（机械制造及其自动化专业论文）基于数值分析的铣削力预报的研究.pdf

两华大学硕士学位论文 基于数值分析的铣削力预报的研究 机械制造及其自动化专业 研究生李德清指导教师周利平 切削力对切削机理的研究，对计算功率消耗，对机床、刀具、夹具的设 计，对优化刀具几何参数等，都有非常重要的意义。因此，利用计算机数值 分析技术，建立切削力模型，阐明切削力的大小及其影响规律，实现切削力 的预报是切削理论研究中的重要课题之一。 本文首先从金属切削理论出发，结合数值模拟方法，对金属切削过程的 有限元建模理论进行了分析，系统总结了金属切削过程模拟的关键技术，包 括切屑分离准则、材料断裂准则、接触摩擦模型、切削热的产生和温度分布 等。然后建立二维正交切削加工模型，通过采用粘结一滑移摩擦模型，有效 地模拟了不同速度下金属切削加工过程，就切削速度对金属切削的影响进行 了分析。建立了铝合金7 0 5 0 、1 0 4 5 钢和5 2 1 0 0 钢三维切削加- - 的有限元模 型。分析了铣削加工中切削力的周期变化规律，建立了切削力曲线。对切屑 形态、切削温度以及应力场和应变场等物理量的分布进行了预测。同传统的 经验计算法相比，金属铣削加工的有限元模拟改变了传统的定性分析方式， 而传统的经验计算法需要大量切削试验数据，而且在某些特殊情况下经验法 很难实现，这无疑会增加生产成本。金属铣削加工的有限元模拟可以对生产 实践中以选择最优切削条件来提高切削加工效率、降低生产成本有着十分重 要的意义。 最后，通过同铣削加工理论经验值相比较，对本论文研究结论进行了验 证，从而说明本论文研究的思路、方法是可行的，研究结果也是可靠的。 关键词：有限元模拟；材料本构模型；切削力：三维切削；热力耦合 西华大学硕+ 学位论文 r e s e a r c ho np r e d i c t i o nf o rm i l l i n gf o r c eo i l n um e r i c a la n a l y s i s m a j o r i n gf i e l d ：m e c h a n i a lm a n u f a c t r i n ga u t o m a t i o n m e c a n d i d a t el id e - q i n g s u p e r v i s o rz h o ul i - p i n g i ti sg r e a ts i g n i f i c a n c eo fc u t t i n gf o r c ef o rr e s e a r c ho fc u t t i n gm e c h a n i s m , c o m p u t i n g p o w e rc o n s u m p t i o n ，d e s i g no fm a c h i n et o o l s ，c u t t i n gt o o l s ，f i x t u r e ，o p t i m i z a t i o no ft o o l g e o m e t r yp a r a m e t e r s t h e r e f o r e ，e s t a b l i s ht h em o d e lo fc u t t i n gf o r c e ，s t a t et h ec u t t i n gl a wo f t h es i z ea n di n f l u e n c e ，a c h i e v et h ep r e d i c t i o no fc u t t i n go nc o m p u t e rn u m e r i c a la n a l y s i s t e c h n o l o g y i ti so n eo ft h ei m p o r t a n ti s s u e so nt h e o r e t i c a ls t u d yo ft h ec u t t i n g b a s e do nm e t a lc u t t i n gt h e o r i e s ，t h ef m i t ee l e m e n tm o d e l so fm e t a lm a c h i n i n ga r ef i r s t d i s c u s s e d a n dt h ei m p o r t a n tt e c h n o l o g yo fc u t t i n gm o d e l i n gi ss u m m a r i z e d ，i n c l u d i n gc h i p s e p a r a t i o nc r i t e r i a ，m a t e r i a lf r a c t u r ec r i t e r i a ，t h ec o n t a c tf r i c t i o nm o d e l ，t h eg e n e r a t i o no fh e a t a n dd i s t r i b u t i o n so ft h et e m p e r a t u r e t h e na