哈爾濱理工大學學士學位論文 I 二維硬態切削過程的有限元仿真 摘 要 本文提供了 一個 用聚晶立方 氮化硼刀具（ 削淬硬鋼的有限元分析模型。 該模型 基于自適應網格技術和大變形技術， 從而解決了 在切屑變形過程中由于網格變形過大出現的網格畸變問題。在模擬切屑形成的過程中， 使用了 純粹的變形技術來彌補了基于切屑分離準則的傳統有限元模型的不足。這種方法不僅消除了切屑分離準則和預先定義分離線的需要，同時獲得了一個更加真實和合理的切屑成形過程。本文用商業有限元軟件擬不同刀具幾何參數對切削力的影響，建立了直角切 削時平面應變條件下刀具切削過程的仿真模型，并對不同切削幾何參數（倒棱角度、切削速度）的有限元模型進行了計算分析和比較，并通過進行正交高速切削實驗與仿真結果進行對比，得出了較為合理的硬態切削過程的刀具幾何參數，這對實際切削過程的刀具優化設計和降低成本有著重要的指導意義。 關鍵詞 切削仿真； 件；自適應網格技術；二維直角切削 按章標題格式編輯、黑體、小二、加粗、居中， 2 倍行間距，段前段后為 0。 摘要是論文內容的簡 要 陳述，包括論文主要信息，具有獨立性和 完 整性。中文摘要一般400 字左右，不標注引用文獻編號。文字為宋體小四單倍行距。 關鍵詞，黑體 加粗，與上一段空一行，后面緊跟空格 主題詞條應為通用技術詞匯，不得自造關鍵詞。 關鍵詞中間用分號間隔，關鍵詞一般為 3 至 5 個，按詞條外延層次由高至低順序排列。 頁碼大寫的羅馬數字 操作： 后點樣式 章標題（不加入目錄內） ” 摘要：將“摘要” 2 字選中， 只需點擊 樣式里的“ 標題 ”。 哈爾濱理工大學學士學位論文 D a of is on an to in of In a is to of EM on of of a a In is EM It of -D a of a in of 2-D 文摘要 行間距。 英文摘要應與中文摘要內容完全相同（ 1200符） , 字 體 為12 號 。 操作： 后點 標題（不加入目錄內）” 中，只需點樣式里的“標題”。 哈爾濱理工大學學士學位論文 錄 摘 要 . I . 1 章 緒論 . 1 題背景 . 1 題來源 . 1 題的研究的背景和意義 . 1 題的總體內容 . 1 題敘述 . 1 硬刀具材料發展狀況 . 1 述 . 1 硬刀具材料發展概況 . 2 具的性能及應用 . 2 限元仿真技術發展狀況及前景 . 3 章小結 . 3 第 2 章 有限元方法簡介 . 4 限元法分析問題概述 . 4 面問題的有限元法 . 4 章小結 . 5 第 3 章 仿真建模 . 6 屬切削過程描述 . 6 真模型的建立 . 6 體模型 . 6 料特性 . 6 章小結 . 7 第 4 章 仿真計算分析與結果比較 . 8 棱角度對切削力的影響 . 8 驗參數 . 8 削過程的模擬結果 . 8 件切削區域的應力分布 . 8 削力影響分析 . 10 具進給速度對切削力的影 響 . 10 驗參數 . 10 件切削區域的應力分布 . 10 交切削實驗 . 10 驗條件 . 10 目錄自動生成，采用三級目錄，每一級之間有 縮進 。 完成正文全部內容后再生成。 哈爾濱理工大學學士學位論文 正交高速硬態切削實驗 . 11 章小結 . 12 結論 . 13 參考文獻 . 14 致謝 . 16 附錄 . 17 操作：目錄的自動生成（生成之前先打上“目錄” 2 字，然后點擊樣式里的“標題”） . 則 選中目錄 ,點擊右鍵 ,然后點更新域 ,選擇只更新頁 碼 . 哈爾濱理工大學學士學位論文 1 第 1章 緒論 題背景 題來源 本課題來源于國家自然科學基金項目“淬硬鋼高速切削過程的建模與仿真”。 題的研究的背景和意義 21 世紀生產工程的重要內容之一是面向環境清潔的綠色制造技術 ， 來進一步理解和學習硬態切削技術 1。 題的總體內容 述 運用有限元分析軟件 硬態切削的過程進行有限元仿真，通過與實驗結果進行相應的分析和對 比，進而驗證有限元模型的正確與否。 