铸态高强度耐磨铝青铜正交切削过程研究.pdf

机槭设计与制造
第4期
18
Machinery Design Manufacture
2014年4月
铸态高强度耐磨铝青铜正交切削过程研究
吴勃,王匀,王霄,蔡兰
(江苏大学机械工程学院,江苏镇江212013)
摘要:金属切削过程涉及复杂的非线性问题,基于材料变形的弹塑性理论,建立了铸态高强度耐磨铝青铜正交切削过
程的三维数值模型,分析了切削区的应力分布、温度分布和切削力规律。结果显示工件上的等效应力主要分布于刀刃附
近,最大等效应力则分布于第I变形区;最高温度分布于第Ⅱ变形区中,切屑与刀具摩擦区离刀刃一定距离部位;切削力
随切削深度的增大而线性增大。数値分析结果与试验结果一致性很好,表明金属切削过程数值分析方法在研究切削理论
与材料切削エ艺性能等方面意义重大。
关键词:金属切削;正交切削;有限元法;数值分析
中图分类号:TH16;TG506文献标识码:A文章编号:1001-3997(2014)04-0018-03
Investigation into the Orthogonal Cutting Process of As-cast High Aluminum Bronze
WU Bo. WANG Yun. WANG Xiao. CAI Lan
School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Jiangsu Zhenjiang 212013, China
Abstract: Metal cutting involves the complex nonlinear problems. A dopted the theory of elastic-plastic deformation, the
three -dimension orthogonal cutting finite element model of as - east high aluminum bronze is established. The stress
distribution, emperature dis buton d c n oe simled and aly ed By comparing the results of the simulation
and the experiment, good consistency is achieved uhich proves that the finite element model of metal cutting process has a
very important application le in the studies on met utting theory and maeil cutting capabily
Key ords: Metal Cutting; Orthogonal Cutting; Finite Element Method; Simulation
引言
行,即正交切削,采用三维有限元模型进行模拟。刀具选取切削部
金属切削过程是一个很复杂的非线性变形过程,它不但涉位作研究对象;工件选取靠近切削层部位材料,在切削宽度方向
及到弹性力学、塑性力学、断裂力学,还有热力学、摩擦学等。传统上的工件厚度超过切削深度的5倍,在切削深度方向上的工件厚
的研究方法主要是借助试验研究,物理过程测试困难,要想获得度超过切削深度10倍,在切削速度方向上的工件厚度超过切削
较多的试验数据,需要进行大量的试验,花费非常高的成本。续深度20倍,以承担材料的应力、应变和温度梯度等。
而,采用数值模拟研究切削过程中的金属变形、应力应变及其温
刀具材料的强度、硬度远高于工件材料,所以在切削过程中
产生的应变非常小,分析时假定其为刚性材料。工件材料被认为
度分布等物理现象,可以用较低的成本,较短的时间内获得较
是弹塑性材料。切削过程中,由于温度、应变和应变率的增加,工
为丰富的数据,对研究金属切削理论、材料的切削加工工艺性能
和优化切削工艺性能等提供极大的帮助,是最有发展前景的研究
件材料在切削区域发生变形。工件材料处于弹性变形时的特性参
数为弹性模量E和泊松比y。在塑性变形时,流动应力模型考虑
方法之一?。
这些因素对材料特性的影响,出 Johnson and Cook的经验模型公
高强度耐磨铝青铜具有高强度、耐蘑和减摩的显微组织,其
式给出η
力学性能和摩擦磨损性能优于其它同类合金。基于材料变形的弹
m
塑性理论,建立了铸态高强度耐磨铝青铜正交切削过程的三维数
0=A+B
值分析模型,获得了工件上切削区的应力分布、温度分布和切削
力等结果,结果与试验结果进行比较,验证了数值分析模型的有式中:A、B,n、C和m由材料自身决定的常数;7一材料的熔点;
T为室温;一参考应变速率。
效性。
2金属切削过程的数值模型的建立
2.2金属切削过程模型的建立
刀具ー切屑接触面有两个不同的摩擦区:滑动摩擦区和粘结
2.1几何模型和材料模型
摩擦区。在切削模型的刀-屑和刀ー工件的接触区上应用库仑摩擦
切削时,刀具主刀刃垂直于切削速度方向,且与工件表面平定律,当IF, I < UIF IE时,接触区是粘附的,摩擦应力保持常数;当
来稿日期:2013-10-04
基金项目:江苏省光子制造科学与技术重点实验室开放基金(CZ200714);江苏省科技支撑(工业)项目(BF2012149);
江苏省“33工程”科研项目(BRA201180);数字化制造技术省髙校重点建设实验室基金( HGDMI-1002)
作者简介:吴勃,(1977-),男,江苏镇江人,博土,讲师,主要研究方向:机械制造及其自动化