no n h o g o n a l c u t t i n gm o d e li se s t a b l i s h e d ，a n dt h e p r o c e s s e so fm e t a lc u t t i n gw e r em o d e l e de f f e c t i v e l yu n d e rd i f f e r e n tc u t t i n gs p e e d su s i n gt h e s l i d i n g s t i c k i n gf r i c t i o nm o d e l t h ea n a l y s i so ft h ee f f e c to fc u t t i n gs p e e do nt h em a c h i n i n g p r o c e s s e si sg i v e n t h r e ef i n i t ee l e m e n tm o d e l si n c l u d i n g7 0 7 5a l u m i n u m , 10 4 5s t e e la n d 5 210 0s t e e lt h r e e - d i m e n s i o n a lc u t t i n gm o d e la r ee s t a b l i s h e do nt h ee s t a b l i s h e dm a t e r i a l c o n s t i t u t i v em o d e l t h el a wo fc u t t i n gf o r c ei nm i l l i n gp r o c e s sa r es t u d i e du s i n gt h e s em o d e l s ， a n dt h ec u t t i n gf o r c ec u r v e sa r ee s t a b l i s h e da n a l y z e d p r e d i c t i o no ft h ec h i pm o r p h o l o g y , c u t t i n gt e m p e r a t u r e ，e f f e c t i v es t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o n c o m p a r e d 、析me x p e r i e n c eo ft h e t r a d i t i o n a lm e t h o d ，t h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no fm e t a lm i l l i n gc h a n g e so nt h et r a d i t i o n a l w a yo fq u a l i t a t i v ea n a l y s i s t h ee x p e r i e n c eo ft h et r a d i t i o n a lm e t h o do fc u t t i n gt h en e e df o ra l a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t a ld a t a ，a n di ns o m ee x c e p t i o n a lc i r c u m s t a n c e s ，i ti sd i f f i c u l tt o a c h i e v et h ee x p e r i e n c eo fl a w , w h i c hw i l lu n d o u b t e d l yi n c r e a s et h ec o s to fp r o d u c t i o n t h e f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no fm e t a lm i l l i n gp r o c e s si sv e r yi m p o r t a n tf o rt h ep r o d u c t i o n p r a c t i c et os e l e c tt h eo p t i m a lc u t t i n gc o n d i t i o n st oi m p r o v em a c h i n i n ge f f i c i e n c ya n dr e d u c e c o s to fp r o d u c t i o n 1 i l 西华大学硕士学位论文 f i n a l l y , t h es t u d yc o n c l u s i o ni nt h i sd i s s e r t a t i o nr e s u l tf r o mf e mi sv a l i d a t e db y c o m p a r i n gt h ev a l u et h e