容 2 本論文只對金屬切削刀具的有限元分析進行初步探索，就切削過程而言，我們也只是以從刀具和工件剛剛接觸到剪切角形成這樣一個階段作為主要研究對象， 它己經包含了穩定切削的幾乎全部信息 2。 題敘 述 有限元理論到現在發展的已比較成熟，就簡單的介紹這些。本試驗中還涉及到彈塑性有限元的有關理論，這里也不作介紹。 硬刀具材料發展狀況 述 隨著材料工業及精密機械工業的發展 ，作為使用有限元解決各種工程問題的工程師來說，目前已有大量的有限元軟件可供選擇和 使用。 緒論應是綜合評述前人工作，說明論文工作的選題目的和意義，國內外文獻綜述，以及論文所要研究的內容。 所有參考文獻在文章中都要對應引用，并按照順序出現， 與參考文獻目錄表相對應， 采用上標格式 ，置于標點符號前，最后一個文字后 。 標題 1 章標題 標題 2 節標題 標題 3 條標題 正文頁碼從阿拉伯數字 1 開始 “ 能單獨出現，最少應有“ 操作：上標的設置 1”，右鍵點字體 確定。 不得將引用文獻標示置于各級標題處。 這就是錯的 操作 :樣式里 標題 4 款標題 建議 :段落末尾 與 下一 標題 之間有一空行 （回車） 單 獨 出現 這 就是錯的 正文全部為宋體小四，單倍行距。 *注意 *： 各級 標題 格式 中 均 自帶 編號 ，即 “ 第 1 章 ” 、 “ 等 無需 作者 輸入 ，僅輸入 各級 標題 的 名稱 即可 。 哈爾濱理工大學學士學位論文 2 硬刀具材料 發展概況 超硬刀具材料 是指天然金剛石及硬度、性能與之相近的人造金剛石 。立方氮化硼（ 稱 由于天然金剛石價格比較昂貴，所以生產上大多采用人造聚晶金剛石（ 稱聚晶立方氮化硼（ 以及它們的復合材料 6。超硬材料發展情況見圖 1。 圖 1硬材料發展史 目前，又出現了人工合成大單晶金剛石，以及用 學氣相沉積）法制出 的金剛石薄膜涂層和金剛石厚膜等功能 性材料， 大大拓寬 了超硬刀具材料 的應用領域 4。 至 1997 年我國人造金剛石年產量就已達到 5 億克拉左右， 產量達 800 萬克拉，躍居世界 上超硬材料 生產大國之首 6。 具的性能及應用 仿真所使用的刀具材料為 晶立方氮化硼）刀具具有硬度高 1 組成成分對刀具性能的影響 (1) 結合劑對 具性能的影響 ：一般加陶瓷粘結劑的 3。 1) 2) 3) 圖和圖名均居中，圖名位于圖的下方 圖名采用 5 號字，格式為1示第 1 章第 1 個圖，依次排序。建議圖名和下面文字之間空一行 。 節或款標題下面，分成幾項說明問題時，根據情況通常可分成四級，四級的符號分別用 1、 (1)、1)、 表示。 插圖之 前，文中必須有關于本插圖的提示。 項 的 序號 空 兩格書寫 論文中凡是摘選參考文獻的圖及表，必須在圖注及表注中用 表明 。 圖中字體應小于正文字號 。 哈爾濱理工大學學士學位論文 3 (2) 量對 具性能的影響 ： (3) 粒尺寸對 具性能的影響 ： 2 合片 具的制造分為 合片（ 質合金）制造（高溫高壓燒結體）和將復合片進行切割、焊接、刃磨制成各種刀具 ，其切削部分如 圖 1所示 。 圖 1具切削部分結構形式 3 具的結構 常見 具切削部分的結構有以下 4 個種類。 (1) 將大顆粒 結塊固定于刀頭之上 (2) 機夾可重磨式復合片刀頭 (3) 在可轉位硬質合金刀片一個角 (4) 焊接式 具結構 4 具的應用 具在使用前有必要用油石輕輕對刃口倒角，以保護其刃口。當采用車削工藝時，事先須用淬火的棒料進行粗加工或精加工試驗。目前，國內已有許多單位采用了這種精車工藝，如某集團公司用 具加工滲碳淬火（ 5863 20速箱齒輪撥叉槽，采用v=150mm/f=r， p =現了以車代磨，刀 具切削行程達到 限元仿真技術發展狀況及前景 1973 年美國 學的 先系統地研究了金屬切削加工中切屑 (成的原理。 章小結 本章主要介紹了 特殊符號用插入符號，下標的設置參見上標。下標表示不變量為正體，即數字 1、 2、字母 a、 b 等，當表示變量時用斜體，通常為 i， j 字母表示變量時為斜體，不變的量為正體，比如 ，物理量單位為正體，注意k 為小寫，表示千； 操作：符號的位置 1. 