高強(qiáng)鋼車銑加工中工件溫度場(chǎng)建模與試驗(yàn)研究.pdf

1、航空工業(yè)是帶動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)和尖端科技發(fā)展，鞏固國防建設(shè)的國家戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。航空零部件服役場(chǎng)合的特殊性不斷對(duì)其制造品質(zhì)提出高要求，所以嚴(yán)格控制產(chǎn)品表面質(zhì)量已成為航空制造業(yè)的準(zhǔn)則。航空材料中有相當(dāng)一部分為難加工金屬材料，其切削過程中特別是精加工階段的切削力和工件溫度會(huì)直接影響到工件表面質(zhì)量。然而，難加工材料的機(jī)加工性能差，切削過程中的力、熱載荷對(duì)零件表面質(zhì)量影響強(qiáng)烈，因此準(zhǔn)確預(yù)測(cè)切削力和工件溫度對(duì)于保證航空關(guān)鍵零部件的加工質(zhì)量和服役性能有著深遠(yuǎn)的

2、意義。
　　飛機(jī)起落架是航空關(guān)鍵部件之一，其材料300M超高強(qiáng)度鋼具有強(qiáng)度高、硬度高、導(dǎo)熱性差等特點(diǎn)，材料去除過程中刀具磨損迅速，屬于典型的航空難加工材料。立銑和正交車銑是起落架制造中具有代表性的加工工藝，因此有必要對(duì)兩種工藝下的切削力、熱狀態(tài)進(jìn)行研究?？墒侵两駷橹乖谌S復(fù)雜切削溫度場(chǎng)建模方面所取得的成果，特別是對(duì)工件端的探索，還相當(dāng)有限，有關(guān)300M鋼的切削有限元仿真和表面完整性分析的工作也較為缺乏。為此，本文針對(duì)上述兩種工藝，

3、開展了300M鋼加工中關(guān)鍵共性問題的基礎(chǔ)研究。
　　文中建立了考慮后刀面磨損的立銑和正交車銑切削力模型。在對(duì)切削區(qū)域進(jìn)行離散之后，根據(jù)所建立的機(jī)械力學(xué)模型對(duì)切削微元進(jìn)行幾何、運(yùn)動(dòng)及力學(xué)分析，實(shí)現(xiàn)了整體切削力和后刀面摩擦力的求解?；谇邢魑⒃ㄆ矫嫔系氖芰Ψ治觯岢鲆环N由機(jī)械力學(xué)模型預(yù)估出的三向剪切作用力計(jì)算剪切面上剪切力的方法，從而滿足了切削溫度研究對(duì)剪切力和后刀面摩擦力的需求。
　　基于離散切削熱源和時(shí)間的思想，將離散后的

4、熱源視為瞬時(shí)面矩形熱源，從而建立了考慮主剪切區(qū)和后刀面摩擦區(qū)熱源的工件溫度場(chǎng)模型。分析了剪切面和后刀面磨損帶上的熱源熱量及熱分配比例。提出正向和逆向積分算法，前者能夠描述工件溫度場(chǎng)的變化歷程，后者能高效地揭示工件溫度場(chǎng)隨銑刀運(yùn)動(dòng)的周期性變化規(guī)律，通過構(gòu)造周期性溫升無窮級(jí)數(shù)實(shí)現(xiàn)了逆向積分算法的求解，算法的收斂性也得到證明。此工件溫度場(chǎng)模型能夠如有限元仿真那樣模擬出工件溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化情況，而計(jì)算時(shí)間遠(yuǎn)短于有限元方法，為切削溫度場(chǎng)的研究提供

5、了一種新選擇。
　　為獲取預(yù)測(cè)模型中的重要輸入?yún)?shù)，通過逆向工程獲得刀具幾何輪廓并通過材料熱分析測(cè)定了刀具和工件的熱特性參數(shù)。在不同的主軸轉(zhuǎn)速、每齒進(jìn)給量、工件半徑、工件銑刀轉(zhuǎn)速比及后刀面磨損量等條件下，開展立銑和正交車銑試驗(yàn)，在試驗(yàn)中對(duì)切削力、熱進(jìn)行測(cè)量，驗(yàn)證了力、熱理論模型的準(zhǔn)確性。同時(shí)分析了不同工況對(duì)300M鋼切削力、熱的影響，并通過方差分析和極差分析考察了正交車銑中不同工藝參數(shù)對(duì)切削力、熱影響的顯著性。
　　建立了3

6、00M鋼的立銑有限元模型。依據(jù)一系列材料力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果確定了國產(chǎn)300M鋼的材料本構(gòu)方程。對(duì)比仿真得出的切削力和工件溫度與試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了有限元模型的有效性。通過有限元技術(shù)分析了不同切削速度對(duì)工件溫度的影響，并可獲得試驗(yàn)未涉及到的工況下及試驗(yàn)難以觀測(cè)到的數(shù)據(jù)。
　　結(jié)合力熱理論預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了使用未磨損和后刀面已磨損的刀具在不同的主軸轉(zhuǎn)速和每齒進(jìn)給量的條件下，所加工出的工件表面粗糙度、表面殘余應(yīng)力，硬化層深度的