o r yo fe x p e r i e n c et h r o u g ht h em i l l i n gp r o c e s s t h ei d e ao ft h i st h e s i s r e s e a r c h ，m e t h o d sa r ef e a s i b l e ，t h er e s u l t sa r ea l s or e l i a b l e k e y w o r d s ：f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ；m a t e r i a lc o n s t i t u t i v em o d e l ；c u t t i n gf o r c e t h r e e d i m e n s i o nc u t t i n g ；c o u p l e dt h e r m o - m e c h a n i c a l ； i v 西华大学硕十学位论文 声明尸明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在攻读硕士学位期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者签字：粼哆年 箩月知日 导师签字：同印辛产，月；。日 7 4 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密d 适用本授权书。 ( 请在以上口内划) 学位论文作者签名：巷鳓 指导教师签名： 日期：易烈哆，与弓d 日期：- ，t 窄 酮 ，多d 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究目的和意义 本课题来源于四川省教育厅自然科学科研项目“基于数值分析的数控刀具 切削力预报研究的子课题“基于数值分析的铣削力预报研究 。 切削力对切削机理的研究，对计算功率消耗，对机床、刀具、夹具的设计， 对制定合理的切削用量、优化刀具几何参数等，都有非常重要的意义。随着数 控机床的日益增多和难加工材料、特殊材料的不断出现，刀具的可靠性、断屑、 切屑的控制已成为越来越重要的问题，因此，利用计算机数值分析技术，建立 切削力数学模型，准确地阐明切削力的大小及其影响规律，实现切削力的预报 是切削理论研究中的重要课题之一。 自开展金属切削研究以来，预报切削力一直是人们期望达到的目标。几十 年来，国际上很多著名学者在这方面作了巨大的努力，因为实现切削力的预报 不仅使切削理论最终完善化，而且对生产实践中以选择最优切削条件来提高切 削加工效率、降低生产成本有着十分重要的意义。在自动化生产中，还可以通 过切削力来监控切削过程和刀具工作状态，如刀具折断、磨损、破损等。在生 产实际中，工程技术人员制定加工方案时，在加工对象已经明确，如已知被加 工工件材料、使用的刀具及其几何形状、切削条件等，希望事先知道切削力的 大小，这时也要进行切削力预报。切削力预报依赖于准确的切削力数学模型的 建立，但是由于切削过程非常复杂，影响因素很多，迄今为止，还未能得到与 实验结果完全吻合的理论公式和切削力模型。因此，采用切削力数值分析来预 报切削力有利于指导刀具的研究、生产和使用，提高切削加工生产率、降低生 产成本，无疑能带来巨大的经济效益，起到事半功倍的效果。 1 2 国内外现状和发展趋势 i 雪# i - 对切削力的建模和预报研究工作经久不衰，很多复杂零件的制造过程 往往需先进行切削力的预报，最后确定合理的切削参数和加工工序。 两华大学硕士学位论文 金属切削领域的理论研究，起源于十九世纪后半期。1 8 7 0 年，俄国学者基 麦就已开始进行切削理论的研究工作，提出塑性金属的切削过程为挤压的观点， 在简化的力学模型基础上利用传统的解析法进行求解。 1 9 4 5 年，美国学者麦钱特( m e r c h a n t ) 提出了塑性金属切削过程是剪切过程 的力学模型【1 】，推导了切削力与切削参数的关系式，并用最小功原理求出了剪 切角的理论公式。 l e e 和s h a f f e r 2 】利用滑移线场理论来研究理想刚塑性材料的切削现象。 k a p o o r 等人长期从事切削力的建模和预报工作，其研究主要采用经验和解 析相结合的方法，其特点是针对切削过程的各种影响因素预先进行实验，总结出 具有一定精度的经验公式。 p a m l e r 和o x l e y f 3 】建立了一种研究包括加工硬化等现象在内的新理论。 e l a n a y a r 在o x l e y 切削模型【4 】的基础上提出了考虑刀具磨损的切削力模型， 应用摩擦学理论分析了后刀面与工件的摩擦作用力，取得了较好的预报结果；但 他并没有解决o x l e y 切削模型固有的一些缺陷，而只是沿用了原有的理论。 e n d r e s t s 对原有的切削模型进行了具有创新性的研究，提出了考虑刀具刃口 的新切削模型，并对后刀面的熨压作用力进行了理论研究。 文东辉、刘献礼【6 】在o x l e y 的切屑形成模型基础上，根据切削力预报反问题 的原理及其求解建立了一种更为精确的切削力预报算法，预报过程可以显示切 削参数和刀具结构对前刀面边界条件和材料常数的影响。 