點插入，然后點 “符號 ” 2. 如沒找到想要的，點 “其他符號 ”,然后再字體里選擇 “正文 每 章都應有小結 。 哈爾濱理工大學學士學位論文 4 第 2章 有限元方法簡介 限元法分析問題概述 以變分原理為理論基礎、分為六個步驟： 1. 結構的離散化 2. 選擇位移模式 根據所選定的位移模 式，就可以導出用結點位移表示單元內任意一點位移的關系式，其矩陣形式見 式 (21： ()(1)( (2在此，我們順便指出： 3分析單元的力學特性 位移模式選定以后，就可以進行單元的力學特性的分析，包括下面三部分的內容： (1) 利用幾何方程由位移表達式導出用結點位移表變關公式 (22： ()()1()2/1()2/1( 2 (2(2) 利用本構方程，由應變的表達式 (2導出用結點位移表示單元應力的關系見式 (22： m ,2m in (2式中 力學求解控制系統方程的最高頻率， 熱求解控制系統方程的最大特征值 。 (3) 供了兩種模擬接觸相互作用的算法：通用接觸算法和接觸對算法。通用接觸算法（ 許非常簡單的定義接觸，對于接觸表面的類型的限制很少， 22132132221311322312112s i nc o s)(c o sc o ss i n)(c o sc o ss i n)(2(4) 結合所有單元的平衡方程，建立整個結構的平衡方程。這個集合過程包括有兩個方面的內容：一是將各個單元的剛度矩陣，集合成整個物體的整體剛度矩陣；二是將作用于各單元的等效結點力陣列，集合成總的荷載列陣。最常用的集合剛度矩陣的方法是直接剛度法。 面問題的有限元法 題目層次不宜太多。不論幾級標題都不能單獨置于頁面的最后一行，即標題排版中不能出現孤行。正文的排版中各段也盡可能不出現孤行。 這就是錯的 說明：公式中第一次出現 的物理量應進行注釋，如上所示。若公式前有“解”、“證”、“假設”等文字時，文字頂格寫。 每一章都另起一頁 公式在換行排版時，采取與等號對齊的方式。 盡可能不要出現這種情況 公式用編輯器輸入，編號的方法和圖名的編號一致，公式居中，編號右對齊。 公式未不加標點，一般只有文中需要引用的或重要的公式才編號。文章中引用公式時，一般用“見式（ 2。 操作：公式編號右對齊，在段落中使用 把公式手動調到居中 。 哈爾濱理工大學學士學位論文 5 有限元理論到現在發展的已比較成熟，就簡單的介紹這些。本試驗中還涉及到彈塑性有限元的有關理論，這里也不作介紹。 圖 2面矩形 章小結 重要提示 ： 套用“論文模板”時，應注意 千萬 不要刪掉每章（包括“摘要”、“ “目錄”部分） 末尾的“分節符 (下一頁 )”， 此符號不會被打印， 圖標如下： 如不慎刪除，會導致整個排版及頁碼混亂！ ！ 如果 上述圖標 在你的電腦上未顯示，可以點擊 “段落”里的“顯示 /隱藏段落標記”： 重新 添加方法：在頁面布局的“分隔符”下： 哈爾濱理工大學學士學位論文 6 第 3章 仿真建模 屬切削過程描述 金屑切削過程就是在由機床提供必要的運動和動力的條件下，車刀的一般形狀見圖 3 圖 3刀的組成 真模型的建立 體模型 圖 3通過采用彈塑性有限元 (更新的拉格朗日方法 )模擬的切削仿真，模型中創建了三個部件 對于切削過程中工件切削區域應力分布的研究可以使我們知道導致切屑與工件分離的主要原因。而對不同倒棱角度和進給速度的刀具加工過程的計算模擬也可以分析這些參數在加工過程中對工件的應力分布的影響。下面即本文的工件切削區域 的應力（ 算結果。 不同切削速度會對工件和刀具的應力產生不同影響，如圖 4示為刀具進給速度分別為 200 、 300 、 400 m/工件切削區域的應力（ 算結果。 對于這種大的塑性變形問題，應該采用自適應網格技術。隨著刀具的進給，正在被加工的部分應該實現網格細劃，應用足夠細密的網格以保證擬的結果具有足夠的精度是非常重要的，粗糙網格可能會使隱式或顯式分析產生不準確的結果。 料特性 本次仿真中，切削參數為切深 p=削速度 和倒棱角度 見表 3 哈爾濱理工大學學士學位論文 7 表 3真參數 項目 刀具切削速度， m/具倒棱角度 ， () 1 200 5 2 200 10 3 200 15 章小結 表格的排序方法與圖和公式一致，表格名稱位于表格上方，居中。