示了稳态切削条件下切屑材料的加工硬化以及残余应变状况.塑性应变最大值2194位于切屑的内侧面,该位置表明材料在经历第一和第二变形区后,剪切应变达到最大.图4(b)和图4(c)分别显示了等效剪切应力以及等效应变速度的分布.最大等效剪切应力达到592M Pa ,出现在刀刃附近的剪切变形区.值得一提的是:从等效剪切应力的分布图中可以看出,模拟分析结果显示剪切变形发生在一个有限的区域,而不是大多数理论分析模型中假设的单一剪切面.图4(c)显示了等效应变速度分布.图4(d)显示了工件、切屑以及刀具的温度分布,最高温度为292e ,位于前刀面上远离刀刃约一倍切削深度的距离处.另外,观察发现本研究中各种速度、进给量以及前角相互组合的切削条件下,最高温度的位置及其分布特性具有相似性.3 试验研究本研究中的试验条件与模拟分析中采用的一致,以便进行比较.采用测力仪测量切削力,采用工件-刀具之间构成的自然热电偶测量刀屑接触界面平均温度.本试验中,刀具和工件构成热电偶的两个配对材料,其中刀屑接触面构成热端,远离刀屑接触面的其他位置构成冷端.为了保证冷端的温度接近室温,每个切削试验持续切削时间很短.图4 工件材料的应变、应力、应变速度以及温度分布不同切削速度下的温度测量结果如图5所示,图上同时显示了模拟计算值和试验测量值.由于刀具-工件构成的自然热电偶只能测量两者接触界面的平均温度,所以模拟计算温度取的也是平均温度.50暨南大学学报(自然科学版)第31卷从图上可以发现,试验测量值与模拟计算值之间具有较好的一致性.图5 不同切削速度条件下,切削温度试验值与模拟分析值的比较.另外,本研究还测量切削速度为2m /s 条件下,切削力随刀具前角的变化(图6).从图上可以观察图6 不同前角条件下,切削力的试验值与模拟计算值之间的比较得知,在本研究的切削参数范围中,试验得到的切削力数值与模拟计算结果具有很好的一致性. 本文建立了热力耦合平面应变正交干切削的有限元分析模型.并用该模型分析了AL6061-T6的切削过程.该模型能够预测切削过程中工件材料的应变、应变速度、应力、温度分布以及切削力.采用与模拟过程相同的切削条件进行实验验证,比较发现:模拟分析得到的切削力以及刀屑界面的平均温度具有很好的一致性,但是,切削条件下,材料的本构关系难以精确获取,在某种程度上限制了模拟计算的精度.[参考文献][1] S REEJI TH P S .M ater[J].L ett ,2008,62:276-278.[2] FENG S C ,HATTOR IM.P ro c o f the i nte rnati ona lw ork -shop fo r env iron m en t consc i ousm anufacturing -I CE M-2000[C].Septe m be r ,2000.[3] S R EEJI TH P S ,NGO I B K A.M ate r Process[J].T ech -no ,l 2000,101:287-291.[4] LACALLE L D,LAM I K IZ A.P roc InstiM ech[J].Eng ,2001,215:1257-1269.[5] CSELLE T.T he 10comm and m ents of dry high -speedm a -chi n i ng Am er i canM ach i nist[C ].1998:66-74.[6]BR I NK S M EIER E ,W ALTER A,J AN SSEN R,et a.lP roc InstiM ech[J].Eng ,1999,21:769-778.[7] R IC HARDSON D J ,KEAVEY M A,DA ILAM I F .T ools&M anu fac[J].Int J M ach,i 2006,46:1139-1145.[责任编辑:黄建军]51第1期林 峰:干切削过程中切削力和切削温度的数值模拟及试验。