a r m a r e g o t 7 , 8 】等人将切削力理论分析与实验相结合，提出了统一力学模型。 该模型通过正交切削实验获得的实验数据建立剪切角、摩擦角和平均剪应力等 切削基本量的经验公式，再通过正交切削与斜角切削之间的模型转换，基于刀 齿微元化思想，用于预测车削、钻削、周铣和面铣等加工过程，预测内容包括 切削力、扭矩和功率等。 c a r r i n o t 9 】基于统一力学模型预报车削力，进而进行尺寸误差预测研究，取 得了比较好的预测精度。 a l t i n t a s t l o 】等人应用该模型对不同类型复杂铣刀在铣削过程中所受的铣削 力进行建模与仿真，证明该模型具备较高的预测精度和较强的通用性。 上述这些研究对切削机理的深入理解和工艺参数的制定起到了积极作用。 2 两华大学硕士学位论文 其切削力理论预测模型的特点是基于某一种金属切削加工理论，如m e r c h a n t 切削理论、l e e 和s h a f f e 切削理论、o x l e y 切削理论【】【1 2 】等，从理论分析的角 度建立切削力模型。这类预测模型与工件的材料属性特别是剪切屈服应力有着 紧密的关系，而且材料的剪切屈服应力随温度的变化很大，难以通过试验获得 实际加工条件下材料的剪切屈服应力，因此这种类型的切削力预测模型的精度 比较低。随着c a m 技术的发展，对切削状态在线监控、切削过程仿真和预测、 切削工艺过程优化的要求日益迫切，切削力预报的重要性变得更加突出。 1 3 切削过程有限元模拟技术的发展状况 金属切削加工是指用刀具从工件表面切除多余的金属材料，从而获得在几 何形状、尺寸精度及己加工质量等方面均符合要求的零件加工方法。切削加工 被认为是机械制造工艺中一种最为常用的加工方法而长期存在。 切削过程是一个很复杂的工艺过程，它不但涉及到弹性力学、塑性力学、 断裂力学，还涉及热力学、摩擦学等。切削质量受到刀具形状、切屑流动、温 度分布、热流和刀具磨损等影响。利用传统的解析方法求解，虽然计算方便， 但切削力的理论计算公式中的很多系数需要进行大量的实验才能确定，而且计 算公式的建立需要进行大量的理论推导，也很难对切削机理进行定量的分析和 研究。切削操作人员和刀具制造商往往都是利用试错法( t r i a l a n d e r r o rm e t h o d ) 来获取一些经验值，既费时费力，又增加了生产成本，严重阻碍了切削技术的 发展。近年来，随着计算机技术的飞速发展，有限元方法开始在金属切削、切削 力建模、切屑成形、刀具寿命和刀具磨损等方面研究中逐步得到应用。有限元 方法在切削工艺中的应用表明，通过有限元模拟切削力、切削温度、应力及应 变，可以优化选择刀具和切削参数，改进切削工艺，提高生产效率，减少试错 时间，同时切屑成形的有限元仿真对了解切削机理、提高切削质量都很有帮助。 这种数值模拟方法适合于分析弹塑性大变形问题，包括分析与温度相关的材料 性能参数和很大的应变速率问题，为系统、深入研究切削机理，提高切削加工 质量提供了新的、更加有效的分析方法和途径。它可以依据实际加工条件，真 实再现加工过程中的各种物理现象，大大提高分析的精度，从而在刀具设计、 两华大学硕十学位论文 工艺选择、可加工性估计和断屑研究方面，有效地减少反复试验的次数，降低 研究成本。 有限元方法最早被应用在切削工艺的模拟是在7 0 年代，与其它传统方法相 比，使计算机能够自动模拟整个复杂过程，提高了分析的精度。自从有限元方 法用于金属切削加工模拟以来，已经开发了很多有限元模型，并被用于预测加 工件的应力、应变和温度分布。 1 9 7 3 年美国i l l i n o i s 大学的b e k l a m e c k i t l 3 最先系统地应用有限元法研究 了金属切削加工中切屑( c h i p ) 形成的原理。 1 9 8 0 年美国的n o r t hc a r o l i n a 州立大学的m r l a j c z o k f l 4 1 在其博士学位论 文中应用有限元方法研究切削加工中的主要问题，初步分析了切削工艺。 1 9 8 2 年，u s u i 和s h i r a k a s h i 【l5 】为了建立稳态的正交切削模型，第一次提出 刀面角、切屑几何形状和材料流线等假设，应用有限元模型预测了应力应变和 温度这些参数。 1 9 8 4 年，1 w a t a 16 】等将材料假定为刚塑性材料，利用刚塑性有限元方法分 析了在低切削速度、低应变速率的稳态正交切削。但是，他们没有考虑弹性变 形，所以没有计算出残余应力。 1 9 8 9 年，s t r e b j i w s j u m 和c a r r o l l t l 7 1 将工件材料假定为弹塑性，在工件和切 屑之间采用绝热模型，模拟了从切削开始到切屑稳定成形的过程。他们采用等 效塑性应变作为切屑分离的准则，在模拟中等效塑性应变值的选择影响了加工 表面的应力分布。 1 9 9 0 年，s t r e n k o w s k i 和m 0 0 n 【1 8 】模拟了切屑形状，用e u l e r 有限元模型研 究正交切削，忽略了弹性变形，预测了工件、刀具以及切屑中的温度分布。 