表格中的字和表名字號為 5 號 論文中的表一律不畫左右端線，表的設計應簡單明了，表格寬度與頁面寬度對齊 。 標值的數 字盡量不超過 3 位數，或小數點以后不多于 1 個“ 0”。如用 30替 30000m，用 5 ，并與正文一致。 表中所涉及到的單位一律不加圓括號，用逗號“，”與量值隔開。 操作： 表格設置 擇“表格屬性” 框和底紋”，如圖 后點確定。 角度單位分秒的符號不處于數字后時，用括號： ()， ()， ()。 哈爾濱理工大學學士學位論文 8 第 4章 仿真計算分析與結果比較 棱角度對 切削力的影響 驗參數 本次仿真中，切削參數為切深 p=角 =7 ，切削速度 和倒棱角度 削過程的模擬結果 整個仿真過程計算了 6 個模型，在不進行質量放大的情況下平均每個模型大約需要計算 10 個小時左右，下圖為其中前角為 10 的一個模型的仿真過程。 件切削區域的應力分布 對于切削過程中工件切削區域應力分布的研究可以使我們知道導致切屑與工件分離的主要原因。而對不同倒棱角度和進給速度的刀具加工過程的計算模擬也可以分析這些參數在加工過程中對工件的應力分布的影響。下面即本文的工件切削區域的應力（ 算結果。 首先應該知道切削力的來源主要有兩個方面，一是切屑形成過程中彈性變形及塑性變形產生的抗力，二是刀具與切屑及工件表面之間的摩擦阻力，克服這兩方面的力就構成了切削合力。它作用于前刀面和后刀面上。通常我們將切削力按照空間直角坐標分解為三個相互垂直的切削 分力，即切削力、軸向力、和背向力。其中切削力切于加工表面，并于基面垂直；軸向力處于基面內與進給方向相同。 如果這里有圖，且圖大或多，插圖處的該頁空白不夠排寫該圖整體時，則可將其后文字部分提前，將圖移到次頁最前面。 (屬于同一小節內容的圖表盡量與對應的文字靠近。 ) 這里的空白就是錯的。 哈爾濱理工大學學士學位論文 9 (a) (b) (c) 圖 4棱角度 =分別為 5 、 10、 15 時的應力分布情況 當一幅圖中有幾個小圖時，盡可能將它們放在一頁上，可以將圖后面的文字 調 整 到 圖 前面去，另外圖和圖名應該放在一頁上。 哈爾濱理工大學學士學位論文 10 削力影響分析 如圖 44以上三組切削狀態下（倒棱角度分別為 5 、 10、15 ）在剛性平板參考點得到的整體切削力的變化曲線。通過歷史變量輸出求得他們的主切削力，并進行了比較。 具進給速度對切削力的影響 驗參數 本次仿真中，切削參數為切深 p =角 =7 ，刀具進給速度v 和 倒棱角度 見表 4 件切削區域的應力分布 不同切削速度會對工件和刀具的應力產生不同影響，如圖 4示為刀具進給速度分別為 200 、 300 、 400 m/工件切削區域的應力（ 算結果。 交切削實驗 驗條件 機床為 有變頻調速裝置，用轉速表進行切削速度的檢測。 切削力的測量采用瑞士 257B 型壓電式測力儀如圖 4出的電荷信號經配套的電荷放大器（ 大，并轉換為直流電壓信號，經中泰 行 A/D 轉換，實現數據采集，再通過計算機處理、分析，并輸出最終測量結果。 件材料 工件材料為 硬鋼，通過熱處理得到硬度 為 試驗用料。軸承鋼 當于日本的 4805 ，及美國的，精煉不銹鋼 9 ， 滾動軸承鋼 182542000（高碳鉻軸承鋼）。 具材料 片牌號采用英國 司 列 量 80中等粒度，刃口形式如圖 4示 。 哈爾濱理工大學學士學位論文 11 圖 4同倒棱角度 （ 5， 10， 15） 對切削力的影響 交高速硬態切削實驗 片牌號采用英國 司 列 量 80中等粒度，實驗所用材料淬硬鋼 碳量 因此采用 具在較小切削深度和進給量下進行高速精密硬態切削。 對于切削過程中工件切削區域應力分布的研究可以使我們知道導致切屑與工件分離的主要原因。 表 4驗用刀具幾何參數 采用正交高速切削的方法，試件制備如圖所示，薄片厚度為 徑為 130工方式如圖 4示 。 