u s u i t l 9 】等人首次将低碳钢流动应力设为应变、应变速率和温度的函数，他 们用有限元方法模拟了连续切削中产生的积屑瘤，而且在刀具和切屑接触面上 采用库仑摩擦模型，利用正应力、摩擦应力和摩擦系数之间的关系模拟了切削 工艺。 h a s s h e m i l 2 0 1 等用弹塑性材料的本构关系和临界等效塑性应变准则模拟了 切削工艺，主要模拟了切屑的连续和不连续成形现象。 k o m v o p o u l o s 和e r p e n b e c k t 2 ”用库仑摩擦定律通过正交切削解析方法得到 4 西华大学硕十学位论文 了刀具与切屑之间的法向力和摩擦力。用弹塑性有限元模型研究了钢质材料正 交切削中刀具侧面磨损、积屑瘤及工件中的残余应力等。 f u r u k a w a 和m o r o n u k i t 2 2 1 用实验方法研究了铝合金超精密切削中工件表面 的表面粗糙度对加工质量的影响。分析表明，当切削深度在1 0 击m 左右时，最 小切削力的范围在1 0 1 n 左右。 t o s h i m i c h im o r i w a k i 2 3 1 等用刚塑性有限元模型来模拟了上面的实验。他们 模拟了切削深度在毫米到纳米范围内红铜材料正交切削过程中的温度场。 近几年来，国际上对金属切削工艺的有限元模拟更加深入，日本的s a s a h a r a 和o b i k a w a 2 4 等人利用弹塑性有限元方法，忽略了温度和应变速率的效果，模 拟了低速连续切削时被加工表面得残余应力和应变。 美国o h i o 州立大学净成形制造( n e ts h a p em a n u f a c m r i n g ) t 程研究中心的 t a l t a n 教授，在金属塑性成形数值模拟方面做出了许多令人瞩目的成瓣他与 意大利b r e s c i a 大学机械工程系的e c e r e t t i 合作，对切削工艺进行了大量的有 限元模拟研究2 5 】一【2 8 】。 澳大利亚悉尼大学的l i a n g c h iz h a n 9 1 1 2 9 1 和美国a u b u r n 大学的j m h u a n g ， j t b l a c k 3 0 l 对有限元分析正交切削工艺中的切屑分离准则做了深入的研究，对 不同的分离准则都做了考察。 2 0 0 4 年，t a l y l a na 1 t a n 3 l 】通过建立热一弹一塑正交有限元模型研究了刀刃 的几何形状对切削力、温度、应力、切屑形状的影响。 台湾科技大学的z o n e c h i n gl i n t 3 2 】等人用有限变形模型结合分子动力学对 单晶镍材料的流动应变做了研究，用有限元的思想方法从分子运动的理论来计 算应变，如图1 1 所示。 与本领域国外的研究状况相比，目前国内这方面的研究还相对较少，相关 的研究大多是通过试验和解析的手段。 两华大学硕士学位论文 f i g1 1t h es i m u l a t i o no f c u t t i n g 图11 切削模拟5 3 2 i 1 4 本课题研究的目标及技术路线 铣削过程为复杂的随机过程，工艺参数较多，切削条件多变且时变。传统 计算切削力的方法是通过实验建立经验公式，需要进行大量的切削试验。而且， 为简化切削力的建模，常假设许多条件，计算结果与实际相差较大，模型的使 用也有限。传统方法建立的切削模型常仅用于估算。因此，用计算机数值分析 技术，对给定的切削对象和切削条件预报其切削力，进而建立宏观、统一、实 用的切削模型成为本文的研究目标。 采用技术路线为： ( 1 ) 在掌握金属切削原理、有限元法基本理论、弹塑性变形理论及能操作 d e f o r m 2 d d c f o r m3 d 软件的前提下对整个铣削过程进行理论分析。 ( 2 ) 在理论分析的基础上，应用d e f o r m 2 d d c f o r m3 d 的前处理建立金属铣 削的有限元模型，通过控制刀具运动模拟切削过程、计算分析，完成对金属铣 削过程的动态数值模拟。 ( 3 ) 应用d c f o r m 2 d d e f o r m3 d 后处理器提取计算结果，对铣削过程中应力 场、温度场和应变场的变化进行分析研究。 ( 4 ) 根据铣削模拟结果，分析对铣削力的各种影响因素。分析各种铣削参数 两华大学硕士学位论文 对铣性能的影响规律，研究不同切削条件下铣削力的特征和变化趋势，结合铣 刀经验计算公式来分析铣削力，研究铣刀几何参数和加工参数对铣削力的影响。 西华大学硕士学位论文 2 金属切削加工的相关理论 2 1 金属切削模型 金属切削加工是指利用硬度大于工件材料的切削刀具，从工件表面切除多 余的金属材料，使工件达到预定的几何形状、外形尺寸及表面质量要求的机械 加工方法，常用的切削加工方法包括车削、刨削、铣削和钻削等。金属切削加 工过程中会出现各种物理现象，如切屑变形、切削力、切削热与温度、刀具磨 损与破损以及加工表面完整性等。这些物理现象都与金属的变形及其变化规律 有密切的关系，研究切削过程对保证加工质量、提高生产率、降低成本和促进 切削加工技术的发展，有着十分重要的意义。因此，世界各国不惜耗费巨资， 投入大量的人力、物力和财力，研究与探讨切削加工方法及其理论。 剪切角是切削机理研究中的一个很重要的参数，其大小直接决定金属切削 变形的大小，影响切屑的形态和切削力【3 3 1 。因此很多学者根据弹塑性等理论对 剪切角进行了大量的研究，提出了许多剪切角模型。 ， 2 1 1l e e - s h a f f e ：滑移线切削模型 l e e 和s h a f f e r f 3 4 1 根据材料的最大剪应力方向与其主应力方向之间的夹角为 兰的原则并假设工件材料在应力作用下的有关性能如下： 4 ( 1 ) 材料是理想塑性的，即变形过程中忽略弹性变形，应力一旦超过材料的 屈服极限，变形就以恒定应力发生，并且不发生加工硬化； ( 2 ) 材料的性能与变形速率无关； ( 3 ) 在变形时，温升的影响可以忽略不计； ( 4 ) 变形过程中由材料加速度引起的惯性影响可以忽略不计。 图2 1 为l e e s h a f f e 提出的滑移线切削模型。这个模型具有直线剪切面a b ， a c 是第二滑移线，它形成了与刚性区的边界线。第一滑移线是和第二滑移线 相垂直的直线，塑性区为正交的滑移线场。a b 为与a c 成4 5 。的直线，这个面 为塑性区与切屑的分界面。他们假定所有变形都发生在塑性区a b c 内。他们 的分析也得到了剪切角方程： 西华大学硕士学位论文 妒+ 一7 。= 争 材搴斗波动方内 8 工件 f i g 2 it h ec u t t i n gm o d e lo fl e e - s h a f f e 图2 1l e e s h a f f e 提出的滑移线切削模型 ( 2 1 ) 2 1 20 x l e y 的切削模型 前述的l e e s h a f f e r 切削模型对材料的加工硬化没有给予充分的注意， l e e s h a f f e r 的切削模型是以理想刚塑性体为基础的。e l b o x l e y t 3 5 1 对其进行了 修正，在他的解析式中引入了加工硬化，并且考虑了剪切区的宽度，其理论可 以很好地说明从低速切削至高速切削的大量实验结果。 f i g 2 2t h ec u t t i n gm o d e lo fo x l e y 9 西华大学硕士学位论文 图2 2o x l e y 的切削模型 o x l e y 的理论是以加工硬化滑移线理论为基础的。在高速切削时，即使是 带状型切屑，一般来说其剪切区也具有如图2 2 所示那样的某一宽度。于是， o x l e y 采用了以通常的剪切面位置a b 为中心的c d f e 带状剪切区。c d 与e f 为平行线，他们是最大剪应力方向，同时也是最大剪切面应变速度方向。在理 想化切削塑性曲线条件下，o x l e y 经理论推导得到的切削方程式为 妒一t a n 1 + 2 ( 三一妒) - 琢考篙南面卜+ 2 ， 式中：聊理想塑性曲线的斜率 屈服剪切应力 o x l e y 切削方程解析切削过程所存在的问题是：其计算结果不是从独立材料 试验而是从切削实验中得到的。因此即使应变速度一致其切削温度也未必是一 致的，所以不能用单一的特性曲线来处理所有问题，而必须有分别与各种应变 速度、温度状态相对应的多条塑性曲线。 o x l e y 理论引入了在以前的理论中没有涉及到的加工硬化、剪切区扩展、 尺寸效应、温度一应变速度效应等很多因素。该理论对以前的实验能够很好地 定性说明，为今后切削方程研究中更广泛地引入切削材料物性参数打下了良好 基础。 2 2 铣削加工过程的基本机理 铣削加工是应用最为广泛的几种机械加工方法之一。它作为一种高效率、 高精度的切削加工方法，被广泛应用于航空航天、汽车、机械等领域。影响金 属铣削加工过程的因素很多，比如切削参数、刀具几何参数以及工件、刀具材 料等。这也使得新加工工艺的开发和切削条件的优化变得异常复杂。深入研究 金属铣削加工的内在机理，建立切削物理量的预测模型，有助于优化工艺参数、 控制加工精度、合理安排刀具路径以及延长刀具使用寿命等等。为此通过直齿 和螺旋齿立铣加工基本机理的分析，将复杂的铣削加工过程等效离散成基本的 直角切削和斜角切削过程的叠加，进而，为铣削力和铣削热等物理量的预测模 1 0 两华大学硕+ 学位论文 型提供理论支持。金属铣削加工过程是一个复杂的工艺过程，它不但涉及到弹 性力学、塑性力学、断裂力学，而且还与摩擦学、热力学等相关。铣湖j j 3 r l 工过 程中会产生一系列的物理及化学变化，如被加工材料经受强烈的弹塑性变形， 剪切滑移形成切屑；材料在变形过程中产生切削抗力和大量的切削热，在刀具 与工件接触的工作区域形成高温高压区域；由于载荷不均匀和变形的波动，还 会产生切削振动等等。这些变化对铣削加工的顺利与否产生巨大的影响。这些 物理化学变化的本质是铣削加工研究的重点之一。 2 2 1 金属铣削的变形过程n 2 1 理论分析和实验研究证明：金属切削过程实质上是被切削金属层在刀具前 刀面的挤压作用下产生剪切滑移的塑性变形过程。虽然切削过程中产生弹性变 形，但其变形量与塑性变形相比可忽略不计。针对包括铣削在内的不同的切削 加工方法，虽然刀具和工件的相互作用形式有所不同，但工件材料在切削加工 过程中的塑性变形规律以及切屑形成机理是相同的。