前角 后角 刃傾角 倒棱寬度 倒棱前角 o , () o , s , () , , () 0 5 0 0， 20， 30 圖中坐標標值線朝里； 圖中所涉及到的單位一律不加圓括號，用逗號“，”與量值隔開； 標值的數字盡量不超過 3位數。其他要求比如圖名格式等 ,見 的設置 。 這是錯的， 圖中字體應小于正文字號 。 哈爾濱理工大學學士學位論文 12 圖 4交高速硬態切削實驗 具幾何參數對高速切削力的影響 采用單因素實驗方法，選擇 具 研究倒棱角度在高速切削狀態下對切削力的影響，切削速度 90削寬度為 1倒棱角度對切削力的影響 2 切削速度對切削力的影響 章小結 插圖與其圖題為一個整體，不得拆開排寫于兩頁。 這是錯的 哈爾濱理工大學學士學位論文 13 結論 本文通過對切削加工的基本機理的研究，建立了模擬加工過程的有限元模型。工件材料的變形看成為各項同性的熱塑性變形，分析過程中考慮了工件機械物理性能對加工的影響。切屑的分離通過自適應網格劃分實現并對其加工過程進行了計算模擬，得到了如下一些結果： 1對不同倒棱角度進行分析，當倒棱角度在 5o15o 時，得出切削力隨倒棱角度增大而增大；對不同切削速度進行分析，當切削 速度在200m/00m/，得出切削力隨切削速度增大而減小； 2計算結果得到了與實際相符合的切屑變形的結果； 3實驗和仿真兩種方式所得到的結果良好吻合證明了若在參數設置合理和主次分清的情況下，用有限元軟件來準確地模擬切削過程是完全可行的， 真正達到用虛擬仿真來指導實踐的目的。 4在有限元建模方面，網格的自適應，局部細分技術在模擬過程中發揮了重要的作用。 在本文結束之際，總結自己所做的工作，受時間和研究水平所限，認為在以下幾方面工作還應進一步深入研究： 1進一步對 行開發與應 用，將現有的仿真技術有針對地和切削試驗進行結合，來提高結果的精度。 2拓寬有限元模擬定內容，實現對工件表面殘余應力和刀具磨損的仿真和模擬。 3在現有二維分析的基礎上，實現對三維切削過程的有限元模擬和仿真。 結論是整個論文的總結，應以簡練的文字說明論文所做的工作及得到的主要結論，一般不超過兩頁。 理工類畢業論文一般為 字左右；有獨特見解的論文字數不受限制。 將 “ 結論 ” 2 字 選中 ，然后點擊樣式里的“標題” 哈爾濱理工大學學士學位論文 14 參考文獻 1 林來興 空間控制技術 宇航出版社 ， 1992： 2542 2 D Q 簡 單的邏輯學 趙明燕 譯 山西教育出版社 ，2011： 1217 3 J R D 1994， 5(1) ： 2438 4 文東輝，劉獻禮 ， 李連 等 具硬態切削加工機理 ， 機械技術 ，2001 年 ， 第 18 卷 ， 第 6 期 ： 2438 書名 一版應省略） . 作者 . 出版者， 作者 . 書名 . 引用部分起止頁 出版者， 譯者 一 版應省略） . 出版年： 文章名 . 學術刊物名， 卷，期： 中文 卷 (期 )： 英文 年， 作者 . 引用部分起止頁 中文作者姓名只列3 人，多于 3 人，則其后加“等”。 論文中引用的文獻應以近期 發表的與論文工作直接有關的文獻為主。 工程設計型論文參考文獻數量不少于 10 篇，其中外文文獻不少于 2 篇。 實驗研究、理論研究參考文獻數量不少于 15 篇，其中外文文獻不少于 3 篇。 著作圖書文獻： 翻譯圖書文獻： 學術刊物文獻： 序號和詞條間空兩個字，不加標點 引用部分起止頁 出版年： 將 “ 參考文獻 ” 4 字 選中 ，然后點擊樣式里的“標題” 中英文格式完全相同，參照下例： 參考文獻中所有的“”為英文全角打出的 ，“ ： ”和“ ， ”為中文形式打出的。 英文文獻表示期的圓括號是在英文半角下打出的 ,與前面的數字無空格， 與后面的“：”空一格。 操作： 英文全角為： 英文半角為： (點擊即可切換 ) 哈爾濱理工大學學士學位論文 15 5 S M K R 990： 825830 6 諶穎 空間最優交會控制理論方法研究 哈爾濱工業大學博士論文 ，1992： 813 作者 . 研究生名 . 學位論文題目 . 答辯年份： 引用部分起止頁 文章名 . 編者名 . 會議名稱， 引用部分