本文采用直角切削模型来 说明金属切削加工的变形过程。直角切削模型是在抓住切屑变形本质现象的基 础上忽略一些次要因素建立起来的简化物理模型。该模型假设： ( a ) 切屑不向横向流动，切削过程可在平面中表示； ( b ) 刀具是锋利的，切屑只与切削刃及前刀面接触； ( c ) 直线切削刃与切削方向垂直。 图2 3 所示为金属切削过程中的滑移线和流线示意图。流线表示被切削金 属的某一点在切削过程中流动的轨迹。由图可见，切削过程中金属材料的塑性 变形是沿刀具表面不断发展的过程，大致可划分为三个变形区： 第1 变形区，也称为剪切滑移变形区。被切削金属层在刀具前刀面的挤压 作用下，在切削层内产生应立场，离刀刃越远，应力越小。切削层中的材料向 刀具逼近时，首先产生弹性变形，然后当最大剪应力t 达到材料的屈服强度， 从图中的o a 曲线( 始滑移线) 开始产生剪切滑移。随着刀具前刀面的逐渐逼近， 塑性变形逐渐增大，并伴随有加工变形硬化现象( 即材料的屈服强度增加) ，直 至运动到o m 曲线( 终滑移线) 处，剪切滑移过程基本完成。此时，被切削金属 层与金属本体脱离而成为切屑，其流动方向与前刀面平行。由此可见，切削层 西华大学硕+ 学位论文 的材料经过一个从o a 到o m 的剪切变形区而变成切屑。曲线o a m o 所包围 的区域即为剪切滑移变形区，在常规切削速度范围内，该变形区厚度大约为 o 0 2 0 2 m m ，切削速度越高，变形区厚度越薄。第1 变形区是金属切削过程中 的主要变形区，消耗大部分功率并产生大量的切削热。 第1 i 变形区，也称为纤维化变形区。经第1 变形区剪切滑移而形成的切屑， 在沿刀具前刀面流出时，进一步受到前刀面的挤压而产生剧烈摩擦，仍然在不 断变形。摩擦区域可以划分为滑动区和粘着区。在粘着区，其摩擦力要超过切 屑底层材料的屈服极限。切屑底层金属的流动速度相对切屑流动速度要慢，且 越靠近切削刃越慢，可以称它为滞流层。滞流层金属发生强烈的塑性变形，其 变形量可高达第一变形区的几十倍，使靠近前刀面处金属纤维化，基本上和前 刀面相平行，这部分区域叫做第1 i 变形区。由剧烈的挤压和摩擦引起的切屑底 层金属的剧烈变形和刀屑界面温度的升高是第1 i 变形区的主要特征。前刀面的 摩擦和挤压对第1 变形区也有影响，如果摩擦过大导致切屑排出困难将会加剧 第1 变形区的剪切滑移。除摩擦和挤压外，刀具前刀面和切屑底部会发生粘连 现象，这些都将导致刀具磨损的加剧。如何减轻第1 i 变形区的摩擦和变形，是 研究金属切削过程的重要问题。 第1 i i 变形区，也称为纤维化和加工硬化变形区。已加工表面金属层受到切 削刃钝圆部分与后刀面( 包括磨损棱面) 的挤压和摩擦而产生塑性变形的区域， 称为第1 i i 变形区。该区域产生变形和回弹，造成表层金属的纤维化和加工硬化。 该变形区的挤压与摩擦状况与工件己d n - r 表面质量密切相关。 三个变形区的交汇处在切削刃附近，此处的应力比较集中而复杂，金属的 被切削层在此处与工件本体材料分离。第1 和第1 i 变形区属于切屑形成过程， 而第1 i i 变形区属于表面形成过程。 两华大学硕+ 学位论文 f i g 2 3t h es l i p 。l i n ea n df l o u l i n eo f m e t a l - c u u i n g 图2 - 3 金属切削过程中的滑移线和流线示意图 2 2 2 铣削力学分析 铣削是一种用单齿或多齿刀具进行的断续切削，即在刀具不断旋转的同时 工件与刀具之间存在相对的移动。铣刀的种类很多，一般可分为端铣刀、立铣 刀和球头铣刀等。铣刀类型不同，其几何模型也有许多差异，但是各类铣刀切 削部分的几何形状和参数都有共性的内容。不论铣刀的几何构造如何复杂，就 切削部分而言，都可以近似地看成外圆车刀部分的演变。与其他切削加工方法 相比，铣削加工也具有独特之处，而且不同类型铣刀在加工过程中的力学作用 也不相同。因此，必须仔细分析铣削刀具的切削加工特点，对其切削加王状态 进行正确的力学描述。圆柱立铣刀的圆柱表面和端面上都有切削刃，它们可同 时进行切削，也可单独进行切削。立铣刀圆柱表面的切削刃为主切削刃，端面 上的切削刃为副切削刃，在大多数情况下，主切削刃对铣削加工过程的影响远 大于副切削刃。 工件 y i lc 叠止t 厂 一h 。 上n f i g 2 4t h ed i a g r a mo fs t r a i g h t - t o o t hm i l l i n g 图2 4 直齿立铣加工示意图 两华大学硕+ 学位论文 直齿圆柱立铣刀圆柱面上分布的直线切削刃平行于铣刀的刀轴线，铣削时 每条切削刃整条切入和切出。直齿立铣加工的特点是：在铣削过程中，切削刃 的切削厚度不断变化；在铣削某一时刻，切削刃上的切削厚度相同。图2 4 是 直齿立铣加工示意图，反映了直齿圆柱铣刀切削加工切削刃所受的切向铣削力 和径向铣削力( 直齿立铣刀不受轴向铣削力作用) 。由于基本的切削力学模型均 假设切削厚度和宽度不变这个条件，这与实际的铣削加工过程不符。因此，具 体针对直齿立铣加工，将铣削过程分解为许多个时间步。当时间步取值很小时， 在这个时间步内，整条切削刃的切削厚度可认为是瞬时不变的。这样，参与切 削的直齿立铣刀上的整条切削刃在每个时间步内的铣削过程可以等效为基本的 直角切削过程。 如前所述，金属切削刀具的种类虽然很多，但切削部分的几何形状和参数 都有共性的内容。不论刀具的构造如何复杂，就切削部分而言，都可以近似地 看成是外圆车刀部分的演变，其切削加工过程都相似。刀具具有直的切削刃， 并沿预定义的刀具路径进行切削，以切屑的形式去除材料，达到零件的设计形 状。如果刀刃与切削方向成直角，沿刀刃方向其切削厚度相等，则通常被称之 为直角切削。在该种情况下，假设切削宽度比切削厚度大很多倍，且切屑的生 成是连续的，则在垂直于刀刃的各截面内的变形状态沿刀刃方向大致是相同的， 称这种状态为平面应变状态或平面塑性流动状态。因此，可以将切削加工转化 为二维状态下的平面应变问题进行求解。二维切削的切削状态并不是单一的， 与切削条件和d n - 1 - _ 材料等因素有关，常见的切屑形态则是连续的带状切屑和剪 切型切屑。带状型切屑具有切削状态稳定、d i - r 表面质量好、机床振动小等优 点。剪切型切屑虽然不是所希望的形态，但这种状态多属被切削材料的性质所 固有而不可避免，通过改善切削条件、提高切削系统的刚性，就可能使之转化 为与带状型很接近的状态。因此用连续带状型切屑的成形过程来分析其形成机 理具有代表性。 在实际的切削加工中，由刀具切除的多余金属变为切屑与工件分离，切屑 的生成通过三维复杂的塑性变形进行。对于一般三维斜角切削，具有的一般特 点是：切削刃与切削方向不垂直，主切削刃和副切削刃同时参与切削，切削刃不 是直线。一般来说，对三维切削中切屑生成的机理进行严格的解析是困难的， 1 4 西华大学硕+ 学位论文 因此，通常的做法是使之简化成二维正交( 直角) 切削问题来考虑。由于平面正 交切削模型减少了刃倾角、切削宽度等独立变量，使切削加工状态得到了很大 的简化，因此这种简化处理方法在理论研究中经常使用。 2 2 3 切削热的产生与传播 在金属切削过程中，热量的产生是由于加工过程中材料塑性变形、刀具前 刀面与切屑以及后刀面与工件己加工表面之间的摩擦耗散能量造成的。金属切 削加工所产生的热主要集中在第一和第二变形区。在第一变形区，材料以较高 的应变率承受大的剪切变形，该区域温度的升高主要是由塑性变形产生。在第 二变形区，切屑温度的升高，一是由于材料在第一变形区受到加热，二是当材 料流过第二变形区时，由于刀一屑之间的摩擦，使其温度进一步升高。刀具温 度的升高主要是由于刀一屑摩擦以及后刀面与己加工表面摩擦产生的热量的其 中一部分传入了刀具。切削热的具体热传导过程如图2 5 所示。 f i g 2 5t h ee m e r g e n c ea n ds p r e a do fh e a ti nc u t t i n gp r o c e s s 图2 5 切削过程中热量的产生与传播 在工件内部的温度分布主要由以下因素决定： ( 1 ) t 件的初始温度。 ( 2 ) 第一变形区塑性变形产生热量传入到工件内引起的温度变化。 ( 3 ) 刀具后刀面与工件摩擦产生热量传入到工件内引起的温度变化。 ( 4 ) 与外部环境进行热量交换引起的温度变化。 西华大学硕士学位论文 在刀具内部的温度分布主要由以下因素决定： ( 1 ) t j 具的初始温度。 ( 2 ) 7 j 具前刀面与切屑摩擦生热而引起的温度变化。 ( 3 ) 刀具后刀面与工件已加工表面之间摩擦产生热量传入到刀具内引起的温度 变化。 ( 4 ) 与外部环境进行热量交换引起的温度变化。 1 6 西华大学硕士学位论文 3 切削加工有限元仿真的关键技术 铣削力是铣削加工中的一个非常重要的物理现象，对铣削过程有着重要影 响，它的大小将直接影响切削功率、铣削热，甚至引起工艺系统的变形和振动； 过大的铣削力，会使刀具磨损加剧而导致加工质量下降，甚至造成刀具、夹具 或机床的损坏。可见，铣削力与工件的加工质量、加工效率、生产成本等有着 十分密切的关系，影响着铣削加工的方方面面。通过铣削力的精确预报，除了 有助于加工工艺参数优化、控制刀具和工件变形外，铣削力预测也能够为刀具 设计、机床设计、刀具磨损和破损监测提供重要的参考价值。工业界和学术界 都试图深入理解铣削力的本质，以期能够对其进行准确的预报，在铣削过程中 避免或减少因铣削力造成的负面影响。铣削过程是一个切削厚度随时问变化的 断续切削过程，铣削力呈周期性变化，其影响因素主要有被加工零件材料、刀 具材料、刀具几何形状、切削参数、刀具齿数、切削条件等。由于铣削过程本 身的复杂性，至今还未得出与实验结果足够吻合的铣削力理论计算公式。经验 模型是针对铣削过程中不易模型化的影响因素( 铣削速度、铣削深度、进给量 等) ，通过切削实验和数据处理，建立起具有一定精度的经验公式。该模型可以 满足工程的基本需求，但不能揭示铣削过程的动态力学特性，同时针对不同的 应用场合都需要进行大量的实验。有限元模型不仅可以预报铣削力，还可以模 拟整个铣削过程中不断变化的变形场、应力场和温度场，但材料本构模型、刀 一屑摩擦模型、切屑分离准则等有限元建模关键技术还需深入研究，否则预测 精度较低。 3 1 材料模型 在实际的金属切削过程中，工件材